EP4375588A1 - Dispositif de production de froid comprenant un cycle de réfrigération à éjecteur simple amélioré et procédé de production de froid associé - Google Patents

Dispositif de production de froid comprenant un cycle de réfrigération à éjecteur simple amélioré et procédé de production de froid associé Download PDF

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EP4375588A1
EP4375588A1 EP23212500.5A EP23212500A EP4375588A1 EP 4375588 A1 EP4375588 A1 EP 4375588A1 EP 23212500 A EP23212500 A EP 23212500A EP 4375588 A1 EP4375588 A1 EP 4375588A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ejector
compression member
working fluid
branch
reversible compression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23212500.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Simone BRACCIO
Nathan GUILLOU
Hai Trieu Phan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4375588A1 publication Critical patent/EP4375588A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/06—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of jet type, e.g. using liquid under pressure
    • F25B1/08—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of jet type, e.g. using liquid under pressure using vapour under pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/002—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy
    • F25B27/005—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy in compression type systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves

Definitions

  • the invention will find its application more particularly for cold production devices operating from a heat source at a low thermal level, for example of the order of 80°C to 150°C, potentially fluctuating, or even intermittent.
  • the invention specifically relates to systems based on a single ejector refrigeration cycle. It will find applications for the production of stationary cold for industry or housing or applications for the production of even on-board cold.
  • thermo compressor also called thermo compressor or ejector.
  • Single ejector refrigeration cycles acronym SERS for Single Ejector Refrigeration System in English, use an ejector in place of a mechanical compressor.
  • An ejector refrigeration cycle operates from thermal power supplied to a generator (Qgen) used to evaporate a working fluid at high pressure.
  • the high-pressure, high-temperature steam known as the primary fluid, is expanded and used to entrain low-pressure secondary steam from an evaporator. It is the passage of secondary steam through the evaporator which produces the useful effect of the cycle.
  • the secondary fluid evaporates in the evaporator, absorbing the thermal power of the environment (Qevap) which cools.
  • Qevap thermal power of the environment
  • This cycle presents a good COP (Coefficient of Performance), defined as Qevap//Qgen, around its design point, but if the generator pressure and/or the condenser pressure vary, the COP decreases sharply until a malfunction total of the machine.
  • the ejectors ( Figure 1 ) are simple components, without moving parts, and inexpensive which make it possible to mix two incoming flows, a fluid 1 (the primary) at high pressure and another fluid 2 (the secondary) at low pressure, to produce an outgoing flow at intermediate pressure.
  • the major limitation of ejectors is that, as they have no moving part, they have no possibility of regulation and therefore they lose a lot of efficiency. outside their nominal regime.
  • the hot source in particular does not allow the ejector to operate in its nominal regime, which limits the development of this technology.
  • the presence of the first reversible compression member at the ejector outlet makes it possible to precisely and effectively regulate the conditions at the ejector outlet, thus making it possible to operate as close as possible to its nominal speed.
  • the presence of the first compression member makes it possible to adapt the operation of the ejector according to the conditions of the intermediate source ensuring the heat exchange with the condenser. So when the intermediate source which is advantageously ambient air heats up or cools down, the pressure in the condenser increases or decreases, moving the operation of the ejector away from its nominal speed and therefore its COP.
  • the reversible expansion/compression member or the expansion member and the compression member thus allows, depending on the conditions of the intermediate source and therefore the operation of the condenser to compress or expand the fluid leaving the ejector so that it is as close as possible to the nominal operation of the ejector.
  • the presence of the second reversible compression member at the inlet of the ejector makes it possible to precisely and effectively regulate the conditions at the inlet of the ejector, thus making it possible to operate as close as possible to its nominal speed.
  • the presence of the second expansion/compression member makes it possible to adapt the operation of the ejector according to the conditions of the hot source ensuring the heat exchange with the generator. So when the hot source which is for example solar thermal energy heats up or cools down, the pressure in the generator increases or decreases, moving the operation of the ejector away from its nominal speed and therefore its COP.
  • the reversible expansion/compression member or the expansion member and the compression member thus allows, depending on the conditions of the hot source and therefore the operation of the generator, to compress or expand the fluid entering the ejector to that it is as close as possible to the nominal operation of the ejector.
  • the first reversible compression member arranged on the mixing branch and the second reversible compression member arranged on the driving branch are mechanically connected so that one reversible compression member mechanically drives the other reversible compression member.
  • this allows that the organ which carries out an expansion of the working fluid mechanically drives the other organ responsible for carrying out compression.
  • the cold production method according to the invention in which the device comprises a control module comprises a plurality of valves 301, 302, 303, 401, 402, 403 intended to control the circulation of the working fluid in the circuit fluidic and in particular in the second reversible compression member 400 and a plurality of sensors intended to measure predefined parameters on the fluidic circuit, the method comprising the measurement of predefined parameters on the fluidic circuit by sensors, the comparison of the measurements with values predefined and the alternative implementation of a compression mode or an expansion mode of the second reversible compression member or of a bypass of the second reversible compression member.
  • the upstream and downstream, the inlet, the outlet, at a given point are taken with reference to the direction of circulation of the fluid.
  • a parameter “substantially equal/greater/less than” or “of the order of” a given value we mean that this parameter is equal/greater/less than the given value, to within plus or minus 10%, or even to plus or minus 5% of this value.
  • fluidically connected or “in fluidic connection” is understood to mean when a line provides a connection through or in which a fluid circulates.
  • the expression "A fluidically connected to B” is synonymous with "A is in fluidic connection with B” and does not necessarily mean that there is no organ between A and B.
  • the expressions " arranged on” or “on” are synonymous with “fluidically connected to”.
  • these expressions mean a fluid connection between two elements, this connection which may or may not be direct. This means that it is possible that between a first element and a second element which are fluidically connected, a path of a fluid exists through one or more conduits, possibly an additional organ.
  • the term “fluidically directly connected” means a direct fluidic connection between two elements. This means that between a first element and a second element which are fluidically directly connected no other element is present, other than one or more conduits.
  • hot, cold, cooled we mean a relative temperature compared to another point in the system.
  • An ejector refrigeration cycle also called a simple ejector refrigeration cycle (SERS) advantageously comprises a pump 101, a generator 102, an expander 103, an evaporator 104, a condenser 105 and an ejector 200.
  • SERS simple ejector refrigeration cycle
  • the refrigeration cycle comprises a fluid circuit making it possible to ensure the fluid connection of the different elements as well as the circulation of a working fluid.
  • the fluidic circuit comprises a driving branch on which the pump 101 and the generator 102 are arranged.
  • the driving branch extends from the inlet of the pump 101 to the primary fluid inlet 201 of the ejector 200.
  • the motor branch operates at high pressure.
  • the working fluid circulating in this driving branch is preferentially compressed by the pump 101.
  • the pressure in the branches depends strongly on the working fluid. For example, using R600 as working fluid, the pressure in the power branch is of the order of 15 bars, for example between 10 bars (for a heat source at 80°C) and 35 bars ( for a heat source at 150°C).
  • the fluidic circuit comprises a refrigeration branch on which the expander 103 and the evaporator 104 are arranged.
  • the refrigeration branch extends from the inlet of the expander 103 to the secondary fluid inlet 202 of the ejector 200.
  • the refrigeration branch operates at low pressure.
  • the working fluid circulating in this refrigeration branch is preferentially expanded by the regulator 103.
  • the pressure in the refrigeration branch is of the order of 1.5 bar, for example between 1 and 2 bars.
  • the fluidic circuit comprises a mixing branch on which the ejector 200 and the condenser 105 are arranged.
  • the mixing branch extends from the inlets 201, 202 of the ejector 200 to the outlet of the condenser 105.
  • the mixing branch operates at intermediate pressure.
  • the pressure in the mixing branch is of the order of 2 bars, for example between 2 and 2.5.
  • the three branches of the fluidic circuit are arranged in parallel to each other.
  • the fluidic circuit comprises a driving loop, or primary loop, comprising the driving branch and the mixing branch.
  • the driving loop includes the ejector 200, the condenser 105, the expander 103 and the generator 102.
  • the working fluid is here called the driving fluid or primary fluid.
  • the working fluid exits in liquid form from the outlet of the condenser 105 and is then called engine fluid or engine working fluid here.
  • the liquid working fluid is compressed by the pump 101 arranged on the driving branch to be sent into the generator 102. In the generator 102, the compressed liquid working fluid is vaporized, advantageously by transfer of thermal energy from a hot source.
  • the motive fluid in the state of compressed vapor enters the ejector 200, via the primary fluid inlet 201.
  • the ejector 200 is configured to create an acceleration of the motive fluid .
  • the working fluid drives the steam from the refrigeration loop, thus allowing the mixing of the working fluid and the refrigerating fluid.
  • the fluid mixed in the vapor state enters the condenser 105 to be condensed there.
  • the fluidic circuit comprises a refrigeration loop, or secondary loop, comprising the refrigeration branch and the mixing branch.
  • the refrigeration loop includes the ejector 200, the condenser 105, the expander 103 and the evaporator 104.
  • the working fluid leaves in liquid form from the outlet of the condenser 105 and is then called refrigeration fluid or secondary fluid here.
  • the liquid refrigerant fluid undergoes a preferentially isenthalpic expansion through the expander 103 before being routed to the evaporator 104 for the production of cold.
  • the refrigerating working fluid is evaporated by recovering thermal energy from a source to be cooled.
  • the source to be cooled is ambient air.
  • the refrigerating working fluid is in the vapor state, preferably low pressure, which is sucked in by the working fluid in the ejector 200 via the secondary fluid inlet 202.
  • the working fluid which is sent to the refrigerating branch corresponds to the working fluid which can be driven by the ejector and therefore which is not sucked up by the pump 101.
  • the advantage of this refrigerating cycle with a simple ejector is to replace the work consumed by a compressor by a much lower work consumed by the pump 101, and by heat supplied to the generator 102 preferably at medium or high temperature.
  • the working fluid is chosen from ammonia, water, HSC, HFO.
  • the device according to the invention is particularly suitable for the use of hot sources from which the thermal energy comes from renewable energy such as solar thermal energy, geothermal energy, waste heat.
  • the hot source brings a quantity of energy Q gen into the generator 102 for the benefit of the motor working fluid.
  • the hot spring is at a temperature between 80 and 150°C.
  • the temperature of the engine working fluid in the generator 102 is of the order of 100°C.
  • the refrigerating working fluid evaporates using thermal energy from a source to be cooled.
  • the source to be cooled is preferably the ambient fluid such as air.
  • the source to be cooled brings a quantity of energy Q evap into the evaporator 104 for the benefit of the refrigerating working fluid.
  • the source to be cooled is at a temperature between -20°C and 20°C.
  • the temperature of the refrigerating working fluid in the evaporator 104 is of the order of 5°C.
  • the mixed working fluid coming from the ejector in the vapor state is condensed to return to a liquid state at the outlet of the condenser 105.
  • the condensation of the mixed working fluid is done by transfer of thermal energy from the working fluid mixed for the benefit of the environment and in particular an intermediate source.
  • the quantity of thermal energy transmitted is Q cond .
  • the intermediate source is the environment, such as ambient air.
  • the intermediate source is at a temperature between 20 and 35°C.
  • the temperature of the working fluid mixed in the condenser 105 is of the order of 20°C.
  • the regulator 104 is advantageously an expansion valve.
  • the ejector 200 is advantageously a steam ejector.
  • the ejector 200 is chosen from a conventional ejector as illustrated in figure 1 or may be an ejector with variable sections known to those skilled in the art.
  • the ejector 200 comprises the inlet of a primary fluid 201, the inlet of a secondary fluid 202, a sonic throat of the primary injector 203, a mixing chamber 204, a diffuser 205 and a fluid outlet of mixed work 206.
  • the high pressure flow of the generator 102 accelerates into the inlet of the primary fluid 201 at the inlet of the sonic neck 203. This creates a low pressure at the outlet of the sonic neck 203.
  • This low pressure is lower than the pressure at the outlet of the evaporator 104, the refrigerating working fluid in the vapor state comes from the evaporator 104 and is sucked into the ejector 200.
  • the two flow rates are mixed.
  • the speed of the mixture becomes supersonic which makes it possible to balance the pressure difference between the driving branch and the refrigerating branch then the speed of the mixture becomes subsonic in the diffuser 205 and the pressure of the fluid of mixed work adapts to the inlet pressure of condenser 105.
  • the device according to the invention comprises, according to a first aspect, a first reversible compression member 300 arranged downstream of the ejector 200 and upstream of the condenser 105.
  • the first reversible compression member 300 is arranged on the mixing branch.
  • the first reversible compression member 300 is advantageously intended to maintain the operation of the ejector 200 in its nominal regime, in particular during variation in the conditions of the intermediate source at the condenser 105.
  • the intermediate source extends a source advantageously coming from of the environment, it is subject to temperature variations which has repercussions on the operation of the condenser 105.
  • the invention comprises the first reversible compression member 300 arranged between the outlet of the ejector 200 and the inlet of the condenser 105.
  • the first reversible compression member 300 is configured to operate either in compressor mode or in expander mode.
  • first reversible compression member 300 is meant a single member or a compression member and a distinct associated expansion member.
  • reference is made to a reversible compression member without limitation for greater simplicity, but the description also applies to an embodiment in which the device comprises a first compression member and a first expansion member.
  • the use of a first reversible compression member 300, consisting of a single member allows a saving in investment, mass and space by limiting the number of members in the thermodynamic system.
  • the first reversible compression member 300 is advantageously chosen from positive displacement compressors. By this we mean that the compression of the fluid is done by reducing the volume of the compression chamber.
  • the compression member is a piston, screw, scroll compressor also called a scroll compressor or rotary compressor.
  • the first reversible compression member is advantageously associated with an electric motor or generator referenced 304.
  • the cold production device advantageously comprises a control module comprising at least one, and preferably, a plurality of control valves arranged on the fluid circuit so as to control the circulation of the working fluid in the different branches and components of the device.
  • the control module also comprises at least one, and preferably, a plurality of measuring elements such as temperature, pressure and flow sensors, arranged on the fluid circuit of the device.
  • the device comprises a set of fluidic connections G, H, I, J, K, L, M, as well as valves 301.3 102.303 making it possible to control the circulation of the mixed working fluid between the outlet of the ejector 200 and the inlet of the condenser 105 and in particular through the first reversible compression member 300.
  • the device comprises sensors ensuring the measurement of parameters on the fluidic circuit which are collected and analyzed by the control module so that the latter can control the circulation of the working fluid in the fluidic circuit, in particular by actuating the valves and the operation of the reversible compression member so as to alternately select the compression mode, the expansion mode, or the bypass of the reversible compression member.
  • FIG. 2 illustrates the device according to this first aspect of the invention in which all of the fluidic connections are represented.
  • the outlet of the condenser 105 is fluidly connected by a fluid connection A, preferably directly, to the inlet of the pump 101.
  • the outlet of the pump 101 is fluidly connected by a fluid connection B, preferably directly, to the inlet of the generator 102.
  • the output of the generator 102 is fluidly connected by a connection C, preferably directly, to the primary fluid inlet 201 of the ejector 200.
  • the outlet of the condenser 105 is also fluidly connected by a fluidic connection D, preferably directly, to the inlet of the expander 103.
  • the outlet of the expander 103 is fluidly connected by a fluidic connection E, preferably directly, to the inlet of the expander 103.
  • the outlet of the evaporator 104 is fluidly connected by a fluidic connection F, preferably directly, to the secondary fluid inlet 202 of the ejector 200.
  • the outlet 206 of the ejector 200 is fluidly connected, preferably directly, by a fluidic connection G to a valve 3-way valve 301.
  • the 3-way valve 301 is fluidly connected, preferably directly, to the outlet 206 of the ejector 200 by the fluid connection G, to the 3-way valve 302 by the fluid connection H, and to the 3-way valve 303 by the fluidic connection L.
  • the 3-way valve 302 is connected fluidically, preferably directly, to the 3-way valve 301 by the fluidic connection H, to the inlet of the condenser 105 by the fluidic connection M, to a first end of the first member reversible compression 300 by the fluid connection I.
  • the 3-way valve 303 is fluidly connected, preferably directly, to the 3-way valve 301 by the fluid connection L, at a second end of the first reversible compression member 300 by the fluid connection J and at the inlet of the condenser 105 via the fluid connection K.
  • the Figure 3 illustrates the device according to this first aspect of the invention according to a first embodiment in which the condenser is at a pressure greater than the design pressure of the ejector 200. It is here sought to compress the mixing fluid between the outlet 206 of the ejector 200 and the inlet of the condenser 105.
  • the control module is thus configured to allow the circulation of the mixed working fluid in the first reversible compression member 300 operating in a compression mode.
  • the control module is configured to direct the mixed working fluid exiting through the outlet 206 of the ejector 200 into the first reversible compression member 300 operating in compression mode and then to direct the compressed mixed working fluid towards the inlet of the condenser 105.
  • the control module identifies a difference between the measured parameters and the target values. More precisely, the control module identifies that the pressure in the condenser 105 is greater than the target value of the design pressure of the ejector 200. The control module selects the compression mode to increase the pressure.
  • the 3-way valve 301 is configured to direct the mixed working fluid to the fluid connection H, directing the mixed working fluid to the 3-way valve 302.
  • the 3-way valve 302 is configured to direct the mixed working fluid to the fluid connection I.
  • the mixed working fluid flows from the 3-way valve 302, preferably directly towards the first end of the first reversible compression member 300.
  • the first reversible compression member 300 being in compression mode, the mixed working fluid is compressed.
  • the mixed working fluid emerges from the first reversible compression member 300 through its second end.
  • the compressed mixed working fluid leaving the first reversible compression member 300 circulates through the 3-way valve 303, preferably directly, via the fluid connection J.
  • the 3-way valve 303 is configured to direct the compressed mixed working fluid into the fluid connection K, bringing the compressed mixed working fluid to the inlet of the condenser 105.
  • FIG. 4 illustrates the device according to the first aspect of the invention according to a second embodiment in which the condenser is at a pressure lower than the design pressure of the ejector 200. It is here sought to relax the mixing fluid between the outlet 206 of the ejector 200 and the inlet of the condenser 105.
  • the control module is thus configured to allow the circulation of the mixed working fluid in the first reversible compression member 300 operating in an expansion mode.
  • the control module is configured to direct the mixed working fluid exiting through the outlet 206 of the ejector 200 into the first reversible compression member 300 operating in an expansion mode and then direct the expanded mixed working fluid toward the condenser inlet 105.
  • control module identifies a difference between the measured parameters and the target values. More specifically, the control module identifies that the pressure in the condenser 105 is lower than the target value of the design pressure of the ejector 200. The control module selects the expansion mode to reduce the pressure
  • the 3-way valve 301 is configured to direct the mixed working fluid to the fluid connection L, directing the mixed working fluid to the 3-way valve 303.
  • the 3-way valve 303 is configured to direct the mixed working fluid to the fluid connection J.
  • the mixed working fluid flows from the 3-way valve 303 preferably directly towards the second end of the first reversible compression member 300.
  • the first reversible compression member 300 being in expansion mode, the mixed working fluid is expanded.
  • the mixed working fluid emerges from the first reversible compression member 300 through its first end.
  • the relaxed mixed working fluid leaving the first reversible compression member 300 circulates through the 3-way valve 302, preferably directly, via the fluid connection I.
  • the 3-way valve 302 is configured to direct the relaxed mixed working fluid towards the fluid connection M, bringing the relaxed mixed working fluid to the inlet of the condenser 105.
  • FIG. 5 illustrates the device according to this first aspect of the invention according to an embodiment in which the condenser 105 is at a pressure equivalent to the design pressure of the ejector 200. In this configuration, it is not necessary to act on the working fluid mixed between the outlet 206 of the ejector 200 and the inlet of the condenser 105.
  • the control module is configured to direct mixed work from the outlet 206 of the ejector 200, preferably directly, towards the inlet of the condenser 105.
  • the control module is configured to direct the mixed working fluid into a bypass of the first reversible compression member 300.
  • the cycle illustrated in Figure 5 corresponds to a classic SERS single ejector refrigeration cycle.
  • control module does not identify any difference between the measured parameters and the target values. More precisely, the control module identifies that the pressure in the condenser 105 corresponds to the target value of the design pressure of the ejector 200. The control module selects the bypass mode of the reversible compression member.
  • the mixed working fluid exits through the outlet 206 of the ejector 200 then enters the 3-way valve 301, preferably directly, through the fluid connection G.
  • the 3-way valve 301 is configured to direct the mixed working fluid to the fluid connection H, bringing the mixed working fluid to the 3-way valve 302.
  • the 3-way valve 302 is configured to direct the mixed working fluid to the fluid connection M, bringing the mixed working fluid to the inlet of the condenser 105.
  • the first reversible compression member 300 in compression mode is supplied with electrical energy coming for example from a battery or a conventional electrical network. In expansion mode, the first reversible compression member 300 is advantageously connected to a battery so as to store the electrical energy produced by the expansion of the mixed working fluid for later use.
  • the device according to the invention comprises, according to a second aspect, a second reversible compression member 400 arranged upstream of the ejector 200 and downstream of the generator 102.
  • the second reversible compression member 400 is arranged on the driving branch.
  • the second reversible compression member 400 is advantageously intended to maintain the operation of the ejector 200 in its nominal regime, in particular during variations in the conditions of the hot source at the generator 102.
  • the hot source being a source advantageously derived from of the environment, it is subject to temperature variations which has repercussions on the operation of the condenser 105.
  • the invention comprises the second reversible compression member 400 arranged between the outlet of the generator 102 and the inlet 201 of the primary fluid of the ejector 200.
  • the second reversible compression member 400 is configured to operate either in compressor mode or in expander mode.
  • reversible compression member is meant a single member, or else a compression member and a separate expansion member instead of a single second reversible compression member.
  • reference is made only to a reversible compression member for greater simplicity and without being limiting, but the description also applies to the embodiment in which the device comprises a second compression member and a second relaxation member.
  • the use of a second reversible compression member 400 consisting of a single member allows a saving in investment, mass and space by limiting the number of members in the thermodynamic system.
  • the second reversible compression member 400 is advantageously chosen from positive displacement compressors. By this we mean that the compression of the fluid is done by reducing the volume of the compression chamber.
  • the compression member is a piston, screw, scroll compressor also called a scroll compressor or rotary compressor.
  • a reversible compression member 300,400 makes it possible to operate alternately in compression relaxation mode as well as advantageously to have variable flow operation, through regulation of its rotation speed as well as its ability to operate over a range of compression ratio.
  • the second reversible compression member is advantageously associated with an electric motor or generator referenced 404.
  • the device comprises a set of fluidic connections N, O, P, Q, R, S, T, as well as valves 401, 402, 403 making it possible to control the circulation of the engine working fluid between the outlet of the generator 102 and the inlet 201 of the ejector 200 and in particular through the second reversible compression member 400.
  • FIG. 6 illustrates the device according to this second aspect of the invention in which all of the fluidic connections are represented.
  • the outlet of the condenser 105 is fluidly connected by a fluid connection A, preferably directly, to the inlet of the pump 101.
  • the outlet of the pump 101 is fluidly connected by a fluid connection B, preferably directly, to the inlet of the generator 102.
  • the output of the generator 102 is fluidly connected, preferably directly, by a connection N, to a 3-way valve 401.
  • the 3-way valve 401 is fluidly connected, preferably directly, to the output of the generator 102 by the fluidic connection N, to the 3-way valve 402 by the fluid connection S, and to the 3-way valve 403 by the fluid connection O.
  • the 3-way valve 402 is fluidly connected, preferably directly, to the 3-way valve 401 by the fluid connection S, to the inlet 201 of the primary fluid from the ejector 200 via the fluid connection R, to a second end of the second reversible compression member 400 via the fluid connection Q.
  • the 3-way valve 403 is fluidly connected, preferably directly, to the valve 3 ways 401 by the fluidic connection O, at a first end of the second reversible compression member 400 by the fluidic connection P and at the inlet 200 of the primary fluid of the ejector 200 by the fluidic connection T.
  • the outlet of the condenser 105 is also fluidly connected by a fluidic connection D, preferably directly, to the inlet of the expander 103.
  • the outlet of the expander 103 is fluidly connected by a fluidic connection E, preferably directly, to the inlet of the evaporator 104.
  • the outlet of the evaporator 104 is fluidly connected by a fluidic connection F, preferably directly, to the secondary fluid inlet 202 of the ejector 200.
  • the outlet 206 of the ejector 200 is fluidly connected, preferably directly, by a fluidic connection U to the inlet of the condenser 105.
  • FIG. 7 illustrates the device according to this second aspect of the invention according to a first embodiment in which the generator 102 is at a pressure greater than the design pressure of the ejector 200. It is here sought to relax the working fluid between the outlet of the generator 102 and the inlet 201 of the ejector 200.
  • the control module is thus configured to allow the circulation of the working fluid in the second reversible compression member 400 operating in an expansion mode.
  • the control module is configured to direct the working fluid leaving the generator 102 into the second reversible compression member 400 operating in an expansion mode and then directing the expanded working fluid towards the inlet 201 of the ejector 200.
  • sensors measure parameters of the fluid circuit which are transmitted to the control module.
  • the measured parameters are compared to target values by the control module.
  • the control module selected the appropriate operating mode alternately compression mode, expansion mode, bypass of the reversible compression member.
  • the control module identifies a difference between the measured parameters and the target values. More specifically, the control module identifies that the pressure in the generator 102 is greater than the target value of the design pressure of the ejector 200. The control module selects the expansion mode to reduce the pressure.
  • the motor working fluid leaves the generator 102 then enters the 3-way valve 401, preferably directly, via the fluid connection N.
  • the 3-way valve 401 is configured to direct the motor working fluid towards the fluid connection O, bringing the motor working fluid towards the 3-way valve 403.
  • the 3-way valve 403 is configured to direct the motor working fluid towards the fluid connection P.
  • the motor working fluid circulates from the 3-way valve 403, preferably directly towards the first end of the second reversible compression member 400.
  • the second reversible compression member 300 being in expansion mode, the working fluid is expanded.
  • the working working fluid emerges from the second reversible compression member 400 through its second end.
  • the expanded working fluid leaving the second reversible compression member 400 circulates through the 3-way valve 402, preferably directly, via the fluidic connection Q.
  • the 3-way valve 402 is configured to direct the expanded working fluid into the fluid connection R, bringing the relaxed engine working fluid to the inlet 201 of the ejector 200.
  • the figure 8 illustrates the device according to the second aspect of the invention according to a second embodiment in which the generator 102 is at a pressure lower than the design pressure of the ejector 200. It is here sought to compress the mixing fluid between the output of the generator 102 and the inlet 201 of the ejector 200.
  • the control module is thus configured to allow the circulation of the working fluid in the second reversible compression member 400 operating in a compression mode.
  • the control module is configured to direct the working fluid exiting through the outlet of the generator 102 into the second reversible compression member 400 operating in a compression mode and then to direct the compressed working fluid towards the inlet 200 of the ejector 200.
  • the control module identifies a difference between the measured parameters and the target values. More specifically, the control module identifies that the pressure in the generator 102 is lower than the target value of the design pressure of the ejector 200. The control module selects the compression mode to increase the pressure.
  • the motor working fluid leaves through the outlet of the generator 102 then enters the 3-way valve 401, preferably directly, via the fluid connection N.
  • the 3-way valve 401 is configured to direct the motor working fluid towards the connection fluid S, bringing the engine working fluid to the 3-way valve 402.
  • the 3-way valve 402 is configured to direct the engine working fluid towards the fluid connection Q.
  • the engine working fluid circulates from the 3-way valve 402, preferably directly, towards the second end of the second reversible compression member 400.
  • the second reversible compression member 400 being in compression mode, the working fluid is compressed.
  • the compressed working fluid comes out of the second reversible compression member 400 through its first end.
  • the compressed engine working fluid leaving the second reversible compression member 400 circulates through the 3-way valve 403, preferably directly, via the fluid connection P.
  • the 3-way valve 403 is configured to direct the compressed engine working fluid towards the fluid connection T, bringing the compressed engine working fluid to the inlet 201 of the ejector 200.
  • FIG. 9 illustrates the device according to this second aspect of the invention according to an embodiment in which the generator 102 is at a pressure equivalent to the design pressure of the ejector 200. In this configuration, it is not necessary to act on the engine working fluid between the outlet of the generator 102 and the inlet 201 of the ejector 200.
  • the control module is configured to direct the engine work from the outlet of the generator 102, preferably directly, towards the inlet 201 of the ejector 200.
  • the control module is configured to direct the driving working fluid into a bypass of the second reversible compression member 400.
  • the cycle illustrated in Figure 9 corresponds to a simple ejector refrigeration cycle, classic SERS.
  • control module does not identify any difference between the measured parameters and the target values. More precisely, the control module identifies that the pressure in the generator 102 corresponds to the target value of the design pressure of the ejector 200. The control module selects the bypass mode of the reversible compression member.
  • the mixed working fluid exits through the outlet of generator 102 then enters the 3-way valve 401, preferably directly, via the fluidic connection N.
  • the 3-way valve 401 is configured to direct the driving working fluid towards the fluidic connection O, bringing the driving working fluid towards the 3-way valve 403
  • the 3-way valve 403 is configured to direct the working fluid towards the fluid connection T, bringing the mixed working fluid to the inlet 201 of the ejector 200.
  • the second reversible compression member 400 in. compression mode is supplied with electrical energy coming for example from a battery or a conventional electrical network.
  • expansion mode the second reversible compression member 400 is advantageously connected to a battery so as to store the electrical energy produced by the expansion of the working fluid for subsequent use.
  • the cold production device comprises the first reversible compression member 300 and the second reversible compression member 400. This third aspect of the invention is illustrated in the Figure 10 .
  • This third aspect of the invention is particularly advantageous since it makes it possible to control both the pressure of the working fluid at the inlet of the ejector and at the outlet of the ejector.
  • the first reversible compression member 300 and the second reversible compression member 400 are connected.
  • first reversible compression member 300 and the second reversible compression member 400 are associated with one another so that the work produced by one of the members supplies the other member.
  • the first reversible compression member 300 and the second reversible compression member 400 are mechanically associated with one another.
  • one organ mechanically drives the other organ.
  • one of the two members 300,400 in expansion mode which expands the working fluid mechanically drives, preferably in rotation, the other member 300,400 in compression mode which compresses the working fluid .
  • the first reversible compression member 300 and the second reversible compression member 400 are electrically associated with one another.
  • a member 300,400 in expansion mode is associated with an electric generator and thus produces electricity which can either be directly used by the other member 300,400 in compression mode, or be stored in a battery for use subsequently by one or other of the organs 300,400.
  • the cold production device comprises an additional expansion member 500.
  • the additional expansion member 500 is intended to produce electricity alternatively or simultaneously with the production of cold.
  • the additional expansion member 500 is advantageously arranged on a branch branch of the ejector 200. More precisely, the additional expansion member 500 is arranged so as to receive the motor working fluid.
  • the additional expansion member 500 is arranged between the inlet 201 of the ejector 200 and the outlet 206 of the ejector 200, more precisely the inlet of the condenser 105.
  • This fourth aspect of the invention can be combined with the first aspect and/or the second aspect of the invention as illustrated in the Figure 11 .
  • the device comprises the fluid connections V, W, X, Y, Z, G1, G2 and preferably at least two valves 501,502.
  • the 3-way valve 500 is fluidly connected, preferably directly, to the 3-way valve 402 by the fluid connection V, to the 3-way valve 403 by the fluid connection W, the first end of the additional expansion member 500 by the fluidic connection 'ai de, at the inlet of the condenser 105 via the fluidic connection Z.
  • the working fluid leaves the 3-way valve 403 or the 3-way valve 402 and enters the 3-way valve 501 respectively via the fluid connection V or the fluid connection W.
  • the driving working fluid leaves the 3-way valve 501 and enters through the first end into the additional expansion member 500, preferably directly, via the fluid connection the additional expansion member 500 thus producing electricity preferentially by an electric generator 503.
  • the relaxed working fluid leaves the additional expansion member 500 via the second end which is in fluidic connection, preferably directly, with the 3-way valve 502 via the fluid connection Y.
  • the expanded working fluid can then be transmitted directly to the condenser 105 via the fluid connection Z.
  • the device and the associated method are configured to allow the co-production of electricity and cold.
  • the three-way valve 401 allows fluid to flow to both the fluid connection, or line, S and the fluid connection, or line, O.
  • the fluid connection S is then connected fluidly to the valve 402, then the valve 402 is fluidly connected to the valve 501 allowing at least partial circulation of the fluid at the outlet of the generator 102 in the additional expansion member 500 and thus producing electricity, as described below above.
  • the fluid connection O is then fluidly connected 403 which is fluidly connected to the inlet in the ejector 200 by the fluid connection T, allowing at least partial circulation of the fluid at the outlet of the generator 102 in the ejector 200 and thus produce cold, as described above.
  • the cold production device comprises a heat exchanger arranged between the mixing branch and the driving branch. More preferably, the heat exchanger is arranged so as to ensure heat transfer between the mixed working fluid circulating in the mixing branch and the driving working fluid circulating in the driving branch. More precisely, on the mixing branch the heat exchanger is arranged downstream of the ejector 200 and preferably upstream of the condenser 105, more specifically upstream of the first reversible compression member 300. More precisely, on the driving branch, the The heat exchanger is arranged upstream of the generator 102 and preferably downstream of the pump 101. This heat exchanger makes it possible to transfer part of the thermal energy of the mixed working fluid for the benefit of the driving working fluid. This heat exchanger is a kind of preheating of the engine working fluid. This arrangement has the advantages of reducing the thermal power to be supplied to the generator 102, of reducing the size of the generator 102, of reducing the size of the condenser 105.
  • Table 1 - Rated operating point refrigeration cycle Component Typical configuration Generator 102 Hot source temperature: 100°C Overheating: 0°C Power recovered: 100kW Condenser 105 Intermediate source temperature: 20°C Evaporator 104 Source temperature to be cooled: 5° C Overheating: 0°C Pump 101 Flow rate: 765 kg/h, Yield: 80%, Power: 0.6 kW
  • the geometric design of the ejector 200 for the design point of Table 1 is given in Table 2.
  • the designation of the sections of the ejector 200 refers to the figure 2 .
  • Table 3 shows the impact of variations in the temperature of the hot source at generator 102 and of the intermediate source at condenser 105 on the cycle of figures 5 Or 9 .
  • Table 4 shows the impact of variations of the hot source at generator 102 and of the intermediate source at condenser 105 on the cycle of the Figure 10 .
  • Table 5 presents the difference in cold production ⁇ Q evap (kW) and the difference in electricity production ⁇ W tot (kW) between the cycle of the Figure 10 and that of the figure 5 Or 9 .
  • the device according to the invention produces 1.4 kW less cold than a conventional simple ejector cold production device, but makes it possible to produce 2.5 kW of additional electricity. This is interesting when the need for cold is constant since the cold production remains the same as in the design point, but additional electricity is produced. In fact, even in this case, the exergy efficiency of the cycle increases with the invention.
  • the device according to the invention produces more cold (gain of 61.1kW, 53.38kW and 5.7kW) than a device without the invention, at the cost of greater electricity consumption (excess electricity consumption of 3.2kW, 3.8kW and 1.7kW respectively).
  • the electrical COP of the additional cold production, COP elec,sup ⁇ Q evap / ⁇ W tot , is very high (19.14 in cases #2 and #6), and indeed the exegetical yield of the cycle also increases.
  • the device according to the invention makes it possible to continue to satisfy the design cooling demand with the use of a modest additional electrical power, much more efficiently than a normal vapor compression cycle for example.
  • the device according to the invention makes it possible to operate the cycle even though it would be stopped without the invention.
  • the device according to the invention allows both to produce more cold (gain of 6.1kW and 5.9kW) while producing more electricity (gain of 4.6kW and 2kW respectively ).
  • the device according to the invention is particularly useful in all cases where constant cold power is needed and there are heat sources with fluctuating temperatures.
  • the device according to the invention allows the cycle to always operate in its design point, in some cases thanks to the very efficient use of a small electrical power, and in others even allowing the production of a small electrical power in addition to cold.

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Abstract

L'invention un dispositif de production de froid comprenant un cycle de réfrigération à éjecteur comprenant un circuit de circulation d'un fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle: Une branche motrice sur laquelle sont agencés une pompe (101) et un générateur (102), et une branche frigorifique sur laquelle sont agencés un détendeur (103) et un évaporateur (104), et une branche de mélange sur laquelle sont agencés un éjecteur (200) et un condenseur (105) caractérisé en ce qu'il comprend un premier organe de compression réversible (300) agencé sur la branche de mélange en aval de l'éjecteur (200) et en amont du condenseur (105).
L'invention trouvera plus particulièrement son application pour des dispositifs de production de froid fonctionnant à partir de source de chaleur à bas niveau thermique, par exemple de l'ordre de 80°C à 150°C, potentiellement fluctuante, voire intermittente.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente concerne le domaine de la production de froid. L'invention trouvera plus particulièrement son application pour des dispositifs de production de froid fonctionnant à partir de source de chaleur à bas niveau thermique, par exemple de l'ordre de 80°C à 150°C, potentiellement fluctuante, voire intermittente. L'invention concerne tout spécifiquement les systèmes basés sur un cycle à réfrigération à éjecteur simple. Elle trouvera des applications de production de froid stationnaire pour l'industrie ou l'habitat ou des applications de production de froid bien encore embarqué.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • L'approvisionnement en énergie pour la réfrigération et le conditionnement de l'air joue un rôle important dans le monde. Les équipements nécessaires pour la réfrigération et le conditionnement de l'air utilisent notamment des combustibles fossiles. Des recherches ont permis de s'orienter vers l'utilisation d'énergie propre telle que l'énergie solaire, géothermique et la chaleur fatale comme sources directes pour alimenter ces différents équipements.
  • Dans cet esprit, le compresseur mécanique, principal responsable de la consommation d'énergie électrique dans ces équipements, a été remplacé par un compresseur thermique appelé aussi thermo compresseur ou éjecteur. Les cycles de réfrigération à éjecteur simple, d'acronyme SERS pour Single Ejector Réfrigération System en anglais, utilisent un éjecteur à la place d'un compresseur mécanique. Un cycle de réfrigération à éjecteur fonctionne à partir d'une puissance thermique fournie à un générateur (Qgen) utilisée pour évaporer un fluide de travail à haute pression. La vapeur à haute pression et haute température, dite fluide primaire, est détendue et utilisée pour entraîner une vapeur secondaire à basse pression provenant d'un évaporateur. C'est le passage de la vapeur secondaire dans l'évaporateur qui permet de produire l'effet utile du cycle. En effet, le fluide secondaire s'évapore, dans l'évaporateur, absorbant la puissance thermique de l'ambiant (Qevap ) qui se refroidit. Ce cycle présente un bon COP (Coefficient de Performance), définit comme Qevap// Qgen, autour de son point de design, mais si la pression du générateur et/ou la pression du condenseur varient, le COP décroit fortement jusqu'à un dysfonctionnement total de la machine.
  • Les éjecteurs (Figure 1) sont des composants simples, sans pièce mobile, et peu coûteux qui permettent de mélanger deux flux entrants, un fluide 1 (le primaire) à haute pression et un fluide 2 autre (le secondaire) à basse pression, pour produire un flux sortant à pression intermédiaire. La limitation majeure des éjecteurs est que, comme ils n'ont aucune partie mobile, ils n'ont aucune possibilité de régulation et donc ils perdent beaucoup en efficacité en dehors de leur régime nominal. Or, lors de l'utilisation d'une source chaude fluctuante, voire intermittente, comme par exemple l'énergie solaire thermique, la source chaude notamment ne permet pas de faire fonctionner l'éjecteur dans son régime nominal ce qui limite le développement de cette technologie.
  • Il reste donc le besoin de proposer une solution pour produire du froid de manière stable et continue indépendamment de la variation des températures des sources d'alimentation d'un cycle SERS.
    • RESUME
  • Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un dispositif de production de froid comprenant un cycle de réfrigération à éjecteur (SERS) comprenant un circuit de circulation d'un fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle:
    • une branche motrice sur laquelle sont agencés une pompe et un générateur destiné à assurer un échange thermique entre une source de chaleur et le fluide de travail, et
    • une branche frigorifique sur laquelle sont agencés un détendeur et un évaporateur destiné à assurer un prélèvement de chaleur à une source à refroidir, et
    • une branche de mélange sur laquelle sont agencés un éjecteur destiné à assurer le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique et un condenseur destiné à assurer un échange thermique entre une source intermédiaire et le fluide de travail mélangé, issu de l'éjecteur,
    caractérisé en ce qu'il comprend :
    • un premier organe de compression réversible agencé sur la branche de mélange en aval de l'éjecteur et en amont du condenseur.
  • La présence du premier organe de compression réversible en sortie de l'éjecteur permet de réguler de manière précise et efficace les conditions en sortie de l'éjecteur permettant ainsi de fonctionner au plus proche de son régime nominal. En particulier, la présence du premier organe de compression permet d'adapter le fonctionnement de l'éjecteur en fonction des conditions de la source intermédiaire assurant l'échange thermique avec le condenseur. Ainsi lorsque la source intermédiaire qui est avantageusement l'air ambiant se réchauffe ou se refroidit, la pression dans le condenseur augmente ou diminue éloignant le fonctionnement de l'éjecteur de son régime nominal et donc son COP. L'organe de détente/compression réversible ou l'organe de détente et l'organe de compression permet ainsi en fonction des conditions de la source intermédiaire et donc du fonctionnement du condenseur de comprimer ou de détendre le fluide en sortie de l'éjecteur pour qu'il soit au plus près du fonctionnement nominal de l'éjecteur.
  • Selon un autre mode de réalisation pouvant être mis en oeuvre seul ou en combinaison avec le mode de réalisation précédent, on prévoir un dispositif de production de froid comprenant un cycle de réfrigération à éjecteur (SERS) comprenant un circuit de circulation d'un fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle:
    • une branche motrice sur laquelle sont agencés une pompe et un générateur destiné à assurer un échange thermique entre une source de chaleur et le fluide de travail, et
    • une branche frigorifique sur laquelle sont agencés un détendeur et un évaporateur destiné à assurer un prélèvement de chaleur à une source à refroidir, et
    • une branche de mélange sur laquelle sont agencés un éjecteur destiné à assurer le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique et un condenseur destiné à assurer un échange thermique entre une source intermédiaire et le fluide de travail mélangé,
    caractérisé en ce qu'il comprend :
    • un deuxième organe de compression réversible agencé sur la branche motrice en amont de l'éjecteur et en aval du générateur.
  • La présence du deuxième organe de compression réversible en entrée de l'éjecteur permet de réguler de manière précise et efficace les conditions en entrée de l'éjecteur permettant ainsi de fonctionner au plus proche de son régime nominal. En particulier, la présence du deuxième organe de détente/compression permet d'adapter le fonctionnement de l'éjecteur en fonction des conditions de la source chaude assurant l'échange thermique avec le générateur. Ainsi lorsque la source chaude qui est par exemple énergie thermique solaire se réchauffe ou se refroidit, la pression dans le générateur augmente ou diminue éloignant le fonctionnement de l'éjecteur de son régime nominal et donc son COP. L'organe de détente/compression réversible ou l'organe de détente et l'organe de compression permet ainsi en fonction des conditions de la source chaude et donc du fonctionnement du générateur de comprimer ou de détendre le fluide en entrée de l'éjecteur pour qu'il soit au plus près du fonctionnement nominal de l'éjecteur.
  • Avantageusement, le premier organe de compression réversible agencé sur la branche de mélange et le deuxième organe de compression réversible agencé sur la branche motrice sont connectés mécaniquement de sorte qu'un organe de compression réversible entraine mécaniquement l'autre organe de compression réversible. Avantageusement, cela permet que l'organe qui effectue une détente du fluide de travail entraîne mécaniquement l'autre organe chargé de réaliser une compression.
  • Suivant un autre aspect, l'invention concerne un procédé de production de froid à partir d'un dispositif tel que décrit ci-dessus comprenant la circulation d'un fluide de travail dans un circuit de circulation d'un fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle:
    • une branche motrice sur laquelle sont agencés une pompe, assurant avantageusement la mise en circulation d'un fluide de travail dans le circuit fluidique, et un générateur assurant un échange thermique entre une source de chaleur et le fluide de travail, et
    • une branche frigorifique sur laquelle sont agencés un détendeur et un évaporateur destiné à assurer un prélèvement de chaleur à une source à refroidir, et
    • une branche de mélange sur laquelle sont agencés un éjecteur assurant le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique et un condenseur destiné à assurer un échange thermique entre une source intermédiaire et le fluide de travail mélangé,
  • Caractérisé en ce qu'il comprend :
    • Un premier organe de compression réversible agencé sur la branche de mélange en aval de l'éjecteur et en amont du condenseur fonctionnant alternativement selon un mode de compression de sorte à comprimer le fluide de travail issu de l'éjecteur avant qu'il entre dans le condenseur, ou un mode de détente de sorte à détendre le fluide de travail issu de l'éjecteur avant qu'il entre dans le condenseur.
  • Suivant un autre aspect alternatif ou cumulatif à l'aspect précédent, l'invention concerne un procédé de production de froid à partir d'un dispositif tel que décrit ci-dessus comprenant la circulation d'un fluide de travail dans un circuit de circulation d'un fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle:
    • une branche motrice sur laquelle sont agencés une pompe, assurant avantageusement la mise en circulation d'un fluide de travail dans le circuit fluidique, et un générateur assurant un échange thermique entre une source de chaleur et le fluide de travail, et
    • une branche frigorifique sur laquelle sont agencés un détendeur et un évaporateur destiné à assurer un prélèvement de chaleur à une source à refroidir, et
    • une branche de mélange sur laquelle sont agencés un éjecteur assurant le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique et un condenseur destiné à assurer un échange thermique entre une source intermédiaire et le fluide de travail mélangé,
  • Caractérisé en ce qu'il comprend :
    • Un deuxième organe de compression réversible agencé sur la branche de motrice en amont de l'éjecteur et en aval du générateur fonctionnant alternativement selon un mode de compression de sorte à comprimer le fluide de travail issu du générateur avant qu'il entre dans l'éjecteur, ou un mode de détente de sorte à détendre le fluide de travail issu du générateur avant qu'il entre dans l'éjecteur.
    BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :
    • La figure 1 représente un modèle d'éjecteur pouvant être utilisé dans l'invention.
    • Les figures 2 à 5 représentent un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 représente le dispositif de production de froid avec toutes les connexions fluidiques apparentes selon ce premier mode de réalisation.
    • La figure 3 représente le dispositif de production de froid en fonctionnement selon le premier mode de réalisation dans le cas où le condenseur est à une pression supérieure à la pression de design de l'éjecteur.
    • La figure 4 représente le dispositif de production de froid en fonctionnement selon le premier mode de réalisation dans le cas où le condenseur est à une pression inférieure à la pression de design de l'éjecteur.
    • La figure 5 représente le dispositif de production de froid en fonctionnement selon le premier mode de réalisation dans le cas où le condenseur est à une pression égale à la pression de design de l'éjecteur.
    • Les figures 6 à 9 représentent un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 6 représente les dispositifs de production de froid avec toutes les connexions fluidiques apparentes selon ce deuxième mode de réalisation.
    • La figure 7 représente le dispositif de production de froid en fonctionnement selon le deuxième mode de réalisation dans le cas où le générateur à une pression supérieure à la pression de design de l'éjecteur
    • La figure 8 représente le dispositif de production de froid en fonctionnement selon le deuxième mode de réalisation dans le cas où le générateur à une pression inférieure à la pression de design de l'éjecteur.
    • La figure 9 représente le dispositif de production de froid en fonctionnement selon le deuxième mode de réalisation dans le cas où le générateur à une pression égale à la pression de design de l'éjecteur.
    • La figure 10 représente le dispositif de production de froid selon un troisième mode de réalisation combinant le premier mode de réalisation et le deuxième mode de réalisation.
    • La figure 11 représente le dispositif de production de froid selon un quatrième mode de réalisation pouvant assurer une coproduction de froid et d'électricité.
  • Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
    • DESCRIPTION DÉTAILLÉE
  • Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
    • A titre d'exemple, le premier organe de compression réversible 300 et/ou le deuxième organe de compression réversible 400 est de type volumétrique,
    • A titre d'exemple, le premier organe de compression réversible 300 agencé sur la branche de mélange et le deuxième organe de compression réversible 400 agencé sur la branche motrice sont connectés électriquement de sorte qu'un organe de compression réversible 300,400 produit de l'électricité utilisée directement ou indirectement par l'autre organe de compression réversible 300,400. Avantageusement, l'organe qui effectue une détente du fluide de travail produit de l'électricité qui est soit stockée dans une batterie ou directement utilisée pour alimenter l'autre organe chargé de réaliser une compression.
    • A titre d'exemple, le dispositif de production de froid comprend une batterie destinée à stocker l'électricité produite par au moins un organe de compression réversible 300,400 et à fournir électricité stockée un organe de compression réversible 300,400.
    • A titre d'exemple, le dispositif de production de froid comprend un organe de détente supplémentaire 500 destiné à produire de l'électricité et agencé sur une branche parallèle à l'éjecteur 200 disposée entre l'aval du générateur 102, ou du deuxième organe de compression 400 de la branche motrice, et l'aval de l'éjecteur 200, préférentiellement en amont du condenseur 105 ou du premier organe de compression réversible 300 de la branche de mélange.
    • A titre d'exemple, le dispositif de production de froid comprend un échangeur thermique agencé sur la branche de mélange en aval de l'éjecteur 200 et sur la branche motrice en amont du générateur 102 pour transférer de l'énergie thermique entre la branche de mélange et la branche motrice.
    • A titre d'exemple, la source chaude est une source solaire thermique et la source intermédiaire est l'air ambiant.
    • A titre d'exemple, le dispositif de production de froid comprend un module de commande comprenant une pluralité de vannes 301, 302, 303, 401, 402, 403 destiné à commander la circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique et notamment dans le premier organe de compression réversible 300. Avantageusement, le module de commande comprend une pluralité de capteurs.
  • Suivant un aspect, le procédé de production de froid selon l'invention dans lequel le dispositif comprend un module de commande comprend une pluralité de vannes 301, 302, 303, 401, 402, 403 destiné à commander la circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique et notamment dans le premier organe de compression réversible 300 et une pluralité de capteurs destinés à mesurer des paramètres prédéfinis sur le circuit fluidique, le procédé comprenant la mesure de paramètres prédéfinis sur le circuit fluidique par des capteurs, la comparaison des mesures avec des valeurs prédéfinies et la mise en place alternativement d'un mode de compression ou d'un mode de détente du premier organe de compression réversible ou d'une dérivation du premier organe de compression réversible. Suivant un aspect, le procédé de production de froid dans lequel alternativement :
    • lorsque le module de commande identifie que la pression dans le condenseur 105 est supérieure à une valeur cible de la pression de l'éjecteur 200, le module de commande met en place le mode de détente du premier organe de compression réversible 300,
    • lorsque le module de commande identifie que la pression dans le condenseur 105 est inférieure à une valeur cible de la pression de l'éjecteur 200, le module de commande met en place le mode de compression du premier organe de compression réversible 300,
    • lorsque le module de commande identifie que la pression dans le condenseur 105 et égale à une valeur cible de la pression de l'éjecteur 200, le module de commande met en place le mode de dérivation du premier organe de compression réversible 300.
  • Suivant un aspect, le procédé de production de froid selon l'invention dans lequel le dispositif comprend un module de commande comprend une pluralité de vannes 301, 302, 303, 401, 402, 403 destiné à commander la circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique et notamment dans le deuxième organe de compression réversible 400 et une pluralité de capteurs destinés à mesurer des paramètres prédéfinis sur le circuit fluidique, le procédé comprenant la mesure de paramètres prédéfinis sur le circuit fluidique par des capteurs, la comparaison des mesures avec des valeurs prédéfinies et la mise en place alternativement d'un mode de compression ou d'un mode de détente du deuxième organe de compression réversible ou d'une dérivation du deuxième organe de compression réversible.
  • Suivant un aspect, le procédé de production de froid dans lequel alternativement :
    • lorsque le module de commande identifie que la pression dans le générateur 102 est supérieure à une valeur cible de la pression de l'éjecteur 200, le module de commande met en place le mode de détente du deuxième organe de compression réversible 400,
    • lorsque le module de commande identifie que la pression dans le générateur 102 est inférieure à une valeur cible de la pression de l'éjecteur 200, le module de commande met en place le mode de compression du deuxième organe de compression réversible 400,
    • lorsque le module de commande identifie que la pression dans le générateur 102 et égale à une valeur cible de la pression de l'éjecteur 200, le module de commande met en place le mode de dérivation du deuxième organe de compression réversible 400.
  • L'amont et l'aval, l'entrée, la sortie, en un point donné sont pris en référence au sens de circulation du fluide.
  • On entend par un paramètre "sensiblement égal/supérieur/inférieur à" ou "de l'ordre de" une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 % près, voire à plus ou moins 5 % près, de cette valeur.
  • On entend par « connecté fluidiquement » ou « en connexion fluidique », lorsqu'une ligne assure une connexion par ou dans laquelle circule un fluide.
  • Dans la présente description, l'expression « A fluidiquement raccordé à B » est synonyme de « A est en connexion fluidique avec B » et ne signifie pas nécessairement qu'il n'existe pas d'organe entre A et B. Les expressions « agencée sur » ou « sur » sont synonymes de « raccordé fluidiquement à ». Ainsi ces expressions s'entendent d'une connexion fluidique entre deux éléments, cette connexion pouvant ou non être directe. Cela signifie qu'il est possible qu'entre un premier élément et un deuxième élément qui sont fluidiquement connectés, un parcours d'un fluide existe par un ou des conduits, éventuellement un organe supplémentaire. A l'inverse, le terme «fluidiquement connecté directement» s'entend d'une connexion fluidique directe entre deux éléments. Cela signifie qu'entre un premier élément et un deuxième élément qui sont fluidiquement connectés directement aucun autre élément n'est présent, autre qu'un ou plusieurs conduits.
  • On entend par chaud, froid, refroidi, une température relative par rapport à un autre point du système.
  • L'usage de l'article indéfini " un " ou " une " pour un élément ou une étape n'exclut pas, sauf mention contraire, la présence d'une pluralité de tels éléments ou étapes.
  • Les termes "premier", "deuxième" et "troisième", etc. sont utilisés simplement comme des étiquettes, et ne sont pas destinés à imposer des exigences numériques sur leurs objets Un cycle de réfrigération à éjecteur également dénommé cycle frigorifique à éjecteur simple (SERS) comprend avantageusement une pompe 101, un générateur 102, un détendeur 103, un évaporateur 104, un condenseur 105 et un éjecteur 200.
  • Avantageusement, le cycle de réfrigération comprend un circuit fluidique permettant d'assurer la connexion fluidique des différents éléments ainsi que la circulation d'un fluide de travail.
  • Le circuit fluidique comprend une branche motrice sur laquelle sont agencés la pompe 101 et le générateur 102. La branche motrice s'étend depuis l'entrée de la pompe 101 jusqu'à l'entrée 201 de fluide primaire de l'éjecteur 200. Avantageusement, la branche motrice fonctionne à haute pression. Le fluide de travail circulant dans cette branche motrice est préférentiellement comprimé par la pompe 101. La pression dans les branches dépend fortement du fluide de travail. À titre d'exemple, en utilisant du R600 comme fluide de travail, la pression dans la branche motrice est de l'ordre de 15 bars par exemple comprise entre 10 bars (pour une source de chaleur à 80 °C) et 35 bars (pour une source de chaleur à 150 °C).
  • Le circuit fluidique comprend une branche frigorifique sur laquelle sont agencés le détendeur 103 et l'évaporateur 104. La branche frigorifique s'étend depuis l'entrée du détendeur 103 jusqu'à l'entrée 202 de fluide secondaire de l'éjecteur 200. Avantageusement, la branche frigorifique fonctionne à basse pression. Le fluide de travail circulant dans cette branche frigorifique est préférentiellement détendu par le détendeur 103. À titre d'exemple, pour du R600 la pression dans la branche frigorifique est de l'ordre de 1,5 bar, par exemple comprise entre 1 et 2 bars.
  • Le circuit fluidique comprend une branche de mélange sur laquelle sont agencés l'éjecteur 200 et le condenseur 105. La branche de mélange s'étend depuis les entrées 201, 202 de l'éjecteur 200 jusqu'à la sortie du condenseur 105. Avantageusement, la branche de mélange fonctionne à pression intermédiaire. Le fluide de travail circulant dans cette branche de mélange et le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et du fluide de travail de la branche frigorifique. À titre d'exemple, la pression dans la branche de mélange est de l'ordre de 2 bars, par exemple comprise entre 2 et 2.5.
  • Comme illustrée sur l'ensemble des figures, les trois branches du circuit fluidique sont agencées en parallèle les unes des autres.
  • Préférentiellement, le circuit fluidique comprend une boucle motrice, ou boucle primaire, comprenant la branche motrice et la branche de mélange. La boucle motrice comprend l'éjecteur 200, le condenseur 105, le détendeur 103 et le générateur 102. Le fluide de travail est ici dénommé fluide moteur ou fluide primaire. Le fluide de travail sort sous forme liquide de la sortie du condenseur 105 puis est ici dénommé fluide moteur ou fluide de travail moteur. Le fluide moteur liquide est comprimé par la pompe 101 agencée sur la branche motrice pour être envoyé dans le générateur 102. Dans le générateur 102, le fluide moteur liquide comprimé est vaporisé, avantageusement par transfert d'énergie thermique depuis une source chaude. En sortie du générateur 102, le fluide moteur à l'état de vapeur comprimée, préférentiellement à haute pression pénètre dans l'éjecteur 200, par l'entrée de fluide primaire 201. L'éjecteur 200 est configuré pour créer une accélération du fluide moteur. Le fluide moteur entraîne la vapeur issue de la boucle frigorifique permettant ainsi le mélange du fluide moteur et du fluide frigorifique. En sortie 206 de l'éjecteur 200, le fluide mélangé à l'état de vapeur pénètre dans le condenseur 105 pour y être condensé. Préférentiellement, le circuit fluidique comprend une boucle frigorifique, ou boucle secondaire, comprenant la branche frigorifique et la branche de mélange. La boucle frigorifique comprend l'éjecteur 200, le condenseur 105, le détendeur 103 et l'évaporateur 104. Le fluide de travail sort sous forme liquide de la sortie du condenseur 105 puis est ici dénommé fluide frigorifique ou fluide secondaire. Le fluide frigorifique liquide subit une détente préférentiellement isenthalpique à travers le détendeur 103 avant d'être acheminé vers l'évaporateur 104 pour la production de froid. Dans l'évaporateur 104, le fluide de travail frigorifique est évaporé en récupérant l'énergie thermique d'une source à refroidir. Préférentiellement, la source à refroidir est de l'air ambiant. En sortie de l'évaporateur 104, le fluide de travail frigorifique est à l'état de vapeur préférentiellement basse pression qui est aspiré par le fluide moteur dans l'éjecteur 200 par l'entrée 202 de fluide secondaire. Le fluide de travail qui est envoyé vers la branche frigorifique correspond au fluide de travail qui peut être entrainé par l'éjecteur et donc qui n'est pas aspiré par la pompe 101. L'intérêt de ce cycle frigorifique à éjecteur simple est de remplacer le travail consommé par un compresseur par un travail beaucoup plus faible consommé par la pompe 101, et par une chaleur fournie au générateur 102 préférentiellement à moyenne ou haute température.
  • Avantageusement, le fluide de travail est choisi parmi l'ammoniac, l'eau, HSC, HFO.
  • Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté pour l'utilisation de source chaude dont l'énergie thermique est issue l'énergie renouvelable de type énergie solaire thermique, géothermie, chaleur fatale. La source chaude apporte une quantité d'énergie Qgen dans le générateur 102 au profit du fluide de travail moteur. À titre d'exemple, la source chaude est à une température comprise entre 80 et 150 °C. Préférentiellement, la température du fluide de travail moteur dans le générateur 102 est de l'ordre de 100 °C.
  • Au niveau de l'évaporateur 104, le fluide de travail frigorifique s'évapore en utilisant l'énergie thermique d'une source à refroidir. La source à refroidir est préférentiellement le fluide ambiant tel que de l'air. La source à refroidir apporte une quantité d'énergie Qevap dans l'évaporateur 104 au profit du fluide de travail frigorifique. À titre d'exemple, la source à refroidir est à une température comprise entre -20 °C et 20 °C. Préférentiellement, la température du fluide de travail frigorifique dans l'évaporateur 104 est de l'ordre de 5 °C. Au niveau du condenseur 105, le fluide de travail mélangé issu de l'éjecteur à l'état vapeur est condensé pour retrouver un état liquide en sortie du condenseur 105. La condensation du fluide de travail mélangé se fait par transfert d'énergie thermique depuis le fluide de travail mélangé au profit de l'environnement et notamment une source intermédiaire. La quantité d'énergie thermique transmise est Qcond. À titre d'exemple, la source intermédiaire est l'environnement, telle que l'air ambiant. À titre d'exemple, la source intermédiaire est à une température comprise entre 20 et 35 °C. Préférentiellement, la température du fluide de travail mélangé dans le condenseur 105 est de l'ordre de 20 °C.
  • Le détendeur 104 est avantageusement une vanne de détente.
  • L'éjecteur 200 est avantageusement un éjecteur de vapeur. L'éjecteur 200 est choisi parmi un éjecteur classique tel qu'illustré à la figure 1 ou peut être un éjecteur à sections variable connu de l'homme du métier. En figure 1, l'éjecteur 200 comprend l'entrée d'un fluide primaire 201, l'entrée d'un fluide secondaire 202, un col sonique de l'injecteur primaire 203, une chambre de mélange 204, un diffuseur 205 et une sortie de fluide de travail mélangé 206. Dans l'éjecteur 200, le débit à haute pression du générateur 102 s'accélère dans l'entrée du fluide primaire 201 au niveau de l'entrée du col sonique 203. Ceci crée une basse pression à la sortie du col sonique 203. Cette basse pression est inférieure à la pression en sortie de l'évaporateur 104, le fluide de travail frigorifique à l'état de vapeur issu de l'évaporateur 104 et aspirer dans l'éjecteur 200. Dans la chambre de mélange 204, les deux débits sont mélangés. La vitesse du mélange devient supersonique ce qui permet d'équilibrer la différence de pression entre la branche motrice et la branche frigorifique puis la vitesse du mélange devient subsonique dans le diffuseur 205 et la pression du fluide de travail mélangé s'adapte à la pression en entrée du condenseur 105.
  • Le dispositif selon l'invention comprend selon un premier aspect un premier organe de compression réversible 300 agencé en aval de l'éjecteur 200 et en amont du condenseur 105. Avantageusement, le premier organe de compression réversible 300 est agencé sur la branche de mélange. Le premier organe de compression réversible 300 est avantageusement destiné à maintenir le fonctionnement de l'éjecteur 200 dans son régime nominal, notamment lors de variation dans les conditions de la source intermédiaire au condenseur 105. En effet, la source intermédiaire étend une source issue avantageusement de l'environnement, elle est sujette à des variations de température qui se répercute sur le fonctionnement du condenseur 105. Notamment en fonction de l'ensoleillement, lorsqu'il augmente la température de la source intermédiaire au niveau du condenseur 105 augmente ce qui contribue à augmenter la pression de saturation dans le condenseur 105. Or, il a été constaté que lorsque la pression du condenseur 105 augmente, le ratio d'entraînement et donc le COP du cycle diminuent. Inversement, lorsque l'ensoleillement diminue la température de la source intermédiaire au niveau du condenseur 105 diminue ce qui contribue à diminuer la pression de saturation dans le condenseur 105. Or, il a été constaté que cela diminue d'efficacité de l'éjecteur 200.
  • Il est ainsi avantageux de chercher à contrôler la pression du fluide traversant le condenseur 105. À cet effet, l'invention comprend le premier organe de compression réversible 300 agencée entre la sortie de l'éjecteur 200 et l'entrée du condenseur 105.
  • Le premier organe de compression réversible 300 est configuré pour fonctionner soit en mode compresseur, soit en mode détendeur. On entend par premier organe de compression réversible 300, un organe unique ou bien un organe de compression et un organe de détente distinct associés. Dans la suite de la description il est fait référence à un organe de compression réversible sans limitation pour plus de simplicité, mais la description s'applique également mode de réalisation dans lequel le dispositif comprend un premier organe de compression et un premier organe de détente. L'utilisation d'un premier organe de compression réversible 300, constitué d'un seul organe, permet un gain d'investissement, de masse et d'encombrement en limitant le nombre d'organes dans le système thermodynamique.
  • Le premier organe de compression réversible 300 est avantageusement choisi parmi les compresseurs volumétriques. On entend par là que la compression du fluide se fait par réduction du volume de la chambre de compression. À titre d'exemple, l'organe de compression est un compresseur à piston, à vis, à spirale également dénommé compresseur scroll ou en compresseur rotatif.
  • Le premier organe de compression réversible est avantageusement associé à un moteur ou une génératrice électrique référencée 304.
  • Le dispositif de production de froid selon l'invention comprend avantageusement un module de commande comprenant au moins une, et préférentiellement, une pluralité de vannes de commande agencée sur le circuit fluidique de sorte à commander la circulation du fluide de travail dans les différentes branches et composants du dispositif. Préférentiellement, le module de commande comprend également au moins un, et préférentiellement, une pluralité d'organes de mesure tels que des capteurs de températures, de pression et de débit, agencés sur le circuit fluidique du dispositif.
  • Selon ce premier aspect, le dispositif comprend un ensemble de connexions fluidiques G, H, I, J, K, L, M, ainsi que des vannes 301,3 102,303 permettant de commander la circulation du fluide de travail mélangé entre la sortie de l'éjecteur 200 et l'entrée du condenseur 105 et notamment au travers du premier organe de compression réversible 300. Avantageusement, le dispositif comprend des capteurs assurant la mesure de paramètres sur le circuit fluidique qui sont collectés et analysés par le module de commande de sorte que celui-ci puisse commander la circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique, notamment par l'actionnant des vannes et le fonctionnement de l'organe de compression réversible de sorte à sélectionner alternativement le mode de compression, le mode de détente, ou la dérivation de l'organe de compression réversible.
  • La figure 2 illustre le dispositif selon ce premier aspect de l'invention dans lequel l'ensemble des connexions fluidiques sont représentées.
  • La sortie du condenseur 105 est connectée fluidiquement par une connexion fluidique A, préférentiellement directement, à l'entrée de la pompe 101. La sortie de la pompe 101 est connectée fluidiquement par une connexion fluidique B, préférentiellement directement, à l'entrée du générateur 102. La sortie du générateur 102 est connectée fluidiquement par une connexion C, préférentiellement directement, à l'entrée 201 de fluide primaire de l'éjecteur 200.
  • La sortie du condenseur 105 est également connectée fluidiquement par une connexion fluidique D, préférentiellement directement, à l'entrée du détendeur 103. La sortie du détendeur 103 est connectée fluidiquement par une connexion fluidique E, préférentiellement directement, à l'entrée de l'évaporateur 104. La sortie de l'évaporateur 104 est connectée fluidiquement par une connexion fluidique F, préférentiellement directement, à l'entrée 202 de fluide secondaire de l'éjecteur 200.
  • Selon le premier aspect de l'invention, la sortie 206 de l'éjecteur 200 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, par une connexion fluidique G à une vanne 3 voies 301. La vanne 3 voies 301 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la sortie 206 de l'éjecteur 200 par la connexion fluidique G, à la vanne 3 voies 302 par la connexion fluidique H, et à la vanne 3 voies 303 par la connexion fluidique L. La vanne 3 voies 302 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la vanne 3 voies 301 par la connexion fluidique H, à l'entrée du condenseur 105 par la connexion fluidique M, à une première extrémité du premier organe de compression réversible 300 par la connexion fluidique I. La vanne 3 voies 303 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la vanne 3 voies 301 par la connexion fluidique L, à une deuxième extrémité du premier organe de compression réversible 300 par la connexion fluidique J et à l'entrée du condenseur 105 par la connexion fluidique K. La figure 3 illustre le dispositif selon ce premier aspect de l'invention suivant un premier mode de réalisation dans lequel le condenseur est à une pression supérieure à la pression de design de l'éjecteur 200. Il est ici recherché de comprimer le fluide de mélange entre la sortie 206 de l'éjecteur 200 et l'entrée du condenseur 105. Le module de commande est ainsi configuré pour permettre la circulation du fluide de travail mélangé dans le premier organe de compression réversible 300 fonctionnant dans un mode de compression. Le module de commande est configuré pour orienter le fluide de travail mélangé sortant par la sortie 206 de l'éjecteur 200 dans le premier organe de compression réversible 300 fonctionnant en mode de compression puis d'orienter le fluide de travail mélangé comprimé vers l'entrée du condenseur 105.
  • Dans le cas de la figure 3, le module de commande identifie une différence entre les paramètres mesurés et les valeurs cibles. Plus préciséments le module de commande identifie que la pression dans le condenseur 105 est supérieure à la valeur cible de la pression de design de l'éjecteur 200. Le module de commande sélectionne le mode de compression pour augmenter la pression.
  • Plus précisément, le fluide de travail mélangé sort par la sortie 206 de l'éjecteur 200 puis pénètre dans la vanne 3 voies 301, préférentiellement directement, par la connexion fluidique G. La vanne 3 voies 301 est configurée pour orienter le fluide de travail mélangé vers la connexion fluidique H, amenant le fluide de travail mélangé vers la vanne 3 voies 302. La vanne 3 voies 302 est configurée pour orienter le fluide de travail mélangé vers la connexion fluidique I. Le fluide de travail mélangé circule depuis la vanne 3 voies 302, préférentiellement directement vers la première extrémité du premier organe de compression réversible 300. Le premier organe de compression réversible 300 étant en mode de compression, le fluide de travail mélangé est comprimé. Le fluide de travail mélangé ressort du premier organe de compression réversible 300 par sa deuxième extrémité. Le fluide de travail mélangé comprimé sortant du premier organe de compression réversible 300 circule au travers de la vanne 3 voies 303, préférentiellement directement, par la connexion fluidique J. La vanne 3 voies 303 est configurée pour orienter le fluide de travail mélangé comprimé dans la connexion fluidique K, amenant le fluide de travail mélangé comprimé à l'entrée du condenseur 105.
  • La figure 4 illustre le dispositif selon le premier aspect de l'invention suivant un deuxième mode de réalisation dans lequel le condenseur est à une pression inférieure à la pression de design de l'éjecteur 200. Il est ici recherché de détendre le fluide de mélange entre la sortie 206 de l'éjecteur 200 et l'entrée du condenseur 105. Le module de commande est ainsi configuré pour permettre la circulation du fluide de travail mélangé dans le premier organe de compression réversible 300 fonctionnant dans un mode de détente. Le module de commande est configuré pour orienter le fluide de travail mélangé sortant par la sortie 206 de l'éjecteur 200 dans le premier organe de compression réversible 300 fonctionnant dans un mode de détente puis d'orienter le fluide de travail mélangé détendu vers l'entrée du condenseur 105.
  • Dans le cas de la figure 4, le module de commande identifie une différence entre les paramètres mesurés et les valeurs cibles. Plus précisément, le module de commande identifie que la pression dans le condenseur 105 est inférieure à la valeur cible de la pression de design de l'éjecteur 200. Le module de commande sélectionne le mode de détente pour diminuer la pression
  • Plus précisément, le fluide de travail mélangé sort par la sortie 206 de l'éjecteur 200 puis pénètre dans la vanne 3 voies 301, préférentiellement directement, par la connexion fluidique G. La vanne 3 voies 301 est configurée pour orienter le fluide de travail mélangé vers la connexion fluidique L, amenant le fluide de travail mélangé vers la vanne 3 voies 303. La vanne 3 voies 303 est configurée pour orienter le fluide de travail mélangé vers la connexion fluidique J. Le fluide de travail mélangé circule depuis la vanne 3 voies 303 préférentiellement directement vers la deuxième extrémité du premier organe de compression réversible 300. Le premier organe de compression réversible 300 étant en mode de détente, le fluide de travail mélangé est détendu. Le fluide de travail mélangé ressort du premier organe de compression réversible 300 par sa première extrémité. Le fluide de travail mélangé détendu sortant du premier organe de compression réversible 300 circule au travers de la vanne 3 voies 302, préférentiellement directement, par la connexion fluidique I. La vanne 3 voies 302 est configurée pour orienter le fluide de travail mélangé détendu vers la connexion fluidique M, amenant le fluide de travail mélangé détendu à l'entrée du condenseur 105.
  • La figure 5 illustre le dispositif selon ce premier aspect de l'invention suivant un mode de réalisation dans lequel le condenseur 105 est à une pression équivalente à la pression du design de l'éjecteur 200. Dans cette configuration, il n'est pas nécessaire d'agir sur le fluide de travail mélangé entre la sortie 206 de l'éjecteur 200 et l'entrée du condenseur 105. Le module de commande est configuré pour orienter de travail mélangé depuis la sortie 206 de l'éjecteur 200, préférentiellement directement, vers l'entrée du condenseur 105. Le module de commande est configuré pour orienter le fluide de travail mélangé dans une dérivation du premier organe de compression réversible 300. Le cycle illustré à la figure 5 correspond à un cycle frigorifique à éjecteur simple SERS classique.
  • Dans le cas de la figure 5, le module de commande n'identifie pas de différence entre les paramètres mesurés et les valeurs cibles. Plus précisément, le module de commande identifie que la pression dans le condenseur 105 correspond à la valeur cible de la pression de design de l'éjecteur 200. Le module de commande sélectionne le mode de dérivation de l'organe de compression réversible.
  • Plus préférentiellement, le fluide de travail mélangé sort par la sortie 206 de l'éjecteur 200 puis pénètre dans la vanne 3 voies 301, préférentiellement directement, par la connexion fluidique G. La vanne 3 voies 301 est configurée pour orienter le fluide de travail mélangé vers la connexion fluidique H, amenant le fluide de travail mélangé vers la vanne 3 voies 302. La vanne 3 voies 302 est configurée pour orienter le fluide de travail mélangé vers la connexion fluidique M, amenant le fluide de travail mélangé à l'entrée du condenseur 105. Selon une possibilité, le premier organe de compression réversible 300 en mode de compression est alimenté en énergie électrique provenant par exemple d'une batterie ou d'un réseau électrique classique. En mode de détente, le premier organe de compression réversible 300 est avantageusement connecté à une batterie de sorte à stocker l'énergie électrique produite par la détente du fluide de travail mélangé pour une utilisation ultérieure. Le dispositif selon l'invention comprend selon un deuxième aspect un deuxième organe de compression réversible 400 agencé en amont de l'éjecteur 200 et en aval du générateur 102. Avantageusement, le deuxième organe de compression réversible 400 est agencé sur la branche motrice. Le deuxième organe de compression réversible 400 est avantageusement destiné à maintenir le fonctionnement de l'éjecteur 200 dans son régime nominal, notamment lors de variation dans les conditions de la source chaude au générateur 102. En effet, la source chaude étant une source issue avantageusement de l'environnement, elle est sujette à des variations de température qui se répercute sur le fonctionnement du condenseur 105. Notamment en fonction de l'ensoleillement, lorsqu'il augmente la température de la source chaude au niveau du générateur 102 augmente ce qui contribue à augmenter la pression de saturation dans le générateur 102. Or, il a été constaté que lorsque la pression du générateur 102 augmente, le ratio d'entraînement et donc le COP du cycle diminuent. Inversement, lorsque l'ensoleillement diminue la température de la source chaude au niveau du générateur 102 diminue ce qui contribue à diminuer la pression de saturation dans le générateur 102 or il a été constaté que cela diminue d'efficacité de l'éjecteur 200.
  • Il est ainsi avantageux de chercher à contrôler la pression du fluide sortant du générateur 102. À cet effet, l'invention comprend le deuxième organe de compression réversible 400 agencé entre la sortie du générateur 102 et l'entrée 201 du fluide primaire de l'éjecteur 200. Le deuxième organe de compression réversible 400 est configuré pour fonctionner soit en mode compresseur, soit en mode détendeur. On entend par organe de compression réversible, un organe unique, ou bien un organe de compression et un organe de détente distinct à la place d'un seul deuxième organe de compression réversible. Dans la suite de la description, il est fait uniquement référence à un organe de compression réversible pour plus de simplicité et sans pour autant être limitatif, mais la description s'applique également au mode de réalisation dans lequel le dispositif comprend un deuxième organe de compression et un deuxième organe de détente. L'utilisation d'un deuxième organe de compression réversible 400 constitué d'un organe unique permet un gain d'investissement, de masse et d'encombrement en limitant le nombre d'organes dans le système thermodynamique.
  • Le deuxième organe de compression réversible 400 est avantageusement choisi parmi les compresseurs volumétriques. On entend par là que la compression du fluide se fait par réduction du volume de la chambre de compression. À titre d'exemple, l'organe de compression est un compresseur à piston, à vis, à spirale également dénommé compresseur scroll ou en compresseur rotatif.
  • Le choix d'un organe de compression réversible 300,400 permet de fonctionner alternativement en mode de détente de compression ainsi qu'avantageusement avoir un fonctionnement à débit variable, à travers une régulation de sa vitesse de rotation ainsi que sa capacité à fonctionner sur une plage de ratio de compression.
  • Le deuxième organe de compression réversible est avantageusement associé à un moteur ou une génératrice électrique référencée 404.
  • Selon ce deuxième aspect, le dispositif comprend un ensemble de connexions fluidiques N, O, P, Q, R, S, T, ainsi que des vannes 401, 402, 403 permettant de commander la circulation du fluide de travail moteur entre la sortie du générateur 102 et l'entrée 201 de l'éjecteur 200 et notamment au travers du deuxième organe de compression réversible 400.
  • La figure 6 illustre le dispositif selon ce deuxième aspect de l'invention dans lequel l'ensemble des connexions fluidiques sont représentées.
  • La sortie du condenseur 105 est connectée fluidiquement par une connexion fluidique A, préférentiellement directement, à l'entrée de la pompe 101. La sortie de la pompe 101 est connectée fluidiquement par une connexion fluidique B, préférentiellement directement, à l'entrée du générateur 102. La sortie du générateur 102 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, par une connexion N, à une vanne 3 voies 401. La vanne 3 voies 401 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la sortie du générateur 102 par la connexion fluidique N, à la vanne 3 voies 402 par la connexion fluidique S, et à la vanne 3 voies 403 par la connexion fluidique O. La vanne 3 voies 402 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la vanne 3 voies 401 par la connexion fluidique S, à l'entrée 201 du fluide primaire de l'éjecteur 200 par la connexion fluidique R, à une deuxième extrémité du deuxième organe de compression réversible 400 par la connexion fluidique Q. La vanne 3 voies 403 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la vanne 3 voies 401 par la connexion fluidique O, à une première extrémité du deuxième organe de compression réversible 400 par la connexion fluidique P et à l'entrée 200 du fluide primaire de l'éjecteur 200 par la connexion fluidique T. La sortie du condenseur 105 est également connectée fluidiquement par une connexion fluidique D, préférentiellement directement, à l'entrée du détendeur 103. La sortie du détendeur 103 est connectée fluidiquement par une connexion fluidique E, préférentiellement directement, à l'entrée de l'évaporateur 104. La sortie de l'évaporateur 104 est connectée fluidiquement par une connexion fluidique F, préférentiellement directement, à l'entrée 202 de fluide secondaire de l'éjecteur 200.
  • Selon le deuxième aspect de l'invention, la sortie 206 de l'éjecteur 200 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, par une connexion fluidique U à l'entrée du condenseur 105.
  • La figure 7 illustre le dispositif selon ce deuxième aspect de l'invention suivant un premier mode de réalisation dans lequel le générateur 102 est à une pression supérieure à la pression de design de l'éjecteur 200. Il est ici recherché de détendre le fluide moteur entre la sortie du générateur 102 et l'entrée 201 de l'éjecteur 200. Le module de commande est ainsi configuré pour permettre la circulation du fluide de travail moteur dans le deuxième organe de compression réversible 400 fonctionnant dans un mode de détente. Le module de commande est configuré pour orienter le fluide de travail moteur sortant du générateur 102 dans le deuxième organe de compression réversible 400 fonctionnant dans un mode de détente puis d'orienter le fluide de travail moteur détendu vers l'entrée 201 de l'éjecteur 200.
  • Avantageusement, des capteurs mesurent des paramètres du circuit fluidique qui sont transmis au module de commande. Les paramètres mesurés sont comparés à des valeurs cibles par le module de commande. En fonction de la différence entre les paramètres mesurés et les valeurs cibles, le module de commande sélectionnait le mode de fonctionnement adapté alternativement mode de compression, mode de détente, dérivation de l'organe de compression réversible. Dans le cas de la figure 7, le module de commande identifie une différence entre les paramètres mesurés et les valeurs cibles. Plus précisément, le module de commande identifie que la pression dans le générateur 102 est supérieure à la valeur cible de la pression de design de l'éjecteur 200. Le module de commande sélectionne le mode de détente pour diminuer la pression.
  • Plus précisément, le fluide de travail moteur sort du générateur 102 puis pénètre dans la vanne 3 voies 401, préférentiellement directement, par la connexion fluidique N. La vanne 3 voies 401 est configurée pour orienter le fluide de travail moteur vers la connexion fluidique O, amenant le fluide de travail moteur vers la vanne 3 voies 403. La vanne 3 voies 403 est configurée pour orienter le fluide de travail moteur vers la connexion fluidique P. Le fluide de travail moteur circule depuis la vanne 3 voies 403, préférentiellement directement vers la première extrémité du deuxième organe de compression réversible 400. Le deuxième organe de compression réversible 300 étant en mode de détente, le fluide de travail moteur est détendu. Le fluide de travail moteur ressort du deuxième organe de compression réversible 400 par sa deuxième extrémité. Le fluide de travail moteur détendu sortant du deuxième organe de compression réversible 400 circule au travers de la vanne 3 voies 402, préférentiellement directement, par la connexion fluidique Q. La vanne 3 voies 402 est configurée pour orienter le fluide de travail moteur détendu dans la connexion fluidique R, amenant le fluide de travail moteur détendu à l'entrée 201 de l'éjecteur 200. La figure 8 illustre le dispositif selon le deuxième aspect de l'invention suivant un deuxième mode de réalisation dans lequel le générateur 102 est à une pression inférieure à la pression de design de l'éjecteur 200. Il est ici recherché de comprimer le fluide de mélange entre la sortie du générateur 102 et l'entrée 201 de l'éjecteur 200. Le module de commande est ainsi configuré pour permettre la circulation du fluide de travail moteur dans le deuxième organe de compression réversible 400 fonctionnant dans un mode de compression. Le module de commande est configuré pour orienter le fluide de travail moteur sortant par la sortie du générateur 102 dans le deuxième organe de compression réversible 400 fonctionnant dans un mode de compression puis d'orienter le fluide de travail moteur comprimé vers l'entrée 200 de l'éjecteur 200.
  • Dans le cas de la figure 8, le module de commande identifie une différence entre les paramètres mesurés et les valeurs cibles. Plus précisément, le module de commande identifie que la pression dans le générateur 102 est inférieure à la valeur cible de la pression de design de l'éjecteur 200. Le module de commande sélectionne le mode de compression pour augmenter la pression.
  • Plus précisément, le fluide de travail moteur sort par la sortie du générateur 102 puis pénètre dans la vanne 3 voies 401, préférentiellement directement, par la connexion fluidique N. La vanne 3 voies 401 est configurée pour orienter le fluide de travail moteur vers la connexion fluidique S, amenant le fluide de travail moteur vers la vanne 3 voies 402. La vanne 3 voies 402 est configurée pour orienter le fluide de travail moteur vers la connexion fluidique Q. Le fluide de travail moteur circule depuis la vanne 3 voies 402, préférentiellement directement, vers la deuxième extrémité du deuxième organe de compression réversible 400. Le deuxième organe de compression réversible 400 étant en mode de compression, le fluide de travail moteur est comprimé. Le fluide de travail moteur comprimé ressort du deuxième organe de compression réversible 400 par sa première extrémité. Le fluide de travail moteur comprimé sortant du deuxième organe de compression réversible 400 circule au travers de la vanne 3 voies 403, préférentiellement directement, par la connexion fluidique P. La vanne 3 voies 403 est configurée pour orienter le fluide de travail moteur comprimé vers la connexion fluidique T, amenant le fluide de travail moteur comprimé à l'entrée 201 de l'éjecteur 200.
  • La figure 9 illustre le dispositif selon ce deuxième aspect de l'invention suivant un mode de réalisation dans lequel le générateur 102 est à une pression équivalente à la pression du design de l'éjecteur 200. Dans cette configuration, il n'est pas nécessaire d'agir sur le fluide de travail moteur entre la sortie du générateur 102 et l'entrée 201 de l'éjecteur 200. Le module de commande est configuré pour orienter de travail moteur depuis la sortie du générateur 102, préférentiellement directement, vers l'entrée 201 de l'éjecteur 200. Le module de commande est configuré pour orienter le fluide de travail moteur dans une dérivation du deuxième organe de compression réversible 400. Le cycle illustré à la figure 9 correspond à un cycle frigorifique à éjecteur simple, SERS classique.
  • Dans le cas de la figure 9, le module de commande n'identifie pas de différence entre les paramètres mesurés et les valeurs cibles. Plus précisément, le module de commande identifie que la pression dans le générateur 102 correspond à la valeur cible de la pression de design de l'éjecteur 200. Le module de commande sélectionne le mode de dérivation de l'organe de compression réversible.
  • Plus préférentiellement, le fluide de travail mélangé sort par la sortie du générateur 102 puis pénètre dans la vanne 3 voies 401, préférentiellement directement, par la connexion fluidique N. La vanne 3 voies 401 est configurée pour orienter le fluide de travail moteur vers la connexion fluidique O, amenant le fluide de travail moteur vers la vanne 3 voies 403. La vanne 3 voies 403 est configurée pour orienter le fluide de travail moteur vers la connexion fluidique T, amenant le fluide de travail mélangé à l'entrée 201 de l'éjecteur 200. Selon une possibilité, le deuxième organe de compression réversible 400 en mode de compression est alimenté en énergie électrique provenant par exemple d'une batterie ou d'un réseau électrique classique. En mode de détente, le deuxième organe de compression réversible 400 est avantageusement connecté à une batterie de sorte à stocker l'énergie électrique produite par la détente du fluide de travail moteur pour une utilisation ultérieure. Selon un troisième aspect de l'invention, le dispositif de production de froid comprend le premier organe de compression réversible 300 et le deuxième organe de compression réversible 400. Ce troisième aspect de l'invention est illustré à la figure 10.
  • Ce troisième aspect de l'invention est particulièrement avantageux puisqu'il permet de contrôler à la fois la pression du fluide de travail en entrée de l'éjecteur et en sortie de l'éjecteur.
  • Dans ce troisième aspect de l'invention, le premier organe de compression réversible 300 et le deuxième organe de compression réversible 400 sont reliés. On entend par reliés que le premier organe de compression réversible 300 et le deuxième organe de compression réversible 400 sont associés l'un à l'autre de sorte que le travail produit par l'un des organes alimente l'autre organe.
  • Selon une première possibilité, le premier organe de compression réversible 300 et le deuxième organe de compression réversible 400 sont associés mécaniquement l'un à l'autre. Dans ce cas, un organe entraîne mécaniquement l'autre organe. À titre d'exemple, l'un des deux organes 300,400 en mode de détente qui effectue une détente du fluide de travail entraîne mécaniquement, préférentiellement en rotation, l'autre organe 300 400 en mode de compression qui effectue la compression du fluide de travail.
  • Selon une deuxième possibilité, le premier organe de compression réversible 300 et le deuxième organe de compression réversible 400 sont associés électriquement l'un à l'autre. Dans ce cas, un organe 300,400 en mode de détente est associé à une génératrice électrique et produit ainsi de l'électricité qui peut être soit directement utilisée par l'autre organe 300,400 en mode de compression, soit être stocké dans une batterie pour être utilisé ultérieurement par l'un ou l'autre des organes 300,400.
  • Selon un quatrième aspect de l'invention, le dispositif de production de froid comprend un organe de détente supplémentaire 500. L'organe de détente supplémentaire 500 est destiné à produire de l'électricité alternativement ou simultanément à la production de froid. L'organe de détente supplémentaire 500 est avantageusement agencé sur une branche de dérivation de l'éjecteur 200. Plus précisément, l'organe de détente supplémentaire 500 est agencé de sorte à recevoir le fluide de travail moteur. L'organe de détente supplémentaire 500 est agencé entre l'entrée 201 de l'éjecteur 200 et la sortie 206 de l'éjecteur 200 plus précisément de l'entrée du condenseur 105.
  • Ce quatrième aspect de l'invention peut être combiné avec le premier aspect et/ou le deuxième aspect de l'invention comme illustré à la figure 11.
  • La figure 11 on retrouve les organes et les connexions fluidiques décrites en référence au premier aspect de l'invention et au deuxième aspect de l'invention. Dans ce quatrième aspect, le dispositif comprend les connexions fluidiques V, W, X, Y, Z, G1, G2 et préférentiellement au moins deux vannes 501,502.
  • Plus précisément, la vanne 3 voies 500 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la vanne 3 voies 402 par la connexion fluidique V, à la vanne 3 voies 403 par la connexion fluidique W, la première extrémité de l'organe de détente supplémentaire 500 par la connexion fluidique X. La vanne 3 voies 502 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la deuxième extrémité de l'organe de détente supplémentaire 500, à la vanne 3 voies 301 par la connexion fluidique j'ai un et la connexion fluidique j'ai de, à l'entrée du condenseur 105 par la connexion fluidique Z.
  • Plus précisément, quel que soit mode de fonctionnement du deuxième organe de compression réversible 400, le fluide de travail moteur sort de la vanne 3 voies 403 ou de la vanne 3 voies 402 et pénètre dans la vanne 3 voies 501 respectivement par la connexion fluidique V ou la connexion fluidique W. Le fluide de travail moteur sort de la vanne 3 voies 501 et pénètre par la première extrémité dans l'organe de détente supplémentaire 500, préférentiellement directement, par la connexion fluidique X. Le fluide de travail moteur est détendu dans l'organe de détente supplémentaire 500 produisant ainsi de l'électricité préférentiellement par une génératrice électrique 503. Le fluide de travail moteur détendu ressort de l'organe de détente supplémentaire 500 par la deuxième extrémité qui est en connexion fluidique, préférentiellement directement, avec la vanne 3 voies 502 par la connexion fluidique Y. Le fluide moteur détendu peut alors ici être transmis directement au condenseur 105 par la connexion fluidique Z.
  • Dans un mode de réalisation, le dispositif et le procédé associé sont configurés pour permettre la co-production d'électricité et de froid. Dans ce mode de réalisation, la vanne à trois voies 401 permet au fluide de circuler à la fois vers la connexion fluidique, ou ligne, S et la connexion fluidique, ou la ligne, O. La connexion fluidique S est alors connectée fluidiquement à la vanne 402, puis la vanne 402 est connecté fluidiquement à la vanne 501 permettant la circulation au moins partielle du fluide en sortie du générateur 102 dans l'organe de détente supplémentaire 500 et ainsi produire de l'électricité, comme décrit ci-dessus. En parallèle, la connexion fluidique O est alors connectée fluidiquement 403 qui est connectée fluidiquement à l'entrée dans l'éjecteur 200 par la connexion fluidique T, permettant la circulation au moins partielle du fluide en sortie du générateur 102 dans l'éjecteur 200 et ainsi produire du froid, comme décrit ci-dessus.
  • Selon un mode de réalisation applicable à l'un quelconque des aspects de l'invention décrit ci-dessus, le dispositif de production de froid comprend un échangeur thermique agencé entre la branche de mélange et la branche motrice. Plus préférentiellement, l'échangeur thermique est agencé de sorte à assurer le transfert thermique entre le fluide de travail mélangé circulant dans la branche de mélange et le fluide de travail moteur circulant dans la branche motrice. Plus précisément, sur la branche de mélange l'échangeur thermique est agencé en aval de l'éjecteur 200 et préférentiellement en amont du condenseur 105, plus spécifiquement en amont du premier organe de compression réversible 300. Plus précisément, sur la branche motrice, l'échangeur thermique est agencé en amont du générateur 102 et préférentiellement en aval de la pompe 101. Cet échangeur thermique permet de transférer une partie de l'énergie thermique du fluide de travail mélangé au profit du fluide de travail moteur. Cet échangeur thermique est une sorte de préchauffage du fluide de travail moteur. Cette disposition présente les avantages de réduire la puissance thermique à fournir au générateur 102, de réduire la taille du générateur 102, de réduire la taille du condenseur 105.
    • Exemple
  • Une comparaison est réalisée numériquement entre les cycles présentés sur la figure 5 ou 9 (cycle de production de froid à éjecteur simple classique sans l'invention) et sur la figure 10 (dispositif de production de froid selon le troisième aspect de l'invention comprenant un premier organe de compression réversible 300 et un deuxième organe de compression réversible 400).
  • La comparaison est réalisée pour le point de design d'un dispositif présenté dans le Tableau 1, avec comme fluide réfrigérant le butane(R600).
    • Tableau 1
  • Tableau 1 - Point de fonctionnement nominal cycle de réfrigération
    Composant Configuration type
    Générateur 102 Température source chaude : 100°C
    Surchauffe : 0°C
    Puissance récupérée : 100kW
    Condenseur 105 Température source intermédiaire : 20 °C
    Évaporateur 104 Température source à refroidir : 5° C
    Surchauffe : 0°C
    Pompe 101 Débit : 765 kg/h, Rendement : 80 %,
    Puissance : 0.6 kW
  • Le design géométrique de l'éjecteur 200 pour le point de design du tableau 1 est donné dans le tableau 2. La désignation des sections de l'éjecteur 200 fait référence à la figure 2.
    • Tableau 2
  • Tableau 2 - Géométrie de l'éjecteur désigné
    Section Dimension [mm2]
    Section A 47.56
    Section B 151.9
    Section C 877
  • Le tableau 3 montre l'impact des variations de la température de la source chaude au générateur 102 et de la source intermédiaire au condenseur 105 sur le cycle des figures 5 ou 9. Le tableau 4 montre l'impact des variations de la source chaude au générateur 102 et de la source intermédiaire au condenseur 105 sur le cycle de la Figure 10.
  • On observe bien qu'au point de design du cycle, les cycles de la figure 5 ou 9 et de la figure 10 donnent les mêmes résultats (ligne 5), car les 2 organes de compression réversibles ne sont pas utilisés au point de design.
    • Tableau 3
  • Tableau 3
    # Tgen (°C) Tcond (°C) Tevap (°C) Qgen [kW] Qevap [kW] Wpump [kW] ηex [%]
    1 85 15 5 73,3 90,3 0,32 23%
    2 85 20 5 71,4 23,0 0,31 10%
    3 85 25 5 0 0 0 0%
    4 100 15 5 102,5 88,5 0,61 14%
    5 100 20 5 100,0 84,1 0,60 21%
    6 100 25 5 97,4 22,8 0,593 8%
    7 115 15 5 140,1 81 1,11 8%
    8 115 20 5 136,7 78,3 1,10 13%
    9 115 25 5 133,3 75,5 1,09 18%
    • Tableau 4
  • Tableau 4
    # Tgen [°C] Tcond [°C] Tevap [°C] Qgen [kW] Qevap [kW] Wscroll,gene [kW] Wscroll,cond [kW] Wpump [kW] ηex [%]
    1 85 15 5 99,2 87,0 -3,1 2,6 0,43 16%
    2 85 20 5 96,6 84,1 -3,1 0 0,42 21%
    3 85 25 5 94,1 81,1 -3,1 -3,9 0,41 25%
    4 100 15 5 102,5 87,1 0 2,6 0,61 24%
    5 100 20 5 100 84,1 0 0 0,60 21%
    6 100 25 5 97,4 81,1 0 -3,9 0,59 24%
    7 115 15 5 104,9 87,1 1,8 2,6 0,83 27%
    8 115 20 5 102,3 84,2 1,8 0 0,82 25%
    9 115 25 5 99,8 81,2 1,8 -3,9 0,81 22%
  • Le tableau 5 (issu de la combinaison des 2 tableaux précédents) présente la différence de production de froid ΔQevap (kW) et la différence de production d'électricité ΔWtot (kW) entre le cycle de la figure 10 et celui de la figure 5 ou 9.
    • Tableau 5
  • Tableau 5
    # Tgen [°C] Tcond [°C] Tevap [°C] Δ Qevap [kW] ΔWtot [kW] Absolut e Δ ηex Relativ e Δ ηex Nom du cas
    1 85 15 5 -3,33 -0,7189 -7% - 31% #1
    2 85 20 5 61,1 -3,2663 +12% + 124% #2
    3 85 25 5 81,15 -7,4311 +25% +∞ #3
    4 100 15 5 -1,41 2,5539996 3 +10% + 74% #4
    5 100 20 5 0 -3,863E-07 0% 0% #5 =desig n
    6 100 25 5 58,38 -3,8710004 +16% + 190% #6
    7 115 15 5 6,11 4,6534 +19% + 234% #7
    8 115 20 5 5,91 2,0886999 7 +12% + 95% #8
    9 115 25 5 5,7 -1,798 +5% + 28% #9
  • De ce tableau de comparaison, on tire les informations suivantes vis-à-vis de l'intérêt de l'invention quand les températures des sources fluctuent autour du point de design :
    Dans 1 cas (#1) le dispositif selon l'invention n'est pas utile, car elle permet de produire moins de froid tout en consommant plus d'électricité. Ceci est également mis en évidence par le rendement exergétique du cycle, qui diminue. Dans ce cas, il est donc préférable de n'utiliser aucun des organes de compression réversible 300,400.
  • Dans 1 cas (#4), le dispositif selon l'invention produit 1.4 kW de froid en moins un dispositif de production de froid à éjecteur simple classique, mais permet de produire 2.5 kW d'électricité supplémentaire. C'est intéressant quand le besoin de froid est constant puisque la production de froid reste la même que dans le point de design, mais de l'électricité supplémentaire est produite. En fait, même dans ce cas, le rendement exergétique du cycle augmente avec l'invention.
  • Dans 3 cas (#2, #6 et #9), le dispositif selon l'invention produit plus de froid (gain de 61.1kW, 53.38kW et 5.7kW) qu'un dispositif sans l'invention, au prix d'une consommation électrique plus importante (surconsommation électrique de 3.2kW, 3.8kWet 1.7kW respectivement). Cependant, le COP électrique de la production de froid supplémentaire, COPelec,sup= ΔQevap/ ΔWtot, est très élevé (19, 14 dans le cas #2 et #6), et effectivement le rendement exégétique du cycle augmente aussi. Sur ces points, le dispositif selon l'invention permet de continuer à satisfaire la demande de refroidissement de design avec l'utilisation d'une puissance électrique supplémentaire modeste, de manière beaucoup plus efficace qu'un cycle à compression de vapeur normal par exemple.
  • Dans 1 cas (#3), le dispositif selon l'invention permet de faire fonctionner le cycle alors qu'il serait à l'arrêt sans l'invention. Le gain de production de froid est de 81.1kW pour un cout de 7.4kW électrique (COPelec,sup = 11)
  • Dans 2 cas (#7 et #8), le dispositif selon l'invention permet à la fois de produire plus de froid (gain de 6.1kW et 5.9kW) tout en produisant plus d'électricité (gain de 4.6kW et 2kW respectivement).
  • En conclusion de cette analyse quantitative : il est à noter que le dispositif selon l'invention est particulièrement utile dans tous les cas où l'on a besoin d'une puissance froide constante et on a de sources de chaleur à températures fluctuantes.
  • En fait, le dispositif selon l'invention permet au cycle de toujours fonctionner dans son point de design, dans certains cas grâce à l'utilisation très efficace d'une petite puissance électrique, et dans d'autres permettant même la production d'une petite puissance électrique en plus du froid.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s'étend à tous les modes de réalisation couverts par l'invention.
    • LISTES DES REFERENCES
    • 101. Pompe
    • 102. Générateur
    • 103. Détendeur
    • 104. Évaporateur
    • 105. Condenseur
    • 200. Éjecteur
    • 201. Entrée fluide primaire
    • 202. Entrée fluide secondaire
    • 203. Col sonique de l'injecteur primaire
    • 204. Chambre de mélange
    • 205. Diffuseur
    • 206. Sortie fluide mélangé
    • 207. Section
    • 208. Section
    • 209. Section
    • 210. Section
    • 300. Premier Organe de détente/compression réversible
    • 301. Vanne 3 voies
    • 302. Vanne 3 voies
    • 303. Vanne 3 voies
    • 304. Électricité
    • 400. Deuxième organe de détente/compression réversible
    • 401. Vanne 3 voies
    • 402. Vanne 3 voies
    • 403. Vanne 3 voies
    • 404. Électricité
    • 500. Troisième organe de détente/compression réversible
    • 501. Vanne 3 voies
    • 502. Vanne 3 voies
    • 503. Production d'électricité
    • A. Connexion fluidique entre la sortie du condenseur 105 et l'entrée de la pompe 101
    • B. Connexion fluidique entre la sortie de la pompe 101 et l'entrée du générateur 102
    • C. Connexion fluidique entre la sortie du générateur 102 et l'entrée de fluide primaire 201 de l'éjecteur 200
    • D. Connexion fluidique entre la sortie du condenseur 105 et l'entrée du détendeur 103
    • E. Connexion fluidique entre la sortie du détendeur 103 et l'entrée de l'évaporateur 104
    • F. Connexion fluidique entre la sortie de l'évaporateur et l'entrée de fluide secondaire 202 de l'éjecteur 200
    • G. Connexion fluidique entre la sortie 206 de l'éjecteur 200 et une vanne 3 voies 301
    • G1. Connexion fluidique entre la sortie 206 de l'éjecteur 200 et l'entrée d'une vanne 3 voies 502
    • G2. Connexion fluidique entre la sortie 206 de l'éjecteur 200 et l'entrée d'une vanne 3 voies 301
    • H. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 301 et une vanne 3 voies 302
    • I. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 302 et le premier organe de détente/compression réversible 300
    • J. Connexion fluidique entre le premier organe de détente/compression réversible 300 et une vanne 3 voies 303
    • K. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 303 et l'entrée du condenseur 105
    • L. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 301 et une deuxième vanne 3 voies 303
    • M. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 302 et l'entrée du condenseur 105.
    • N. Connexion fluidique entre la sortie du générateur 102 et une vanne 3 voies 401
    • O. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 400 et une vanne 3 voies 403
    • P. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 403 et un deuxième organe de détente/compression réversible 400
    • Q. Connexion fluidique entre un deuxième organe de détente/compression réversible 400 et une vanne 3 voies 402
    • R. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 402 et l'entrée de fluide primaire 201 de l'éjecteur 200
    • S. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 401 et une vanne 3 voies 402
    • T. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 403 et l'entrée de fluide primaire 201 de l'éjecteur 200
    • U. Connexion fluidique entre la sortie 206 de l'éjecteur 200 et l'entrée condenseur 105
    • V. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 402 et une vanne 3 voies 501
    • W. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 501 et l'entrée de fluide primaire 201 d'un éjecteur 200
    • X. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 501 et un troisième organe de détente/compression réversible
    • Y. Connexion fluidique entre le troisième organe de détente/compression réversible et une vanne 3 voies 502
    • Z. Connexion fluidique entre une vanne 3 voies 502 et l'entrée du condenseur 105

Claims (11)

  1. Dispositif de production de froid comprenant un cycle de réfrigération à éjecteur (SERS) comprenant un circuit de circulation d'un fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle :
    • Une branche motrice sur laquelle sont agencés une pompe (101) et un générateur (102) destiné à assurer un échange thermique entre une source de chaleur et le fluide de travail, et
    • une branche frigorifique sur laquelle sont agencés un détendeur (103) et un évaporateur (104) destiné à assurer un prélèvement de chaleur à une source à refroidir, et
    • une branche de mélange sur laquelle sont agencés un éjecteur (200) destiné à assurer le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique et un condenseur (105) destiné à assurer un échange thermique entre une source intermédiaire et le fluide de travail mélangé,
    • Un premier organe de compression réversible (300) agencé sur la branche de mélange en aval de l'éjecteur (200) et en amont du condenseur (105),
    Caractérisé en ce qu'il comprend
    • un deuxième organe de compression réversible (400) agencé sur la branche motrice en amont de l'éjecteur (200) et en aval du générateur (102),
    et que le premier organe de compression réversible (300) agencé sur la branche de mélange et le deuxième organe de compression réversible (400) agencé sur la branche motrice sont connectés mécaniquement de sorte qu'un organe de compression réversible (300,400) entraine mécaniquement l'autre organe de compression réversible (300,400).
  2. Dispositif de production de froid selon la revendication précédente dans lequel le premier organe de compression réversible (300) et/ou le deuxième organe de compression réversible (400) est de type volumétrique.
  3. Dispositif de production de froid selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier organe de compression réversible (300) agencé sur la branche de mélange et le deuxième organe de compression réversible (400) agencé sur la branche motrice sont connectés électriquement de sorte qu'un organe de compression réversible (300,400) produit de l'électricité utilisée directement ou indirectement par l'autre organe de compression réversible (300,400).
  4. Dispositif de production de froid selon la revendication précédente comprenant une batterie destinée à stocker l'électricité produite par au moins un organe de compression réversible (300,400) et à fournir électricité stockée un organe de compression réversible (300,400).
  5. Dispositif de production de froid selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un organe de détente supplémentaire (500) destiné à produire de l'électricité et agencé sur une branche parallèle à l'éjecteur (200) entre l'aval du générateur (102), ou du deuxième organe de compression (400) de la branche motrice, et l'aval de l'éjecteur (200), préférentiellement en amont du condenseur (105) ou du premier organe de compression réversible (300) de la branche de mélange.
  6. Dispositif de production de froid selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un échangeur thermique agencé sur la branche de mélange en aval de l'éjecteur (200) et sur la branche motrice en amont du générateur (102) pour transférer de l'énergie thermique entre la branche de mélange et la branche motrice.
  7. Dispositif de production de froid selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la source chaude est une source solaire thermique et la source intermédiaire est l'air ambiant.
  8. Dispositif de production de froid selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un module de commande comprenant une pluralité de vannes (301, 302, 303, 401, 402, 403) destinée à commander la circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique et notamment dans le premier organe de compression réversible (300).
  9. Procédé de production de froid à partir d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant la circulation d'un fluide de travail dans un circuit de circulation d'un fluide de travail comprenant trois branches agencées en parallèle:
    • une branche motrice sur laquelle sont agencés une pompe (100) et un générateur (102) assurant un échange thermique entre une source de chaleur et le fluide de travail, et
    • une branche frigorifique sur laquelle sont agencés un détendeur (103) et un évaporateur (104) destiné à assurer un prélèvement de chaleur à une source à refroidir, et
    • une branche de mélange sur laquelle sont agencés un éjecteur (200) assurant le mélange du fluide de travail issu de la branche motrice et le fluide de travail issu de la branche frigorifique et un condenseur (105) destiné à assurer un échange thermique entre une source intermédiaire et le fluide de travail mélangé,
    Caractérisé en ce qu'il comprend :
    • Un organe de compression réversible (300) agencé sur la branche de mélange en aval de l'éjecteur (200) et en amont du condenseur (105) fonctionnant alternativement selon un mode de compression de sorte à comprimer le fluide de travail issu de l'éjecteur (200) avant qu'il entre dans le condenseur (105), ou un mode de détente de sorte à détendre le fluide de travail issu de l'éjecteur (200) avant qu'il entre dans le condenseur (105) et/ou un deuxième organe de compression réversible (400) agencé sur la branche de motrice en amont de l'éjecteur (200) et en aval du générateur (102) fonctionnant alternativement selon un mode de compression de sorte à comprimer le fluide de travail issu du générateur (102) avant qu'il entre dans l'éjecteur (200), ou un mode de détente de sorte à détendre le fluide de travail issu du générateur (102) avant qu'il entre dans l'éjecteur (200).
  10. Procédé de production de froid selon la revendication précédente dans lequel le dispositif comprend un module de commande comprenant une pluralité de vannes (301, 302, 303, 401, 402, 403) destiné à commander la circulation du fluide de travail dans le circuit fluidique et notamment dans le premier organe de compression réversible (300) et une pluralité de capteurs destinés à mesurer des paramètres prédéfinis sur le circuit fluidique, le procédé comprenant la mesure de paramètres prédéfinis sur le circuit fluidique par des capteurs, la comparaison des mesures avec des valeurs prédéfinies et la mise en place alternativement d'un mode de compression ou d'un mode de détente du premier organe de compression réversible ou d'une dérivation du premier organe de compression réversible.
  11. Procédé de production de froid selon la revendication précédente dans lequel alternativement :
    • lorsque le module de commande identifie que la pression dans le condenseur (105) est supérieure à une valeur cible de la pression de l'éjecteur (200), le module de commande met en place le mode de détente du premier organe de compression réversible (300),
    • lorsque le module de commande identifie que la pression dans le condenseur (105) est inférieure à une valeur cible de la pression de l'éjecteur (200), le module de commande met en place le mode de compression du premier organe de compression réversible (300),
    • lorsque le module de commande identifie que la pression dans le condenseur (105) et égale à une valeur cible de la pression de l'éjecteur (200), le module de commande met en place le mode de dérivation du premier organe de compression réversible (300).
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