FR2474666A1 - Procede de production de chaleur au moyen d'une pompe a chaleur utilisant un melange de fluides comme agent de travail et l'air comme source de chaleur - Google Patents
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Abstract
PROCEDE DE PRODUCTION DE CHALEUR AU MOYEN D'UNE POMPE A CHALEUR UTILISANT UN MELANGE DE FLUIDES COMME AGENT DE TRAVAIL, DANS LEQUEL L'AIR CONSTITUE LA SOURCE DE CHALEUR ET CIRCULE A CONTRE-COURANT DU MELANGE DE FLUIDES DANS LA ZONE D'EVAPORATION, L'EVACUATION DE L'EAU DE CONDENSATION PROVENANT DE L'AIR QUI CONSTITUE LA SOURCE DE CHALEUR, AINSI QUE LE DEGIVRAGE, ETANT ASSURES DANS DES CONDITIONS EMPECHANT L'ACCES DE LADITE EAU A LA PORTION DE LA SURFACE D'ECHANGE, DANS LA ZONE D'EVAPORATION, OU SE PRODUIT LE GIVRAGE.
Description
L'invention concerne le domaine des pompes à chaleur fonctionnant
avec un mélange de fluides de travail.
L'utilisation de fluides de travail en mélange dans les pompes à
chaleur, de manière à prélever de la chaleur sur un intervalle de tem-
pérature, le mélange utilisé dans la pompe à chaleur se vaporisant, progressivement, dans une première zone d'échange de chaleur, suivant
une évolution croissante de température parallèle à l'évolution décrois-
sante de température d'un fluide extérieur, utilisé comme source de chaleur, au cours dudit échange,et de manière à fournir de la'chaleur sur un intervalle de température, le mélange utilisé dans la pompe à chaleur se condensant progressivement dans une seconde zone d'échange de chaleur, suivant une évolution décroissante de température parallèle à l'évolution croissante de température d'un fluide extérieur auquel cette chaleur est transmise, a fait l'objet du brevet des Etats-Unis
d'Amérique N0 4 089 186.
Une telle technique permet d'améliorer largement le coefficient de performance des pompes à chaleur chaque fois que la température des fluides extérieurs avec lesquels s'effectuent les échanges de chaleur évolue au cours de ces échanges et peut être utilisée à la fois dans des applications industrielles et dans des applications au chauffage
de locaux.
Le cas du chauffage des locaux est un cas particulièrement impor-
tant et qui est particulièrement adapté à l'utilisation de pompes à chaleur fonctionnant avec des mélanges étant donné que les chaleurs échangées sont dans ce cas toujours au moins en partie des chaleurs sensibles et que les échanges de chaleur mettent en jeu des variations de température des fluides extérieurs avec lesquels s'effectuent les échanges. Les applications qui ont été décrites dans le brevet NI 4 089 186
concernent des cas pour lesquels la chaleur est récupérée sur un large.
intervalle de température. Pour cette raison, il a été décrit dans le brevet NO 4 089 186 un schéma de fonctionnement préféré consistant à condenser le mélange circulant dans la pompe à chaleur en deux étages, de manière à fournir la chaleur sur un intervalle de température plus restreint que l'intervalle de température suivant lequel la chaleur est récupérée. D'autre part, l'eau est la seule source de chaleur citée dans le brevet NO 4 089 186. En effet, il est relativement simple d'adapter l'utilisation de mélanges à une pompe à chaleur fonctionnant avec de l'eau comme fluide extérieur à l'évaporateur et au condenseur. Il est
nécessaire, dans le cas d'une pompe à chaleur fonctionnant avec un mé-
lange de fluides, pour bénéficier des avantages qu'apporte l'utilisa-
tion d'un mélange sur le plan des performances, de faire fonctionner
l'évaporateur et le condenseur suivant un mode d'échange à contre-
courant. Lorsque ces échanges sont opérés avec de l'eau, de nombreux échangeurs couramment utilisés se prêtent à un tel mode d'échange et opèrent déjà dans de telles conditions dans le cas d'un corps pur, par
exemple les échangeurs double-tube ainsi que les échangeurs à plaques.
Au contraire, lorsque la source de chaleur est de l'air, l'évapo-
rateur fonctionne généralement suivant un mode d'échange de chaleur à courants croisés. Le fluide de travail circule dans des tubes munis d'ailettes qui sont disposés en nappes à travers lesquelles l'air est soufflé par un ventilateur, la circulation d'air étant perpendiculaire
auxdites nappes.
Compte tenu de l'impossibilité de récupérer de la chaleur sur un débit d'eau dans des conditions telles que l'eau est susceptible de geler, la vaporisation du mélange s'effectue selon le brevet NI
4 089 186 dans un intervalle de température compris entre 0 et 100 OC.
Dans le cas des pompes à chaleur utilisant de l'air comme source
de chaleur, lorsque cet air contient de la vapeur d'eau, le fonctionne-
ment de l'évaporateur à basse température entraîne la condensation et le givrage de l'eau contenue dans l'air. Ce problème représente une limitation importante des conditions d'utilisation des pompes à chaleur utilisant de l'air comme source de chaleur lorsqu'aucun dispositif de dégivrage n'est prévu. Lorsqu'un dispositif de dégivrage est mis en place, il entraîne nécessairement une diminution des performances de
la pompe à chaleur.
Dans le cas d'une pompe à chaleur fonctionnant avec un corps pur: la température du fluide de travail qui s'évapore'est sensiblement
uniforme et dès que cette température descend de quelques degrés au-
dessous de 0 0C, l'eau contenue dans l'air humide qui est soufflé sur l'évaporateur se condense et se met à givrer sur toute la surface des
tubes.
Il a été découvert que contrairement à ce qui apparaît dans le brevet N0 4 089 186, l'utilisation d'un mélange peut être avantageuse lorsque la source de chaleur est de l'air et tout particulièrement dans
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les conditions ou du givre est susceptible de se former, c'est-a-dire
lorsque le fluide de travail est vaporisé en totalité ou en partie au-
dessous de 0 OC, pendant une fraction au moins de la durée totale de fonctionnement. La disposition prévue selon'l'invention consiste à opérer suivant le schéma de principe représenté sur la figure 1. Le mélange de fluides
de travail entre par le conduit 1, circule dans l'enceinte El, à contre-
courant du débit d'air (circulant dans le sens a-.*a' à l'intérieur de la gaine de circulation G), entraîné par le ventilateur V et ressort par le conduit 2. L'enceinte d'échange El est formée par des tubes dans lesquels circule le mélange ou par des plaques entre lesquelles circule le mélange et délimitant un volume fermé, ladite enceinte présentant une surface d'échange avec l'air extérieur. Le coefficient de transfert thermique étant beaucoup plus réduit du côté air que du côté du mélange, ladite surface d'échange est de préférence pourvue d'ailettes et/ou d'aiguilles.
Lorsque l'air humide arrive sur la surface d'échange, il se re-
froidit progressivement et lorsque sa température devient égale, globa-
lement ou localement à la température de rosée (section A sur le schéma
de la figure 1), l'eau commence à se condenser. Cette eau qui se con-
dense est évacuée de l'échangeur au fur et à mesure de sa condensation.
Pour cette raison une disposition préférée est une disposition dans laquelle le mélange et l'air circulent suivant un axe horizontal, l'eau
s'écoulant par gravité le long des surfaces d'échange et étant re-
cueillie dans le bac de rétention R d'o elle est évacuée par le con-
duit 3. Il est impératif d'éviter que l'eau condensée puisse s'écouler vers les zones les plus froides de l'évaporateur, c'est-à-dire vers
l'entrée du mélange et une disposition verticale,dans laquelle le mé-
lange arrive par en bas et dans laquelle l'eau condensée s'écoule sur la surface d'échange jusqu'au bas de celle-ci, doit être exclue. Une disposition verticale dans laquelle le mélange arriverait par en haut
et l'air par en bas est moins gênante. Toutefois, une telle dispo-
sition verticale est moins favorable que la disposition horizontale du fait que l'eau qui s'écoule se trouve en contact avec de l'air à une température plus élevée et de ce fait l'air se sature en eau, ce qui augmente la quantité de vapeur d'eau entraînée, donc l'intensité du givrage. L'eau qui se condense est recueillie progressivement de la section
A jusqu'à la section B o la température s'abaisse globalement ou loca-
lement au-dessous de 0 0C. Au-delà de la section B, le givrage s'opère.
Toutefois la quantité de givre qui se dépose est très inférieure
à la quantité de givre qui se déposerait sur un évaporateur convention-
nel alimenté par un corps pur comme fluide de travail. Ainsi, par exemple, dans le cas o un débit d'air, extrait d'un local, dont l'humidité relative est de 70 %,la température de 20 0C et qui représente 300 kg/h d'air sec, est envoyé sur un évaporateur d'ou il ressort à 0 'C, il va se former 2,3 kg/h environ de givre dans le
cas d'un évaporateur conventionnel.
En utilisant un évaporateur selon l'invention, au contraire, il n'y aura pratiquement pas de givre formé ou tout au moins une quantité
très faible.
Le dégivrage peut être assuré par les différentes techniques con-
nues, par exemple par chauffage à l'aide de résistances électriques ou par inversion de cycle. La commande du dégivrage peut être assurée par exemple par un détecteur de givre ou par un générateur d'impulsions régulièrement espacées, le dégivrage n'ayant effectivement lieu que si
la pression d'évaporation est inférieure à une valeur donnée.
Un mode de réalisation préféré de l'évaporateur de la pompe à chaleur selon l'invention consiste à faire circuler le mélange dans des
tubes munis d'ailettes ou d'aiguilles, de manière à augmenter la sur-
face d'échange du côté air. Un exemple de disposition de ces tubes est
représenté sur la figure 2.
Le mélange constituant le fluide de travail arrive par le distri-
buteur D qui le répartit entre les conduits 4, 5, 6, 7 et 8. Chacun de ces conduits débouche sur un tube faisant paârtie d'une batterie de tubes munis d'ailettes. Le mélange circule ensuite en parallèle dans les tubes montés dans des batteries qui sont assemblées de manière à ce que le mélange suive globalement un trajet à contre-courant du débit d'air dont la direction et l'orientation sont indiquées par la flèche 14 sur
la figure 2.
Le mélange qui arrive par le conduit 4 circule ainsi dans le tube
supérieur faisant partie de la première batterie, est évacué de cette-
première batterie par le conduit 9 qui l'amène dans le tube supérieur de la seconde batterie, d'o il ressort par le conduit 10 qui l'amène dans le tube supérieur de la troisième batterie, d'o il ressort par le conduit Il qui l'amène dans le tube supérieur de la quatrième batterie, d'o il ressort par le conduit 12 qui communique avec le conduit général d'évacuation 13 qui permet d'envoyer le mélange vapeur à l'aspiration du compresseur. Le mélange qui arrive par les autres conduits 5, 6, 7 et 8 suit également des trajets globalement à contre courant du débit d'air, situés dans des plans parallèles ainsi que
le montre la figure 2.
D'autres arrangements du montage des tubes suivant différents modes série/parallèle peuvent être envisagés allant de l'arrangement (a) représenté sur la figure 2 dans lequel tous les tubes situés dans un même plan et dans lesquels le mélange circule globalement à contre courant du débit gazeux sont alimentés en parallèle avec autant de conduits d'arrivée débouchant du distributeur D jusqu'à l'arrangement (b) dans lequel tous les tubes sont montés en série. Plus généralement,
les tubes peuvent se trouver dans m plans qui seront qualifiés de hori-
zontaux et n plans qui seront qualifiés de verticaux en se référant à la représentation de la figure 2. Toute autre orientation obtenue par
un mouvement de rotation quelconque dans l'espace est possible, toute-
fois la disposition précédente,qui correspond à une circulation d'air suivant une direction horizontale,est préférée pour les raisons qui ont
été évoquées précédemment.
Lorsque l'eau contenue dans l'air qui est envoyé sur l'évaporateur se condense, elle s'écoule le long des ailettes et elle est recueillie
dans un bac de rétention.
Il est possible dans chaque plan vertical de monter les tubes en série par groupes de p tubes, p étant un nombre entier de 1 à m, ces groupes de p tubes étant alimentés par k conduits d'arrivée, k étant tel que m = p x k. Chacun des groupes de p tubes d'un plan vertical est
relié au groupe de p tubes du plan vertical suivant selon une dispo-
sition qui fait circuler le mélange globalement à contre-courant du dé-
bit d'air. Ainsi les arrangements (a) et (b) correspondent à des cas particuliers de ce cas général, l'arrangement (a) correspondant à p = 1,
k = m et l'arrangement (b) à p = m, k = 1.
Une autre solution consiste à utiliser un tube à ailettes ou ai-
guilles enroulé en serpentin suivant une section de base de forme géo-
métrique quelconque, le débit d'air étant envoyé suivant l'axe du ser-
pentin à contre-courant de la direction moyenne de circulation du mé-
- lange de fluides. Le schéma de la figure 3 illustre une telle dispo-
sition. Sur ce schéma le mélange arrive par le conduit 15, circule à l'intérieur du tube 16 et est évacué par le conduit 17. Les flèches 18 et 19 indiquent le sens de circulation de l'air, l'arrivée de l'air étant indiquée par la flèche 18 et le départ par la flèche 19. Un tel
serpentin peut être également formé de plusieurs tubes montés en paral-
lèle et bobinés suivant le même axe. Le serpentin peut être disposé horizontalement ou verticalement, une disposition horizontale étant préférée pour les raisons indiquées précédemment. L'eau condensée s'écoule par gravité, est recueillie et évacuée.
Le condenseur de la'pompe à chaleur-permet de fournir de la cha-
leur au fluide extérieur de chauffage qui peut être de l'eau ou de
l'air. Lorsque le fluide extérieur est de l'eau, il est possible d'uti-
liser par exemple un échangeur à double tube dans lequel la circulation
du mélange et de l'eau du circuit de chauffage s'opèrent à contre-cou-
rant. Lorsque le fluide extérieur est de l'air, il est possible d'uti-
liser un échangeur dont la conception générale est celle qui est re-
présentée sur le schéma de la figure 3.
Trois cas principaux peuvent être prévus selon la nature de la source d'air: 1) - Récupération de chaleur sur air extrait d'un local chauffé Un exemple de disposition de la pompe à chaleur est représenté sur la figure 4.,L'air arrive sur l'évaporateur E2 par la gaine Gi et il
est évacué par le ventilateur VE1.
Le mélange des substances qui constituent le fluide de travail ar-
rive, à l'état liquide, par le conduit 19, circule à contre-courant du courant d'air et repart sous forme vapeur par le conduit 20. L'eau condensée est recueillie dans le bac de rétention Rl et évacuée par le
conduit 19.
Le mélànge vapeur est comprimé dans le compresseur Kl et arrive
dans le condenseur E3 par le conduit 21. Dans ce schéma, l'air exté-
rieur arrive par le conduit G2, circule à contre-courant du mélange et
est évacué par le ventilateur VE2 vers le local à chauffer.
Le mélange condensé ressort du condenseur par le conduit 22 et il
est détendu dans le détendeur Dl.
En mi-saison, la pompe à chaleur peut ne fonctionner qu'une frac-
tion du temps, la puissance de chauffage qu'elle assure étant modulée par la durée relative des périodes de marche et d'arrêt. Dans ce cas, le mélange peut jouer le rôle d'un caloporteur permettant de récupérer la chaleur contenue dans l'air extrait d'un local chauffé par échange avec l'air extérieur. Cette possibilité est prévue sur le schéma de la figure 4. Lorsque le compresseur Ki est arrêté, les vannes trois voies VD1, VD2, VD3 et VD4 permettent de faire circuler le mélange au moyen du circulateur CIl en évitant le compresseur KI et le détendeur Dl. Cette solution est rendue possible par le fait que la température du
mélange peut suivre la température de l'air avec lequel s'effectue l'é-
change, au contraire de ce qui se passe lorsque le fluide de travail
est un corps pur.
Le dégivrage peut être opéré dans ce cas par simple arrêt de la pompe à chaleur et/ou de la circulation du mélange. En effet, dans ce
cas, l'air extrait n'est plus refroidi et arrive sur les parties gi-
vrées à une température voisine de 20 0C.
Le fonctionnement d'une telle pompe à chaleur est précisé par les
données numériques de l'exemple suivant.
EXEMPLE 1
On envoie sur l'évaporateur au moyen du ventilateur VEI un débit de 250 m3 d'air extrait provenant des locaux à chauffer. Cet air arrive à 20 0C et ressort de l'évaporateur à 4 0C. Le mélange utilisé est un
mélange dont la composition molaire est la suivante -
Trichloromonofluorométhane (R-11). = 0,05 Monochlorodiflỏrométhane (R-22) = 0,84 Monochlorotrifluorométhane (R-13) = 0,11 Le mélange arrive dans l'évaporateur E2 à une température de -5,8 0C et ressort à une température de 10,4 OC. Le givrage n'apparaît que sur la partie la plus froide de l'évaporateur. Ce dégivrage est
opéré par arrêt périodique de la circulation du mélange et l'eau re-
cueillie dans le bac Rt est évacuée par le conduit 21.
Le mélange arrive dans le condenseur E3 à une température de 56,4 0C et ressort à une température de 10,5 0C. L'air extérieur est soufflé
sur le condenseur au moyen du ventilateur VE2. Il arrive à une tempé-
rature de O 0C, ressort à une température de 18,3 0C. La puissance méca-
nique, dépensée au compresseur pour comprimer le mélange, est de 196 W. L'utilisation de mélanges permet de réaliser une pompe à chaleur dont les performances sont satisfaisantes, même lorsque la température de rejet est basse. Ceci permet d'augmenter la puissance de la pompe à chaleur et de réduire la puissance du chauffage d'appoint. Par contre cela impose, si l'eau condensée est refroidie au-dessous de O OCde prévoir un mécanisme de dégivrage. Le mécanisme de dégivrage préféré
consiste, dans ce cas, à arrêter la circulation du mélange, soit pério-
diquement, soit en fonction des indications transmises par un détecteur de givre, en faisant fondre le givre par passage de l'air extrait à une température proche de sa température de sortie des locaux chauffés,
c'est-à-dire environ 20 'C.
2) --Récupération de chaleur sur air extérieur Sur la figure 5 est représenté un exemple de disposition de pompe à chaleur fonctionnant avec un mélange de fluides et prélevant de la chaleur sur de l'air extérieur. Dans cet exemple, le chauffage des
locaux est assuré par un circuit d'eau chaude.
L'air extérieur est envoyé sur l'évaporateur E4 au moyen du venti-
lateur VE3 en passant dans la gaine G3. Le mélange arrive dans l'évapo-
rateur par le conduit 23, en ressort par le conduit 24, est comprimé par le compresseur K2, repart par le conduit 25, se condense dans le
condenseur E5 et est envoyé au détendeur D2 par le conduit 26.
L'eau qui se condense sur l'évaporateur est recueillie dans le bac
R2 et évacuée par le conduit 29.
L'eau du circuit de chauffage arrive par la conduite 27, se ré-
chauffe en échangeant de la chaleur à contre-courant avec le mélange
qui se condense et repart par le conduit 28. Le dégivrage de l'évapo-
rateur peut être opéré par les différentes techniques connues, ainsi que cela a déjà été mentionné: par résistance électrique, inversion de cycle, etc... Dans le cas o le fluide de chauffage est de l'eau, il est également possible d'opérer périodiquement un dégivrage au moyen
d'un circuit monté en dérivation sur le circuit de chauffage. Le dégi-
vrage peut être opéré dans ce cas par exemple en faisant circuler un-
petit débit d'eau, prélevée à la température la plus élevée possible dans un tube de faible section accolé aux ailettes du ou des tubes dans lequel ou lesquels circule le mélange. Ce tube peut être simplement jointif ou fixé par exemple par brasage ou collage. Il est également possible d'arroser directement l'évaporateur en assurant ainsi le chauffage de l'évaporateur par contact direct pendant la période de dégivrage. Cette méthode peut présenter l'inconvénient de nécessiter une réintroduction d'eau dans le circuit de chauffage pour éviter les pertes par évaporation. Pour éviter ce problème, on peut également constituer une réserve d'eau condensée recueillie dans le bac R2 et arroser l'évaporateur au moyen d'un circuit de cette eau préalablement
chauffée par échange avec l'eau du circuit de chauffage.
Pendant la période de dégivrage, la température du circuit de chauffage se maintient soit au moyen d'un chauffage par résistance électrique ou combustion d'un combustible tel que, par exemple, un hydrocarbure liquide ou gazeux, associé au chauffage par pompe à cha- leur, soit par simple inertie thermique du circuit de chauffage qui
comprend de préférence dans ce cas une réserve d'eau chaude suffisam-
ment importante pour que la température de l'eau chaude du circuit de chauffage puisse se maintenir sensiblement constante pendant la durée
d'arrêt de la pompe à chaleur.
La disposition de la pompe à chaleur schématisée sur la figure 5
a été présentée à titre d'exemple et d'autres cas peuvent être évidem-
ment envisagés. Il est possible notamment d'adapter une pompe à chaleur fonctionnant avec un mélange de fluides et prélevant de la chaleur sur de l'air extérieur à un chauffage par air chaud, le dégivrage pouvant
être assuré par les différentes techniques connues.
3) - Récupération de chaleur sur air extrait d'un local et air extérieur La récupération de chaleur à l'évaporateur peut être également opérée sur un mélange d'air extrait et d'air extérieur. Dans ce cas, le
mélange d'air extrait et d'air extérieur peut être opéré avant le pas-
sage sur l'évaporateur. Une autre disposition particulièrement avanta-
geuse consiste à opérer selon le schéma représenté sur la figure 6.
Le mélange arrive par le conduit 29 dans une première partie, E6, de l'évaporateur sur laquelle arrive un mélange d'air extrait et d'air extérieur puis passe dans une deuxième partie, E7, de l'évaporateur, qui fonctionne à température plus élevée et dans laquelle il échange de la chaleur avec l'air extrait seulement. L'air extrait est admis en ouvrant les volets VOl, circule dans la gaine G4 à contre-courant du mélange qui se vaporise, est mélangé avec l'air extérieur, qui arrive
par la gaine G6 et qui est admis en ouvrant les volets V02 et le mé-
lange d'air extérieur et d'air extrait est refroidi en circulant à
contre-courant du mélange qui se vaporise dans l'évaporateur E6.
Le mélange vapeur ressort de l'évaporateur E7 par le conduit 30 et il est mélangé avec la vapeur arrivant par le conduit 31. Le mélange vapeur ainsi formé est comprimé dans le compresseur K3 et envoyé par le
conduit 33 au condenseur E8 sur lequel arrive un mélange d'air exté-
rieur et d'air intérieur. Il se condense progressivement et le mélange liquide-vapeur obtenu ressort par le conduit 34 et est envoyé au
condenseur E9 d'o il ressort par le conduit 35.
L'air extérieur est admis en ouvrant les volets V03, circule dans la gaine G5 à contre-courant du mélange qui se condense, est mélangé
avec l'air intérieur qui arrive par la gaine G7 et qui est admis en ou-
vrant les volets V04 et le mélange d'air extérieur et d'air intérieur est réchauffé en circulant à contre-courant du mélange qui se condense
dans le condenseur E8.
Le mélange liquide ressort du condenseur E9 par le conduit 35 et
passe dans l'échangeur E10 dans lequel il est prérefroidi. Il en res-
sort par le conduit 36. Une première fraction est alors détendue dans -le détendeur D3 et vaporisée dans l'échangeur E10, afin d'effectuer le prérefroidissement du mélange qui est assuré dans l'échangeur E10. La fraction vaporisée ressort de l'échangeur E10 par le conduit 31 et est mélangée avec la vapeur provenant de l'évaporateur E7 et arrivant par
le conduit 30. La fraction du mélange liquide non détendue dans le dé-
tendeur D3 est détenduedans le détendeur D4 et le mélange détendu est
envoyé par le conduit 29 à l'évaporateur E6.
Le fonctionnement d'une telle pompe à chaleur est précisé par les
données numériques de l'exemple suivant.
EXEMPLE 2
On envoie sur l'évaporateur E7 un débit de 250 m 3/h d'air extrait provenant des locaux à chauffer. Cet air arrive à 20 0C et ressort de l'évaporateur E7 à 10,2 OC. Il est alors mélangé avec un débit de 500
m3/h d'air extérieur qui arrive à 15 0C et le mélange d'air ainsi ob-
tenu est envoyé sur l'évaporateur E6 d'o il ressort à 4 0C.
Le mélange utilisé est un mélange dont la composition molaire est la suivante: Trichloromonofluorométhane: 0,07
Monochlorodifluorométhane: 0,82 -
Monochlorotrifluorométhane: 0,11 Ce mélange arrive dans l'évaporateur E6 à une température de -8,1
OC et ressort de l'évaporateur E6 à une température de 3 0C. La vapori-
sation continue dans l'évaporateur E7 d'o le mélange ressort à une
température de 12,5 OC.
L'eau condensée est recueillie au fur et à mesure de sa formation
et seule une partie de l'évaporateur E6 subit le givrage.
Le dégivrage est opéré en arrêtant périodiquement la pompe à cha-
leur et en fermant les volets V02 d'admission de l'air extérieur, ce il qui permet de faire fondre le givre par passage de l'air extrait à une température proche de la température de sortie des locaux chauffés,
c'est-à-dire 20 OC.
Le mélange est comprimé jusqu'à une pression de 13 atm et se con-
dense progressivement dans les condenseurs E8 et E9. On envoie sur le condenseur E9 un débit de 250 m 3/h d'air extérieur. Cet air extérieur
arrive à 15 C et ressort du condenseur E9 à une température de 27,3 0C.
Il est alors mélangé avec un débit de 500 m 3/h d'air intérieur pro-
venant des locaux à chauffer, qui arrive à 20 OC, et le mélange ainsi
obtenu est envoyé sur le condenseur E8 d'o il ressort à 34,2 OC.
Le mélange condensé ressort du condenseur E9 à une température de
26,7 Oc. Il est sous-refroidi dans l'échangeur E10 jusqu'à une tempé-
rature de 1,9 0C. Une fraction représentant 15 % du débit total est dé-
tendue dans le détendeur D3 et valorisée dans l'échangeur EIO de manière s5 à assurer le sous-refroidisse.ent. La fraction restante est détendue
dans le détendeur D4 et envoyée par le conduit 29 à l'évaporateur E6.
Les données numériques indiquées dans cet exemple sont simplement illustratives et des conditions de fonctionnement différentes peuvent
être réalisées.
Les proportions d'air extrait et d'air extérieur ainsi que les proportions d'air extérieur et d'air intérieur peuvent largement varier et l'on peut rencontrer tous les cas particuliers, notamment les cas d'un évaporateur ne fonctionnant que sur air extérieur ou que sur air extrait ou encore le cas d'un condenseur ne fonctionnant que sur air extérieur ou que sur air intérieur. L'air "intérieur" ne diffère pas
matériellement de l'air "extrait"; la différence de désignation con-
cerne seulement la destination finale de cet air, selon qu'il est re-
jeté à l'extérieur (air extrait) ou renvoyé après réchauffage dans
les locaux à chauffer (air intérieur).
De même le condenseur peut servir à chauffer de l'eau comme fluide de chauffage au lieu d'air. Ce dernier cas peut être particulièrement intéressant lorsque la pompe à chaleur fonctionne en association avec unechaudière utilisant un combustible liquide, solide ou gazeux, cette situation pouvant se rencontrer notamment lorsque la pompe à chaleur est adaptée au chauffage d'une habitation possédant déjà une installation
de chauffage à eau chaude classique.
Trois types de sources ont été examinées: air extrait, air exté-
rieur et combinaison air extrait + air extérieur.
- 12
L'utilisation d'un mélange est particulièrement avantageuse lors-
que la chaleur est récupérée sur de l'air extrait ou une combinaison
air extrait + air extérieur. En effet, c'est dans un tel cas que l'évo-
lution de température de l'air qui joue le rôle de source de chaleur est la plus importante. Dans ce-cas, le mode de dégivrage préféré con- siste à arrêter la circulation du mélange, d'autres modes de dégivrage étant possibles par exemple par résistance électrique ou inversion de cycle. D'une manière générale, la pompe à chaleur utilisant un mélange de fluides peut être intégrée à divers systèmes de chauffage comportant
*en association avec la pompe à chaleurdes modes de chauffage très va-
riés, par exemple par résistance électrique ou chaudière fonctionnant
-avec un combustible liquide, solide ou gazeux, ou encore capteur so-
laire, etc...
- Les mélanges utilisés peuvent être des mélanges de deux, trois (ou
davantage) constituants (composés chimiques distincts). Les consti-
tuants du mélange peuvent être par exemple des hydrocarbures halogénés
du type "Fréon" à un ou deux atomes de carbone, tels que le trichloro-
monofluorométhane (R-11), le dichlorodifluorométhane (R-12), le mono-
chlorotrifluorométhane (R-13), le monochlorodifluorométhane (R-22), le
trichloro-1,l,2 trifluoro-1,2,2 éthane (R-113), le dichloro-1,2 têtra-
fluoro-1,1,2,2 éthane (R-114), des hydrocarbures tels que le propane ou le butane ou encore d'autres fluides organiques tels que alcools ou
esters. L'emploi d'azéotrope, utilisé seul est exclu puisqu'il ne per-
mettrait pas un changement d'état sur un intervalle de température.
Les conditions de fonctionnement sont choisies en général de ma-
nière à ce que la pression du mélange dans l'évaporateur soit supé-
rieure à la pression atmosphérique et que la pression du mélange dans
le condenseur n'atteigne pas des valeurs excessives, par exemple supé-
rieures à 30 bar.
A titre d'illustration de conditions préférées de fonctionnement, l'air peut être introduit dans la zone d'évaporation à une température
comprise entre -10 et 30 0C et être évacué de cette zone à une tempé-
rature d'au moins 5 0C plus basse et située entre +10 et -200C. De même le fluide (par exemple air ou eau) à réchauffer peut être admis dans la zone de condensation à une température située entre -10 + 40 OC
* et en être évacué à une température d'au moins 5 OC plus élevée et si-
tuée entre 10 et 60 OC.
Claims (12)
1. - Procédé de production de chaleur au moyen d'une pompe à chaleur fonctionnant avec un mélange de fluides, caractérisé en ce qu'on
fait passer ledit mélange en circuit fermé dans une zone d'évapo-
ration o de la chaleur est fournie à contre-courant par un pre- mier fluide extérieur, constituant la source de chaleur, une zone de compression, une zone de condensation o le mélange cède de la chaleur à contre-courant à un second fluide extérieur, constituant le receveur de chaleur et une zone de détente, en ce qu'on fait
circuler de l'air, constituant la source de chaleur, à contre-cou-
rant du mélange de fluides, dans la zone d'évaporation, dans des conditions o la vaporisation du mélange de fluides entraîne une condensation d'eau, en provenance de l'air, sur une portion de la surface d'échange de chaleur de la zone d'évaporation et un givrage
sur une portion subséquente de ladite surface, et en ce qu'on éva-
cue l'eau de condensation dans des conditions empêchant l'accès de ladite eau à la portion de surface d'échange o se produit le givrage.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la zone d'évaporation est parcourue par le mélange de fluides dans un sens globalement
horizontal, et dans lequel on évacue l'eau en la laissant s'écou-
ler verticalement par gravité, au fur et à mesure de sa formation.
3. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on arrête pério-
diquement la pompe à chaleur et on dégivre la zone givrée par pas-
sage d'air extrait provenant des locaux à chauffer.
4. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on arrête pério-
diquement la pompe à chaleur et on dégivre la zone givrée par pas-
sage du fluide receveur de chaleur.
5. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel, dans
la zone d'évaporation, le mélange de fluides est mis en contact d'échange de chaleur à contre-courant d'abord avec un premier fluide (A) puis avec un second fluide (B), le fluide (B) étant de l'air extrait d'un local relativement chaud et le fluide (A) étant un mélange d'air extérieur et de fluide (B) après que celui-ci ait
subi l'échange de chaleur précité.
6. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel, dans la
zone de condensation, le mélange de fluides est mis en contact d'é-
change de chaleur à contre-courant d'abord avec un premier fluide (A'), puis avec un second fluide (B'), le fluide (B') étant de
l'air extérieur relativement froid et le fluide (A') étant un mé-
lange d'air provenant d'un local relativement chaud et de fluide
(B') après que celui-ci ait subi l'échange de chaleur précité.
7. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'air
est introduit dans la zone d'évaporation à une température com-
prise entre -10 et 30 0C et il est évacué de cette zone à une température d'au moins 5 OC plus basse et située entre +10 et -20 OC.
8. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'eau de
condensation évacuée est périodiquement utilisée comme agent de dégivrage.
9. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le mé-
lange de fluides, après passage dans la zone de condensation, est soumis à un pré-refroidissement par échange de chaleur avec une partie du mélange de fluides issu de la zone de détente, cette partie étant ensuite envoyée directement à la zone de compression
sans passer par la zone d'évaporation.
10. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'évapo-
rateur est constitué par des tubes entourés de plaques, d'ailettes
ou d'aiguilles.
11. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce
que la zone d'évaporation est constituée par des tubes munis d'ai-
lettes placés perpendiculairement à l'axe de la gaine de circula-
tion d'air, lesdits tubes étant placés dans m plans horizontaux et n plans verticaux, les tubes placés dans les plans verticaux étant montés en série par groupes de p tubes, les tubes desdits groupes
appartenant à des plans verticaux successifs étant eux-mêmes mon-
tés en série de manière à ce que le mélange de fluide circule glo-
balement à contre-courant de l'air qui constitue la source de cha-
leur, les groupes de p tubes se trouvant dans le ler plan vertical o se fait l'alimentation en mélange et l'évacuation de l'air étant alimentés en parallèle et les groupes de p tubes correspondants du ne plan vertical o s'effectue la décharge du mélange et-l'entrée
de l'air étant déchargés également en parallèle.
12. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en
ce que l'évaporateur est constitué par au moins un tube muni
d'ailettes enroulé selon un serpentin placé suivant un axe ho-
rizontal et en ce que le mélange circule à contre-courant de l'air qui constitue la source de chaleur, le mélange étant in- troduit à l'extrémité à laquelle l'air est évacué et évacué à
l'extrémité à laquelle l'air est introduit.
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