FR2560975A1 - Installation de climatisation utilisant une pompe a chaleur avec echangeur de chaleur exterieur statique et regulation du point de vapeur seche par variation automatique du debit du detendeur - Google Patents

Abstract

POMPE A CHALEUR UTILISEE EN CLIMATISATION ET EN CHAUFFAGE, DONT LE CONDENSEUR ET L'EVAPORATEUR SONT CONSTITUES PAR DEUX ECHANGEURS DONT L'UN 1, EXTERIEUR AU LOCAL, EST UN ECHANGEUR STATIQUE COMPOSE D'UN TUBE A AILETTES, CARACTERISEE PAR DES MOYENS DE REGULATION 138-B SERVANT A REGLER LE DEBIT DU DETENDEUR 13 DE MANIERE A MAINTENIR LE POINT DU CIRCUIT DE L'EVAPORATEUR EN AVAL DUQUEL LE FLUIDE CALOPORTEUR EST ENTIEREMENT VAPORISE UN PEU AU-DELA DU POINT DE SORTIE DE L'EVAPORATEUR.

Description

-- i --

INSTALLATION DE CLIMATISATION UTILISANT UNE POMPE A CHALEUR

AVEC ECHANGEUR DE CHALEUR EXTERIEUR STATIQUE ET REGULATION

DU POINT DE VAPEUR SECHE PAR VARIATION AUTOMATIQUE DU

DEBIT DU DETENDEUR.

L'invention se rapporte aux installations à pompe à chaleur, pour le chauffage et/ou le refroidissement d'un local,

comprenant, en série dans un circuit fermé de fluide calo-

porteur: - un compresseur; - un condenseur relié à la sortie à haute pression du compresseur; - un détendeur: - un évaporateur dont la sortie est reliée à l'entrée à basse pression du compresseur, le condenseur et l'évaporateur étant constitués par des échangeurs dont l'un est situé à l'intérieur du local,

l'autre à l'extérieur.

Lorsque ce genre d'installations fonctionne en chauffage, comme la source froide est constituée par l'air extérieur, sa température faible pénalise le coefficient de performance au moment o les besoins de chaleur sont élevés et la

présence d'humidité nécessite habituellement une installa-

tion de dégivrage de l'échangeur extérieur, laquelle consom-

me de l'énergie. Généralement, l'échangeur extérieur com-

porte des ventilateurs pour augmenter l'échange thermique, -2- solution bruyante et qui consomme de l'énergie et l'on

prévoit en outre des résistances électriques complémentai-

res. Un premier objet de l'invention est de réaliser une instal- lation o l'échangeur extérieur est purement statique et o

aucun chauffage d'appoint n'est prévu pour les locaux.

A priori, dans une telle installation, l'échangeur extérieur

statique doit, pour le chauffage, récupérer toutes les calo-

ries disponibles dans l'air en mouvement et l'apport dû à

l'irradiation solaire. Mais les capteurs solaires habi-

tuels, qui comportent une grande surface vitrée et utilisent de l'eau comme fluide caloporteur, ne fonctionnent pas en

dehors des périodes d'ensoleillement.

Par ailleurs, compte tenu des variations importantes des apports thermiques en fonction de la température de l'air extérieur, de sa vitesse et de l'ensoleillement, il est évidemment nécessaire de prévoir une régulation; mais les solutions connues, telles que celle qui consiste à réguler

le débit à l'entrée du compresseur, ne sont pas satisfaisan-

tes.

Suivant une première particularité de l'invention, l'échan-

geur extérieur est un échangeur statique à grande surface d'échange thermique avec l'air extérieur, de préférence du type comportant une multiplicité de tubes à ailettes, dans

lequel circule le liquide frigorigène et des moyens de régu-

lation sont prévus pour régler le débit du détendeur, de manière à maintenir le point du circuit de l'évaporateur en aval duquel le fluide caloporteur est entièrement vaporisé au voisinage du point de sortie de l'évaporateur et même, de

préférence, un peu au-delà de ce point de sortie.

Suivant un mode d'exécution préféré, lesdits moyens de régu-

lation comportent une membrane dont les déplacements sont transmis à l'organe de régulation de débit du détendeur, et - 3 -

des moyens de soumettre la membrane, dans le sens de l'ouver-

ture, à la pression de vapeur saturante qui correspond à la température du fluide à l'aspiration du compresseur et, dans le sens de la fermeture, à la pression effective du fluide à l'aspiration du compresseur et à une poussée supplémentaire réglable, avantageusement exercée par un ressort, ladite poussée supplémentaire étant déterminée pour tenir compte de la perte de charge du circuit jusqu'à l'aspiration et pour

obtenir une valeur de surchauffe prédéterminée, avantageu-

sement de l'ordre de 6 à 8 C.

Comme la régulation ne permet pas de pallier complètement une insuffisance importante d'apport thermique, suivant une

autre particularité de l'invention, avantageusement conju-

guée à la précédente lorsque l'installation est destinée à fonctionner àdes températures extérieures relativement basses, elle comporte des moyens d'échange thermique entre le fluide caloporteur qui sort de l'évaporateur et le fluide à haute pression et un organe de mise en service de ces moyens lorsque la température ou la pression du fluide qui sort de l'évaporateur ou du compresseur devient inférieure à

une première valeur prédéterminée.

Suivant une autre particularité de l'invention, l'installa-

tion est réversible et, à cet effet, comporte un organe de distribution apte à établir un circuit de chauffage dans lequel l'échangeur extérieur joue le rôle d'évaporateur et l'échangeur intérieur joue le rôle de condenseur, ou un circuit de réfrigération dans lequel l'échangeur intérieur joue le rôle d'évaporateur et l'échangeur extérieur joue le rôle de condenseur, tandis que lesdits moyens d'échange thermique comportent un premier échangeur auxiliaire dans lequel circulent, d'une part, le fluide caloporteur sortant de l'échangeur extérieur en mode chauffage ou entrant dans l'échangeur extérieur en mode réfrigération, d'autre part, l'eau d'un circuit auxiliaire en dérivation sur un circuit d'eau fermé, et un second échangeur auxiliaire dans lequel circulent, d'une part, le fluide caloporteur sortant du -4 - compresseur, d'autre part, l'eau dudit circuit fermé, un organe de mise en service du circuit auxiliaire lorsque la température du fluide qui sort de l'évaporateur devient inférieure à ladite première valeur prédéterminée en mode chauffage, ledit circuit auxiliaire étant en service quasi-

permanent en mode réfrigération.

D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'inven-

tion apparaîtront clairement à la lumière de la description

ci-après: Au dessin annexé:

La figure 1 est un schéma de principe d'une installa-

tion de chauffage conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention; La figure 2 représente l'un des tubes à ailettes de l'échangeur extérieur; La figure 3 représente un mode d'exécution préféré du détendeur et des organes de régulation de son débit; La figure 4 est un diagramme d'enthalpie illustrant le fonctionnement de l'installation; et

La figure 5 est un schéma de principe d'une installa-

tion de climatisation réversible conforme à un mode

d'exécution préféré de l'invention.

A la figure 1, on a représenté en 1 un échangeur composé d'un faisceau de tubes de cuivre (100, figure 2) munis, sur

toute leur périphérie, d'ailettes d'aluminium 101. Avanta-

geusement, ces tubes ont un diamètre de 5/8 de pouce (15,87 mm) et les ailettes ont 43 à 44 mm de diamètre et sont distribuées à un pas compris entre 4 et 5 mm (4,2 mm par exemple). Des ailettes plus serrées entraîneraient un risque excessif de givrage et, si les ailettes avaient un - 5 - diamètre plus grand, les pertes en périphérie seraient telles que la portion périphérique ne transmettrait plus de

chaleur au tube correspondant. La surface d'échange thermi-

que totale peut être très grande, par exemple 96 m2 pour un compresseur de 4,5 CV, sous volume relativement faible (le cadre de support de la tubulure a par exemple 2 m X 1 m et

la tubulure, une longueur totale de 80 m).

Un fluide frigorigène, avantageusement du "Fréon 22", circule à l'intérieur des tubes, entre une tubulure d'amenée

102 et une tubulure de sortie 103. Cette dernière est rac-

cordée à un petit échangeur 2, dans lequel, comme on

l'expliquera plus loin, est par ailleurs établie une circu-

lation à contre-courant de 'Fréon" sous-refroidi (flèches en pointillé) au moyen d'une canalisation d'amenée 201 et d'une canalisation de sortie 202. Le courant principal de 'Fréon" pénètre ensuite dans un séparateur de gouttes de liquide 3 comportant un tube d'amenée 301 et un tube de sortie 302 ayant leurs extrémités ouvertes à une certaine distance

l'une de l'autre.

Entre la sortie à basse pression de l'échangeur 2 et

l'entrée du séparateur 3 est disposé un échangeur supplémen-

taire 303 dans lequel circulent, d'une part, le fluide à basse pression qui sort de l'échangeur 2, d'autre part, le fluide sous-refroidi provenant du receveur 9 mentionné plus loin. En variante, l'échangeur 303 pourrait être réalisé en disposant une tubulure supplémentaire autour du séparateur 3. Avantageusement, l'échangeur auxiliaire 2 est du type comportant un tube central fileté hélicoidalement sur sa

surface extérieure et entouré d'un tube extérieur concentri-

que. Le "Fréon" sous refroidi circule dans l'intervalle entre les deux tubes en tournant le long du filetage, à une vitesse de l'ordre de 10 m/s, tandis que le "Freon' à basse

pression circule dans le tube intérieur.

-6- La canalisation 302 de sortie du séparateur est raccordée à un compresseur 4 par l'intermédiaire d'un pressostat à basse

pression 5.

A la sortie du compresseur 4, le 'Fréon" surchauffé (vers à 110 C) passe dans un pressostat à haute pression 6 et

un clapet anti-retour 7 et arrive à un condenseur 8. Celui-

ci est un condenseur à eau de type traditionnel. Les canali-

sations d'eau, symbolisées en 801-802, sont raccordées à des

terminaux d'utilisation, non figurés.

A la sortie du condenseur, le "Fréon" sous-refroidi (entre et 40 C) arrive à un receveur 9 destiné au stockage du "Fréon" condensé à l'arrêt de la machine, puis passe dans l'échangeur 303, de façon à subir un sousrefroidissement

complémentaire permanent.

La canalisation 304 de sortie de l'échangeur 303 est raccor-

dée, d'une part, à travers une vanne 10, un filtre 11 et une vanne électromagnétique 12, à un détendeur 13 lui-même relié à la canalisation 102 d'entrée de l'échangeur 1, d'autre part, directement à la canalisation 201 d'amenée du

contre-courant dans le petit échangeur 2. Comme on l'expli-

quera plus loin, ce contre-courant sert à élever la tempéra-

ture du courant principal de "Fréon" envoyé au compresseur,

lorsque la température extérieure est relativement basse.

Le "Fréon" à contre-courant qui sort par la canalisation 202 a été sousrefroidi dans l'échangeur 2 par le courant

principal et amené par exemple entre 25 et 27 C.

Lorsque la température extérieure est supérieure à 5 C par

exemple, on ouvre la vanne 10, de façon à by-passer le cir-

cuit 201-202 de l'échangeur 2. Celui-ci n'est donc en

service que pour les températures extérieures plus basses.

Ce résultat peut également être obtenu automatiquement en mesurant la pression et/ou la température du fluide à l'entrée ou à la sortie du compresseur pour commander la

vanne 10.

-7- A la sortie du filtre 11, le liquide sous-refroidi à haute

pression arrive à la vanne 12 ouverte en permanence en fonc-

tionnement et aboutit au détendeur 13.

Celui-ci est agencé, de la manière qui sera expliquée en se référant à la figure 3, pour que son débit soit régulé,- en fonction de la température qui règne dans la canalisation 302 d'aspiration du compresseur (mesurée par un bulbe B) et de la pression, prélevée par un capillaire 138 (figure 3) qui règne dans ladite canalisation d'aspiration, au droit du bulbe, de manière à faire travailler l'évaporateur 1 dans des conditions optimales, quelles que soient les conditions

climatiques extérieures et la charge de l'installation.

L'intérêt de cette mesure sera expliqué dans la suite.

Une vanne 14 est branchée dans une petite canalisation 140 qui relie la canalisation 202 à la canalisation 102. Il se produit ainsi une petite injection temporaire, à l'entrée de

l'échangeur, du fluide sous-refroidi. On règle cette injec-

tion pour que la température du fluide d'entrée de l'échan-

geur soit telle que les ailettes soient toujours maintenues au-dessus du point de rosée de l'air. On évite ainsi la formation de givre sur les parois extérieures des tubes du capteur.

En pratique il suffit, pour obtenir ce résultat, de comman-

der la vanne 14 au moyen d'un capteur de température 141 placé sur la canalisation 103 de sortie de l'échangeur 1,

pour une consigne de température inférieure à -12 C.

A la figure 3, on a représenté schématiquement un détendeur

dans lequel le fluide à haute pression P1 arrive, après pas-

sage dans un filtre 130, dans une chambre d'admission 132 d'o il ne peut s'échapper que par un orifice calibré de détente fermé au repos par un pointeau 133 poussé-contre son siège 132 par un petit ressort 134. L'ouverture est obtenue lorsque le pointeau 133 est poussé vers le bas, à l'encontre du ressort 134, par l'extrémité inférieure d'une tige 135 - 8 qui coulisse dans une pièce de guidage et est fixée, à son extrémité supérieure, à une membrane 136. Celle-ci est montée dans un soufflet 137 o elle définit une chambre supérieure reliée au bulbe capteur de température B placé sur la canalisation d'aspiration 302 du compresseur. Un capillaire 138 prélève d'autre part la pression P4 dans

ladite canalisation d'aspiration.

Un ressort 139, disposé autour de la tige 135, est, à son extrémité supérieure, en appui sur la face inférieure de la membrane et, par son extrémité inférieure, en appui sur une bague de butée 1390 montée sur la tige 135. La position de cette bague sur la tige est réglable au moyen d'une vis 1391. Le fluide sort du détendeur à basse pression P2 et à une température T2. Des joints d'étanchéité 1392 et 1350 isolent l'une de l'autre les chambres soumises aux pressions P2 et P4. En négligeant la pression du ressort 134, on peut dire que le détendeur est fermé tant que la poussée exercée par la pression P(T4) sur sa face supérieure (pression qui dépend de la température du gaz aspiré par le compresseur) est inférieure à la somme des poussées respectivement exercées,

sur sa face inférieure, par le ressort 139 (poussée régla-

ble au moyen de la vis 1391) et par la pression P4' Le dispositif est réglé pour fonctionner constamment au

voisinage de l'équilibre des poussées.

Pour une température extérieure donnée, il est clair que l'alimentation de l'évaporateur est assurée avec un débit

tel que la pression moyenne soit maintenue constante.

En effet, toute chute de pression a alors pour effet (en agissant sous la membrane) d'ouvrir le détendeur, donc d'augmenter la pression dans l'évaporateur et, inversement, toute augmentation de pression p4 a pour effet de fermer le - 9 détendeur, donc de faire baisser rapidement la pression dans l'évaporateur, du fait de l'aspiration du compresseur. Le détendeur s'ouvre finalement pour une valeur P2 - Ap'2 de la pression d'évaporation, et se ferme pour une valeur P2 + A P2. I1 se produit une succession d'injections pério-

diques de fluide dans l'évaporateur.

Il est évident que, dans ce régime oscillant stable, pendant les phases de fermeture du détendeur, il se produit en fait

une élévation de T4, puisque les calories extérieures absor-

bées par l'évaporateur n'ont plus de nouvel apport de liquide à évaporer et provoquent la surchauffe de la vapeur

sèche. Il en résulte une tendance supplémentaire à l'ouver-

ture, par croissance de la pression P(T4) en même temps que chute de P4. Inversement, la diminution de T4 pendant les

phases d'ouverture provoque également une tendance supplé-

mentaire à la fermeture. Ainsi, la régulation s'effectue avec une oscillation de température allant de T4 + AT à

T4 - A T.

Mais il est évident que l'apport extérieur de calories à

l'échangeur extérieur subit des variations très importan-

tes, en fonction de l'ensoleillement, du vent et de la température extérieure. Lorsque, au cours d'un régime de marche donné, il se produit un apport supplémentaire de calories, la température à la sortie de l'évaporateur augmente et, par suite, il en résulte une tendance à l'ouverture du détendeur [action de P(T4)] laquelle

pourrait créer une instabilité. Mais l'apport supplémentai-

re de calories fait en même temps croître la pression, et l'action de P4 sous la membrane s'exerce cette fois en sens inverse de celle de PîT4), grâce à quoi un nouveau régime stable de régulation, correspondant à une température et à

une pression plus élevées, peut être atteinte Un raisonne-

ment identique montre qu'une diminution de l'apport calori-

fique conduit également à un nouveau régime stable, à

température et à pression plus basses.

!10

Il convient de faire observer qu'à chaque point de fonction-

nement en régime stable défini par une pression P2 et une

température T2, il correspond, dans la tubulure de l'échan-

geur extérieur, un point compris entre son entrée et à sa sortie, ou même, au-delà de cette dernière, dans la conduite de sortie, au-delà duquel tout le fluide caloporteur a été

vaporisé et o la vapeur sèche commence à subir une sur-

chauffe. Entre l'entrée de l'évaporateur et ce point limite de vapeur saturante, on a un mélange liquide-vapeur dont la

proportion de vapeur croit le long du parcours.

Tant que l'apport extérieur de calories reste dans une zone moyenne de valeurs, la régulation a pour effet de maintenir stable la position moyenne du point limite, et l'on choisit les réglages pour que cette position moyenne soit proche de

la sortie de l'évaporateur ou même un peu au-delà.

En effet, toute réduction de l'apport calorifique extérieur

réduit à la fois le débit du fluide d'une part, et la tempé-

rature et la pression d'ébullition d'autre part, donc

l'équilibre peut être atteint; à l'inverse, toute augmenta-

tion de l'apport calorifique se traduit par une augmentation à la fois du débit d'une part, et de la température et la pression d'ébullition d'autre part, donc l'équilibre peut

également être atteint.

La position d'équilibre correspond à une absorption maximale

des calories extérieures par l'échangeur, puisque l'évapo-

ration se poursuit sensiblement sur toute la longueur du parcours. Grace au séparateur de gouttes liquides 3, on supprime le risque, inhérent à ce réglage particulier du dispositif, qu'un fluide non entièrement à l'état de vapeur

sèche puisse arriver au compresseur.

En dehors de la zone moyenne définie ci-dessus, une première situation est celle o l'apport thermique est très faible et pourrait conduire à un débit nul permanent. Dans ce cas,

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comme on l'expliquera ci-après, l'échangeur 2 apporte une surchauffe qui ramène la plage de fonctionnement de la régulation et le point limite de vapeur saturante dans des zones acceptables. Ce mode de fonctionnement revient à suralimenter l'évaporateur lorsque les conditions climati- ques sont sévères, ce qui, dans certaines limites, pourrait aussi être obtenu en agissant sur les réglages, mais avec un

risque de coups de liquide à l'aspiration du compresseur.

Une deuxième situation est celle o l'apport thermique est

très important (ensoleillement considérable par exemple).

Un emballement de l'installation est alors accepté, jusqu'au moment o les terminaux d'utilisation provoquent l'arrêt de

la machine.

Il convient de souligner que le mode de régulation qui vient d'être décrit diffère notablement de celui qui est utilisé

dans certaines installations de chambre froide o un déten-

deur relié à un capteur de la température de la chambre

froide fournit à un évaporateur un débit régulé pour mainte-

nir constante ladite température.

Dans cette régulation, la pression n'est pas prise en compte et il n'y a aucune préoccupation de maintenir le point limite de vapeur saturante au voisinage de la sortie de l'évaporateur. Au contraire, lorsque ladite température est basse, la

régulation rapproche ce point limite de l'entrée de l'évapo-

rateur, diminuant ainsi le rendement, dont le maintien à une

valeur optimale n'est nullement recherché.

Dans les explications qui précèdent, il n'a pas été tenu compte de l'influence des pertes de charge dans le circuit de l'évaporateur, entre son entrée et l'entrée d'aspiration

du compresseur.

Or, pour une température d'ébullition T0 à la pression P0

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qui règne à l'entrée de l'évaporateur, on aura une pression P0 - Pc (Pc étant la perte de charge), à l'entrée du compresseur et, dans le bulbe, une pression Po +A P(AT), P étant l'accroissement de la pression d'ébullition quand la température passe de la valeur To à la valeur To + AT, AT étant la surchauffe. Si PR est la pression du ressort (en supposant égales les surfaces de poussée, pour simplifier le raisonnement) , l'équilibre sera donc atteint pour P0 +A P(AT) = PR + Po - Pc Par conséquent, la surchauffe AT sera telle que: AP(AT) = PR - Pc En réglant convenablement la pression du ressort, on peut

ainsi obtenir, pour une perte de charge donnée, une sur-

chauffe fixée à l'avance (6 à 7"C par exemple).

L'installation qui vient d'être décrite ne fonctionne que

pour le chauffage, c'est-à-dire avec des températures exté-

rieures qui sont, en hiver, le plus souvent suffisamment basses pour que la vanne 10 se trouve fermée, mettant ainsi

en service l'échangeur 2.

Grâce à la régulation, on évite ainsi toute surchauffe excessive qui risquerait d'amener le gaz à haute pression à une température supérieure à la température critique du "Fréon" 22 (130 C) ou, en tout cas, d'accroître la consommation du moteur électrique du compresseur et, en réduisant la viscosité de l'huile de graissage miscible au

"Fréon", de réduire la durée de vie du compresseur.

Comme on l'a expliqué ci-dessus, la régulation, à elle

seule, n'absorbe par contre pas complètement les insuffisan-

ces graves d'apport calorifique en cas de températures exté-

rieures très basses et d'absence de vent et d'ensoleille-

ment. Or il est essentiel que le compresseur puisse fonctionner avec son débit spécifique pour amener le fluide à une température d'au moins 100 C qui permettra à la

condensation de restituer les calories avec un bon coeffi-

cient de performance.

- 13 -

Les échangeurs 303 et surtout 2 permettent l'obtention de ce

résultat en élevant la température du gaz à basse pression.

Ils ont en outre un rôle de sous-refroidissement complémen-

taire: la température du fluide à contre-courant qui sort de l'échangeur 2 se trouve abaissée (entre 25 et 270C par

exemple), si bien qu'il comporte une proportion plus impor-

tante de phase liquide.

La figure 4 permet de se rendre compte que le complément de 1.0 sousrefroidissement apporté par les échangeurs 2 et 303 a

pour effet de déplacer vers la gauche le point 3 du diagram-

me d'enthalpie, qui passe ainsi en 3' Dans ce diagramme, 1-2 représente la phase de compression, 13.5 2-3 la phase de condensation, 3-37 le sousrefroidissement complémentaire, 3'-4 la phase de détente, 4-1 la phase

d'évaporation. La surface hachurée illustre l'apport ther-

mique supplémentaire dû au complément de sous-refroidisse-

menta Le diagramme illustre également les effets qui résulteraient d'une pression d'évaporation trop basse ou d'une surchauffe excessive, effets que la régulation et les échangeurs

auxiliaires permettent d'éviter.

Le mode de fonctionnement décrit procure finalement un meilleur coefficient de performance que dans une pompe à

chaleur classique.

Dans la variante à fonctionnement réversible représentée à la figure 5, on retrouve l'échangeur extérieur 1, le petit

échangeur 2, le séparateur 3, le compresseur 4, les pressos-

tats 5 et 6, l'échangeur wFréon-eau' 8, le receveur 9. Deux détendeurs 13e et 13h sont prévus, ainsi qu'une vanne d'inversion été-hiver 16 à quatre voies et, en outre, un petit échangeur supplémentaire 17 et un ballon d'eau chaude 18.

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- 14 En hiver, la vanne 16 est positionnée pour établir la connexion 16h indiquée en pointillé, c'est-à-dire que la

canalisation qui sort de l'échangeur 2 est reliée à la cana-

lisation 301, tandis que la canalisation 171 qui sort de l'échangeur 17 est reliée à l'échangeur intérieur "Fréon-

eau" 8 qui joue alors le rôle de condenseur.

Le "Fréon" à haute pression qui sort du compresseur traverse l'échangeur supplémentaire 17 avant d'arriver dans le

condenseur 8 par la canalisation 171. L'échangeur 17 compor-

te un circuit d'eau 172, muni d'une pompe 173 et d'un vase d'expansion 174 et qui traverse le ballon 18 alimenté en 180

en eau de la ville.

Un capteur de température 181 commande l'ouverture d'une vanne 182 dès que la température de l'eau du ballon atteint

par exemple 460C. L'échangeur 17 est alors by-passé.

On notera que, dans le mode d'exécution de la figure 5, l'échangeur 2 comporte, en dehors du circuit principal de "Fréon", un circuit d'eau à contre-courant 200, monté en dérivation sur le circuit 172 et muni d'une électro-vanne 203. Celle-ci est commandée en hiver par un capteur de température 204 qui mesure la température du fluide dans la canalisation 103. Si cette température descend par exemple en dessous de -12 C, la vanne 203 s'ouvre et le "Fréon" est

ainsi porté à température suffisante pour assurer une pres-

sion d'évaporation normale. Autrement dit, l'échangeur 2 joue le même rôle qu'à la figure 1 et coopère de la même façon avec la régulation du détendeur 13h pour obtenir les mêmes conditions de travail optimal de l'évaporateur,

quelles que soient les conditions extérieures. Pour simpli-

fier le dessin, on n'a pas représenté le bulbe et le capteur de pression qui sont associés au détendeur 13h et placés en

amont du compresseur, comme dans le mode d'exécution précé-

dent. On notera que ce rôle de l'échangeur 2 ne peut être joué

- 15 -

pleinement que lorsque l'eau du circuit 172 a été portée à sa température normale de 46 C par l'échangeur 17. Compte tenu de cette température, la pression d'évaporation du

"Fréon" peut être élevée d'environ 300 g/cm2.

L'échangeur 17 est, comme on l'a indiqué, by-passé dès que l'eau du ballon est à 46 C. Cet échangeur fonctionne, en pratique, presque en permanence. On notera que si, malgré la régulation, et par suite d'un apport extérieur de calories

exceptionnel au niveau de l'échangeur 1 (dû à une températu-

re élevée de l'air, un vent fort ou une irradiation solaire intense), la température à la sortie du compresseur avait tendance à s'élever, l'échangeur 17 jouerait alors, pendant ses périodes de fonctionnement, le rÈle de désurchauffeur, ramenant ainsi la température de condensation à une valeur normale. On a représenté en 140 une petite canalisation d'injection de "Fréon" à haute pression en aval du détendeur 13h, commandée par une vanne de dégivrage 14, elle-même ouverte

sous la commande d'un capteur de température 141. Le dégi-

vrage fonctionne comme on l'a expliqué en se référant à la

figure 1.

A la sortie de l'échangeur interne 8, le "Fréon" à haute pression traverse le clapet anti-retour 90, le receveur 9, l'échangeur 303, le filtre 11, lavanne 12h alors ouverte (tandis que la vanne 12e est fermée) et le détendeur 13h,

pour revenir à l'évaporateur 1 par la canalisation 102.

En été, la vanne 16 est positionnée pour établir la connexion figurée en trait plein, c'est-à-dire que la sortie de l'échangeur 8 est reliée à la canalisation 301, tandis

que la canalisation 171 est reliée à l'échangeur 2.

L'eau qui circule dans le circuit de climatisation (non figuré) par les canalisations 801 et 802 est, à la mise en service de l'installation, à une température élevée (15 à

- 16 -

18 C par exemple). L'échangeur 8 joue alors le rôle d'évapo-

* rateur. Le "Fréon" à basse pression pénètre dans le séparateur 3, et arrive au compresseur 4. Le "Fréon" à haute pression traver- se l'échangeur 17, puis l'échangeur 2, l'échangeur extérieur

1 qui joue alors le r1ôle de condenseur, le clapet anti-

retour 1020, le receveur 9, l'échangeur 303, le filtre 11, la vanne 12e alors ouverte, le détendeur 13e. Le "Fréon" à

basse pression revient alors à l'évaporateur 8 par la cana-

lisation 803.

La régulation de la pression d'évaporation s'effectue comme déjà indiqué, le débit du détendeur 13e étant commandé par des capteurs de température et de pression, non figurés,

placés en amont du compresseur.

Dans ce mode de fonctionnement en climatisation, le "Fréon" qui circule dans l'échangeur 2 est à haute pression et à une température relativement élevée (60 C par exemple). C'est ce qui explique que l'échangeur extérieur 1 puisse jouer le rôle de condenseur, même s'il est lui-même porté à une température relativement élevée (toutefois inférieure à C) par le rayonnement solaire. Comme il a une surface importante (structure à ailettes) et est conçu pour avoir

des pertes par convection importantes, cet échangeur exté-

rieur pourra évacuer statiquement les calories dues à la condensation. En marche été, la vanne 203 n'est plus commandée par le capteur 204, mais par le pressostat 6 (cette commande a été

représentée par un simple trait mixte au dessin; en réali-

té, un dispositif de commutation été-hiver de la commande de la vanne 203 doit être prévu). Si la pression à la sortie du compresseur dépasse une valeur prédéterminée, par suite du

fait que le condenseur 1 n'arrive plus à évacuer les calo-

ries, la vanne s'ouvre et, par conséquent, l'échangeur 2 contribue à évaluer les calories du "Fréon", qui sont

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récupérées par le circuit d'eau chaude 172.

L'échangeur 17 joue, de son côté, un rôle de désurchauffeur lorsque les apports de calories au niveau de l'échangeur intérieur 8 sont importants. Les calories en excès sont

récupérées par le circuit d'eau chaude 172.

Bien que l'on ait représenté à la figure 5 un échangeur intérieur 8 du type 'Fréon-eau", on pourrait le remplacer par un ou plusieurs échangeurs assurant l'échange thermique direct entre le "Fréon" du circuit de l'installation et l'air du local à climatiser0 Dans cette solution, qui

présente l'avantage de réduire l'inertie thermique de l'ins-

lallation, on placera avantageusement les différents échan-

geurs intérieurs en dérivation sur le circuit de l'installa-

tion, suivant une disposition assurant légalisation des

pertes de charge pour les différents échangeurs intérieurs.

On peut ainsi al:!enter plusieurs terminaux, du genre ventilo-convecteurs pas exemple, avec un seul détendeur, celui-ci assurant la régulation en tenant compte de la perte

de charge.

Dans cette variante (non figurée) on ajoutera, si nécessai-

re, un échangeur auxiliaire supplémentaire pour assurer le

sous-refroidissement.

Il va de soi que diverses variantes pourront être imaginées par l'homme du métier et diverses modifications apportées aux schémas décrits at représentés sans s'écarter de

l'esprit de l'invention.

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Claims (14)

Revendications de brevet

1. Installation à pompe à chaleur, pour le chauffage et/ou le refroidissement d'un local, comprenant, en série dans un circuit fermé de fluide caloporteur: - un compresseur (4); - un condenseur (8) relié à la sortie à haute pression du compresseur; - un détendeur (13); - un évaporateur (1) dont la sortie est reliée à l'entrée à basse pression du compresseur, le condenseur et l'évaporateur étant constitués par des échangeurs dont l'un (8) est situé à l'intérieur du local, l'autre (1) à l'extérieur, caractérisée en ce que: l'échangeur extérieur (1) est un échangeur statique à grande surface d'échange thermique avec l'air extérieur; et que des moyens de régulation (138-B) sont prévus pour régler le débit du détendeur (13) de manière à maintenir le point du circuit de l'évaporateur en aval duquel le fluide caloporteur est entièrement vaporisé au voisinage du point de sortie de l'évaporateur et meme, de préférence, un peu

au-delà de ce point de sortie.

2. Installation selon la revendication 1,

caractérisée en ce que lesdits moyens de régulation compor-

tent une membrane (136) dont les déplacements sont transmis à l'organe (132) de régulation de débit du détendeur et des moyens (B) de soumettre la membrane, dans le sens de

l'ouverture, à la pression de vapeur saturante qui corres-

pond à la température du fluide à l'aspiration du compres-

seur et, dans le sens de la fermeture, à la pression effective du fluide à l'aspiration du compresseur (138) et à une poussée supplémentaire réglable, avantageusement exercée par un ressort (139), ladite poussée supplémentaire étant déterminée pour tenir compte de la perte de charge du circuit jusqu'à l'aspiration et pour obtenir une valeur de

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surchauffe prédéterminée, avantageusement de l'ordre de 6 à 8 C.

3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par des moyens (2) d'échange thermique entre le fluide caloporteur qui sort de l'évaporateur et le fluide à haute pression et un organe (10-1000) de mise en service de

ces moyens en deçà d'un seuil prédéterminé d'apport thermi-

que à l'évaporateur.

4. Installation selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que lesdits moyens comportent un bulbe (B) de prise de la température du fluide en amont du compresseur et un capillaire (138) de prise de la pression

du fluide au voisinage du point de prise de la température.

5. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens d'échange thermique comportent un échangeur auxiliaire (2) dans lequel circulent en sens inverses le fluide sortant de l'évaporateur et le

fluide sous-refroidi en aval du condenseur.

6. Installation selon la revendication 5,

caractérisée par un échangeur de sous-refroidissement sup-

plémentaire (303) placé entre ledit échangeur auxiliaire et

le condenseur et dans lequel un échange thermique s'effec-

tue en permanence entre le fluide sous-refroidi et le fluide

à basse pression sortant de l'échangeur auxiliaire (2).

7. Installation selon l'une des revendications 1 à 6,

caractérisée par des moyens (14-140-141) d'injecter tempo-

rairement, à l'entrée de l'évaporateur (1), une fraction prédéterminée du fluide à haute pression, chaque fois que les conditions climatiques sont telles qu'un risque de

givrage de l'échangeur extérieur se présente.

8. Installation selon l'une des revendications 1 à 4,

comportant un organe de distribution (16) apte à établir un

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circuit de chauffage (16h) dans lequel l'échangeur extérieur (1) joue le rôle d'évaporateur et l'échangeur intérieur (8) joue le rôle de condenseur, ou un circuit de réfrigération dans lequel l'échangeur intérieur (8) joue le rôle d'évaporateur et l'échangeur extérieur (1) joue le rôle de condenseur, caractérisée en ce que lesdits moyens d'échange thermique comportent un premier échangeur auxiliaire (2) dans lequel circulent, d'une part, le fluide caloporteur sortant de l'échangeur extérieur en mode chauffage ou entrant dans l'échangeur extérieur en mode réfrigération, d'autre part, l'eau d'un circuit auxiliaire (200) en dérivation sur un circuit d'eau fermé <172), et un second échangeur auxiliaire

(17) dans lequel circulent, d'une part, le fluide calopor-

teur sortant du compresseur, d'autre part, l'eau dudit circuit fermé (172) , un organe (203) de mise en service du circuit auxiliaire, en mode chauffage lorsque la température du fluide qui entre dans l'évaporateur devient inférieure à une valeur prédéterminée, en mode réfrigération lorsque la pression à la sortie du compresseur (6) devient supérieure à

une valeur prédéterminée.

9. Installation selon la revendication 8, caractérisée par un ballon (18) de chauffage d'eau sanitaire chauffé par ledit circuit fermé et par un organe (181-182) de commande de by-pass du circuit de fluide caloporteur

dudit second échangeur auxiliaire (17) lorsque la températu-

re de l'eau du ballon atteint un seuil prédéterminé.

10. Installation selon la revendication 8 ou 9,

caractérisée par un échangeur supplémentaire (303) de sous-

refroidissement effectuant un échange thermique entre le

fluide à basse pression sortant de l'évaporateur et le flui-

de sous-refroidi sortant du condenseur.

11. Installation selon la revendication 8, 9 ou 10,

caractérisée par des moyens (14-140-141) d'injecter à l'en-

trée de l'évaporateur (1) une fraction prédéterminée du

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fluide à haute pression chaque fois que la température du fluide de sortie de l'évaporateur est inférieure à une

seconde valeur prédéterminée.

12. Installation selon l'une des revendications 1 à

11, caractérisée en ce qu'au moins l'échangeur extérieur (1) comporte une pluralité de tubes (100) munis d'ailettes (101)

et en contact direct avec l'air extérieur.

13. Installation selon la revendication 5 ou 8, caractérisée en ce que chacun desdits échangeurs auxiliaires comporte un tube central muni extérieurement d'un filetage hélicoïdal et dans lequel passe le fluide caloporteur a l'état gazeux et un tube extérieur concentrique, le fluide sous-refroidi nu l'eau circulant à grande vitesse en

tournant le long dudit filetage.

14. Installation selon la revendication 8,

caractérisée par un ou plusieurs échangeurs intérieurs assu-

rant l'échange thermique direct entre le fluide caloporteur et l'air du local et montés en dérivation dans le circuit de

façon à y introduire des pertes de charge sensiblement iden-

tiques.