FR2666876A1 - Device for switching-over into air-conditioner mode a heat pump operating on an irreversible thermodynamic cycle, by permutation of the exchangers - Google Patents
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Abstract
Description
DflSCRTPTION TECHNTOUE. DflSCRTPTION TECHNTOUE.
La présente invention concerne les pompes à chaleur.The present invention relates to heat pumps.
D'une façon plus précise, elle concerne les pompes à chaleur fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique non-réversiblc, comme par exemple le cycle de disorption-adsorption d'un fluide thermodynamique convenable sur un matériau donné, et vise à leur apporter une capacité de fonctionnement réversible.More specifically, it relates to heat pumps operating on the basis of a non-reversible thermodynamic cycle, such as for example the disorption-adsorption cycle of a suitable thermodynamic fluid on a given material, and aims at their provide a reversible operating capacity.
En marge du cycle traditionnel du "Fréon" qui constitue le principe de base de la majeure partie des machines thermiques, on recours parfois à des cycles thermodynamiques bien connus mais appliqués industriellement seulement depuis peu, et présentant des avantages notoires sur le cycle traditionnel, afin de réaliser par exemple des assécheurs, des pompes à chaleur ou des climatiseurs. Ses avantages résident dans le fait qu'il assure un fonctionnement silencieux en raison de l'absence de compresseur, sans nuisance écologique puisqu'ils sont dépourvus de "Fréon", de façon fiable et à faible coût puisqu'il y a très peu d'éléments mobiles et de pieces d'usure.Parmi ces cycles thermodynamiques, on peut citer notamment celui de désorption-adsorption d'un fluide thermodynamique convenable sur un matériau particulier, ce fluide pouvant avantageusement être de l'eau, et ce matériau, des zéolithes.In addition to the traditional "Freon" cycle which constitutes the basic principle of most thermal machines, recourse is sometimes made to well-known thermodynamic cycles which have only recently been applied industrially, and which have notable advantages over the traditional cycle, in order to to produce, for example, dryers, heat pumps or air conditioners. Its advantages lie in the fact that it ensures silent operation due to the absence of compressor, without ecological nuisance since they are devoid of "Freon", reliably and at low cost since there are very few movable elements and wear parts. Among these thermodynamic cycles, one can cite in particular that of desorption-adsorption of a suitable thermodynamic fluid on a particular material, this fluid possibly advantageously being water, and this material, zeolites.
Le mécanisme d'adsorption de la vapeur d'eau par des zéolithes est connu depuis Pantiquité. Nous savons que ce phénomène produit de la chaleur, qui peut être utilisée pour réchauffer une enceinte (1) - que nous appellerons source chaude - pour peu que les zéolithes soient placées dans un échangeur à air. La vapeur d'eau est produite dans un autre échangeur sous faible pression, en contact avec l'air de la source froide (2), et dans lequel s'évapore l'eau, enlevant donc des calories à la source froide. Le cycle n'est pas refermé durant ce processus mais boucle hors phase de fonctionnement normal en réchauffant les zéolithes à plus de 1000C à l'aide de moyens convenables (résistance électrique, microondes, champs électriques haute fréquence), c'est le recyclage.L'échangeur (4) au contact de la source froide (2), que nous appellerons de façon conventionnelle évaporateur compte tenu de la fonction qu'il assure durant la phase de fonctionnement normal, jouant alors le rôle de condenseur, et l'echangeur (3) au contact de la source chaude(1), que nous appellerons de façon conventionnelle condenseur compte tenu de la fonction qu'il assure durant la phase de fonctionnement normal, jouant lui le rôle d'évaporateur. La chaleur restituée à la source froide (4) étant exactement égale à celle qui en a été extraite durant la phase de fonctionnement normal, le bilan thermodynamique est nul. L'intérêt réside dans le fait qu'on apponc à la source chaude (1)- des calories en fonctionnement normal, sans lui en retirer pour autant durant le recyclage.The mechanism of adsorption of water vapor by zeolites has been known since Antiquity. We know that this phenomenon produces heat, which can be used to heat an enclosure (1) - which we will call hot source - as long as the zeolites are placed in an air exchanger. The steam is produced in another exchanger under low pressure, in contact with the air from the cold source (2), in which the water evaporates, thus removing calories from the cold source. The cycle is not closed during this process but loop out of normal operation phase by heating the zeolites to more than 1000C using suitable means (electrical resistance, microwaves, high frequency electric fields), it is recycling. The exchanger (4) in contact with the cold source (2), which we will conventionally call evaporator given the function it performs during the normal operating phase, then playing the role of condenser, and the exchanger (3) in contact with the hot source (1), which we will conventionally call condenser taking into account the function it performs during the normal operating phase, playing the role of evaporator. The heat returned to the cold source (4) being exactly equal to that which was extracted during the normal operating phase, the thermodynamic balance is zero. The interest lies in the fact that we add to the hot spring (1) - calories in normal operation, without removing it from it during recycling.
Quand ce cycle thermodynamique est utilisé dans une pompe à chaleur, le milieu extérieur tient lieu de source froide (2), alors que la source chaude (1) est constituée par la pièce à réchauffer. Lorsque ce même cycle est utilisé dans un climatiseur, c'est le milieu intérieur qui tient lieu de source froide (2), alors que la source chaude (1) est constituée par la pièce à refroidir. Le passage de la pompe à chaleur au climatiseur suppose donc qu'en mode de fonctionnement normal, c'est-à-dire hors recyclage, le condenseur (3) devienne évaporateur (4) et l'évaporateur (4), condenseur (3). Dans une machine thermique fonctionnant sur la base du cycle thermodynamique du "Fréon", les deux échangeurs ne sont pas spécifiques, c'est-à-dire qu'il peuvent aussi bien jouer le rôle de condenseur (3) que d'évaporateur (4).On s'aperçoit immédiatement que l'inconvénient d'une machine thermique fonctionnant sur la base du cycle thermique de désorption-adsorption de l'eau sur les zéolithes réside dans le fait que les deux échangeurs sont spécifiques, c'est-à-dire qu'en mode de fonctionnement normal - hors recyclage - l'évaporateur(4) ne peut pas servir de condenseur (3) (puisqu'il ne contient pas de zéolithes) et le condenseur (3) ne peut pas tenir lieu d'évaporateur (4) (puisque l'eau ne peut y être présente hors phase vapeur que sous forme adsorbée, et que la désorption nécessite un chauffage à plus de 100"C). Cet inconvénient n'est pas propre aux zéolithes, il est en fait une caractéristique des cycles thermodynamiques dits non-réversibles.When this thermodynamic cycle is used in a heat pump, the external medium acts as a cold source (2), while the hot source (1) consists of the part to be heated. When this same cycle is used in an air conditioner, it is the interior medium which takes the place of cold source (2), while the hot source (1) consists of the part to be cooled. The transition from the heat pump to the air conditioner therefore assumes that in normal operating mode, that is to say without recycling, the condenser (3) becomes evaporator (4) and the evaporator (4), condenser (3 ). In a thermal machine operating on the basis of the thermodynamic cycle of the "Freon", the two exchangers are not specific, that is to say that they can play the role of condenser (3) as well as evaporator ( It is immediately apparent that the disadvantage of a thermal machine operating on the basis of the thermal cycle of desorption-adsorption of water on the zeolites lies in the fact that the two exchangers are specific, that is to say ie in normal operating mode - excluding recycling - the evaporator (4) cannot be used as a condenser (3) (since it does not contain zeolites) and the condenser (3) cannot take the place evaporator (4) (since water can only be present outside the vapor phase in adsorbed form, and the desorption requires heating to more than 100 "C.) This drawback is not specific to zeolites, it is in fact a characteristic of so-called non-reversible thermodynamic cycles.
D'un point de vue pratique, cela signifie que s'il est d'une part possible de réaliser une pompe à chaleur fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique non-réversible et d'autre part possible de réaliser un climatiseur d'air fonctionnant sur le même principe, on se trouve en revanche dans l'impossibilité de réaliser un appareil mixte permettant d'assurer les deux fonctions, pompe à chaleur en hiver et climatiseur en été. Ceci constitue un grave inconvénient vis à vis des machines thermiques à "Fréonl où la simple inversion du sens de circulation du fluide permet de passer d'un mode à l'autre.From a practical point of view, this means that, on the one hand, it is possible to produce a heat pump operating on the basis of a non-reversible thermodynamic cycle and, on the other hand, possible to produce an air conditioner. air operating on the same principle, we are however unable to achieve a mixed device to perform the two functions, heat pump in winter and air conditioner in summer. This constitutes a serious drawback with respect to "Freonl thermal machines where the simple reversal of the direction of circulation of the fluid makes it possible to switch from one mode to another.
Le dispositif suivant l'invention évite cet inconvénient puisqu'il permet de réaliser une machine thermique fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique non-réversible, par exemple celui de désorption-adsorption de l'eau sur des zéolithes, et pouvant au choix fonctionner en pompe à chaleur ou en climatiseur d'air, le passage d'un mode à l'autre se faisant simplement.The device according to the invention avoids this drawback since it makes it possible to produce a thermal machine operating on the basis of a non-reversible thermodynamic cycle, for example that of desorption-adsorption of water on zeolites, and which can optionally operate as a heat pump or air conditioner, switching from one mode to the other is simple.
L'invention concerne un dispositif de commutation d'une pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique non-réversible caractérisé en ce que le passage d'un mode de fonctionnement à l'autre s'effectue par permutation mécanique des échangeurs, de telle sorte que selon l'un ou l'autre des modes de fonctionnement, l'échangeur (3) dans lequel se condense ou s'adsorbe le fluide thermodynamique (que nous appellerons condenseur) reste au contact avec la source chaude (1), et celui (4) dans lequel s'évapore le fluide thermodynamique (que nous appellerons évaporateur) reste au contact avec la source froide (2).The invention relates to a device for switching from a heat pump to an air conditioner (and vice versa) operating on the basis of a non-reversible thermodynamic cycle characterized in that the transition from one operating mode to the other is performs by mechanical permutation of the exchangers, so that, according to one or other of the operating modes, the exchanger (3) in which the thermodynamic fluid (which we will call condenser) condenses or adsorbs remains in contact with the hot source (1), and that (4) in which the thermodynamic fluid (which we will call evaporator) evaporates remains in contact with the cold source (2).
Suivant une autre caractéristique, les deux échangeurs (3) et (4) sont adjacents, simplement séparés par une paroi en matériau isolant (5).According to another characteristic, the two exchangers (3) and (4) are adjacent, simply separated by a wall of insulating material (5).
Suivant une autre caractéristique, la permutation des deux échangeurs (3) et (4) a lieu en faisant effectuer à l'ensemble du dispositif une rotation autour d'un axe (6) passant par le plan de séparation entre la source chaude (I) et la source froide (2).According to another characteristic, the permutation of the two exchangers (3) and (4) takes place by causing the entire device to rotate around an axis (6) passing through the plane of separation between the hot source (I ) and the cold source (2).
Suivant une autre caractéristique, l'axe de rotation (6) passant par le plan de séparation entre la source chaude (1) et la source froide (2), et assurant la permutation des échangeurs (3) et (4), est vertical.According to another characteristic, the axis of rotation (6) passing through the plane of separation between the hot source (1) and the cold source (2), and ensuring the permutation of the exchangers (3) and (4), is vertical .
Suivant une autre caractéristique, l'axe de rotation (6) passant par le plan de séparation entre la source chaude (1) et la source froide (2), et assurant la permutation des échangeurs (3) et (4), est horizontal. According to another characteristic, the axis of rotation (6) passing through the plane of separation between the hot source (1) and the cold source (2), and ensuring the permutation of the exchangers (3) and (4), is horizontal .
Suivant une autre caractéristique, il est en outre pourvu de moyens convenables pour bloquer en rotation le dispositif dans son ensemble, moyens débrayables au moment du passage du mode pompe à chaleur au mode climatiseur.According to another characteristic, it is further provided with suitable means for locking in rotation the device as a whole, disengageable means when switching from heat pump mode to air conditioner mode.
Suivant une autre caractéristique, le cycle thermodynamique est un cycle de désorption-adsorption d'un fluide thermodynamique convenable sur un matériau particulier.According to another characteristic, the thermodynamic cycle is a desorption-adsorption cycle of a suitable thermodynamic fluid on a particular material.
Suivant une autre caractéristique, le cycle thermodynamique est le cycle de désorption-adsorption de l'eau sur des zéolithes.According to another characteristic, the thermodynamic cycle is the desorption-adsorption cycle of water on zeolites.
Suivant une autre caractéristique, il est de forme parallélépipèdique rectangulaire (7), de faible épaisseur de manière à s'intégrer dans l'épaisseur du mur extérieur (8) d'une pièce, et en outre en ce que les deux échangeurs (3) et (4)- tel qu'avantageusement de même encombrement - sont par exemple réalisés en profilé d'aluminium.According to another characteristic, it is of rectangular parallelepiped shape (7), of small thickness so as to integrate into the thickness of the external wall (8) of a room, and in addition in that the two exchangers (3 ) and (4) - as advantageously of the same size - are for example made of aluminum profile.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés, dans lesquels:
.la figure 1 représente schématiquement une machine thermique par ses deux échangeurs: condenseur (3) et évaporateur (4) au contact des deux sources: chaude (1) et froide (2) et une paroi en matériau isolant (5) les séparant - les tubulures, moyens de régulation, de recyclage et/ou de compression ne sont pas représentés.The characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows, referenced in the appended drawings, in which:
FIG. 1 schematically represents a thermal machine by its two exchangers: condenser (3) and evaporator (4) in contact with the two sources: hot (1) and cold (2) and a wall of insulating material (5) separating them - the pipes, regulation, recycling and / or compression means are not shown.
.la figure 2 représente une pompe à chaleur (7) convertible en climatiseur d'air dont les échangeurs sont plans, adjacents et simplement séparés par une paroi en matériau isolant, insérée dans la paroi (8) séparant la pièce du milieu extérieur (donc séparant les deux sources de chaleur). On y a fait figurer l'axe de rotation (6) permettant de passer d'un mode de fonctionnement à l'autre. FIG. 2 represents a heat pump (7) convertible into an air conditioner, the exchangers of which are planar, adjacent and simply separated by a wall of insulating material, inserted in the wall (8) separating the room from the external environment (therefore separating the two heat sources). It has included the axis of rotation (6) for switching from one operating mode to another.
Ces figures sont données à titre purement indicatif, afin de mieux comprendre le principe du dispositif, elles ne sont en fait nullement limitatives et n'enlèvent donc rien à la généralité de l'invention. Le cycle thermodynamique choisi - celui de désorption-adsorption de l'eau sur des zéolithes - est illustratif, on aurait pu en fait choisir à sa place n'importe quel cycle thermodynamique non-réversible. On n'y a par ailleurs pas toujours représenté les différents éléments suivant leurs proportions réelles quand cela ne nuisait pas à la compréhension des figures.These figures are given for information only, in order to better understand the principle of the device, they are in fact in no way limiting and therefore do not detract from the generality of the invention. The thermodynamic cycle chosen - that of desorption-adsorption of water on zeolites - is illustrative, we could in fact have chosen in its place any non-reversible thermodynamic cycle. In addition, the various elements have not always been represented according to their actual proportions when this does not interfere with the understanding of the figures.
L'idée maîtresse qui est à la base de la présente invention est la suivante: puisque chacun des deux échangeurs (3) et (4) est voué à un rôle très spécifique, on ne cherchera pas à les utiliser à contre-emploi, mais on fera plutôt en sorte que pour eux, les deux modes de fonctionnement soient strictement équivalents, c'est-à-dire que le condenseur (4) reste le lieu où l'eau est adsorbée, l'évaporateur (3) celui où elle est évaporée, mais plus important, que le condenseur (3) reste au contact de la source dite chaude (1) et que l'évaporateur (4) reste lui au contact de la source dite froide (2).The main idea which is the basis of the present invention is as follows: since each of the two exchangers (3) and (4) is dedicated to a very specific role, we will not seek to use them against the use, but we will rather ensure that for them, the two operating modes are strictly equivalent, that is to say that the condenser (4) remains the place where the water is adsorbed, the evaporator (3) the one where it is evaporated, but more important, that the condenser (3) remains in contact with the so-called hot source (1) and that the evaporator (4) remains in contact with the so-called cold source (2).
Quel que soit le mode de fonctionnement, pompe à chaleur ou climatiseur, une machine thermique enlève des calories à la source froide (2) pour les donner à la source chaude (1): la source froide (2) se refroidie et la source chaude (1) se réchauffe. En mode pompe à chaleur, la source froide (2) est donc à l'extérieur et la source chaude (1) à l'intérieur, alors qu'en mode climatiseur, la source froide (2) est à l'intérieur et la source chaude (1) à l'extérieur.On réalise que si les deux échangeurs (3) et (4) doivent toujours rester au contact de la même source, on devra pour passer d'un mode à l'autre échanger le milieu (intérieur ou extérieur) au contact duquel ils sont: le condenseur (3) dans lequel circulait l'air intérieur (source chaude) en fonctionnement en pompe à chaleur devra être alimenté en air extérieur (source chaude) en fonctionnement en climatiseur, et l'évaporateur (4) dans lequel circulait l'air extérieur (source froide) en fonctionnement en pompe à chaleur devra être alimenté en air intérieur (source froide) en fonctionnement en climatiseur.Whatever the operating mode, heat pump or air conditioner, a thermal machine removes calories from the cold source (2) to give them to the hot source (1): the cold source (2) cools and the hot source (1) heats up. In heat pump mode, the cold source (2) is therefore outside and the hot source (1) inside, while in air conditioner mode, the cold source (2) is inside and the hot spring (1) outside. We realize that if the two exchangers (3) and (4) must always remain in contact with the same source, we will have to switch from one mode to the other to exchange the medium ( inside or outside) in contact with which they are: the condenser (3) in which the indoor air circulated (hot source) in heat pump operation must be supplied with outside air (hot source) in air conditioner operation, and the evaporator (4) in which the outside air circulated (cold source) in heat pump operation must be supplied with indoor air (cold source) in air conditioner operation.
Un premier moyen consiste à orienter l'air extérieur et l'air intérieur vers l'un ou l'autre échangeur à l'aide d'une tuyauterie et de vannes. Cette solution constitue cependant un pas en arrière dans la volonté de simplification mécanique qui avait motivé le choix du cycle thermodynamique. On préférera donc un système moins complexe dans lequel on permute physiquement les deux échangeurs: l'un venant simplement à la place de l'autre. La solution la plus facile à mettre en oeuvre consiste à concevoir une machine thermique monobloc (7), évaporateur (4) et condenseur (3) adjacents et simplement séparés par une paroi en matériau isolant (5).L'ensemble est inséré dans un mur (8), un échangeur à l'extérieur et l'autre à l'intérieur, de telle sorte que le passage d'un mode de fonctionnement à l'autre a lieu par simple rotation de l'ensemble du dispositif autour d'un axe (6) quelconque situé avantageusement dans le plan de la paroi isolante (5). Des moyens convenables assurent en outre l'étanchéité, et le blocage en rotation afin que cette dernière ne se déclenche pas de manière intempestive.A first means consists in directing the outside air and the inside air towards one or the other exchanger using piping and valves. This solution however constitutes a step backwards in the desire for mechanical simplification which had motivated the choice of the thermodynamic cycle. We will therefore prefer a less complex system in which we physically swap the two exchangers: one simply coming in place of the other. The easiest solution to implement is to design a one-piece thermal machine (7), evaporator (4) and condenser (3) adjacent and simply separated by a wall of insulating material (5). The assembly is inserted into a wall (8), one exchanger on the outside and the other on the inside, so that the passage from one operating mode to the other takes place by simple rotation of the whole device around any axis (6) advantageously located in the plane of the insulating wall (5). Suitable means also provide sealing, and the rotation lock so that the latter does not trigger inadvertently.
Cet axe de rotation (6) peut avantageusement être vertical, mais on pourra aussi adopter un axe de rotation horizontal lorsque l'encombrement de la pompe à chaleur et la conformation de la pièce l'imposeront.This axis of rotation (6) can advantageously be vertical, but it is also possible to adopt a horizontal axis of rotation when the size of the heat pump and the shape of the part require it.
L'invention est particulièrement adaptée aux machines thermiques fonctionnant sur la base du cycle de désorption-adsorption d'un liquide convenable sur un matériau particulier. En pratique, ce liquide est généralement de l'eau et ce matériau des zéolithes. En effet, les pompes à chaleur à zéolithes sont simplement constituées de deux échangeurs (3) et (4), d'une vanne de régulation, de moyens de régénérations et de parois en matériau isolant (5), ce qui en fait des dispositifs compacts, légers, et simplement isolés de leur environnement par des câbles électriques de puissance et de commande. Il est donc aisé de faire tourner l'ensemble du dispositif autour de son axe (6), sans même nécessiter de contacts via des balais puisque cette rotation se limite à un demi-tour.The invention is particularly suitable for thermal machines operating on the basis of the desorption-adsorption cycle of a suitable liquid on a particular material. In practice, this liquid is generally water and this material is zeolites. Indeed, zeolite heat pumps simply consist of two exchangers (3) and (4), a control valve, regeneration means and walls made of insulating material (5), which makes them devices compact, light, and simply isolated from their environment by electric power and control cables. It is therefore easy to rotate the entire device around its axis (6), without even requiring contact via brushes since this rotation is limited to half a turn.
L'utilisation de cette pompe à chaleur convertible est donc très simple: l'utilisateur devra simplement imprimer un demi-tour à la pompe à chaleur au changement de saison. On dispose ainsi d'une machine thermique conjugant tous les avantages de la pompe à chaleur à zéolithes, à savoir une extrême simplicité mécanique, une absence totale de bruit et de nuisances écologiques, à ceux des machines thermiques réversibles. The use of this convertible heat pump is therefore very simple: the user will simply have to print a U-turn on the heat pump at the change of season. There is thus a thermal machine combining all the advantages of the zeolite heat pump, namely extreme mechanical simplicity, a total absence of noise and ecological nuisance, with those of reversible thermal machines.
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