FR3003936A3

FR3003936A3 - Installation de pompe a chaleur fonctionnant a partir d'une source froide

Info

Publication number: FR3003936A3
Application number: FR1352750A
Authority: FR
Inventors: Jean-Luc Barrault
Original assignee: NEXTHERM
Current assignee: NEXTHERM
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-03

Abstract

Installation (1) de pompe à chaleur fonctionnant à partir d'une source froide (SF), ladite Installation (1) comprenant, un échangeur condenseur (2), un détendeur (3), un échangeur évaporateur (4), et un compresseur (5), reliés en série par un circuit fermé primaire (C) dans lequel circule un fluide frigorigène, l'échangeur évaporateur (4) prélevant sa chaleur à un premier circuit (C1) de fluide secondaire relié à la source froide (SF), et l'échangeur condenseur (2) libérant sa chaleur à un second circuit (C2) de fluide secondaire relié à une source chaude (SC). Selon l'invention, l'installation comprend des agencements situés sur le circuit primaire (C) de fluide frigorigène entre l'échangeur condenseur (2) et le détendeur (3), lesdits agencements étant aptes à récupérer la chaleur résiduelle contenue dans ledit fluide frigorigène.

Description

INSTALLATION DE POMPE A CHALEUR FONCTIONNANT A PARTIR D'UNE SOURCE FROIDE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine technique des pompes à chaleur et concerne notamment une installation de pompe à chaleur fonctionnant à partir d'une source froide. ART ANTERIEUR Il est connu de l'état de la technique d'utiliser des installations de pompes à chaleur, notamment pour des applications de chauffage d'intérieurs d'habitations, ou pour chauffer de l'eau chaude sanitaire présente dans un chauffe-eau par exemple 15 De telles installations comprennent généralement et successivement, un compresseur, un échangeur condenseur, un détendeur, et un échangeur évaporateur, ces différents éléments étant reliés en série par un circuit fermé primaire dans lequel circule un fluide frigorigène. Tous ces éléments comprennent au moins une entrée et une sortie et sont agencés 20 consécutivement de sorte que la sortie du compresseur est reliée à l'entrée de l'échangeur condenseur, la sortie de l'échangeur condenseur est reliée à l'entrée du détendeur, et la sortie du détendeur est reliée à l'entrée de l'échangeur évaporateur. Le compresseur permet d'élever la pression et la température du fluide frigorigène gazeux 25 en le comprimant. L'échangeur condenseur permet au fluide frigorigène de libérer sa chaleur à un circuit de fluide secondaire relié à une source chaude en passant de l'état gazeux à l'état liquide. Le détendeur permet de réduire la pression du fluide frigorigène en phase liquide. L'échangeur évaporateur permet au fluide frigorigène de prélever une quantité de la chaleur à un circuit de fluide secondaire relié à une source froide pour 30 vaporiser le fluide frigorigène. De telles installations sont classiques et peuvent encore être améliorées, notamment en termes de performances. 10 35 EXPOSE DE L'INVENTION Le problème que se propose de résoudre l'invention est donc de fournir une installation de pompe à chaleur dont les performances sont accrues.

Pour résoudre ces problèmes, il a été mis au point une installation de pompe à chaleur fonctionnant à partir d'une source froide. L'installation comprend, un échangeur condenseur, un détendeur, un échangeur évaporateur, et un compresseur. Tous ces éléments sont reliés en série par un circuit fermé primaire dans lequel circule un fluide frigorigène. En fonctionnement, l'échangeur évaporateur prélève sa chaleur à un premier circuit de fluide secondaire relié à une source froide, et l'échangeur condenseur libère sa chaleur à un second circuit de fluide secondaire relié à une source chaude. Selon l'invention, l'installation comprend des agencements situés sur le circuit primaire de fluide frigorigène entre l'échangeur condenseur et le détendeur, lesdits agencements étant 15 aptes à récupérer la chaleur résiduelle contenue dans ledit fluide frigorigène. De cette manière, les performances d'une telle installation de pompe à chaleur peuvent être améliorées. En effet, la chaleur, et en d'autres termes, l'énergie présente dans le fluide frigorigène condensé, qui est généralement perdue ou dissipée dans l'échangeur 20 évaporateur, est récupérée. Cette énergie peut être utilisée pour diverses applications. Selon une première forme de réalisation particulière, les agencements sont tels que le circuit primaire de fluide frigorigène, situé entre l'échangeur condenseur et le détendeur, comprend une bouteille séparatrice comprenant une réserve de fluide frigorigène en phase 25 liquide. La bouteille est agencée de sorte à ce que le fluide frigorigène pénètre dans la bouteille en partie haute et ressorte en partie basse, et le circuit primaire est relié, en sortie de ladite bouteille, à la source chaude pour y libérer sa chaleur résiduelle Cette configuration permet de libérer une quantité de chaleur supplémentaire dans la 30 source chaude. En effet, la chaleur résiduelle contenue dans le fluide frigorigène, entre l'échangeur condenseur et le détendeur, est transférée de nouveau à la source chaude. Les performances de l'installation de pompe à chaleur sont donc accrues. La bouteille séparatrice permet de séparer, par gravité, les phases liquide et gazeuse du 35 fluide frigorigène, et d'envoyer uniquement du fluide frigorigène liquide dans la source chaude. En effet, sans cette bouteille séparatrice, du fluide frigorigène gazeux pourrait pénétrer dans la source chaude, dont le seul but est de refroidir du fluide frigorigène liquide et surtout pas de condenser du fluide frigorigène gazeux.

Selon une deuxième forme de réalisation particulière de l'installation selon l'invention, les agencements se présentent sous la forme d'un troisième échangeur thermique destiné à réaliser un échange thermique entre le circuit primaire de fluide frigorigène et un troisième 5 circuit de fluide secondaire. Ainsi, la chaleur résiduelle contenue dans le fluide frigorigène entre l'échangeur condenseur et le détendeur est transférée à un troisième circuit de fluide secondaire. Ce troisième circuit de fluide peut être de tout type, tel que par exemple une cuve d'eau 10 glycolée à chauffer avec une entrée et une sortie. Toujours selon cette deuxième forme de réalisation, il peut être envisagé plusieurs autres montages ayant des fonctions différentes, par exemple de dégivrage. En effet, selon un premier montage, le troisième circuit de fluide secondaire est relié, d'une part, à l'entrée du 15 troisième échangeur thermique et au premier circuit de fluide secondaire au niveau de la sortie de l'échangeur évaporateur et au moyen d'une vanne trois voies, et, d'autre part, à la sortie du troisième échangeur thermique et à l'entrée de la source froide. Ainsi, en cycle normal, l'échangeur évaporateur prélève sa chaleur à un premier circuit de 20 fluide secondaire. Le premier circuit de fluide secondaire circule entre l'échangeur évaporateur et une source froide. En sortie de l'échangeur évaporateur, le fluide circulant dans le premier circuit de fluide secondaire est refroidi et pénètre dans la source froide pour y gagner quelques calories qui sont ensuite transférées au circuit de fluide frigorigène dans l'échangeur évaporateur. Ceci constitue le cycle normal. Cependant, le fluide étant 25 refroidi, il est possible que celui-ci givre, surtout lorsque la source froide est constituée par l'air extérieur. La vanne trois voies disposée à la sortie de l'échangeur évaporateur, sur le premier circuit de fluide frigorigène permet de dévier le fluide présent dans le premier circuit de fluide 30 secondaire, dans le troisième circuit de fluide secondaire qui est relié au troisième échangeur thermique. Ainsi, cette configuration permet de réaliser une fonction dégivrage. De cette manière, lorsque du givre est détecté dans le fluide présent dans le premier circuit de fluide 35 secondaire, la vanne trois voies est actionnée, et ledit fluide est dévié dans le troisième circuit de fluide secondaire et récupère la chaleur résiduelle du circuit primaire de fluide frigorigène. Ledit fluide est dégivré et est ensuite retourné dans la source froide et suit son cycle normal.

Lorsque le givre a disparu, la vanne trois voies est actionnée dans l'autre sens pour reprendre un cycle normal, c'est-à-dire sans passer par le troisième échangeur thermique et en passant par la source froide.

De la même manière, et selon un deuxième montage, le troisième circuit de fluide secondaire est relié, d'une part, à l'entrée de l'échangeur thermique et au premier circuit de fluide secondaire au niveau de la sortie de la source froide et au moyen d'une vanne trois voies, et, d'autre part, à la sortie dudit échangeur thermique et à l'entrée de l'échangeur évaporateur.

Ce deuxième montage permet également la réalisation d'une fonction dégivrage. Lorsque du givre est détecté dans le fluide en sortie de la source froide, la vanne trois voies est actionnée et dévie le fluide dans le troisième échangeur afin que celui-ci récupère la chaleur résiduelle du circuit primaire de fluide frigorigène. Ledit fluide est dégivré et est ensuite retourné dans la l'échangeur évaporateur et suit son cycle normal, sans nécessiter d'arrêter la pompe de circulation permettant de faire circuler le fluide. Lorsque le givre a disparu, la vanne trois voies est retournée en position d'origine, et le fluide suit son cycle normal en sortie de la source froide.

Avantageusement, et en relation avec le deuxième montage précité, le premier circuit de fluide secondaire comprend une vanne trois voies au niveau de la sortie de la source froide apte à dévier ledit premier circuit vers une autre source d'énergie.

Ainsi, l'échangeur extérieur constitué par la source froide peut être aidé par grand froid, par une autre source d'énergie telle que par exemple un capteur enterré, solaire, ou toute autre source d'énergie. Cela permet notamment d'améliorer l'opération de dégivrage ou bien d'améliorer les performances de l'échangeur évaporateur.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux 35 figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est un schéma de principe de l'installation de pompe à chaleur selon l'invention, selon une première forme de réalisation ; - la figure 2 est une représentation schématique illustrant en coupe transversale et en détail la conception du circuit primaire de fluide frigorigène à l'intérieur de la source chaude. - La figure 2a est une représentation schématique du circuit primaire de fluide frigorigène à l'intérieur de la source chaude, et en coupe transversale - la figure 3 est un schéma de principe de l'installation de pompe à chaleur selon l'invention, selon une deuxième forme de réalisation, notamment pour le chauffage d'une eau chaude sanitaire ; - la figure 4 est un schéma de principe de l'installation de pompe à chaleur selon l'invention, selon une troisième forme de réalisation, notamment avec la fonction dégivrage ; - la figure 5 est un schéma de principe de l'installation de pompe à chaleur selon l'invention, selon une quatrième forme de réalisation, notamment avec la fonction dégivrage, et mettant également en oeuvre une autre source d'énergie permettant d'aider la source froide. EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION L'invention concerne une installation (1) de pompe à chaleur fonctionnant à partir d'une source froide. L'installation comprend, d'une manière générale, un échangeur condenseur (2), un détendeur (3), un échangeur évaporateur (4), et un compresseur (5), reliés en série par un circuit fermé primaire (C) dans lequel circule un fluide frigorigène. L'échangeur évaporateur (4) prélève sa chaleur à un premier circuit (Cl) de fluide secondaire relié à une source froide (SF), et l'échangeur condenseur (2) libère sa chaleur à un second circuit (C2) de fluide secondaire relié à une source chaude (SC). Le concept à la base de l'invention consiste à récupérer la chaleur résiduelle non transférée par l'échangeur condenseur (2). Cette chaleur est plus précisément récupérée entre la sortie (A) de l'échangeur condenseur (2), et le détendeur (3). Cette chaleur est récupérée et réutilisée. A partir de ce concept général, plusieurs solutions peuvent être mises en oeuvre sans sortir du cadre de l'invention, telles que décrites ci-dessous.

En référence à la figure 1, illustrant une installation (1) de pompe à chaleur pour le chauffage d'une eau sanitaire, une première solution consiste à récupérer la chaleur résiduelle du fluide frigorigène entre l'échangeur condenseur (2) et le détendeur (3) afin de 5 chauffer davantage l'eau sanitaire. Plus précisément, dans ladite installation (1), la source chaude (SC) est constituée par une cuve (6) d'eau sanitaire. Le premier circuit (non représenté) de fluide secondaire, dans lequel l'échangeur évaporateur (4) prélève sa chaleur, est relié à une source froide 10 classique non représentée. Le second circuit (C2) de fluide secondaire dans lequel l'échangeur condenseur (2) transfère sa chaleur pénètre dans la cuve (6) d'eau sanitaire pour y chauffer l'eau présente. La cuve (6) d'eau sanitaire comprend une entrée d'eau froide (6a), en partie basse, et une 15 sortie d'eau chaude (6b), en partie haute. Le second circuit (C2) de fluide secondaire s'étend à l'intérieur de la cuve (6) de manière à occuper le maximum du volume afin de favoriser les échanges thermiques entre le fluide circulant dans le second circuit (C2), et l'eau sanitaire. 20 Le second circuit (C2) est muni, au niveau de la sortie (B) de l'échangeur condenseur, d'une pompe de circulation (7) pour faire circuler le fluide, et par exemple d'une vanne trois voies (8). La vanne trois voies (8) permet de dévier le fluide présent dans le second circuit (C2) vers un circuit de chauffage (9) pour ensuite retourner vers l'entrée (D) de 25 l'échangeur condenseur (2). Selon l'invention, le second circuit (C2) de fluide secondaire s'étend à l'intérieur de la cuve (6) de sorte à laisser subsister un espace suffisant, de préférence à proximité de l'entrée d'eau froide (6a), pour y loger une partie du circuit primaire (C) de fluide 30 frigorigène. En effet, le circuit primaire (C) de fluide frigorigène en sortie (A) de l'échangeur condenseur (2) possède encore de la chaleur résiduelle, et est agencé de manière à pénétrer de nouveau dans la cuve (6) pour y transférer cette chaleur résiduelle à l'eau. Plus 35 précisément, le circuit primaire (C), en sortie (A) de l'échangeur condenseur (2), comprend une bouteille séparatrice (BS) comprenant une réserve (R) de fluide frigorigène en phase liquide. La bouteille (BS) est agencée de sorte à ce que le fluide frigorigène pénètre dans la bouteille (BS) en partie haute et ressorte en partie basse. Cette bouteille (BS) permet ainsi une séparation, par gravité, des phases gazeuse et liquide du fluide frigorigène et permet d'avoir en sortie de ladite bouteille (BS) du fluide frigorigène uniquement en phase liquide. En effet, sans cette bouteille (B S), du fluide frigorigène gazeux pourrait pénétrer dans la cuve (6), dont le seul but est de refroidir le fluide frigorigène liquide et surtout pas de condenser du fluide frigorigène gazeux. Ainsi, en sortie de cette bouteille (B S), une partie du circuit primaire (C) de fluide frigorigène liquide s'étend alors dans la cuve (6) de préférence à proximité de l'entrée d'eau froide (6a) afin de favoriser au maximum les transferts thermiques.

En référence aux figures 2 et 2a, le circuit primaire (C) de fluide frigorigène, à l'intérieur de la cuve (6), comprend d'une manière connue une double paroi définissant un premier tube (9) dans lequel circule le fluide frigorigène, et un deuxième tube (10) en contact avec l'eau sanitaire. En outre, un espace (11) est défini entre les premier (9) et deuxième (10) tubes. L'espace (11) est relié par des raccords (12, 13) au second circuit (C2) de fluide secondaire afin de remplir ledit espace (11) de fluide secondaire et d'assurer un meilleur échange thermique avec l'eau froide de la cuve (6). En référence à la figure 3, illustrant une autre forme de réalisation de l'installation (1) de 20 pompe à chaleur selon l'invention, la chaleur résiduelle contenue dans le circuit primaire (C) de fluide frigorigène, entre l'échangeur condenseur (2) et le détendeur (3), est récupérée au moyen d'un troisième échangeur thermique (14). Le troisième échangeur thermique (14) est destiné à réaliser un échange thermique entre la 25 partie du circuit primaire (C) concernée et un troisième circuit (C3) de fluide secondaire. Ce troisième circuit (C3) de fluide peut notamment être utilisé pour chauffer de l'eau, ou bien toutes autres applications appropriées sans limiter la portée de l'invention. Par exemple, dans la forme de réalisation figure 3, l'entrée (H) du troisième circuit (C3) 30 dans le troisième échangeur thermique (14) peut notamment être reliée à l'arrivée d'eau froide sanitaire, et la sortie (F) du troisième échangeur thermique (14) peut être reliée à un chauffe-eau. De cette manière, l'eau sanitaire est préchauffée dans le troisième échangeur thermique (14) avant de pénétrer dans le chauffe-eau et d'être chauffée par les échanges thermiques provenant de l'échangeur condenseur (2). 35 En référence à la figure 4, et selon un autre montage découlant du mode de réalisation de la figure 3, le troisième circuit (C3) de fluide est utilisé pour des opérations de dégivrage.

Plus précisément, dans ladite installation (1), la source froide (SF) est constituée par l'air extérieur. L'installation comprend alors un échangeur thermique air/fluide secondaire (15), ainsi qu'un ventilateur (16). Le premier circuit (Cl) de fluide secondaire relié audit échangeur (15) est équipé d'une pompe de circulation (7) pour faire circuler le fluide, et d'une vanne trois voies (8). La vanne trois voies (8) permet de dévier le fluide présent dans le premier circuit (Cl) vers le troisième échangeur thermique (14) pour que celui-ci retourne ensuite dans la source froide (SF) et qu'il suive son cycle normal.

Cette vanne trois voies (8) est actionnée lorsque du givre est détecté dans le fluide secondaire du premier circuit (Cl). Le fluide est ainsi chauffé dans le troisième échangeur thermique (14) et dégivré. Lorsque la vanne trois voies (8) est actionnée, le ventilateur (16) est stoppé. Lorsque le givre a disparu, la vanne trois voies (8) est retournée dans sa position d'origine. Sur une installation (1) de pompe à chaleur de puissance suffisante et fonctionnant suffisamment longtemps, il est possible, sans sortir du cadre de l'invention, de disposer de second troisième échangeur thermique (14), l'un servant au préchauffage d'un chauffe-eau 20 par exemple, et l'autre servant au dégivrage. En référence à la figure 5, un autre montage peut être réalisé pour permettre également la réalisation d'une opération de dégivrage. Selon cet autre montage découlant de celui représenté sur la figure 4, le premier circuit (Cl) de fluide secondaire, entre la sortie (J) de 25 la source froide (SF) et l'entrée (E) dans l'échangeur évaporateur (4), est équipé d'une vanne trois voies (8). La vanne trois voies (8) permet de dévier le fluide présent dans le premier circuit (Cl) vers le troisième échangeur thermique (14) pour que celui-ci retourne ensuite dans l'échangeur 30 évaporateur (4) qu'il suive son cycle normal. Cette vanne trois voies (8) est actionnée lorsque du givre est détecté dans le fluide secondaire du premier circuit (C1). Le fluide est ainsi chauffé dans le troisième échangeur thermique (14) et dégivré. Lorsque le givre a disparu, la vanne trois voies (8) est retournée 35 dans sa position d'origine.

Le premier circuit (Cl) de fluide secondaire comprend un autre une vanne trois voies (8) au niveau de la sortie (J) de la source froide (SF). Cette vanne trois voies (8) permet notamment de dévier ledit premier circuit (Cl) vers une autre source d'énergie (17).

Ainsi, l'échangeur extérieur constitué par la source froide (SF) peut être aidé par grand froid, par une autre source d'énergie (17) telle que par exemple un capteur enterré, solaire, ou toute autre source d'énergie. Cela permet notamment d'améliorer l'opération de dégivrage ou bien d'améliorer les performances de l'échangeur évaporateur (4).

Comme il ressort de ce qui précède, l'invention fournit une installation (1) de pompe à chaleur dont les performances sont accrues, notamment du fait de la récupération d'énergie. En effet, une telle installation (1) permet de réaliser une opération de dégivrage sans nécessiter d'inversion de cycle, ou même de consommer de l'énergie supplémentaire. Le dégivrage devient gratuit et il est possible d'utiliser une simple horloge pour piloter la vanne trois voies (8). Le fluide secondaire dans le troisième échangeur thermique (14) peut par exemple être de l'eau glycolée nécessitant de ce fait des liaisons hydrauliques au lieu de liaisons frigorifiques. De cette manière on supprime la manipulation de fluide frigorigène avec les inconvénients que cela entraine, et on supprime également la mise en oeuvre d'électronique compliquée qui est la source de la majorité des pannes d'installations de pompes à chaleur.

Claims

REVENDICATIONS1. Installation (1) de pompe à chaleur fonctionnant à partir d'une source froide (SF), ladite installation (1) comprenant, un échangeur condenseur (2), un détendeur (3), un échangeur évaporateur (4), et un compresseur (5), reliés en série par un circuit fermé primaire (C) dans lequel circule un fluide frigorigène, l'échangeur évaporateur (4) prélevant sa chaleur à un premier circuit (Cl) de fluide secondaire relié à la source froide (SF), et l'échangeur condenseur (2) libérant sa chaleur à un second circuit (C2) de fluide secondaire relié à une source chaude (SC) caractérisée en ce qu'elle comprend des agencements situés sur le circuit primaire (C) de fluide frigorigène entre l'échangeur condenseur (2) et le détendeur (3), lesdits agencements étant aptes à récupérer la chaleur résiduelle contenue dans ledit fluide frigorigène.
2. Installation (1) de pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les agencements sont tels que le circuit primaire (C) de fluide frigorigène, situé entre l'échangeur condenseur (2) et le détendeur (3), comprend une bouteille séparatrice (BS) comprenant une réserve (R) de fluide frigorigène en phase liquide, la bouteille (BS) est agencée de sorte à ce que le fluide frigorigène pénètre dans la bouteille (BS) en partie haute et ressorte en partie basse, et le circuit primaire (C) est relié, en sortie de ladite bouteille (BS), à la source chaude (SC) pour y libérer sa chaleur résiduelle.
3. Installation (1) de pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les agencements se présentent sous la forme d'un échangeur thermique (14) destiné à réaliser un échange thermique entre le circuit primaire (C) de fluide frigorigène et un troisième circuit (C3) de fluide secondaire.
4. Installation (1) de pompe à chaleur selon la revendication 3, caractérisée en ce que le troisième circuit (C3) de fluide secondaire est relié, d'une part, à l'entrée (F) de l'échangeur thermique (14) et au premier circuit (Cl) de fluide secondaire au niveau de la sortie (G) de l'échangeur évaporateur (4) et au moyen d'une vanne trois voies (8), et, d'autre part, à la sortie (H) dudit échangeur thermique (14) et à l'entrée (I) de la source froide (SF).
5. Installation (1) de pompe à chaleur selon la revendication 3, caractérisée en ce que le troisième circuit (C3) de fluide secondaire est relié, d'une part, à l'entrée (F) de l'échangeur thermique (14) et au premier circuit (Cl) de fluide secondaire au niveau de la sortie (J) de la source froide (SF) et au moyen d'une vanne trois voies (8), et,d'autre part, à la sortie (H) dudit échangeur thermique (14) et à l'entrée (E) de l'échangeur évaporateur (4).
6. Installation (1) de pompe à chaleur selon la revendication 5, caractérisée en ce que le premier circuit (Cl) de fluide secondaire comprend une vanne trois voies (8) au niveau de la sortie (J) de la source froide (SF) apte à dévier ledit premier circuit (Cl) vers une autre source d'énergie (17).