FR3028603A1

FR3028603A1 - Procede de recuperation d'energie thermique d'une moto-pompe a chaleur

Info

Publication number: FR3028603A1
Application number: FR1461026A
Authority: FR
Inventors: Denis Clodic; Amine Mekdache
Original assignee: EREIE - ENERGY RESEARCH INNOVATION ENGINEERING; Ereie - Energy Res Innovation Eng
Current assignee: Solaronics Ecs Fr
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-20
Also published as: WO2016075384A1; EP3218656A1; JP2017534833A; CA2966584A1; US20170307264A1

Abstract

Procédé dé récupération d'énergie thermique d'une moto-pompe (1) à chaleur comprenant une étape de : - prélèvement de la chaleur dans le condenseur (4), - prélèvement de la chaleur dans le récupérateur (11) moteur, - prélèvement de la chaleur dans le récupérateur (17) d'échappement, - restitution de la chaleur prélevée dans un restituteur (21) de chaleur que la boucle (18) caloportrice traverse, le procédé étant apte à : - déterminer la puissance de la combustion dans le moteur (7) thermique, - déterminer la puissance frigorifique disponible à l'évaporateur (3), - moduler la vitesse de rotation du moteur (7) thermique de telle sorte que la puissance frigorifique soit numériquement supérieure à la puissance de la combustion.

Description

1 PROCEDE DE RECUPERATION D'ENERGIE THERMIQUE D'UNE MOTO-POMPE A CHALEUR L'invention a trait aux pompes à chaleur et aux thermofrigopompes entraînées par un moteur thermique, ci-après dénommées, motopompes à chaleur et moto-thermofrigopompes. L'invention traite tout particulièrement de l'efficacité énergétique des moto-pompes à chaleur et moto-thermofrigopompes.

Le terme thermofrigopompe est employé dans l'industrie pour désigner une pompe à chaleur dont l'agencement permet d'obtenir simultanément, du chaud et du froid. Autrement dit, la production de chaud est valorisée tout autant que la production de froid.

La pompe à chaleur est un dispositif bien connu. Elle est utilisée dans différentes applications requérant la production de chaud ou de froid. Ainsi, on trouve des pompes à chaleur dans les dispositifs d'air conditionné, de production d'eau chaude sanitaire, ou bien plus simplement dans les réfrigérateurs.

La pompe à chaleur comprend, de manière générique, un évaporateur dans lequel un fluide frigorigène absorbe la chaleur, le fluide frigorigène y change d'état et passe de la phase liquide à la phase gazeuse. Le fluide est ensuite comprimé dans un compresseur où sa pression et sa température augmentent brusquement. Le fluide frigorigène traverse alors un condenseur, où comme son nom l'indique, le fluide frigorigène se condense en cédant sa chaleur. Le fluide frigorigène retourne vers l'évaporateur en passant au préalable par une vanne de détente dans laquelle la pression du fluide chute. On note donc que la pompe à chaleur comprend d'une part un circuit basse pression comprenant l'évaporateur et qui s'étend de la vanne de détente jusqu'à l'entrée du compresseur et un circuit haute pression comprenant le condenseur et qui s'étend de la sortie du compresseur jusqu'à la vanne de détente.

Le compresseur est couplé à un moteur électrique ou thermique. Dans ce qui suit, nous nous intéresserons uniquement aux pompes à chaleur 3028603 2 dont le compresseur requiert l'utilisation d'un moteur thermique, sans distinction aucune du combustible utilisé pour son alimentation. L'efficacité énergétique des pompes à chaleur se mesure à l'aide du 5 coefficient de performance. Ce dernier peut se calculer avec la méthode de Carnot assortie d'un coefficient correspondant au rendement du cycle thermodynamique. Typiquement le coefficient de performance des pompes à chaleur de situe entre 2 et 10. L'efficacité globale de transformation d'énergie primaire en énergie électrique sur un réseau 10 électrique est connue et établie par l'Agence internationale de l'Energie. Pour qu'une moto-pompe à chaleur utilise aussi bien l'énergie primaire qu'une chaudière à gaz dite à condensation qui valorise 100% de l'énergie primaire, une pompe à chaleur à moteur électrique doit disposer d'un coefficient de performance d'au moins 2,58 qui 15 correspond à la valeur du coefficient d'énergie primaire pour le réseau électrique français. Une moto-pompe à chaleur utilise directement l'énergie primaire fournie par le combustible et son coefficient en énergie primaire CEP peut donc être établi.

20 Dans une thermofrigopompe, le froid comme le chaud sont utilisés. Ainsi, en se plaçant du point de vue du fluide frigorigène de la pompe à chaleur, le froid obtenu à l'évaporateur est utilisé par exemple pour des besoins de climatisation ou de refroidissement de produits, et inversement le chaud obtenu au condenseur est attribué aux besoins de 25 chauffage. Lorsque le compresseur de la pompe à chaleur est actionné à l'aide d'un moteur thermique, il est connu de récupérer la chaleur de son système de refroidissement et de ses gaz d'échappement. Il est 30 intéressant pour une utilisation de la chaleur d'entraîner le compresseur de la pompe à chaleur directement par l'arbre du moteur thermique sans passer par une double conversion électrique. Le brevet britannique publié sous le numéro GB 652,162 (JAMES 35 HAROLD EVANS) présente une pompe à chaleur mise en mouvement par un moteur thermique. Le condenseur de la pompe à chaleur est utilisé pour réchauffer de l'eau à destination d'un immeuble. L'eau ainsi 3028603 3 réchauffée est mélangée à trois autres sources d'eau chacune respectivement réchauffées par un circuit de refroidissement du compresseur, un circuit de refroidissement du moteur thermique et par les gaz d'échappement. In fine ces quatre sources d'eau réchauffées 5 sont mélangées dans un collecteur où la température de l'eau ainsi mélangée variera au prorata des températures et du volume des sources d'eau. Ce dispositif semble être a priori complet. Toutefois, le mélange 10 anarchique effectué des sources d'eau chaude, ne permet absolument pas d'optimiser l'efficacité énergétique. Tout au contraire, cette méthode ne fait qu'affaiblir le pouvoir réchauffant de la source la plus chaude.

15 Par ailleurs, la solution présentée dans le document antérieur implique un enchevêtrement de canalisations extrêmement complexe. De plus la récupération de chaleur sur les circuits de refroidissement et sur les gaz d'échappement est également anarchique. L'avantage (en termes de température) tiré des sources les plus chaudes est annihilé par les 20 sources les plus froides. Il est proposé, en premier lieu, un procédé dé récupération d'énergie thermique d'une moto-pompe à chaleur équipée d'une pompe à chaleur dans laquelle circule un fluide frigorigène, comprenant : 25 - 30 35 un évaporateur relié à une source chaude, un condenseur relié à une source froide, un compresseur, une vanne de détente, un moteur thermique couplé mécaniquement au compresseur pour l'entrainement de celui-ci, le moteur comprenant une sortie des gaz d'échappement issus de la combustion, un système de refroidissement du moteur thermique, comprenant un échangeur de chaleur dit récupérateur moteur, un récupérateur de chaleur des gaz d'échappement dit récupérateur échappement, 3028603 4 la moto-pompe à chaleur définissant au moins une boucle caloportrice dans laquelle circule un fluide caloporteur destiné à prélever la chaleur du condenseur, du moteur thermique et des gaz d'échappement, dans laquelle le condenseur, le récupérateur moteur et le récupérateur 5 échappement sont disposés en série, la boucle caloportrice traversant le condenseur, le récupérateur moteur et le récupérateur échappement, le procédé comprenant les étapes suivantes : prélèvement de la chaleur dans le condenseur, prélèvement de la chaleur dans le récupérateur moteur, 10 - prélèvement de la chaleur dans le récupérateur d'échappement, restitution de la chaleur prélevée dans un restituteur de chaleur que la boucle caloportrice traverse, la moto-pompe à chaleur comprenant une unité de contrôle munie d'un 15 programme informatique agencé pour : 20 - déterminer la puissance de la combustion dans le moteur thermique, déterminer la puissance frigorifique disponible à l'évaporateur, moduler la vitesse de rotation du moteur thermique de telle sorte que la puissance frigorifique soit numériquement supérieure à la puissance de la combustion. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules 25 ou en combinaison : - le procédé comprend le contrôle de la vitesse du moteur thermique de sorte que la puissance de combustion puisse être modulée entre 30% et 100% de la puissance maximale de combustion disponible ; 30 - la puissance de la combustion est calculée en fonction de la quantité de carburant injectée et du pouvoir calorifique inférieur ou supérieur du carburant ; - le procédé comprend une : .opération de mesure de la température du fluide frigorigène de la 35 pompe à chaleur à l'amont de l'évaporateur au moyen d'une sonde de température positionnée à l'amont de l'évaporateur ; 3028603 5 .opération de mesure de la pression du fluide frigorigène de la pompe à chaleur à l'amont de l'évaporateur au moyen d'une sonde de pression positionnée à l'amont de l'évaporateur ; - le procédé comprend une : 5 .opération de mesure de la température du fluide frigorigène de la pompe à chaleur à l'aval de l'évaporateur au moyen d'une sonde de température positionnée à l'aval de l'évaporateur ; .opération de mesure de la pression du fluide frigorigène de la pompe à chaleur à l'aval de l'évaporateur au moyen d'une sonde de pression 10 positionnée à l'aval de l'évaporateur ; - le procédé comprend une opération de détermination de l'enthalpie à l'amont et à l'aval de l'évaporateur du fluide frigorigène à partir d'abaques données pour un fluide frigorigène donné en fonction des pressions et températures mesurées ; 15 - le procédé comprend une opération de calcul de la puissance frigorifique dans l'évaporateur en faisant le produit du débit massique du fluide frigorigène par l'écart d'enthalpie du fluide frigorigène entre l'amont et l'aval de l'évaporateur.

20 II est proposé, en deuxième lieu, une moto-pompe à chaleur dans laquelle circule un fluide frigorigène, la moto-pompe à chaleur comprenant : un évaporateur relié à une source chaude, un condenseur relié à une source froide, 25 - un compresseur, une vanne de détente, un moteur thermique couplé mécaniquement au compresseur pour l'entrainement de celui-ci, le moteur thermique comprenant une sortie des gaz d'échappement issus de la 30 combustion, un système de refroidissement du moteur thermique, comprenant un échangeur de chaleur dit récupérateur moteur, un récupérateur de chaleur des gaz d'échappement dit récupérateur échappement, 35 la moto-pompe à chaleur définissant au moins une boucle caloportrice dans laquelle circule un fluide caloporteur destiné à prélever la chaleur du condenseur, du moteur et des gaz d'échappement, dans laquelle le 3028603 6 condenseur, le récupérateur moteur et le récupérateur échappement sont disposés en série, la boucle caloportrice traversant le condenseur, le récupérateur moteur et le récupérateur échappement, la moto-pompe à chaleur comprenant une unité de contrôle munie d'un programme 5 informatique agencé pour exécuter le procédé tel que précédemment décrit. Selon un mode de réalisation particulier, la moto-pompe à chaleur comprend : 10 - une sonde de température, une sonde de pression, et une sonde de débit, le programme informatique étant agencé pour exécuter le procédé tel que précédemment décrit.

15 Il est proposé, en troisième lieu, une utilisation de la moto-pompe à chaleur tel que précédemment décrit pour exploiter l'énergie des eaux usées des industries ou des eaux grises des habitations pour réchauffer un fluide caloporteur circulant dans un circuit de recyclage.

20 D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'une moto-pompe 25 à chaleur selon un premier mode de réalisation; la figure 2 est une représentation schématique d'une moto-pompe à chaleur selon un deuxième mode de réalisation; la figure 3 est une représentation schématique d'une moto-pompe à chaleur selon un troisième mode de réalisation.

30 La première partie de cette description décrit les points communs des différents modes de réalisation. Chacune des figures 1 à 3 représente une moto-pompe 1 à chaleur comprenant une pompe 2 à chaleur munie : 35 d'un évaporateur 3, d'un condenseur 4, 3028603 7 - d'un compresseur 5, et - d'une vanne 6 de détente. Le compresseur 5 est couplé mécaniquement à un moteur 7 thermique alimenté par un combustible. Un fluide frigorigène circule dans la 5 pompe 2 à chaleur. Le fluide frigorigène est un mélange zéotrope (également connu sous l'appellation mélange à glissement de température). Le mélange zéotrope comprend plusieurs fluides dont les volatilités sont différentes les unes des autres, et par voie de conséquence, les températures d'évaporation sont également 10 différentes les unes des autres. Le moteur 7 thermique est refroidi à l'aide d'un système 8 de refroidissement comprenant : - un circuit 9 de refroidissement, 15 - une pompe 10 de refroidissement, - un échangeur de chaleur, ci-après dénommé récupérateur 11 moteur. Un liquide de refroidissement, par exemple de l'eau glycolée, circule 20 dans le circuit 9 de refroidissement grâce à l'action de la pompe 10 de refroidissement. Le liquide de refroidissement monte en température dans le moteur 7 thermique, et il descend en température dans le récupérateur 11 moteur.

25 La combustion du carburant dans le moteur 7 thermique génère des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement sortent par un conduit 12 d'échappement avant d'entrer dans un échangeur de chaleur 13 des gaz d'échappement.

30 La chaleur des gaz d'échappement est prélevée au moyen d'une boucle 14 de récupération. La boucle 14 de récupération est munie d'un circuit fluidique 15 d'échappement dans lequel circule un fluide caloporteur. Une pompe 16 échappement assure la circulation du fluide caloporteur dans le circuit fluidique 15 d'échappement. Le circuit fluidique 15 35 d'échappement traverse un récupérateur 17 de chaleur échappement 3028603 8 afin de restituer la chaleur acquise dans l'échangeur de chaleur 13 des gaz d'échappement. La moto-pompe à chaleur 1 comprend une boucle 18 caloportrice dotée 5 d'un circuit 19 caloporteur dans lequel circule un fluide caloporteur. Une pompe 20 caloportrice assure la circulation du fluide caloporteur dans le circuit 19 caloporteur. La boucle 18 caloportrice est agencée de sorte à ce que le circuit 19 caloporteur traverse le condenseur 4 de la pompe 2 à chaleur, le récupérateur 11 moteur, le récupérateur 17 10 échappement et un restituteur 21 de chaleur. La boucle 18 caloportrice recycle ainsi, dans un ordre croissant des températures, la chaleur du moteur 7 thermique, des gaz d'échappement et du condenseur 4, grâce à la boucle 18 caloportrice. Elle restitue cette chaleur grâce au restituteur 21 de chaleur.

15 La moto-pompe à chaleur 1 exploite les eaux usées des industries ou encore les eaux grises des habitations afin de recycler leur chaleur. Les eaux grises entrent dans la moto-pompe à chaleur 1 au niveau de l'évaporateur 3 de la pompe à chaleur par une entrée 22 évaporateur, à une température t1. Les eaux grises quittent la moto-pompe à chaleur 1 20 par une sortie 23 évaporateur à une température t2 inférieure à t1. En parallèle, un circuit 24 de recyclage de chaleur traverse le restituteur 21 de chaleur. Dans ce circuit 24 de recyclage, circule un fluide caloporteur entrant dans le restituteur 21 de chaleur par une entrée 25 restituteur à une température t3. Le fluide caloporteur ressort du 25 restituteur 21 de chaleur par une sortie 26 restituteur, à une température t4 supérieure à t3. L'agencement ci-dessus permet d'obtenir un coefficient en énergie primaire élevé de la moto-pompe à chaleur 1.

30 On définit les grandeurs théoriques suivantes : la puissance disponible au condenseur 4 QK = Q0 + W où Q0 est la puissance absorbée à l'évaporateur 3 (puissance frigorifique) et W est la puissance mécanique du compresseur 5 fournie par le moteur 7 thermique et transférée au fluide frigorigène par le 35 compresseur 5 dans la pompe 2 à chaleur ; 3028603 9 5 le coefficient de performance de la pompe à chaleur COPpAc, = Qw; la puissance fournie par le combustible Qcomb = Qout W OÙ ()out est la puissance thermique perdue par le moteur 7 thermique au bloc moteur et à l'échappement ; le coefficient en énergie primaire de la moto-pompe à chaleur 1 avec un rendement thermique égal à 1 (afin de simplifier les calculs) CEP = Qk+Qout Q comb le rendement mécanique du moteur 7 thermique Rméca = Q comb le rendement de la récupération d'énergie sur le moteur 7 10 thermique et sur les gaz d'échappement Rth = Q Qout où Ore, est la rec puissance thermique récupérée au moteur 7 thermique et à l'échappement. Le coefficient en énergie primaire de la moto-pompe à chaleur 1 s'écrit : CEP = Qk Qout 15 On divise le numérateur et le dénominateur par la puissance de compression W : CEP = (Qk + Qout)I W Qcomb W Ce qui permet de faire apparaît le coefficient de performance de la pompe 2 à chaleur : CEP = 1/ Rméca En vertu des grandeurs précédemment définies, Qout = Qcomb -W, ce qui 20 dans l'expression précédente donne : Qcomb W COPPAC CEP = D'après la définition du rendement mécanique on a, Qcomb COPPAC + Qout/W 1/Rméca 3028603 10 COPpAc Rméca CEP = CEP = Rméca X COPpAc + 1 - Rméca En ajoutant le rendement thermique Rth on obtient, en théorie, l'équation suivante ci-après dénommée équation A : CEP = Rméca X COPpAc Rth X (1 - Rméca) L'équation A ci-dessus indique que le coefficient en énergie primaire de la moto-pompe à chaleur 1 est fonction du coefficient de performance 5 de la pompe 2 à chaleur, du rendement mécanique du moteur 7 thermique et du rendement de récupération d'énergie thermique. En prenant un coefficient en énergie primaire égal à 1 (qui constitue le seuil bas minimum pour lequel il est intéressant d'utiliser une motopompe à chaleur en comparaison d'une chaudière à condensation), et 10 en fixant les rendements thermique et mécanique à respectivement 0,8 et 0,35. Il vient un COPpAc minimum de 2,05. Cette valeur est inférieure au COP minimum lorsque l'on utilise l'électricité du réseau français. Il y là un intérêt certain d'utiliser une moto-pompe à chaleur plutôt qu'une chaudière à condensation.

15 Le coefficient de performance de la pompe 2 à chaleur est fonction de l'écart de température entre l'évaporateur 3 et le condenseur 4 de la pompe 2 à chaleur. Toutefois, les pompes 2 à chaleur utilisées dans l'industrie ou dans les habitations sont déjà performantes. En effet, ces pompes 2 à chaleur récupèrent l'énergie sur des eaux dont la 20 température varie entre 30°C et 60°C. Ces pompes 2 à chaleur remontent ensuite la température sur des intervalles allant de 30°C à 50°C. Le coefficient de performance des pompes 2 à chaleur faisant un tel travail se situe entre 4 et 8.

25 Quel que soit le coefficient de performance de la pompe à chaleur, des expériences conduites par la demanderesse ont démontré que l'efficacité énergétique est meilleure lorsque la puissance frigorifique 1 1 1/Rméca 3028603 11 disponible au condenseur 4 est supérieure à la puissance de combustion disponible dans le moteur 7 thermique. La demanderesse s'est penchée sur l'aspect théorique de ces 5 observations. L'approche mathématique qui va être présentée, n'est qu'une tentative de modélisation du phénomène. On repart de l'expression du coefficient de performance du système avec un rendement thermique égal à 1 (afin de faciliter les calculs).

10 Ceci permet d'exprimer la puissance récupérée Qrec en fonction des deux sources de chaleur à savoir QK et Qcomb. CEP =Qk + Qrec On multiplie de part et d'autre par Qcomb, Qcomb X CEP = 0 + Qrec Qcomb X CEP = Q0 + W + Rth X Q0 D'après la définition de la puissance fournie par le combustible, Qcomb X CEP = Q0 +W + Rth X (Qcomb W) Qcomb X (CEP - Rth) = Q0 W Rth X W Qcomb X (CEP - Rth) = Q0 W X (1 - Rth) 15 Avec W = Rm éca X Qcomb comb, on a, Qcomb X (CEP - Rth) = Q0 + Rm éca X Qcomb X (1 - Rth) Qo = Qcomb X [CEP - Rth Rméca X(1 - Rth)1 Nous obtenons finalement l'équation suivante, ci-après dénommée équation B : Qo = CEP - Rth Rméca X (1 - Rth) Qcomb Qcomb 3028603 12 On note que l'équation B établit le rapport entre les deux sources de chaleur en fonction uniquement du coefficient d'énergie primaire, du rendement mécanique du moteur et du rendement de récupération des chaleurs perdues par le moteur.

5 L'équation mathématique B permet d'effectuer un constat important sur Q0. En posant le rendement thermique normal Rth de 80%, un rendement mécanique standard pour un moteur thermique Rméca de 35%, et un coefficient en énergie primaire de 1, on a : Qo = 1 - 0,8 - 0,35 x 0,2 Q0 = 0,13 X Qcomb 10 Avec un coefficient d'énergie primaire égal à celui d'une chaudière à condensation fonctionnant au gaz (CEP = 1), qui rappelons-le, valorise 100% de l'énergie primaire qu'elle utilise, on remarque (pour obtenir les mêmes performances) qu'il faut que la puissance Q0 soit égale à au moins 13% de Qcomb- Il semble donc possible d'obtenir un meilleur 15 coefficient d'énergie primaire qu'une chaudière à condensation avec une moto-pompe à chaleur, en faisant en sorte que la puissance Q0 soit supérieure à au moins 13% de Qcomb- On peut faire un deuxième constat à partir de l'équation B, en posant la puissance Q0 égale à la puissance Qcomb avec les mêmes valeurs de 20 rendement que précédemment : CEP = 1 + 0,8 + 0,35 x (1 - 0.8) = 1,87 Le coefficient en énergie primaire vaut déjà environ 1,9 dès lors que la puissance Q0 est égale à la puissance de combustion Qcomb- On remarque donc que le coefficient en énergie primaire de la motopompe 1 à chaleur est d'autant plus élevé que la puissance frigorifique 25 est supérieure à la puissance de combustion. Afin d'agir sur la puissance de combustion, il est nécessaire que la puissance du moteur thermique soit variable. La puissance de combustion peut alors être adéquatement ajustée afin d'être suffisamment inférieure à la puissance Qcomb 3028603 13 frigorifique dans l'optique d'améliorer les performances énergétiques de la moto-pompe 1 à chaleur. Les modes de réalisations présentés sur les figures, illustrent un agencement de la moto-pompe 1 à chaleur permettant de récupérer 5 environ 80% de l'énergie disponible sur le moteur 7 thermique. L'énergie disponible sur le moteur 7 thermique correspond à l'énergie récupérée en refroidissant le moteur 7 thermique et à l'énergie récupérée sur les gaz d'échappement. Le rendement mécanique du moteur 7 thermique est d'au moins 0,3 et le coefficient de performance 10 de la pompe 2 à chaleur est compris entre 2 et 10. Dans ce qui suit, il sera illustré numériquement à l'aide d'un exemple concret, les proportions entre la puissance délivrée au condenseur QK et les puissances thermiques récupérées sur le moteur thermique lorsque la puissance frigorifique Q0 est supérieure à la puissance de 15 combustion Qcomb. Pour les calculs, on prendra Rméca de 0,35 et Rth de 0,8. Le CEP de la moto-pompe 1 à chaleur est de l'ordre de 2, c'est-à-dire en pratique que l'énergie primaire nécessaire est divisée par deux. Nous prendrons comme exemple une température t1 de 30°C, une température t2 de 60°C, une température t3 de 70°C et une température 20 t4 de 120°C. Dans cette configuration, le fluide entrant dans l'évaporateur 3 est à 60°C et il en ressort refroidi à 30°C. En parallèle, le restituteur 21 de chaleur remonte la température sur un écart de 50°C. Le fluide y entre à 70°C et en ressort réchauffé à 120°C. Sur la base des températures t1, t2, t3 et t4 précédemment définies, le 25 fluide frigorigène dans la pompe 2 à chaleur varie entre 28°C et 58°C pour refroidir les eaux usées de 60°C à 30°C. La température moyenne d'évaporation du fluide frigorigène dans l'évaporateur 3 se situe à environ 43°C. La puissance récupérée 0 -rec dans la boucle 18 caloportrice correspond 30 à la somme de la puissance disponible au condenseur 4 QK, de la puissance de refroidissement dans le récupérateur 11 moteur et ci-après dénommée Qref et de la puissance disponible dans le récupérateur 17 échappement Qech qui s'exprime en fonction du 3028603 14 rendement thermique Rth. La répartition thermique dans la boucle 18 caloportrice s'établit donc comme suit : Qrec = QK + Qref + Rth x Qech avec QK = Q0 + W on a, Qrec = Q0 + W Qref Rth x Qech et sachant que W = Qcomb X Rméca, On obtient Qrec = Q0 + Qcomb x Rméca Qref + Rth x Qech 5 en remplaçant Q0 par son expression en fonction de Qcomb il vient, Qrec = [COPsys Rth Rméca X (1 - Rth)1 X Qcomb + Qcomb X Rméca + Qref + Rth X Qech Il est important de noter qu'avec un CEP d'environ 2 (précisément 1,87), un rendement thermique Rth de 0,8 et un rendement mécanique de 0,35 la puissance disponible au condenseur QK est largement dominante sur les autres. Elle correspond à environ 80% de l'énergie 10 thermique fournie à la boucle 18 caloportrice. Le deux dernières à savoir Qref et Qech vont respectivement représenter 8% et 12%. La boucle 18 caloportrice permet un réchauffement de 50°C. En vertu des pourcentages déclinés dans le paragraphe précédent, il peut en être déduit que le condenseur 4 permet une montée en température de 15 40°C, de 70°C à 110°C, le récupérateur 11 moteur contribue à hauteur de 8% soit 4°C, de 110°C à 114°C et enfin le récupérateur 17 échappement apporte 12%, soit 6°C de 114°C à 120°C. La température moyenne de condensation du fluide frigorigène de la pompe 2 à chaleur est d'environ 92°C ce qui correspond à un écart de 20 température avec l'évaporateur 3 de 39°C. A partir de là, le coefficient de performance de la pompe 2 à chaleur est déterminé de la façon suivante avec la méthode de Carnot : 273 + 92 COPPAC = 49 = 7,45 3028603 15 Toutefois le rendement des compresseurs dans le commerce se situe à hauteur de 0,6 environ. Le coefficient de performance réel de la pompe 2 à chaleur est donc de : COPpAc = 7,45 x 0,6 = 4,47 En reprenant la formule du coefficient en énergie primaire de la moto- 5 pompe 1 à chaleur en fonction de celui de la pompe à chaleur, on obtient : CEP = 0,35 x 4,47 + 0,8 x (1 - 0,35) = 2,08 En reprenant la formulation de la puissance récupérée on a : Qrec = [CEP - Rth - Rméca x (1 - Rth)] x Qcomb + Qcomb x Rméca + Qref Rth X Qech avec Qech = Rméca x Qcomb Dans une pompe 2 à chaleur dont le compresseur 5 est actionné par un 10 moteur thermique, la répartition typique de la puissance thermique en fonction de la puissance de combustion Qcomb est comme suit : environ 35% provient du travail mécanique, 20% de la puissance de refroidissement Qref (valeur mesurée en régime permanent pour un moteur thermique), 35% de l'échappement et enfin 10% des pertes par 15 rayonnement et de la chaleur transmise à l'huile moteur. Qrec = 1,21. Qcomb + 0,35. Qcomb + 0,2. Qcomb + 0,28. Qcomb Qrec 1,56. Qcomb + 0,48. Qcomb = 2,04. Qcomb Le condenseur 4 contribue ici à hauteur de 76% et l'ensemble récupérateur 11 moteur et récupérateur 17 échappement contribue à hauteur de 24% dans la puissance totale récupérée. Il est important de noter que 23% de l'énergie disponible au condenseur 20 4 provient de l'énergie mécanique du moteur 7 thermique. Le reste provient de l'évaporateur 3 (de la source de froid) à hauteur de 77%. 0,77 x 1,56 + 2,04 = 0,589 3028603 16 L'évaporateur 3 contribue donc précisément à hauteur de 59% de la puissance thermique totale récupérée ce qui correspond à Q0. La puissance restante soit 41%, provient de la puissance thermique Q'm b (récupérée sur les gaz d'échappement et sur le circuit de 5 refroidissement du moteur thermique). Cela permet d'obtenir au niveau du circuit 24 de recyclage une température t4 de 120°C avec une utilisation en moyenne à 95°C et ce à partir d'eaux grises disponibles dans l'évaporateur à une température moyenne de 43°C. De cette manière, on a vérifié qu'avec les paramètres fournis à savoir 10 les températures t1, t2, t3, t4, et les rendements Rth et Rméca, ainsi que le COPpAc, la valorisation de l'énergie primaire se fait avec un facteur 2 et la puissance extraite à la source froide est supérieure à la puissance fournie par le combustible. Les différents ratios établis permettent une régulation fine de la moto-pompe à chaleur et permettent d'atteindre les 15 plus hautes efficacités énergétiques. Afin de faire varier la vitesse de rotation du moteur 7 thermique (et du compresseur 5 de la pompe 2 à chaleur), la moto-pompe à chaleur 1 comprend avantageusement une unité de contrôle informatique (non représentée sur les figures).

20 L'unité de contrôle informatique est équipée d'un programme informatique définissant une stratégie de contrôle commande de la moto-pompe à chaleur 1. La stratégie peut être basée sur plusieurs facteurs différents, l'un d'entre eux peut consister à rendre la puissance récupérée au niveau de la boucle 18 caloportrice proportionnelle à la 25 puissance de combustion. Le programme informatique peut faire varier la vitesse rotation du moteur 7 thermique de sorte que la puissance de combustion soit modulable entre 30% et 100% de la puissance totale de combustion disponible. Il s'en déduit alors une règle de croissance ou de décroissance de la vitesse du moteur 7 thermique qui entrainera 30 celle du compresseur 5 et donc celle de la puissance frigorifique. Un procédé basé sur une telle loi de commande de la vitesse de rotation du moteur 7 thermique permet avantageusement de dégager une efficacité énergétique optimisée.

3028603 17 De manière avantageuse, la pompe 2 à chaleur est munie d'une sonde de température et d'une sonde de pression (non représentées sur les figures) à l'amont et à l'aval de l'évaporateur 3 dans la pompe 2 à chaleur. Les températures et pressions mesurées permettent à partir 5 d'abaques données pour un fluide frigorigène donné, de déterminer l'enthalpie du fluide frigorigène à l'amont et à l'aval de l'évaporateur 3. La pompe 2 à chaleur est également munie d'une sonde de débit volumique afin de mesurer le débit volumique du fluide frigorigène dans la pompe 2 à chaleur. A partir du débit volumique, l'unité de contrôle 10 calcule le débit massique en multipliant par la masse volumique du fluide frigorigène laquelle est évidemment connue à une température donnée. L'unité de contrôle détermine alors avec précision la puissance frigorifique disponible dans l'évaporateur 3 en faisant le produit du débit massique de fluide frigorigène par l'écart d'enthalpie entre l'amont 15 et l'aval de l'évaporateur 3. La puissance de combustion est déterminée en faisant le produit de la quantité de carburant injecté dans le moteur 7 thermique par le pouvoir calorifique supérieur ou inférieur du carburant. 1er Mode de réalisation 20 Sur la figure 1 est représenté une moto-pompe à chaleur 1 telle que décrite précédemment dans la partie commune aux différents modes de réalisation. Dans le mode de réalisation illustré sur la figue 1, la boucle 18 caloportrice traverses successivement le condenseur 4, le récupérateur 25 11 moteur, le récupérateur 17 échappement et le restituteur 21. Le récupérateur 17 d'échappement est celui où la température est la plus élevée. C'est la raison pour laquelle le récupérateur 17 d'échappement est positionné en fin de parcours, juste avant le restituteur 21. En effet, le recyclage de la chaleur est meilleur lorsque 30 le fluide caloporteur circule successivement à travers des échangeurs dont la température est croissante. L'inverse ne serait que pure perte. A travers ce raisonnement, il est avantageux que le récupérateur 11 moteur et le récupérateur 17 d'échappement fonctionnent à contre- 3028603 18 courant. De cette manière le fluide caloporteur le plus froid est en contact avec la partie des récupérateurs 11, 17 la plus froide et inversement en fin de parcours du fluide caloporteur dans le les récupérateurs 11, 17. 5 2ème Mode de réalisation La figure 2 illustre une variante de la boucle 18 caloportrice. Le récupérateur 11 moteur est positionné avant le condenseur 4. Le fluide caloporteur en provenance du restituteur 21 est donc tout d'abord réchauffé avant de rejoindre le condenseur 4 puis le récupérateur 17 10 échappement. Ceci implique que le récupérateur 11 moteur est à une température inférieure à celle du condenseur 4. On voit toute l'importance d'une récupération ordonnée de la chaleur dans le sens croissant des températures pour une moto-pompe à chaleur. 15 3ème Mode de réalisation Sur la figure 3, la boucle 18 caloportrice est identique au premier mode de réalisation. La différence réside dans le fait qu'un échangeur 27 résiduel est ajouté de sorte à capter la chaleur résiduelle des gaz d'échappement à la sortie de l'échangeur 13 d'échappement.

20 L'échangeur 27 résiduel délivre la chaleur à un récupérateur 28 résiduel situé entre l'évaporateur 3 et le compresseur 5 de la pompe 2 à chaleur. En sortie de l'évaporateur 3, le fluide frigorigène est réchauffé grâce au récupérateur 28 résiduel avant d'être comprimé dans le compresseur 5.

25 Cet agencement n'est toutefois intéressant que si la température des gaz d'échappement dans l'échangeur 27 résiduel est supérieure à la température du fluide frigorigène sortant de l'évaporateur 3.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé dé récupération d'énergie thermique d'une moto-pompe (1) à chaleur équipée d'une pompe (2) à chaleur dans laquelle circule un fluide frigorigène, la moto-pompe (1) à chaleur comprenant : ^ ^ ^ ^ - un évaporateur (3) relié à une source chaude, un condenseur (4) relié à une source froide, un compresseur (5), une vanne (6) de détente, un moteur (7) thermique couplé mécaniquement au compresseur (5) pour l'entrainement de celui-ci, le moteur (7) thermique comprenant une sortie des gaz d'échappement issus de la combustion, - un système (8) de refroidissement du moteur (7) thermique, comprenant un échangeur de chaleur dit récupérateur (11) moteur, - un récupérateur de chaleur des gaz d'échappement dit récupérateur (17) échappement, la moto-pompe (1) à chaleur définissant au moins une boucle (18) caloportrice dans laquelle circule un fluide caloporteur destiné à prélever la chaleur du condenseur (4), du moteur (7) thermique et des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le condenseur (4), le récupérateur (11) moteur et le récupérateur (17) échappement sont disposés en série, la boucle (18) caloportrice traversant le condenseur (4), le récupérateur (11) moteur et le récupérateur (17) échappement, le procédé comprenant les étapes suivantes : prélèvement de la chaleur dans le condenseur (4), prélèvement de la chaleur dans le récupérateur (11) moteur, - prélèvement de la chaleur dans le récupérateur (17) d'échappement, - restitution de la chaleur prélevée dans un restituteur (21) de chaleur que la boucle (18) caloportrice traverse, et en ce que la moto-pompe (1) à chaleur comprend une unité de contrôle comprenant un programme informatique agencée pour : - déterminer la puissance de la combustion dans le moteur (7) thermique, ^ ^ 3028603 20 déterminer la puissance frigorifique disponible à l'évaporateur (3), moduler la vitesse de rotation du moteur (7) thermique de telle sorte que la puissance frigorifique soit numériquement 5 supérieure à la puissance de la combustion.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé comprend le contrôle de la vitesse du moteur (7) thermique de sorte que la puissance de combustion puisse être modulée entre 30% et 10 100% de la puissance maximale de combustion disponible.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance de la combustion est calculée en fonction de la quantité de carburant injectée et du pouvoir calorifique 15 inférieur ou supérieur du carburant.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comprend une : opération de mesure de la température du fluide frigorigène 20 de la pompe (2) à chaleur à l'amont de l'évaporateur (3) au moyen d'une sonde de température positionnée à l'amont de l'évaporateur (3), opération de mesure de la pression du fluide frigorigène de la pompe (2) à chaleur à l'amont de l'évaporateur (3) au moyen 25 d'une sonde de pression positionnée à l'amont de l'évaporateur (3).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le procédé comprend une : 30 - opération de mesure de la température du fluide frigorigène de la pompe (2) à chaleur à l'aval de l'évaporateur (3) au moyen d'une sonde de température positionnée à l'aval de l'évaporateur (3), - opération de mesure de la pression du fluide frigorigène de la pompe (2) à chaleur à l'aval de l'évaporateur (3) au moyen d'une sonde de 35 pression positionnée à l'aval de l'évaporateur (3). 3028603 21
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le procédé comprend une opération de détermination de l'enthalpie à l'amont et à l'aval de l'évaporateur (3) du fluide frigorigène à partir d'abaques données pour un fluide frigorigène donné en fonction des pressions et 5 températures mesurées.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le procédé comprend une opération de calcul de la puissance frigorifique dans l'évaporateur (3) en faisant le produit du débit massique du fluide 10 frigorigène par l'écart d'enthalpie du fluide frigorigène entre l'amont et l'aval de l'évaporateur (3) .
8. Moto-pompe (1) à chaleur équipée d'une pompe (2) à chaleur dans laquelle circule un fluide frigorigène, comprenant : 15 - un évaporateur (3) relié à une source chaude, - un condenseur (4) relié à une source froide, - un compresseur (5) , - une vanne (6) de détente, - un moteur (7) thermique couplé mécaniquement au compresseur (5) 20 pour l'entrainement de celui-ci, le moteur (7) thermique comprenant une sortie des gaz d'échappement issus de la combustion, - un système (8) de refroidissement du moteur (7) thermique, comprenant un échangeur de chaleur dit récupérateur (11) moteur, - un récupérateur de chaleur des gaz d'échappement dit récupérateur 25 (17) échappement, la moto-pompe (1) à chaleur définissant au moins une boucle (18) caloportrice dans laquelle circule un fluide caloporteur destiné à prélever la chaleur du condenseur (4) , du moteur et des gaz d'échappement, caractérisée en ce que le condenseur (4) , le 30 récupérateur (11) moteur et le récupérateur (17) échappement sont disposés en série, la boucle (18) caloportrice traversant le condenseur (4) , le récupérateur (11) moteur et le récupérateur (17) échappement, et en ce que la moto-pompe (1) à chaleur comprend une unité de contrôle munie d'un programme informatique agencé pour exécuter le procédé 35 selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 3028603 22
9. Moto-pompe (1) à chaleur selon la revendication 8, caractérisée en ce que celle-ci comprend : - une sonde de température, - une sonde de pression, et 5 - une sonde de débit, le programme informatique étant agencé pour exécuter le procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7.
10. Utilisation d'une moto-pompe (1) à chaleur selon l'une des 10 revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la moto-pompe (1) à chaleur exploite l'énergie des eaux usées des industries ou des eaux grises des habitations pour réchauffer un fluide caloporteur circulant dans un circuit (24) de recyclage.