FR3033632B1 - Dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-etage) et changements de phase, reversible a haut rendement. - Google Patents

Abstract

Dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagé) et changement de phase, réversible, à haut rendement. L’invention concerne la conception et l’intégration des échangeurs de chaleur réversibles (6) et (7) pouvant fonctionner alternativement en condenseur ou en évaporateur noyé. Elle concerne aussi la conception et l’intégration d’un échangeur de détente intermédiaire (5) permettant lui aussi l’inversion de cycle du système. La conception de l’ensemble du dispositif thermodynamique intégrant ces nouveautés, permet de fonctionner de manière réversible, tout en gardant un rendement énergétique optimum même sous de forts écarts de température entre ses sources. Il est particulièrement adapté pour des applications réversibles à fort taux de compression, tel que refroidisseur à très basse température (côté froid utile) et/ou tel que pompe à chaleur à haute température (côté chaud utile). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Domaine technique : La présente invention concerne un dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagé) et changement de phase, réversible, à haut rendement. Son procédé permet de fonctionner de manière réversible, tout en gardant un rendement énergétique optimum même sous de forts écarts de température entre ses sources. Il est particulièrement adapté pour des applications réversible à fort taux de compression, tel que refroidisseur à très basse température (côté froid utile) et/ou tel que pompe à chaleur à haute température (côté chaud utile)

Recherche d'antécédents et état de la technique : Des recherches d'antécédents par Google patent, par les outils mis à disposition en ligne par ΓΙΝΡΙ, par les sites internet de fabricants de pompes à chaleur ou de refroidisseurs réversibles, n'ont pas permis de trouver ni de pompes à chaleur réversibles, ni de refroidisseurs réversibles à un seul étage de compression, fonctionnant avec un ou des évaporateurs noyés de réfrigérant pouvant aussi fonctionner en condenseur. Elles n'ont pas permis non plus de trouver des pompes à chaleur réversibles, ou des refroidisseurs réversibles à plusieurs étages de compression (à système d'évaporation noyé ou même à système d'évaporation à détentes sèches) utilisant des dispositifs d'échange intermédiaire réversibles à injection totale ou injection partielle. Et ceci, que ce soit, avec des compresseurs fonctionnant sans entraîner d'huile avec le réfrigérant ou avec des compresseurs en entraînant. Elles n'ont pas non plus permis de trouver de dispositifs utilisés comme évaporateur fonctionnant en régime noyé, réversible et pouvant aussi fonctionner en condenseur. Les pompes à chaleur réversibles trouvées sur le marché, qu'elles soient à un étage de compression ou à plusieurs étages de compression, fonctionnent avec des échangeurs réversibles (évaporateur/condenseur) mais uniquement avec des évaporateurs dits à « détente sèche » et pas en régime « noyé ». On trouve aussi des refroidisseurs fonctionnant avec des évaporateurs en régime noyé mais ils sont non réversibles et ne peuvent fonctionner aussi en condenseur. Ces recherches n'ont pas non plus permis de trouver des dispositifs d'échange intermédiaire réversibles qu'ils soient à injection totale ou injection partielle.

Les systèmes thermodynamiques de transfert de chaleur sont plus communément appelés refroidisseur ou pompe à chaleur. Il s'agit en fait de la même machine, seul le côté intéressant pour l'utilisateur diffère. Certains systèmes thermodynamiques sont même réversibles, c'est-à-dire qu'ils sont capables de produire un effet de réchauffement ou de refroidissement du côté qui intéresse l'usager. Les pompes à chaleur réversibles sont utilisées depuis longtemps pour réchauffer ou refroidir des liquides ou des gaz en milieu industriel, résidentiel, ou commercial.

Le principe de base des pompes à chaleur à compression de gaz avec changement de phase est d'extraire l'énergie de l'air extérieur (ou toute autre source froide, telle que l'eau) pour la restituer à l'air ambiant d'une habitation via, par exemple, le réseau hydraulique de chauffage. Ce transfert d'énergie de l'air extérieur (source froide) vers l'ambiance de l'habitation (source chaude, c'est-à-dire un milieu à température supérieure à celle de la source froide qui est, en fait, la source de chaleur ; on devrait donc plutôt parler de puits de chaleur ou de puits chauds) est rendu possible grâce au travail d'un compresseur, celui-ci étant couplé classiquement à trois autres composants qui sont : le condenseur, le détendeur et l'évaporateur à détente directe. L'amplitude du cycle frigorifique s'y rapportant dans le diagramme enthalpique dépend essentiellement des pressions d'évaporation et de condensation en lien avec la température de la source froide (évaporation, côté basse pression) et la température de l'eau du réseau de chauffage (condensation, côté haute pression). A noter que la chaleur fournie à l'habitation Qc est la somme de l'énergie extraite à l'air extérieur Qf et d'une partie de l'énergie W fournie au compresseur, celle-ci dépendant de son rendement global. La performance du système est définie par le COP (coefficient de performance de l'ensemble du système) qui est le rapport entre la chaleur fournie à l'habitation et l'énergie fournie au compresseur. Il est exprimé en Watt/Watt.

En été, le cycle de la pompe à chaleur est inversé, le transfert d'énergie qu'elle réalise se fera de l'air de l'ambiance de l'habitation (source froide) vers l'extérieur (source chaude, c'est-à-dire le milieu à température supérieure à celle de la source froide) : on parle alors de réfrigération ou de refroidissement ou de climatisation de l'habitation. Le cycle est le même, seul son sens a changé. Pour la suite nous ne parlerons que de chauffage puisque le cycle est le même.

On rappellera également que pour un mélange diphasique (gaz liquide), il existe une relation entre la pression et la température.

Par ailleurs, les échanges de chaleur dans l'évaporateur et le condenseur se faisant d'une manière irréversible, c'est-à-dire en nécessitant des différences de température, il en résulte que : o la température effective d'évaporation de fluide frigorigène doit être inférieure à la température du milieu à refroidir. o la température effective de condensation de fluide frigorigène circulant du côté du condenseur doit être supérieure à la température du fluide de refroidissement (air, eau) de la source chaude.

La différence entre ces températures s'appelle le pincement des échangeurs. Il est lié aux coefficients et surfaces d’échanges des évaporateurs et condenseurs. Plus cet écart est faible plus la performance du système thermodynamique est élevé. L’un des inconvénients de ces systèmes concerne la diminution de leur puissance et de leur performance lorsque la température de la source froide (température extérieure par exemple) diminue et/ou lorsque la température de la source chaude (eau d'un circuit de chauffage par exemple) augmente. Les principales raisons de ces chutes de puissance et de performance sont liées à la diminution : o de la densité du gaz à l'aspiration du compresseur côté basse pression. o de la chaleur latente de condensation côté haute pression. o du rendement isentropique et volumétrique du compresseur lorsque les taux de compression augmentent.

En effet, la température extérieure et la pression d'évaporation étant couplées, la diminution de la température extérieure entraîne une diminution de la densité du gaz aspiré par le compresseur provoquant une réduction du débit massique et de la puissance du système. Le travail du compresseur ne variant que très peu (augmentation du travail unitaire mais réduction du débit massique), le COP du système va diminuer.

Lorsque la température d’eau augmente, deux phénomènes provoquent la réduction du COP et de la puissance du système. D'une part, la pression de condensation augmentant avec la température, le travail que doit fournir le compresseur est plus important pour un même débit. D'autre part, la chaleur latente (largeur de la courbe de saturation sur le diagramme enthalpique) diminuant avec l'augmentation de la pression, la puissance du système va également diminuer. Ce dernier phénomène restant néanmoins plus ou moins important en fonction du niveau où l'on se situe sur la courbe de saturation et de la nature du gaz utilisé.

On peut ajouter un autre phénomène impartant la puissance et le COP du système. L'augmentation du taux de compression entraîne une augmentation des contraintes mécaniques dans le compresseur provoquant une augmentation des irréversibilités, favorisant les fuites internes et augmentant l'impact des volumes morts. Concrètement, il apparaît une dégradation importante du rendement isentropique et volumétrique du compresseur lorsque le taux de compression augmente au-delà de 3.5 avec pour conséquence une augmentation du travail du compresseur par rapport au travail théorique et une réduction de son débit de réfrigérant.

Un autre inconvénient de ces systèmes concerne leurs limites de fonctionnement liées essentiellement à la température des gaz de refoulement. Cette température ne doit pas dépasser 120 à 140 °C et est en pratique limitée entre 110 à 115°C en raison des problématiques qu'elle pose sur les huiles utilisées dans les compresseurs (baisse de la viscosité, dégradation). La température de refoulement du compresseur dépend et augmente en fonction de plusieurs paramètres qui sont le coefficient polytropique, le taux de compression et la température d'aspiration. En pratique en fonction du taux de compression et des réfrigérants utilisés, cette température est de 15 à 50 °C au dessus de la température de condensation. Ainsi une température de condensation de 65°C ne sera pas possible au-delà d'un certain taux de compression et donc jusqu'à une certaine température extérieure (dépendant du réfrigérant et du compresseur).

On peut regrouper les pompes à chaleur en trois grandes catégories en fonction des émetteurs de l'habitation : o les pompes à chaleur basse température utilisées pour le chauffage par plancher chauffant. L'émetteur ayant une grande surface d'échange, la température nécessaire dépasse rarement 40°C et tourne en moyenne autour de 35°C. Ces pompes à chaleur fonctionnent sur de faibles différentiels température de condensation/ température d'évaporation. o les pompes à chaleur moyenne température utilisées sur les ventilo-convecteurs et les radiateurs basse température avec des températures d'eau de l'ordre de 40 à 55°C. Ces pompes à chaleur fonctionnent sur des différentiels température de condensation/ température d'évaporation moyens. o les pompes à chaleur haute température fonctionnant sur des radiateurs ou pour la préparation de l'eau chaude sanitaire avec des températures d'eau de l'ordre de 55 à 80°C. Ces pompes à chaleur fonctionnent sur de forts différentiels température de condensation/ température d'évaporation.

La conception de pompes à chaleur basse température ne présente pas de difficulté particulière. Il en est tout autrement pour une pompe à chaleur destinée à la haute température. En effet, comme vu supra, l'augmentation de la pression de condensation entraîne une diminution de la puissance, de la performance, une augmentation du taux de compression et de la température de refoulement. Ceci limite la température d'évaporation possible. Pour pallier à ces difficultés il existe différentes technologies, les plus répandues sont entre autres : les systèmes cascades ou encore les systèmes avec injection totale ou partielle.

Les systèmes cascades utilisent schématiquement plusieurs pompes à chaleur (étage) en série, chaque étage fonctionnant avec un réfrigérant identique ou différent Ces systèmes peuvent atteindre des températures de 80°C voire au dessus pour des températures d'évaporation de -20°C, cela en fonction du nombre d'étages et des réfrigérants utilisés. Les performances de ces systèmes cascades sont bien supérieures à celles des systèmes simples étages et même des systèmes à injection notamment pour les forts différentiels de température de condensation/ température d'évaporation. Lorsque ce différentiel devient moins important, ces systèmes conservent leurs performances mais sous condition d'un dimensionnement entre les cylindrées des compresseurs bien définis. Ils restent néanmoins moins adaptés que les systèmes « simple étage » pour les faibles différentiels pour des raisons développées ci-après. Un autre inconvénient de ces systèmes est leur coût élevé ; c'est la raison pour laquelle le nombre d'étages reste en pratique limité à deux.

Un système cascade bi-étagé classique est composé de deux pompes à chaleur en série reliées entre elles par un échangeur intermédiaire ou évapo-condenseur. Dans ces systèmes, la chaleur fournie à l'habitation est la somme de la chaleur extraite de la source froide et d'une partie du travail fourni par chaque compresseur.

Les systèmes avec injection totale ou partielle, n'ont qu'un seul circuit et un seul réfrigérant, ils sont composés de deux (ou plusieurs) étages de compression avec un refroidissement intermédiaire des gaz compressés en même temps qu'un sous refroidissement du liquide condensé. L'intérêt majeur de ces systèmes est de permettre de réduire les températures de refoulement pour les fonctionnements avec un fort différentiel de température de condensation/ température d'évaporation et d'améliorer le COP par rapport à un système traditionnel. En effet, les taux de compression de chaque étage de compression étant bien inférieurs à celui d'un système simple étage, leur température de refoulement et notamment celle du compresseur du deuxième étage en contact avec la source chaude sera plus faible. De plus, le rendement isentropique de chacun des étages de compression, lié encore une fois au taux de compression, sera plus élevé entraînant un rendement du système plus important.

Comme vu, les performances des systèmes bi-étagés restent moins intéressantes que celles des systèmes simple étage pour la faible différentielle température de condensation/température d'évaporation. Deux raisons expliquent cette perte de performance : le rendement isentropique des compresseurs et le dimensionnement entre les deux compresseurs. Les rendements isentropiques sont optimums pour des taux de compression entre 2.5 et 3.5, ils chutent de façon importante au dessus de ces valeurs et de façon plus faible en deçà. Lors des fonctionnements à faible différentiel de température de condensation/ température d'évaporation les compresseurs travaillent en dessous de ces taux.

On peut ajouter un autre phénomène impartant la puissance et le COP des pompes à chaleur: le givrage de l'échangeur fonctionnant avec l'air extérieur comme source froide (ou le givrage de l'échangeur fonctionnant avec l'air du procès pour les refroidisseurs industriels). Le givre est de la vapeur condensée puis cristallisée sur l'évaporateur. Cette vapeur d'eau provient de l'air circulant sur l'échangeur servant d'évaporateur. Plus l'écart entre la température de l'air et le réfrigérant (le pincement) est grand, plus le givre se formera rapidement. Sur un évaporateur le givre joue le rôle d'isolant thermique ; le coefficient d'échange de la chaleur de l'échangeur se dégrade, le volume de vapeur résultant de l'ébullition du fluide frigorigène diminue et la pression d'évaporation baisse. Ce, jusqu'à ce que l'augmentation de la différence de température entre le réfrigérant et l'air compense la baisse du coefficient d'échange. La pression d'évaporation baissant, le rendement du cycle thermodynamique se dégrade. Il faut donc dégivrer l'évaporateur. Sur les systèmes réversibles à évaporateur et condenseur uniques, le dégivrage est assuré par inversion de cycle comme pour passer en mode de refroidissement ; mais ici le but est d'apporter, grâce au gaz chaud, la chaleur nécessaire pour faire fondre le givre. Ce type de dégivrage est très efficace, le temps nécessaire au dégivrage est faible, la fusion du givre est homogène sur toute la surface de l'échangeur. La consommation électrique que ce procédé induit est par ailleurs faible et n'impacte que faiblement le rendement saisonnier. Ce procédé nécessite l’usage d’évaporateur à détente sèche pour permettre l'inversion de cycle sur les systèmes réversibles à évaporateur et condenseur uniques. Comparativement à des évaporateurs à alimentation noyé, les coefficients d'échange de la chaleur sont moins bons, donc pour une même puissance échangée, le pincement est plus grand et la température d'évaporation est plus basse ce qui dégrade le rendement du cycle thermodynamique. Par contre, les dispositifs d'échange par mode d'évaporation noyé ne peuvent pas être dégivrés par inversion simple du cycle thermodynamique. Ils peuvent être dégivrés par gaz chaud mais les dispositifs nécessaires sont complexes et nécessitent plusieurs évaporateurs sur le même circuit, des systèmes de vannes, clapets et automatismes : on ne peut pas dans ce cas parler de dégivrage par inversion de cycle thermodynamique.

Un dernier phénomène impartant la puissance et le COP des pompes à chaleur et système de refroidissement est la présence d'huile en circulation avec le fluide frigorigène. Cette dernière, nécessaire mécaniquement à certains types de compresseurs, nuit aux échanges thermiques en dégradant aussi les coefficients d'échanges.

Au vu des différentes technologies et de leurs limites, la présente invention a pour objet de proposer un dispositif thermodynamique réversible de transfert de chaleur à haute performance énergétique alliant les avantages des systèmes simple étage et bi-étagés, tout en résolvant les problèmes posés par l'utilisation simultanée ou pas, d'évaporateurs noyés, de l'inversion de cycle et de réservoir ou d'échangeur intermédiaire à injection partielle ou totale.

Exposé de l'invention: Pour faciliter la compréhension de cet exposé, le dispositif d'échange de chaleur (7) sera arbitrairement choisi comme étant du côté utile d'une pompe à chaleur (par exemple l'échangeur du côté de distribution d'eau de chauffage ou de climatisation d'une habitation). En mode chaud (FIG : 1), ce dispositif réchauffe l'eau du circuit de chauffage de l'habitation et en mode froid (FIG : 2) ce même dispositif d'échange de chaleur (7) refroidit l'eau du circuit pour rafraîchir l'habitation. L'autre dispositif d'échange (6) de la machine sera donc situé du côté de la source gratuite (par exemple l'air extérieur à l'habitation.

Ce dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagé) et changement de phase, réversible, à haut rendement, suivant l'invention, comporte un circuit de fluide frigorigène réalisé en tuyauteries et sur lequel sont insérés entre autres : deux étages de compression (1) et (2). Entre ces deux étages de compression, est inséré un dispositif à moyenne pression (abrégée M.P. dans le diagramme enthalpique) à injection totale (5) appelé couramment « flash tank », ce dispositif est conçu pour mélanger les gaz chauds en provenance de l'étage de compression (1) avec le mélange diphasique en provenance du dispositif de condensation (7) détendu à la moyenne pression (M.P.) via le dispositif de détente (9) en mode chaud (FIG .1) ou dispositif de condensation (6) via le dispositif de détente (8) en mode froid (FIG :2). Ce dispositif est aussi conçu pour assurer les mélanges et échanges thermiques entre les différentes phases, qui permettront de produire des gaz saturés et du liquide sous refroidi. Il assure aussi la séparation des phases liquides et gazeuses résultantes afin que le deuxième étage de compression (2) n'aspire que des gaz saturés et que les dispositifs de détente (9) en mode chaud (FIG : 1) ou (8) en mode froid (FIG : 2) ne soient alimentés qu'en phase liquide. Ce dispositif « flash tank » (5), tout en remplissant les fonctions précédemment expliquées, selon l'invention, permet de travailler à sens unique du côté de sa phase gazeuse tout en pouvant travailler dans les deux sens de circulation du côté de sa phase liquide. Le deuxième étage de compression refoule à la haute pression (abrégée H.P. dans le diagramme enthalpique) dans un dispositif d'inversion de cycle (4) permettant de diriger les gaz chauds à haute pression (HP) vers le dispositif d'échange thermique (7) en mode chaud (FIG :1) ou vers le dispositif d'échange thermique (6) en mode froid (FIG :2). Le dispositif d'échange thermique recevant ces gaz chauds fait office de condenseur : les gaz chauds sont désurchauffés, condensés, sous refroidis et stockés dans un volume tampon avant d'être dirigés vers le dispositif de mélange à pression intermédiaire (5) via le dispositif de détente (9) en mode chaud (FIG :1) ou (8) en mode froid (FIG : 2). Durant cette transformation, le réfrigérant cède de la chaleur au milieu circulant dans l'échangeur (l'eau du circuit de chauffage d'une habitation en mode chaud (FIG :1) ou l'air extérieur en mode froid (FIG : 2) par exemple). Un dispositif de contrôle de niveau (13) maintient le niveau de mélange diphasique constant dans le dispositif de mélange intermédiaire (5) en agissant sur le degré d'ouverture du dispositifs de détente (9) en mode chaud (FIG : 1) ou (8) en mode froid (FIG : 2). Le liquide sous-refroidi sortant du réservoir (5) est dirigé via une conduite vers le dispositif de détente (8) en mode chaud (FIG :1) ou (9) en mode froid (FIG : 2). Il est détendu à la basse pression (abrégée L.P. dans le diagramme enthalpique) et est admis dans le dispositif d'échange thermique (6) en mode chaud (FIG : 1) ou (7) en mode froid (FIG : 2). Le mélange diphasique résultant de la détente est introduit dans l'échangeur thermique où il s'évapore grâce à l'apport d'énergie en provenance du milieu circulant sur l'évaporateur (l'eau du circuit de climatisation d'une habitation en mode froid (FIG :2) ou l'air extérieur en mode chaud (FIG : 1) par exemple). Un dispositif de contrôle de niveau (11) en mode chaud (FIG : 1) ou (12) en mode froid (FIG : 2) maintient le niveau de mélange diphasique constant dans l'évaporateur (6) en mode chaud (FIG : 1) ou (7) en mode froid (FIG : 2) en agissant sur le degré d'ouverture du dispositif de détente (8) en mode chaud (FIG : 1) ou (9) en mode froid (FIG : 2). Le niveau de mélange diphasique est maintenu au dessus de la surface d'échange afin d'assurer le noyage de celle-ci et d'obtenir des performances d'échanges thermiques optimum. Le dispositif d'évaporation assure aussi la séparation de la phase gazeuse et de la phase liquide afin que seules les vapeurs saturées résultantes de la vaporisation soient aspirées par le premier étage de compression via la deuxième voie de la vanne d'inversion de cycle (4). Un dispositif de détente (10) permet de by-passer le réservoir (5) lors des inversions de cycle afin d'accélérer un dégivrage et de sécuriser l'étage de compression (2) afin qu'il n'aspire pas de liquide lors de cette phase transitoire ou afin d'améliorer la performance d’ensemble du dispositif thermodynamique de transfert de chaleur comme s'il fonctionnait avec un seul étage de compression quand les conditions des sources y sont favorables. Dans ce cas, le dispositif thermodynamique de transfert de chaleur fonctionne avec les dispositifs de détente (8) et (9) fermés et le dispositif de détente (10) contrôlé par le dispositif de contrôle de niveau (11) en mode Chaud (FIG :1) ou par le dispositif de contrôle de niveau (12) en mode Froid (FIG :2). Le dispositif d'échange intermédiaire (5) ne recevant plus de mélange diphasique, les gaz chauds en provenance de l'étage compression (1) ne font que transiter par le réservoir (5) puis sont ré-aspirés par l'étage de compression (2). L'ensemble fonctionne ainsi comme un seul étage de compression, la température des gaz refoulés par l'étage de compression (2) s'élève, ce qui peut être intéressant pour augmenter la température du milieu à chauffer ou pour augmenter l'efficacité d'un dégivrage et diminuer donc le temps nécessaire pour celui-ci.

La réversibilité du dispositif thermodynamique de transfert de chaleur réversible à haute performance énergétique est obtenue grâce à la réversibilité du dispositif intermédiaire (5) tel que décrit auparavant. Elle est aussi assurée grâce à l'utilisation de dispositif de détente (8) (9) (10) permettant une détente contrôlée dans un sens de passage ou dans l'autre ou permettant la circulation libre du réfrigérant avec un minimum de perte de charge ou en empêchant la circulation du réfrigérant dans un sens ou dans l'autre.

Les dispositifs d'échange de chaleur avec les milieux des sources, selon l'invention, permettent aussi cette réversibilité grâce à leur capacité à fonctionner alternativement en condenseur ou en évaporateur noyé. Le dispositif fonctionnant en condenseur (FIG : 10), les vapeurs chaudes à haute pression entrent dans un premier volume situé en point haut qui permet de diminuer la vitesse des gaz de par son dimensionnement et de répartir les vapeurs dans les différents canaux du dispositif d'échange thermique, il a alors fonction de répartiteur. Ce premier volume est muni d'un dispositif de régulation de niveau qui n'est pas actif en mode condenseur. Les vapeurs circulent dans les canaux d'échange thermique. Au début de cette circulation, elles se désurchauffent (leur température diminue) puis elles se condensent (leur température reste constante tant que sont présents des vapeurs et du liquide), puis le liquide est sous-refroidi (sa température diminue) s'accumule dans un deuxième volume en point bas où il est stocké. Ce volume a alors fonction de bouteille accumulatrice: comme la machine peut fonctionner à différent régime de température, les densités de vapeur circulant aux différents endroits du circuit peuvent varier. Dans ce cas, plus ou moins de liquide est stocké dans cette partie du circuit. De même, ce volume tampon est important car les échangeurs du dispositif thermodynamique de transfert de chaleur peuvent être de toutes sortes (tubes et calandres, à plaques, micro-canaux ou toute autre technologie). Surtout ils peuvent être de 2 types différents sur une même machine : dans ce cas, suivant que la machine fonctionnera en mode chaud ou froid, le tampon à stocker dans le volume faisant fonction de bouteille accumulatrice, varie surtout en fonction de la quantité de réfrigérant qui est nécessaire à l'évaporateur noyé (suivant sa technologie) pour fonctionner correctement. Le dispositif d'échange thermique, de préférence à contre courant, permet au fluide frigorigène d'échanger de la chaleur avec le milieu à chauffer, tout au long de sa transformation de vapeur à liquide. On constate que le sens de circulation du fluide frigorigène est du haut vers le bas lorsque le dispositif d'échange a fonction de condenseur. Le liquide passe ensuite dans un diffuseur (par exemple une tuyauterie percée d'une multitude de trous) qui n'a pas de fonction particulière quand l'échangeur est en mode chaud pour alimenter le dispositif de détente qui le suit sur le circuit. Le même dispositif d'échange thermique fonctionne aussi en évaporateur (FIG: 10) : Le mélange liquide et vapeur à basse pression (B.P.) provenant du dispositif de détente le précédent est conduit dans le volume en point bas de l'échangeur de chaleur au travers du distributeur qui permet une répartition homogène des vapeurs et liquides dans les différents canaux. Le mélange parcourt les canaux de l'échangeur où le liquide s'évapore grâce à l'apport de chaleur du milieu circulant sur l'échangeur thermique. Les canaux débouchent dans le volume en point haut, dimensionné et conçu pour assurer la séparation de la phase liquide et gazeuse et pour éviter l'entraînement de liquide. Ce même volume est équipé d'un contrôleur de niveau qui assure que l'échangeur est bien noyé, en admettant plus ou moins de réfrigérant via l'organe de détente précédent le dispositif d'échange thermique. Les vapeurs saturées produites sont aspirées par le dispositif de compression via la vanne d'inversion de cycle (4)

Ce dispositif d'échange thermique selon l'invention permet de travailler en évaporateur noyé de réfrigérant, ce qui optimise le rendement énergétique en permettant au dispositif de compression d'aspirer des vapeurs saturées, en augmentant le rendement de l'échange thermique entre le milieu et le réfrigérant (augmentation des coefficients d'échanges en mode diphasique sur toute la surface d'échange) et en réduisant le pincement moyen (température entre l'air et le réfrigérant dans ce cas). Il est aussi réversible simplement et peut donc travailler en condenseur : les gaz chauds arrivent par le volume haut et la gravité oblige les condensats à s'accumuler dans le volume bas. En inversant les sens de circulation du réfrigérant, et en faisant arriver le mélange diphasique par le bas, la gravité participe à la séparation des phases liquides et gazeuses, le liquide restant en partie basse et les vapeurs s'échappant en partie haute.

Les évaporateurs refroidissant de l'air subissent le phénomène de givrage lorsque les conditions atmosphériques le permettent. Il en résulte une dégradation des coefficients d'échanges voir un dysfonctionnement de la machine si le givre n'est pas traité. Le fait de travailler en évaporateur noyé retarde la formation de givre et augmente ainsi le rendement saisonnier. Il faut néanmoins lancer un cycle de dégivrage régulièrement afin de fondre le givre. Le fait que cet évaporateur noyé soit réversible, il suffit d'inverser simplement le cycle de fonctionnement du système et de se servir de l'échangeur comme condenseur pour faire fondre ce givre.

En mode chaud (FIG :1), le dispositif d'inversion de cycle (4) est en position pour transférer les gaz chauds (H.P.) vers le dispositif d'échange (7) et pour que le premier étage de compression (1) aspire les vapeurs en provenance du dispositif d'échange (6). Le dispositif de détente (9) est contrôlé par le dispositif de maintien de niveau (13) alors que le dispositif de maintien de niveau (11) contrôle le dispositif de détente (8). Lorsque la machine passe en mode froid ou dégivrage (FIG :2), le dispositif d'inversion de cycle (4) bascule et dirige les gaz chauds (H.P.) vers le dispositif d'échange (6) et fait en sorte que le premier étage de compression (1) aspire les vapeurs en provenance du dispositif d'échange (7). Le dispositif de maintien de niveau (13) prend le contrôle du dispositif de détente (8). Lorsque le dispositif de détente (10) est utilisé pour « court-circuiter » le dispositif de mélange intermédiaire (5), les dispositifs de détente (8) et (9) sont fermés et le dispositif de détente (10) est contrôlé par le dispositif de maintien de niveau (11) en mode chaud (FIG : 1) ou par le dispositif de maintien de niveau (12) en mode froid (FIG : 2)

En option, un échangeur (non réversible) peut être intégré entre le refoulement de l'étage de compression (2) et le dispositif d'inversion de cycle (4) pour assurer par exemple le chauffage d'eau chaude sanitaire quel que soit le mode de fonctionnement de l'ensemble (mode froid ou mode chaud).

Une autre option est d'ajouter un dispositif d'échange thermique alimenté à partir du dispositif intermédiaire (5), en mode noyé par gravité ou noyé par circulation forcé. Les vapeurs produites et le liquide éventuellement excédentaire retournent au dispositif intermédiaire (5) pour y être séparés. Les vapeurs produites sont ré-aspirées par l'étage de compression (2). Ce genre de dispositif peut servir par exemple au refroidissement des moteurs, des cartes électroniques ou autres parties internes ou externes à la machine quel que soit le mode de fonctionnement de l'ensemble (mode froid ou mode chaud).

Exemple de modes de réalisation : Les dispositifs de compression peuvent être réalisés de différentes manières : - Avec deux étages de compression séparés sous la forme de deux compresseurs indépendants (ou de plusieurs compresseurs en parallèle pour chaque étage de compression). - Avec un seul compresseur possédant un port d'aspiration intermédiaire (ou de plusieurs compresseurs de ce type montés en parallèle). - Avec un seul compresseur dit « compresseur compound » où deux étages de compression possédant chacun une aspiration et un refoulement, qui sont entraînés par un même moteur (ou de plusieurs compresseurs de ce type montés en parallèle).

Toutes les technologies de compresseurs peuvent être utilisées, par exemple : compresseurs à pistons, à spires, à palettes, à turbine axiale ou radiale ou tout autre technologie. Les dispositifs pouvant fonctionner sans huile sont particulièrement adaptés pour éviter l'accumulation d'huile par distillation dans les échangeurs. Les compresseurs fonctionnant avec de l'huile et entraînant la circulation d'huile avec le réfrigérant peuvent aussi être utilisé (FIG :5 en mode chaud et FIG :6 en mode froid). Il suffit d'ajouter au circuit des dispositifs de séparation d'huile (14) et/ou de distillation ou de décantation (16) (17) ainsi que des dispositifs de réintégration vers les dispositifs de compression de l'huile collectée (15).

Comme décrit supra, le dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur et changement de phase, réversible, à haut rendement est susceptible de fonctionner avec deux étages de compression ou plus mais aussi avec un seul étage de compression grâce au dispositif de détente (10) qui court-circuite le dispositif de mélange intermédiaire (5). Il peut donc aussi être réalisé avec un seul étage de compression quand l'application et l'éloignement plus faible des températures de sources le permettent (FIG :3 en mode chaud avec compresseur sans huile ; FIG :4 en mode froid avec compresseur sans huile et FIG :7 en mode chaud avec compresseur entraînant de l'huile et dispositif de séparation, distillation ou décantation et réintégration d'huile ; FIG :8 en mode froid avec compresseur entraînant de l'huile et dispositif de séparation, distillation ou décantation et réintégration d'huile).

Ce dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur et changement de phase, réversible, à haut rendement peut être réalisé d'une manière mono-bloc où toutes les fonctions sont regroupées dans un même ensemble. Il peut aussi être construit sous forme multi-bloc où les différentes fonctions sont scindées en différents sous-ensembles reliés entre eux par des tuyauteries et câbleries. Ce mode de construction est mieux connu sous le nom de « split système ». Il peut être aussi réalisé avec plusieurs échangeurs réversibles en parallèle pour pouvoir par exemple chauffer ou refroidir un ou plusieurs locaux et produire de l'eau chaude sanitaire.

Le dispositif d'échange et de mélange intermédiaire (5) des schémas FIG 1 et FIG 2 est détaillé pour l'exemple dans les schémas FIG 13 et FIG 14. Ce dispositif assure le mélange et les échanges thermiques entre les vapeurs chaudes provenant du premier étage de compression (1) dans les schémas FIG 13 et FIG 14, et le mélange diphasique (8) du schéma FIG 13 et (9) du schéma FIG 14 provenant de la détente du liquide condensé de la haute pression à la moyenne pression. Ce dispositif doit assurer les échanges thermiques, le mélange des différentes phases mais il doit aussi assurer la séparation des phases vapeurs et liquide qui en résultent, pour que la phase de vapeur pure puisse être ré-aspirée par le deuxième étage de compression (2) et la phase liquide sous refroidie puisse être évacuée par une conduite pour alimenter le dispositif de détente qui alimente l'échangeur de chaleur suivant (9) de FIG 13 et (8) de FIG 14. Un dispositif de contrôle de niveau contrôle le dispositif de détente situé en amont (8) de FIG 13 et (9) de FIG 14, pour admettre la juste quantité de réfrigérant pour maintenir le niveau constant dans ce dispositif d'échange et de mélange intermédiaire (5). Que le réfrigérant circule de (8) vers (9) ou de (9) vers (8), le dispositif d'échange et de mélange intermédiaire (5) a la même utilisation, il est donc réversible. Il est réalisé dans cet exemple FIG 13 et FIG 14 sous forme d'un réservoir dont le volume supérieur (au dessus du niveau de réfrigérant liquide) a la fonction de séparateur de liquide : il est dimensionné pour réduire les vitesses de gaz et éviter ainsi que du liquide soit entraîné par l'aspiration de l'étage de compression (2) qui lui est connecté en partie supérieure. Des dispositifs de séparation, tel que de la paille de fer ou des chicanes ou tout autre dispositif, peuvent être ajoutés pour améliorer la fonction de séparation. Dans cet exemple de réalisation, la partie inférieure en dessous du niveau de liquide est séparée en trois volumes. Dans le volume du milieu, arrivent, sous une grille servant de diffuseur, via une conduite, les gaz chauds du premier étage de compression (1). Dans un des réservoirs contigus, arrive, sous une grille servant de diffuseur, le mélange diphasique provenant de la détente à la moyenne pression du liquide condensé à la haute pression en (8) pour la FIG13 et en (9) pour la FIG (14). Le mélange diphasique remplit ce volume, la phase gazeuse est séparée au niveau de sa surface libre pour être aspirée en (2). Le liquide tombe par débordement dans le réservoir central où arrivent les gaz chauds du premier étage de compression (1). Le mélange provoque une évaporation d'une partie du liquide et le refroidissement des gaz chauds en provenance du premier étage de compression. La phase gazeuse est séparée au niveau de sa surface libre pour être aspirée en (2) ; le liquide restant s'accumule et finit par déborder dans le dernier réservoir où il est séparé des dernières bulles de gaz encore potentiellement présentes, avant d'être évacué par une conduite pour alimenter le dispositif de détente qui alimente le dispositif d'échange de chaleur suivant : (9) de FIG 13 ou (8) de FIG 14. Un dispositif de contrôle de niveau contrôle le dispositif de détente situé en amont (8) de FIG 13 ou (9) de FIG 14, pour admettre la juste quantité de réfrigérant afin de maintenir le niveau constant dans ce dispositif d'échange et de mélange intermédiaire (5). Que le réfrigérant circule de (8) vers (9) ou de (9) vers (8), ce dispositif d'échange et de mélange intermédiaire (5) tel que présenté dans cet exemple de mode de réalisation a la même utilisation : il est donc réversible. Ce type de dispositif est à injection totale car tout le liquide en provenance du condenseur à la haute pression est détendu à la moyenne pression. Bien que moins efficace, le dispositif peut aussi être réalisé suivant le principe d'injection partielle. Dans l'exemple de réalisation des FIG15 et FIG 16, une partie seulement du liquide en provenance du condenseur haute pression est détendu à la moyenne pression par un dispositif de détente (30). Le reste du liquide traverse un dispositif d'échange thermique et vient se refroidir au travers de celui-ci avec le liquide détendu à la moyenne pression présent sur l'autre face de l'échangeur dans le réservoir (5). Un dispositif de contrôle de niveau (28) maintient le niveau de liquide suffisant pour noyer la surfacer de l'échangeur en admettant la juste quantité de réfrigérant via le dispositif de détente (30). Dans cet exemple de réalisation de dispositif à injection partielle, la partie supérieure du réservoir fonctionne de la même manière que le dispositif à injection totale en séparateur de phase liquide et gazeuse, la phase gazeuse étant ré-aspirée en partie haute par le deuxième étage de compression (2). De même, les gaz chauds en provenance de l'étage de compression (1) sont mélangés au liquide submergeant l'échangeur, et sont sous-refroidis par le liquide qui s'évapore.

Ces dispositifs peuvent être intégré dans des systèmes thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagé) et changement de phase, réversible fonctionnant suivant le principe d'évaporation noyé mais aussi suivant le principe d'évaporation à détente sèche ou tout autre.

Les dispositifs d'échanges thermiques entre les milieux des sources et le réfrigérant à l'intérieur du circuit peuvent être réalisés de différentes manières. Voici quelques exemples : FIG10 : Ce dispositif d'échange thermique se compose d'un volume « haut » (23) et d'un volume « bas »(24) reliés entre eux par des canaux de fluide réfrigérant utilisés comme échangeur de la chaleur (29) avec le milieu gazeux ( de l'air par exemple) ou liquide ( de l'eau ou de l'eau glycolée par exemple) ou même solide (de la glace par exemple).

Toutes les technologies d'échangeur peuvent servir à construire cet échangeur : tube et calandre, tube et ailettes, micro-canaux, échangeurs à plaques ou autres.

La nouveauté de ce type de dispositif d'échange thermique est qu'il peut fonctionner d'une manière réversible alternativement en évaporateur noyé ou en condenseur sans aucune autre action que le changement du sens d'écoulement du fluide frigorigène. La gravité faisant que le liquide reste dans sa partie basse et les vapeurs dans sa partie haute, qu'il soit utilisé en évaporateur ou en condenseur. Lorsqu'il fonctionne en condenseur : les vapeurs chaudes et hautes pressions arrivent dans le volume « haut » (21), en amont dans ce mode de fonctionnement, dimensionné pour réduire les vitesses, minimiser les pertes de charges et ainsi assurer une bonne répartition du flux entre les différents canaux de la partie échange thermique (29). Les vapeurs sont ensuite désurchauffées dans la première partie des canaux, puis se condensent dans la deuxième partie. La troisième partie des canaux assurant le sous-refroidissement du liquide produit. Ce liquide est ensuite recueilli dans le volume bas (24), en aval dans ce mode de fonctionnement, qui est utilisé comme réservoir tampon de liquide. Le liquide est ensuite évacué par la conduite (22) en aval. Le contrôleur de niveau (25) situé sur le collecteur haut n'est pas actif. Lorsque ce même dispositif d'échange thermique fonctionne en évaporateur noyé, le mélange diphasique basse pression en provenance du détendeur entre dans le volume « bas » (27) où il est distribué entre les différents canaux (un diffuseur peut être utilisé pour améliorer cette diffusion, dans ce cas il n'a pas de fonction particulière quand l'échangeur est utilisé en condenseur), le mélange inonde les canaux de la partie utilisée en échangeur thermique (29), jusque dans le volume « haut »(23) ,en aval de l'échangeur thermique, équipé d'un contrôleur de niveau (25) qui règle le débit du détendeur précèdent l'ensemble sur le circuit, afin de maintenir stable le niveau de réfrigérant au dessus des canaux et permettre de maintenir un espace suffisant dans le volume haut (23) dimensionné et conçu pour qu'il puisse être utilisé en tant que séparateur de liquide. Le réfrigérant s'évapore au contact des parois des canaux de l'échangeur (29), liquides et vapeurs sont séparés dans le volume haut (25). Les vapeurs sont aspirées à la sortie (28) par le premier étage de compression. Le fonctionnement est optimum quand les deux fluides en échange (le réfrigérant et le fluide du milieu de la source) sont à contrecourant mais le fonctionnement à co-courant fonctionne aussi.

Dans cet exemple, les volumes « haut » et « bas » sont réalisés en sur-dimensionnant les collecteurs des différents canaux de l'échangeur. Ceci peut être par exemple réalisé en sur-dimensionnant les collecteurs « haut » et « bas » côté fluide frigorigène d'un échangeur à plaque. Quand la configuration ne permet pas d'avoir un système compact où toutes les fonctionnalités précitées peuvent être regroupées, on peut alors, comme dans l'exemple de réalisation (FIG li), séparer par une conduite les volumes « haut »et « bas » de la partie échangeur thermique elle même. Le fonctionnement reste alors identique à celui de la FIG 10. Les volumes amont et aval de l'échangeur peuvent même être réalisés en sur-dimensionnant les tuyauteries qui le relient au reste de l'installation.

Il faut néanmoins concevoir ces tuyauteries pour qu'elles aient le même usage que les volumes que nous avons décrit juste avant. La figure 12 présente une variante de réalisation plus complexe où le seul changement de sens de circulation du réfrigérant ne suffit plus à assurer la réversibilité : un dispositif de pompage(27) a été ajouté pour forcer la circulation du liquide lors du fonctionnement en mode évaporateur. Ceci améliore les échanges thermiques et peut s'avérer nécessaire en cas d'usage d'échangeurs à forte perte de charge. Le réfrigérant diphasique est admis dans un volume « bas »(24), où il est séparé de la phase gazeuse qui est conduite par une tuyauterie et une vanne ouverte (26) jusqu'au volume « haut »(23), le liquide pompé circule dans l'échangeur (29), s'évapore en partie. Vapeurs et liquides excédentaires arrivent dans le volume haut (23) ou liquide et vapeur sont séparés. Les vapeurs sont aspirées en partie haute du volume (28) le liquide retourne vers le volume bas par une autre conduite elle aussi équipée d'une vanne ouverte (31) en mode évaporateur. En mode condenseur, les 2 vannes (26) et (31) sont fermées et le fonctionnement est identique à celui des FIG 10 ou FIG 11 ; les gaz chauds entrent dans le volume « haut » (21). Comme les vannes (26) et (31) sont fermées, les gaz chauds sont forcés de circuler dans l'échangeur (29) et les condensais sont collectés dans le volume bas (24) avant de sortir en (22).

Les dispositifs de détentes réversibles, (8) (9) (10) de la FIG 1 par exemple, peuvent être réalisés avec des détendeurs à double sens de circulation avec fonction de fermeture complète et d'ouverture complète ou toute autre technique permettant ce résultat.

Le dispositif d'inversion de cycle (4) est communément réalisé avec une vanne à 4 voies mais il peut aussi être réalisé avec un ensemble de vannes automatisées.

Les exemples de mode de réalisation ci-dessus et les exemples de dispositifs thermodynamiques de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagée) et changement de phase, réversible, à haut rendement ne doivent pas être considérés comme exhaustifs ou limitatifs de l'invention qui englobe, au contraire, toutes les variantes de forme et de configuration qui sont à la portée de l'homme du métier ou du novice.

Exemple d'application industriel : Ce dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagé) et changement de phase, réversible, à haut rendement est susceptible d'être appliqué : en chauffage de locaux dont les émetteurs nécessitent une température d'eau élevée, la réversibilité est ici nécessaire pour assurer le dégivrage de l'échangeur sur l'air extérieur. Il peut aussi être appliqué pour le chauffage d'eau chaude sanitaire ou industrielle. Il est aussi particulièrement adapté pour des processus industriels de refroidissement à très basse température tel que surgélateur ou refroidisseur rapide ou la réversibilité est nécessaire pour le dégivrage des échangeurs du processus refroidissement. En résumé, il est particulièrement adapté pour tout processus nécessitant un cycle thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagé) et changement de phase, réversible et performant énergétiquement, fonctionnant sous de forts écarts de température entre les sources. De plus, il s'adapte très bien quand la différence entre les sources diminue, afin de conserver un rendement énergétique élevé.

Claims (1)

1. Revendications [Revendication 1] Dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur mono ou multi-étagée et changement de phase, avec ou sans huile. Ledit dispositif comprend : - un circuit dans lequel circule du fluide frigorigène et reliant entre eux les différents éléments le composant. - un ensemble de compression mono-étagé (1 ) ou un ensemble de compression multi-étagé comprenant au moins 2 étages de compression (i ;2). - un dispositif d’inversion de cycle (4) permettant l’inversion chaud/ froid ou froid/chaud du cycle thermodynamique. - des dispositifs d’échanges thermiques avec les milieux sources (6 ;7) l’un (ou les uns) fonctionnant en évaporateur(s) lorsque l’autre (ou les autres) fonctionne(nt) en condenseur. - des dispositifs de contrôle du niveau (11 ; 12) de réfrigérant liquide dans ces dispositifs d’échange (6 ;7). -des dispositifs (8,9) de gestion de débit de réfrigérant admis dans les échangeurs (6 ;7), qui sont commandés par les dispositifs de contrôle de niveau (11 ;12) de réfrigérant liquide. Ledit dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur mono ou multi-étagée et changement de phase, avec ou sans huile est caractérisé en ce qu’il est réversible (peut fonctionner en mode de chauffage ou de refroidissement) et fonctionne en régime d’évaporation noyée en mode chaud ou en mode froid. Il peut ainsi bénéficier de la conjugaison des avantages de la réversibilité du cycle thermodynamique et de l’évaporation en régime noyé. Cette caractéristique est obtenue par l’intégration des échangeurs de chaleur réversibles (6) et (7) avec les milieux extérieurs pouvant travailler alternativement en évaporation noyée ou en condenseur. [Revendication 2] Dispositif thermodynamique de transfert de chaleur suivant revendication n°l, comportant au moins 2 étages de compression, caractérisé en ce qu’il comprend entre tous ses étages de compression ou uniquement entre certains de ses étages de compression, un ou plusieurs dispositifs d’échanges intermédiaires réversibles à injection partielle (20) ou totale (5) opérationnels en mode de chauffage ou de refroidissement, pouvant assurer les échanges thermiques et le sous refroidissement du frigorigène les quittant quel que soit le sens de circulation du réfrigérant liquide les traversant. [Revendication 3] Dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur multi-étagée et changement de phase, avec ou sans huile, suivant la revendication n°2 caractérisé en ce qu’il comprend, au moins un ou des dispositifs de court-circuit (10) du ou des dispositifs d’échanges intermédiaires à double sens de fonctionnement (5,20). Ceci pour pouvoir fonctionner sans dispositif d’injection intermédiaire pour adapter la température de refoulement au besoin et pour pouvoir optimiser le rendement de l’ensemble du dit dispositif de transfert de chaleur. Ce dispositif de court-circuit (10) du ou des dispositifs d’échanges intermédiaire à double sens de fonctionnement (5,20) est aussi utilisé durant les phases d’inversion de cycle thermodynamique, pour accélérer ces phases d’inversion (pour des dégivrages par exemple) et/ou pour protéger l’étage de compression situé à son aval, de toute aspiration de fluide frigorigène en phase liquide. [Revendication 4] Dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur et changement de phase, avec ou sans huile, suivant la revendication n°2 ou 3 caractérisé en ce qu’il peut aussi fonctionner en mode chaud ou en mode froid avec des dispositifs d’échanges thermiques avec les milieux sources (6 ;7) travaillant en évaporation sèche avec contrôle thermostatique et/ou pressostatique, en addition des échangeurs travaillant en évaporation noyée.