WO2013050516A1 - Cooling and heating facility for air conditioning systems - Google Patents

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WO2013050516A1
WO2013050516A1 PCT/EP2012/069698 EP2012069698W WO2013050516A1 WO 2013050516 A1 WO2013050516 A1 WO 2013050516A1 EP 2012069698 W EP2012069698 W EP 2012069698W WO 2013050516 A1 WO2013050516 A1 WO 2013050516A1
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WO
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refrigerant
turbine
compressor
fluid
cooling device
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PCT/EP2012/069698
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French (fr)
Inventor
Pierre Benaros
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Wabi Sas
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    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
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    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/005Gas cycle refrigeration machines using an expander of the rotary type
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    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/14Power generation using energy from the expansion of the refrigerant
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/23Separators
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00Subcoolers, desuperheaters or superheaters

Definitions

  • the present invention relates to a cooling cycle of air conditioning systems.
  • EER Energy Efficiency Ratio
  • This is the ratio between the amount of heat absorbed by the evaporator and the amount of total electrical energy absorbed by the installation, mainly the compressor, but also the ancillary equipment (fans, circulation pumps water and air).
  • EER catalogs have values in the range of 2.5 to 4, the invention proposes a value ranging from 5.5 to 9.
  • the refrigeration plant will therefore be energy efficient if it requires little electrical energy to achieve the same refrigerating capacity as existing refrigeration cycles.
  • the invention brings a lot of improvement to a refrigerating machine, in particular by deducing the work produced by the turbine whose energy comes from the recovery of the thermal energy produced by the compression of the refrigerant of a refrigerating cycle.
  • This thermal energy is normally rejected by a condenser whose cold source is outside air, the invention exploits this thermal energy and transforms it into mechanical work.
  • the efficiency of the installation is optimized by various additional means.
  • the invention proposed here ensures, on the one hand, an increase in efficiency and, on the other hand, the possibility of adaptable operation with regard to climatic variations and the need for thermal energy supply for heating or air conditioning. .
  • This installation further comprises an electric motor for rotating a compressor and a turbine connected to the shaft of said compressor to reduce the work of said electric motor.
  • compressor in the broadest sense, that is to say any machine for compressing a gaseous refrigerant, such as a scroll compressor or a piston engine powered by an electric motor.
  • turbine in the widest sense, that is to say any engine, such as a scroll turbine or screw motor, actuated by the expansion of a compressible fluid, such as R134a or any other refrigerant or gas.
  • the present invention aims at providing a cooling cycle which improves the energy efficiency in the conversion of electrical energy into frigories.
  • this object is achieved by virtue of the fact that the condenser of the refrigerating cycle is also the evaporator of a Rankine cycle intermediate device.
  • the said additional device to the installation of a refrigeration cycle comprises a turbine, a condenser, a divider, a food cover and a pump.
  • Said turbine is adapted to receive at high pressure said refrigerant in the gaseous state and to relax so as to extract mechanical work.
  • Said condenser allows the phase change of the engine fluid output of said turbine from the gaseous state to the liquid state and the condensation pressure depending on the temperature of the cold source, the outside air.
  • the present disclosure also relates to a method or a heat exchanger is both the evaporator and the condenser of a loopine refrigerant cycle with a Rankine cycle whose refrigerant is both the service fluid and the process fluid in the simultaneous phase of condensation and evaporation of this same refrigerant.
  • the enthalpy required for its condensation is equal to the enthalpy of the same fluid which returns to the same exchanger to be evaporated therein.
  • the flow rate of the fluid to be evaporated is always greater than the fluid to be condensed because the priority is to respect the first phase, which is the condensation of the refrigerant.
  • the excess of non-evaporated fluid will be separated by a separator and injected into the food sheet arranged upstream of said exchanger.
  • the present invention relates to a cooling cycle of air conditioning systems, characterized in that it comprises:
  • a compressor coupled to an electric motor that compresses a refrigerant
  • a gas cooler and heater (arranged between the compressor and the turbine executing a heat exchange by the compressed refrigerant and which heats a driving fluid being the same refrigerant in a loop;
  • a throttling device which throttles the flow of cooled refrigerant
  • a heat exchanger disposed between the turbine and the throttling device, the heat exchanger performing condensation of the refrigerant by heat exchange with a cold source;
  • a turbine coupled to an electric motor that relaxes the refrigerant to recover energy and performing work complementary to said engine, said system using the vapor phase of the working fluid as a motor means for the reduction of electrical energy;
  • a compressor capable of overheating a refrigerant
  • the cycle is such that:
  • the heat resulting from the compression of a refrigerant is used to produce the energy useful for the mechanical work of a machine.
  • the heat exchange means necessary for the evaporation of the driving fluid downstream of the turbine also allow condensation of the refrigerant downstream of the compressor.
  • the turbine is integrated in a refrigeration plant or heat pump.
  • the heat exchanger is built to allow the evaporation of a fluid and the condensation of another fluid that intersect.
  • the heat exchanger is integrated in a refrigeration system.
  • the regulation means comprise an exchanger upstream of the compressor controlling the intake temperature of a refrigerant, a separator controlling a 100% gas phase of the inlet fluid of the turbine and a food tank capable of receiving the liquid phase upstream exchanger and downstream of the turbine that allow to apply a nominal flow rate to the pump.
  • a regenerative heat exchanger configured to preheat the refrigerant upstream of the compressor of a refrigerating cycle is integrated in a refrigeration system.
  • the turbine is integrated in a refrigeration system.
  • a turbine produces mechanical work transmitted to the shaft of a compressor or alternator.
  • a regenerative heat exchanger is an element of the control means of a refrigerating cycle allowing the regulation of a nominal temperature of the intake of a refrigerant at the inlet of a compressor for a variable temperature of a cold source necessary for the condensation of a refrigerant of a refrigerating cycle.
  • said heat exchanger is constructed to allow the evaporation of a driving fluid driving a turbine by recovering the thermal energy of a superheated refrigerant by an adiabatic compression at the outlet of a compressor of a refrigerating cycle.
  • Figure 1 schematically shows a first embodiment of a cold production plant.
  • Figure 2 is a diagram similar to Figure 1 showing a second embodiment of the present invention by the integration of a regenerative heat exchanger placed upstream of the compressor.
  • Figure 3 shows a second embodiment of the installation of the invention applied with two cycles in parallel.
  • Fig ure 4 is a d dfferent view of the integration of a turbine applicable to Figures 1, 2 or 3.
  • Figure 1 illustrates a first version of the installation showing a cooling cycle of air conditioning systems.
  • the refrigerant R134a was chosen as an exemplary process for describing the invention, the temperatures and pressures are given for this fluid.
  • This installation comprises a circuit containing a refrigerant with a compressor 10 and a turbine 1 1 mechanically secured to the same motor shaft coupled to an electric motor 8 powered by an electrical network 22.
  • a refrigerant circuit 20 is placed directly downstream of the compressor 10 an exchanger 12 which condenses the superheated refrigerant.
  • the HFC fluid R134a is in the gaseous state and at the process pressure chosen according to the desired refrigeration effect which may be between 1 and 3 bar, at the outlet of the compressor the fluid is compressed at the pressure necessary to reach a temperature of at least 75 °, this pressure is 1 1 bar on average.
  • the condenser Downstream of the compressor 10 the condenser is condensed by the exchanger 12. Downstream of the exchanger 12 the refrigerant is expanded by the expander 7 at the pressure imposed by the temperature of the cold source 2 supplying the condenser 4 and injected into the food cover 18.
  • the pressure in the food cover 18 is 7.5 bar for a external temperature of said cold source of 33 ° taking into account a pinch of 4 °.
  • the expander 7 imposes on the refrigerant at the point "f" a pressure equal to that of the point "e” for an isobaric mixture in the food cover 18.
  • the refrigerant in the liquid phase is raised to the pressure of 21 bar by the pump 17 and feeds the exchanger 12, the pressure of 21 bar is the saturating vapor pressure of the refrigerant imposed by the refrigerant temperature downstream of the compressor 10 before entering the exchanger 12.
  • the exchanger 12 is the condenser of the refrigerant at the outlet of the compressor 10 and the evaporator of the refrigerant before admission into the turbine 1 1.
  • the pump 17 provides the flow of heat transfer fluid required for condensing the refrigerant from the compressor 10 which ensures the evaporation of the refrigerant for its admission into the turbine 1 1.
  • the excess of non-evaporated refrigerant and in the liquid state is separated from the refrigerant in the gaseous state by the separator 25 and returns to the food cover 18.
  • the turbine 1 1 is adapted to receive the refrigerant at a pressure greater than the pressure imposed on its output by the condenser 4, and to relax so as to extract a mechanical work.
  • the energy performance and its EER index takes into account the consumption of auxiliaries such as the evaporator 3 or condenser 4 fans and in our solution the pump 17, which does not exist in a refrigerating cycle, these energy consumptions are added. to the consumption of the electric motor 8, and it can, depending on the conditions of outdoor temperatures and the process of the refrigerating cycle, be divided by 2.5 and in the best conditions Wi 0 is barely greater than Wn.
  • the refrigerant At its entry into the condenser 4 the refrigerant is in the gaseous state and goes to the liquid state at its outlet, the cold source 2 is the outside air in cooling mode of the installation and the space to be heated in the heating the use of the installation.
  • the refrigerant at the outlet of the condenser 4 is separated by the divider 19 the nominal part of the circuit 20 feeds the laminator 5 and the other part between 1 and 15% of the nominal flow is injected to the food cover 18 at the point "e" .
  • the pressure at point "e” is 0.1 bar less than the saturation vapor pressure imposed on the refrigerant by the condenser 4 as a function of the temperature of the cold source 2, for the R134a it is 7.5 bar at the temperature of 29 ° taking into account a pinch of 4 ° and a temperature of the cold source 2 of 33 °.
  • the pressure of the refrigerant nominal flow rate is equal to the pressure at point "e” and imposed by the regulator 7.
  • the nominal refrigerant flow feeds the laminator 5 or the latter in an adiabatic expansion undergoes a drop in temperature by the Joule-Thomson effect.
  • the fluid R134a in the liquid state for an imposed pressure of 3 bar is at a temperature of 0.6 °, it would be -26 ° for a pressure imposed at 1 bar for use of the installation in freezer.
  • the refrigerant is then evaporated in the evaporator 3 to absorb the calories from the hot source 1 which is the space to be refrigerated or the outside air for use of the installation in heating mode.
  • FIG. 2 illustrates a variant of the present invention by the integration of a regenerative heat exchanger before the compressor.
  • the temperature of the engine fluid of the turbine 1 1 varies only a few degrees depending on the season which is important because it becomes the heat transfer fluid of the condenser 12 necessary to condense the refrigerant downstream of the compressor 10, are flow at point “f” before the food cover 18 is about nine times higher than the refrigerant flow at point “e” downstream of the separator 19 which has a very positive influence on the regulation because the mixture at the "g" point is practically identical to a few degrees near even with very variable temperatures of the cold source according to the seasons.
  • the pump 17 has a nominal flow rate corresponding to the maximum of the outside temperature in summer, making it possible to ensure the imperative condensation of the refrigerant upstream of the compressor 10, with a temperature that does not vary at point "b" the flow variation adjusted by the separator 25 does not exceed 1% according to the minimum and maximum external temperature, in fact the separator 25 regulates by separation the possible dysphasic mixture by a return of the condensate to the food cover 18.
  • FIG. 3 presents a second embodiment of the installation of the invention with a Rankine cycle in parallel with a refrigerating cycle.
  • the operation of the plant with two circuits in parallel is identical in the operation of a hot source produced by the compressor of a refrigerating cycle.
  • the physical interest is not better except for the air conditioning units in the tropical zone because it allows the use of two different refrigerants, the R245fa for example for the Rankine 21 cycle which allows condensation for outside temperatures above 40 °.
  • two fluids including a driving fluid adapted to drive in rotation a turbine 1 1 and a fluid capable of producing the frigories of a space to be refrigerated.
  • the other fluid involved in the installation according to the invention ensures the transport of calories from a hot refrigerant downstream of a compressor 10 to heat exchange means capable of heating the driving fluid of a turbine 1 1 of the cycle of Rankine 21.
  • the coolant necessary for the evaporation of the motor fluid of the Rankine 21 cycle is the refrigerant of a refrigerating cycle 20.
  • the electric motor 8 drives the axis of a compressor 10 which by adiabatic compression raises the pressure and overheats the R143a of the refrigerating cycle 20.
  • the R143a is at the process pressure imposed by the laminator 5, in the example of the 3 bar process and a temperature of 35 °
  • the fluid is at the pressure of 1 1 bar and its temperature is about 90 °.
  • the refrigerant of the circuit 20 is condensed by the exchanger 12 and cooled by the heat exchanger 6 to enter the laminator 5 or the refrigerant in an adiabatic expansion undergoes a drop in temperature by the Joule effect -Thomson.
  • the fluid R134a in the liquid state for an imposed pressure of 3 bar and its temperature of 0.6 °.
  • the fluid is then evaporated in the evaporator 3 to absorb the calories from the hot source 1 which is the space to be cooled. It will then be heated by the exchanger 6 and returns to the compressor 10. This heating is essential for the temperature of the fluid output of the compressor is greater than 85 °.
  • the circuit 21 containing R143a feeds a Rankine cycle comprising a turbine 1 1, a condenser 4, a pump 17 and an evaporator 12.
  • the refrigerant circuit fluid 20 is the heat transfer fluid of the evaporator 12 realizing here the heat exchange means between the heat transfer fluid of the circuit 20 and ensures the evaporation of the motor fluid of the circuit 21.
  • the fluid of the circuit 21 is the heat transfer fluid of the condenser 12 realizing here the heat exchange means between the heat transfer fluid of the circuit 21 and ensures the condensation of the fluid of the circuit 20 of the refrigerating cycle.
  • the R134a of the circuit 21 is in the liquid state when it enters the exchanger
  • the enthalpy required for its phase change is exactly equal to the enthalpy required for the condensation of the fluid of the circuit 20.
  • the volumetric flow rate is dependent on the speed of the pump 17.
  • the regulation of the flow rate of the pump 17 is done by varying its engine speed, plus it is necessary to flow more the motor must turn quickly and the control means 13 receive from the temperature sensor 24 the information on the temperature of the fluid before the pump 17 and orders the frequency converter 23 to supply the electric motor of the pump 17 the adequate current frequency for an engine speed corresponding to the heat transfer fluid flow required to condense the refrigerant of the refrigerating cycle.
  • the frequency converter designates an electronic system capable of controlling a synchronous motor which it will allow to adjust the speed and the flow with precision.
  • the gauge 15 of the condensate tank 16 informs the control means 13 of the condensate level in the tank 16, if it drops its average level it orders the frequency converter 23 to raise the frequency of the power supply of the motor and conversely to lower the frequency of the electric current supplying the motor of the pump 17 if the condensate level rises.
  • the driving fluid of the circuit 21 changes from the liquid state in the gaseous state to the saturating vapor pressure imposed by the refrigerant temperature of the circuit 20, at 69 ° the pressure of the R143a is about 21 bar. .
  • the fluid of the circuit 21 Downstream of the exchanger 12 the fluid of the circuit 21 is dried by the separator 25 and feeds the turbine 1 1 to produce a job communicated to the shaft 9 to reduce the work of the electric motor.
  • the power consumption of the motor 8 driving the compressor 10 is significantly reduced, on average by half.
  • the coolant Downstream of the turbine 1 1 the fluid is condensed by the heat exchanger 4, the coolant, which may be external air or water, comes from the cold source 2.
  • the R134a goes from the gaseous state to the liquid state and the condensation pressure imposed by the temperature of the cold source 2. The hotter the more the r134a liquid phase pressure is high which reduces the work of the turbine by a lower ⁇ .
  • the EER drops to 5.5 and it reaches 9 with a temperature of 26 °.
  • Figure 4 is a different view of the integration of a turbine to the refrigeration plant and applicable to Figures 1, 2 or 3.

Abstract

The invention relates to the field of refrigeration cycles, and in particular to a Rankine cycle exploiting the enthalpy of condensation of a superheated refrigerant after its compression in a refrigeration cycle, the captured thermal energy helps to evaporate the driving fluid of a turbine, said driving fluid is in this case the refrigerant of the refrigeration facility itself. The therms captured after the compression of the refrigerant of a refrigeration cycle, evaporate the driving fluid of a turbine coupled to the electric motor of the refrigeration cycle compressor comprising a circuit for a refrigerant, means for heating the refrigerant configured for vaporizing it into driving fluid, a turbine system (11) coupled to a compressor (10) and an electric motor (8), means for condensing and cooling the refrigerant, characterized by the fact that the means for condensing the refrigerant are also the means for evaporating the turbine (11) driving fluid.

Description

« Installation de refroidissement et chauffage de systèmes de conditionnement d'air »  "Installation of cooling and heating of air conditioning systems"
La présente invention concerne un cycle de refroidissement de systèmes de conditionnement d'air. The present invention relates to a cooling cycle of air conditioning systems.
L'efficacité de la production frigorifique dépend du fonctionnement thermodynam iq ue de la mach ine frigorifiq ue, on dédu it son efficacité énergétique instantanée ou EER (Energy Efficiency Ratio) qui est le coefficient d'efficacité frigorifique, représentant la performance énergétique de la pompe à chaleur fonctionnant en mode rafraîchissement. C'est le rapport entre la quantité de chaleur absorbée par l'évaporateur et la quantité d'énergie électrique totale absorbée par l'installation, soit principalement le compresseur, mais également les équipements annexes (ventilateurs, pompes de circulation d'eau et d'air). On trouve dans les catalogues d'EER des valeurs de l'ordre de 2,5 à 4, l'invention propose une valeur pouvant aller de 5,5 à 9. The efficiency of the refrigeration production depends on the thermodynamic operation of the refrigeration machine, it is deduced its instantaneous energy efficiency or EER (Energy Efficiency Ratio) which is the coefficient of refrigeration efficiency, representing the energy performance of the pump. with heat operating in cooling mode. This is the ratio between the amount of heat absorbed by the evaporator and the amount of total electrical energy absorbed by the installation, mainly the compressor, but also the ancillary equipment (fans, circulation pumps water and air). EER catalogs have values in the range of 2.5 to 4, the invention proposes a value ranging from 5.5 to 9.
Dans tous les cycles frigorifiques des machines existantes, la chaleur produite par le compresseur est évacuée à l'extérieur sans être exploitée. L'intérêt de la récupération de chaleur produite par la compression du réfrigérant d'un cycle frigorifique est de valoriser cette énergie pour produire un travail mécanique qui est le sujet de l'invention.  In all the refrigeration cycles of existing machines, the heat generated by the compressor is discharged to the outside without being exploited. The advantage of the heat recovery produced by the refrigerant compression of a refrigerating cycle is to use this energy to produce a mechanical work which is the subject of the invention.
On connaît, notamment par la demande de brevet américain avec le numéro de publication US 5,761 ,921 , une installation frigorifique pouvant fonctionner tant en mode refroidissement qu'en mode chauffage dans lequel la turbine, d'un cycle de Rankine alimenté par une source chaude provenant des fu mées d 'une mach ine therm ique, entraine le compresseur d'un cycle frigorifique.  US Pat. No. 5,761,921 discloses a refrigerating plant that can operate both in cooling mode and in heating mode in which the turbine of a Rankine cycle fed by a hot source. from the heat of a thermal machine, the compressor drives a refrigerating cycle.
Il est de ce fait extrêmement intéressant de pouvoir développer un cycle frigorifique permettant d'améliorer l'efficacité énergétique de celui-ci. L'installation de réfrigération sera donc énergétiquement efficace si elle demande peu d'énerg ie électrique pour atteindre une même pu issance frigorifique que les cycles frigorifique existants.  It is therefore extremely interesting to develop a refrigeration cycle to improve the energy efficiency of it. The refrigeration plant will therefore be energy efficient if it requires little electrical energy to achieve the same refrigerating capacity as existing refrigeration cycles.
L'invention apporte beaucoup d'amélioration à une machine frigorifique, notamment en déduisant le travail produit par la turbine dont l'énergie provient de la récupération de l'énergie thermique produite par la compression du fluide frigorigène d'un cycle frigorifique. Cette énergie thermique est normalement rejetée par un condenseur dont la source froide est l'air extérieur, l'invention exploite cette énergie thermique et la transforme en travail mécanique.  The invention brings a lot of improvement to a refrigerating machine, in particular by deducing the work produced by the turbine whose energy comes from the recovery of the thermal energy produced by the compression of the refrigerant of a refrigerating cycle. This thermal energy is normally rejected by a condenser whose cold source is outside air, the invention exploits this thermal energy and transforms it into mechanical work.
Suivant d'autres aspects de l'invention, le rendement de l'installation est optimisé par différents moyens additionnels.  According to other aspects of the invention, the efficiency of the installation is optimized by various additional means.
Globalement, l'invention ici proposée assure d'une part une augmentation du rendement et d'autre part la possibilité d'un fonctionnement adaptable au regard des variations climatiques et des besoins en fourniture d'énergie thermique pour le chauffage ou l'air conditionné.  Overall, the invention proposed here ensures, on the one hand, an increase in efficiency and, on the other hand, the possibility of adaptable operation with regard to climatic variations and the need for thermal energy supply for heating or air conditioning. .
Cette installation comprend d'autre part, un moteur électrique pour entraîner en rotation un compresseur et une turbine raccordée à l'arbre dudit compresseur pour réduire le travail dudit moteur électrique. Dans le cadre de la présente invention, on entend « compresseur » dans le sens le plus large, c'est-à-dire toute machine permettant la compression d'un fluide frigorigène gazeux, tel qu'un compresseur scroll ou un moteur à piston, actionnée par un moteur électrique. This installation further comprises an electric motor for rotating a compressor and a turbine connected to the shaft of said compressor to reduce the work of said electric motor. In the context of the present invention, the term "compressor" in the broadest sense, that is to say any machine for compressing a gaseous refrigerant, such as a scroll compressor or a piston engine powered by an electric motor.
On entend par « turbine » dans le sens le plus large, c'est-à-dire toute machine motrice, tel qu'une turbine scroll ou moteur à vis, actionnée par l'expansion d'un fluide compressible, tel que le R134a ou tous autres fluides frigorigènes ou gaz.  The term "turbine" in the widest sense, that is to say any engine, such as a scroll turbine or screw motor, actuated by the expansion of a compressible fluid, such as R134a or any other refrigerant or gas.
La présente invention vise à proposer la réalisation d'un cycle de refroidissement q u i permet d 'amél iorer l 'efficacité énergétique dans la conversion de l'énergie électrique en frigories.  The present invention aims at providing a cooling cycle which improves the energy efficiency in the conversion of electrical energy into frigories.
Dans une installation suivant un mode de réalisation de la présente invention, ce but est atteint grâce au fait que, le condenseur du cycle frigorifique est aussi l'évaporateur d'un dispositif intermédiaire de type cycle de Rankine. Le dit dispositif complémentaire à l'installation d'un cycle frigorifique comporte une turbine, un condenseur, un diviseur, une bâche alimentaire et une pompe. Ladite turbine est apte à recevoir à haute pression ledit fluide frigorigène à l'état gazeux et à le détendre de manière à en extraire un travail mécanique. Le dit condenseur permet le changement de phase du fluide moteur en sortie de ladite turbine de l'état gazeux à l'état liquide et à la pression de condensation fonction de la température de la source froide, l'air extérieur.  In an installation according to an embodiment of the present invention, this object is achieved by virtue of the fact that the condenser of the refrigerating cycle is also the evaporator of a Rankine cycle intermediate device. The said additional device to the installation of a refrigeration cycle comprises a turbine, a condenser, a divider, a food cover and a pump. Said turbine is adapted to receive at high pressure said refrigerant in the gaseous state and to relax so as to extract mechanical work. Said condenser allows the phase change of the engine fluid output of said turbine from the gaseous state to the liquid state and the condensation pressure depending on the temperature of the cold source, the outside air.
La présente divulgation concerne aussi un procédé ou un échangeur de chaleur est à la fois l'évaporateur et le condenseur d'un cycle frigorifique en boucle avec un cycle de Rankine dont le réfrigérant est à la fois le fluide de service et le fluide de procédé dans la phase simultanée de condensation et d'évaporation de ce même réfrigérant.  The present disclosure also relates to a method or a heat exchanger is both the evaporator and the condenser of a loopine refrigerant cycle with a Rankine cycle whose refrigerant is both the service fluid and the process fluid in the simultaneous phase of condensation and evaporation of this same refrigerant.
Avantageusement, après l'étape de ladite compression du fluide frigorigène l'enthalpie nécessaire à sa condensation est égale à l'enthalpie de ce même fluide qui retourne au même échangeur pour y être évaporé. Pour des raisons d'équilibre le débit du fluide à évaporer est toujours supérieur au fluide à condenser car la priorité est de respecter la phase première qui est la condensation du réfrigérant. A cet effet l'excédent de fluide non évaporé sera séparé par un séparateur et injecté à la bâche alimentaire disposée en amont dudit échangeur. Advantageously, after the step of said compression of the refrigerant the enthalpy required for its condensation is equal to the enthalpy of the same fluid which returns to the same exchanger to be evaporated therein. For reasons of equilibrium, the flow rate of the fluid to be evaporated is always greater than the fluid to be condensed because the priority is to respect the first phase, which is the condensation of the refrigerant. For this purpose the excess of non-evaporated fluid will be separated by a separator and injected into the food sheet arranged upstream of said exchanger.
La présente invention est relative à un cycle de refroidissement de systèmes de conditionnement d'air, caractérisé en ce qu'il comprend :  The present invention relates to a cooling cycle of air conditioning systems, characterized in that it comprises:
- un compresseur couplé à un moteur électrique qui comprime un réfrigérant ;  a compressor coupled to an electric motor that compresses a refrigerant;
- un refroidisseur et réchauffeur de gaz (disposé entre le compresseur et la turbine exécutant un échange de chaleur par le réfrigérant comprimé et qui réchauffe un fluide moteur étant le même réfrigérant dans une boucle ;  - a gas cooler and heater (arranged between the compressor and the turbine executing a heat exchange by the compressed refrigerant and which heats a driving fluid being the same refrigerant in a loop;
- un dispositif d'étranglement qui étrangle l'écoulement du réfrigérant refroidi ;  a throttling device which throttles the flow of cooled refrigerant;
- un évaporateur qui évapore le réfrigérant par une action d'absorption de chaleur d'une source chaude;  an evaporator which evaporates the refrigerant by a heat-absorbing action of a hot source;
- un échangeur de chaleur disposé entre la turbine et le dispositif d'étranglement, l'échangeur de chaleur exécutant la condensation du réfrigérant par un échange de chaleur avec une source froide ;  a heat exchanger disposed between the turbine and the throttling device, the heat exchanger performing condensation of the refrigerant by heat exchange with a cold source;
- une turbine couplée à un moteur électrique qui détend le réfrigérant pour récupérer l'énergie et exécutant un travail complémentaire audit moteur, ledit système utilisant la phase vapeur du fluide moteur comme moyen moteur en vue de la réduction d'énergie électrique ;  - A turbine coupled to an electric motor that relaxes the refrigerant to recover energy and performing work complementary to said engine, said system using the vapor phase of the working fluid as a motor means for the reduction of electrical energy;
caractérisé par le fait que les moyens de chauffage du réfrigérant comportent :  characterized in that the refrigerant heating means comprises:
- un compresseur apte à surchauffer un réfrigérant ;  a compressor capable of overheating a refrigerant;
des moyens d'échange thermique entre un réfrigérant et un fluide moteur ;  heat exchange means between a refrigerant and a driving fluid;
Selon des modes de réalisation, le cycle est tel que :  According to embodiments, the cycle is such that:
- la chaleur issue de la compression d'un réfrigérant est exploitée pour produire l'énergie utile au travail mécanique d'une machine. - les moyens d'échange thermique nécessaires à l'évaporation du fluide moteur en aval de la turbine permettent aussi la condensation du réfrigérant en aval du compresseur. the heat resulting from the compression of a refrigerant is used to produce the energy useful for the mechanical work of a machine. - The heat exchange means necessary for the evaporation of the driving fluid downstream of the turbine also allow condensation of the refrigerant downstream of the compressor.
- la turbine est intégrée dans une installation frigorifique ou pompe à chaleur.  - The turbine is integrated in a refrigeration plant or heat pump.
- l'échangeur de chaleur est construit pour permettre l'évaporation d'un fluide et la condensation d'un autre fluide qui se croisent.  - The heat exchanger is built to allow the evaporation of a fluid and the condensation of another fluid that intersect.
- l'échangeur de chaleur est intégré dans une installation frigorifique. - the heat exchanger is integrated in a refrigeration system.
- les moyens de régulation comportent un échangeur en amont du compresseur contrôlant la température d'admission d'un réfrigérant, un séparateur contrôlant une phase 100% gazeuse du fluide en admission de la turbine et une bâche alimentaire apte à recevoir la phase liquide en amont de l'échangeur et en aval de la turbine qui permettent d'appliquer un débit nominal à la pompe. the regulation means comprise an exchanger upstream of the compressor controlling the intake temperature of a refrigerant, a separator controlling a 100% gas phase of the inlet fluid of the turbine and a food tank capable of receiving the liquid phase upstream exchanger and downstream of the turbine that allow to apply a nominal flow rate to the pump.
- il comporte un échangeur régénératif configuré pour préchauffer le réfrigérant en amont du compresseur d'un cycle frigorifique est intégré à une installation frigorifique.  - It comprises a regenerative heat exchanger configured to preheat the refrigerant upstream of the compressor of a refrigerating cycle is integrated in a refrigeration system.
- la turbine est intégrée dans une installation frigorifique.  - The turbine is integrated in a refrigeration system.
- une turbine produit un travail mécanique transmit à l'arbre d'un compresseur ou d'un alternateur.  - A turbine produces mechanical work transmitted to the shaft of a compressor or alternator.
- un échangeur régénératif est un élément des moyens de régulation d'un cycle frigorifique permettant la régulation d'une température nominale de l'admission d'un réfrigérant en entrée d'un compresseur pour une température variable d'une source froide nécessaire à la condensation d'un réfrigérant d'un cycle frigorifique.  a regenerative heat exchanger is an element of the control means of a refrigerating cycle allowing the regulation of a nominal temperature of the intake of a refrigerant at the inlet of a compressor for a variable temperature of a cold source necessary for the condensation of a refrigerant of a refrigerating cycle.
- ledit échangeur de chaleur est construit pour permettre l'évaporation d'un fluide moteur entraînant une turbine par récupération de l'énergie thermique d'un réfrigérant surchauffé par une compression adiabatique en sortie d'un compresseur d'un cycle frigorifique.  said heat exchanger is constructed to allow the evaporation of a driving fluid driving a turbine by recovering the thermal energy of a superheated refrigerant by an adiabatic compression at the outlet of a compressor of a refrigerating cycle.
- l'énergie nécessaire à évaporer le fluide moteur d'une turbine d'un cycle de Rankine provient de la condensation d'un réfrigérant surchauffé après sa compression dans un cycle frigorifique. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : the energy required to evaporate the driving fluid of a turbine of a Rankine cycle comes from the condensation of a superheated refrigerant after its compression in a refrigerating cycle. The invention will be better understood and its advantages will appear better on reading the detailed description which follows, of an embodiment shown by way of non-limiting example. The description refers to the accompanying drawings in which:
La figure 1 présente schématiquement un premier mode de réalisation d'une installation de production de froid.  Figure 1 schematically shows a first embodiment of a cold production plant.
La figure 2 est un schéma similaire à la figure 1 représentant un second mode de réalisation de la présente invention par l'intégration d'un échangeur régénératif placé en amont du compresseur.  Figure 2 is a diagram similar to Figure 1 showing a second embodiment of the present invention by the integration of a regenerative heat exchanger placed upstream of the compressor.
La figure 3 présente un second mode de réalisation de l'installation de l'invention appliquée avec deux cycles en parallèles.  Figure 3 shows a second embodiment of the installation of the invention applied with two cycles in parallel.
La fig ure 4 est une vue d ifférente de l 'intég ration d 'une turbine applicable aux figures 1 ,2 ou 3.  Fig ure 4 is a d dfferent view of the integration of a turbine applicable to Figures 1, 2 or 3.
La figure 1 illustre une première version de l'installation présentant un cycle de refroidissement de systèmes de conditionnement d'air. Figure 1 illustrates a first version of the installation showing a cooling cycle of air conditioning systems.
Il a été choisi le fluide frigorigène R134a comme exemple de process de description de l'invention, les températures et pressions sont données pour ce fluide.  The refrigerant R134a was chosen as an exemplary process for describing the invention, the temperatures and pressures are given for this fluid.
Cette installation comporte un circuit contenant un réfrigérant avec un compresseur 10 et une turbine 1 1 solidaire mécaniquement d'un même arbre moteur couplé à un moteur 8 électrique alimenté par un réseau électrique 22. Dans le circuit 20 de réfrigérant est placé directement en aval du compresseur 10 un échangeur 12 qui condense le fluide frigorigène surchauffé.  This installation comprises a circuit containing a refrigerant with a compressor 10 and a turbine 1 1 mechanically secured to the same motor shaft coupled to an electric motor 8 powered by an electrical network 22. In the refrigerant circuit 20 is placed directly downstream of the compressor 10 an exchanger 12 which condenses the superheated refrigerant.
A l'entrée du compresseur 10 le fluide HFC R134a est à l'état gazeux et à la pression de process choisi suivant l'effet frigorifique recherché pouvant être compris entre 1 et 3 bar, en sortie du compresseur le fluide est comprimé à la pression nécessaire pour atteindre une température d'au moins 75°, cette pression est de1 1 bar en moyenne. En aval du compresseur 10 le réfrigérant est condensé par l'échangeur 12. En aval de l'échangeur 12 le réfrigérant est détendu par le détendeur 7 à la pression imposée par la température de la source froide 2 alimentant le condenseur 4 et injecté dans la bâche alimentaire 18. La pression dans la bâche alimentaire 18 est de 7,5 bar pour une température extérieure de ladite source froide de 33° prenant en compte un pincement de 4°. Le détendeur 7 impose au réfrigérant au point « f » une pression égale à celle du point « e » pour un mélange isobare dans la bâche alimentaire 18. En sortie de bâche alimentaire 18 le réfrigérant en phase liquide est remonté à la pression de 21 bar par la pompe 17 et alimente l'échangeur 12, la pression de 21 bar est la pression de vapeur saturante du réfrigérant imposé par la température du réfrigérant en aval du compresseur 10 avant son entrée dans l'échangeur 12. L'échangeur 12 est le condenseur du réfrigérant en sortie du compresseur 10 et l'évaporateur du réfrigérant avant son admission dans la turbine 1 1 . La pompe 17 assure le débit de fluide caloporteur nécessaire à la condensation du réfrigérant provenant du compresseur 10 qui lui assure l'évaporation du réfrigérant pour son admission dans la turbine 1 1 . L'excédant de réfrigérant non évaporé et à l'état liquide est séparé du réfrigérant à l'état gazeux par le séparateur 25 et retourne à la bâche alimentaire 18. At the inlet of the compressor 10, the HFC fluid R134a is in the gaseous state and at the process pressure chosen according to the desired refrigeration effect which may be between 1 and 3 bar, at the outlet of the compressor the fluid is compressed at the pressure necessary to reach a temperature of at least 75 °, this pressure is 1 1 bar on average. Downstream of the compressor 10 the condenser is condensed by the exchanger 12. Downstream of the exchanger 12 the refrigerant is expanded by the expander 7 at the pressure imposed by the temperature of the cold source 2 supplying the condenser 4 and injected into the food cover 18. The pressure in the food cover 18 is 7.5 bar for a external temperature of said cold source of 33 ° taking into account a pinch of 4 °. The expander 7 imposes on the refrigerant at the point "f" a pressure equal to that of the point "e" for an isobaric mixture in the food cover 18. At the outlet of the food cover 18 the refrigerant in the liquid phase is raised to the pressure of 21 bar by the pump 17 and feeds the exchanger 12, the pressure of 21 bar is the saturating vapor pressure of the refrigerant imposed by the refrigerant temperature downstream of the compressor 10 before entering the exchanger 12. The exchanger 12 is the condenser of the refrigerant at the outlet of the compressor 10 and the evaporator of the refrigerant before admission into the turbine 1 1. The pump 17 provides the flow of heat transfer fluid required for condensing the refrigerant from the compressor 10 which ensures the evaporation of the refrigerant for its admission into the turbine 1 1. The excess of non-evaporated refrigerant and in the liquid state is separated from the refrigerant in the gaseous state by the separator 25 and returns to the food cover 18.
La turbine 1 1 est apte à recevoir le réfrigérant à une pression supérieure à la pression imposée à sa sortie par le condenseur 4, et à le détendre de manière à en extraire un travail mécanique. Le travail mécanique produit par la turbine 1 1 et transmit à l'arbre 9 soulage le moteur 8 électrique et réduit son travail nécessaire à entraîner le compresseur 10, réduisant ainsi la consommation dudit moteur électrique, W8 = Wi0 + Wn. La performance énergétique et son indice EER prend en compte les consommations des auxiliaires comme les ventilateurs de l'évaporateur 3 ou du condenseur 4 et dans notre solution la pompe 17 qui n'existe pas dans un cycle frigorifique, ces consommations d'énergies sont ajoutées à la consommation du moteur électrique 8, et celle-ci peut, suivant les conditions de températures extérieures et le process du cycle frigorifique, être divisée par 2,5 et dans les meilleurs conditions Wi0 est à peine supérieur à Wn. The turbine 1 1 is adapted to receive the refrigerant at a pressure greater than the pressure imposed on its output by the condenser 4, and to relax so as to extract a mechanical work. The mechanical work produced by the turbine 1 1 and transmitted to the shaft 9 relieves the electric motor 8 and reduces its work necessary to drive the compressor 10, thereby reducing the consumption of said electric motor, W 8 = Wi 0 + Wn. The energy performance and its EER index takes into account the consumption of auxiliaries such as the evaporator 3 or condenser 4 fans and in our solution the pump 17, which does not exist in a refrigerating cycle, these energy consumptions are added. to the consumption of the electric motor 8, and it can, depending on the conditions of outdoor temperatures and the process of the refrigerating cycle, be divided by 2.5 and in the best conditions Wi 0 is barely greater than Wn.
A son entrée dans le condenseur 4 le réfrigérant est à l'état gazeux et passe à l'état liquide à sa sortie, la source froide 2 est l'air extérieur en mode réfrigération de l'installation et l'espace à chauffer en mode chauffage de l'utilisation de l'installation. Le réfrigérant à la sortie du condenseur 4 est séparé par le diviseur 19 la partie nominal du circuit 20 alimente le lamineur 5 et l'autre partie comprise entre 1 et 15% du débit nominal est injecté à la bâche alimentaire 18 au point « e ». La pression au point « e » est inférieure de 0,1 bar à la pression de vapeur saturante imposé au réfrigérant par le condenseur 4 en fonction de la température de la source froide 2, pour le R134a elle est de 7,5 bar à la température de 29 ° prenant en compte un pincement de 4° et une température de la source froide 2 de 33°. Au point « f » la pression du débit nominal du réfrigérant est égal à la pression au point « e » et imposé par le détendeur 7. At its entry into the condenser 4 the refrigerant is in the gaseous state and goes to the liquid state at its outlet, the cold source 2 is the outside air in cooling mode of the installation and the space to be heated in the heating the use of the installation. The refrigerant at the outlet of the condenser 4 is separated by the divider 19 the nominal part of the circuit 20 feeds the laminator 5 and the other part between 1 and 15% of the nominal flow is injected to the food cover 18 at the point "e" . The pressure at point "e" is 0.1 bar less than the saturation vapor pressure imposed on the refrigerant by the condenser 4 as a function of the temperature of the cold source 2, for the R134a it is 7.5 bar at the temperature of 29 ° taking into account a pinch of 4 ° and a temperature of the cold source 2 of 33 °. At point "f" the pressure of the refrigerant nominal flow rate is equal to the pressure at point "e" and imposed by the regulator 7.
En sortie du diviseur 19 le débit nominal de réfrigérant alimente le lamineur 5 ou celui-ci dans une détente adiabatique subit une baisse de température par l'effet Joule-Thomson.  At the output of the divider 19 the nominal refrigerant flow feeds the laminator 5 or the latter in an adiabatic expansion undergoes a drop in temperature by the Joule-Thomson effect.
En sortie du lamineur 5 le fluide R134a à l'état liquide pour une pression imposée de 3 bar est à la température de 0,6°, il serait de -26° pour une pression imposée à 1 bar pour une utilisation de l'installation en congélateur.  At the outlet of the laminator 5 the fluid R134a in the liquid state for an imposed pressure of 3 bar is at a temperature of 0.6 °, it would be -26 ° for a pressure imposed at 1 bar for use of the installation in freezer.
Le réfrigérant est ensuite évaporé dans l'évaporateur 3 pour absorber les calories de la source chaude 1 qui est l'espace à réfrigérer ou l'air extérieur pour une utilisation de l'installation en mode chauffage.  The refrigerant is then evaporated in the evaporator 3 to absorb the calories from the hot source 1 which is the space to be refrigerated or the outside air for use of the installation in heating mode.
L'installation illustrée dans figure 2 illustre une variante de la présente invention par l'intégration d'un échangeur régénératif avant le compresseur. The installation illustrated in FIG. 2 illustrates a variant of the present invention by the integration of a regenerative heat exchanger before the compressor.
Son intérêt majeur réside dans l'échangeur 6 qui apporte un complément de frigories à l'échangeur 12 nécessaire à la condensation du réfrigérant provenant du compresseur 10 mais surtout il permet d'augmenter la température du réfrigérant au point « b » ce qui à pour effet d'augmenter la température du réfrigérant en sortie du compresseur 10 en ne causant qu'un négligeable travail supplémentaire au moteur 8 électrique, travail très largement compensé par une augmentation de la pression de vapeur saturante du réfrigérant alimentant la turbine 1 1 obtenu par une température plus élevée du réfrigérant en entrée de l'échangeur 12 en aval du compresseur 10. Plus la température est élevée en sortie du compresseur 10 plus la pression de vapeur du réfrigérant admis dans la turbine est élevée et plus W est important. En effet dans le cas de l'installation exploitée comme une pompe à chaleur l'échangeur 6 améliore l'efficacité énergétique de l'invention mais aussi la régulation. Le débit de réfrigérant distribué par la pompe 17 à l'évaporateur 12 devient quasiment identique à toutes les températures de process imposée par la température extérieure. Au point « a » la température est toujours identique quelle que soit la saison, au point « b » le fluide a été réchauffé par lui-même après sa condensation dans l'échangeur 12 et devient le fluide de service au point « c ». Au point « d » la température du fluide moteur de la turbine 1 1 varie seulement de quelques degrés suivant la saison ce qui est important car il devient le fluide caloporteur du condenseur 12 nécessaire à condenser le réfrigérant en aval du compresseur 10, sont débit au point « f » avant la bâche alimentaire 18 est environ neuf fois supérieur au débit du réfrigérant au point « e » en aval du séparateur 19 ce qui influe très positivement dans la régulation car le mélange au point « g » est pratiquement identique à quelques degrés près même avec des températures très variables de la source froide suivant les saisons. La pompe 17 a un débit nominal correspondant au maximum de la température extérieure en été permettant d'assurer la condensation impérative du réfrigérant en amont du compresseur 10, avec une température qui ne varie pas au point « b » la variation de débit ajusté par le séparateur 25 n'excède pas 1 % suivant la température minimale et maximale extérieure, en effet le séparateur 25 régule par séparation le mélange dysphasique éventuel par un retour du condensât à la bâche alimentaire 18. Its major interest lies in the heat exchanger 6 which brings a complement of frigories to the exchanger 12 necessary for condensing the refrigerant from the compressor 10 but above all it makes it possible to increase the temperature of the refrigerant at the point "b" which, for the effect of increasing the temperature of the refrigerant at the outlet of the compressor 10 causing only negligible additional work to the electric motor 8, work very largely compensated by an increase in the saturation vapor pressure of the refrigerant supplying the turbine 1 1 obtained by a higher temperature of the refrigerant at the inlet of the exchanger 12 downstream of the compressor 10. The higher the temperature is at the outlet of the compressor 10 plus the vapor pressure of the refrigerant admitted into the turbine is high and the greater W is important. Indeed, in the case of the facility operated as a heat pump exchanger 6 improves the energy efficiency of the invention but also the regulation. The flow of refrigerant distributed by the pump 17 to the evaporator 12 becomes almost identical to all the process temperatures imposed by the outside temperature. At point "a" the temperature is always the same whatever the season, at point "b" the fluid has been heated by itself after its condensation in the exchanger 12 and becomes the service fluid at point "c". At the point "d" the temperature of the engine fluid of the turbine 1 1 varies only a few degrees depending on the season which is important because it becomes the heat transfer fluid of the condenser 12 necessary to condense the refrigerant downstream of the compressor 10, are flow at point "f" before the food cover 18 is about nine times higher than the refrigerant flow at point "e" downstream of the separator 19 which has a very positive influence on the regulation because the mixture at the "g" point is practically identical to a few degrees near even with very variable temperatures of the cold source according to the seasons. The pump 17 has a nominal flow rate corresponding to the maximum of the outside temperature in summer, making it possible to ensure the imperative condensation of the refrigerant upstream of the compressor 10, with a temperature that does not vary at point "b" the flow variation adjusted by the separator 25 does not exceed 1% according to the minimum and maximum external temperature, in fact the separator 25 regulates by separation the possible dysphasic mixture by a return of the condensate to the food cover 18.
Suivant la saison la température de la source froide varie et la pression de saturation du condensât varie en sortie du condenseur 4 et la pression de la partie séparée après le diviseur de débit 19 au point « e » est parfois différente mais toujours inférieur à la pression du point « f ». Le mélange est isobare dans la bâche alimentaire 18, le détendeur 7 impose au point « f » une pression égale à celle du point « e ». La figure 3 présente un second mode de réalisation de l'installation de l'invention avec cycle de Rankine en parallèle à cycle frigorifique. Le fonctionnement de l'installation avec deux circuits en parallèles est identique dans l'exploitation d'une source chaude produite par le compresseur d'un cycle frigorifique. Depending on the season, the temperature of the cold source varies and the saturation pressure of the condensate varies at the outlet of the condenser 4 and the pressure of the separated part after the flow divider 19 at the point "e" is sometimes different but always less than the pressure from point "f". The mixture is isobaric in the food cover 18, the expander 7 imposes at the point "f" a pressure equal to that of the point "e". FIG. 3 presents a second embodiment of the installation of the invention with a Rankine cycle in parallel with a refrigerating cycle. The operation of the plant with two circuits in parallel is identical in the operation of a hot source produced by the compressor of a refrigerating cycle.
L'intérêt physique n'est pas meilleur excepté pour les installions de climatisation en zone tropical car il permet d'utiliser deux fluides frigorigènes différents, du R245fa par exemple pour le cycle de Rankine 21 qui permet une condensation pour des températures extérieures supérieur à 40°.  The physical interest is not better except for the air conditioning units in the tropical zone because it allows the use of two different refrigerants, the R245fa for example for the Rankine 21 cycle which allows condensation for outside temperatures above 40 °.
Le descriptif de ce mode de réalisation de l'installation présente la conversion de l'énergie électrique en frigories, le mode chauffage reprend les raisonnements de la figure 1 et de la figure 2.  The description of this embodiment of the installation shows the conversion of the electrical energy into frigories, the heating mode takes again the reasoning of figure 1 and of figure 2.
Dans le cas représenté, deux fluides sont mis en œuvre, dont un fluide moteur apte à entraîner en rotation une turbine 1 1 et un fluide apte produire les frigories d'un espace à réfrigérer.  In the case shown, two fluids are used, including a driving fluid adapted to drive in rotation a turbine 1 1 and a fluid capable of producing the frigories of a space to be refrigerated.
On pourra choisir, à titre d'exemple, un fluide HFC et en particulier du R143a.  It is possible to choose, by way of example, an HFC fluid and in particular R143a.
L'autre fluide impliqué dans l'installation selon l'invention assure le transport de calories depuis un réfrigérant chaud en aval d'un compresseur 10 vers des moyens d'échange thermique aptes à chauffer le fluide moteur d'une turbine 1 1 du cycle de Rankine 21 . Le fluide caloporteur nécessaire à l'évaporation du fluide moteur du cycle de Rankine 21 est le réfrigérant d'un cycle frigorifique 20.  The other fluid involved in the installation according to the invention ensures the transport of calories from a hot refrigerant downstream of a compressor 10 to heat exchange means capable of heating the driving fluid of a turbine 1 1 of the cycle of Rankine 21. The coolant necessary for the evaporation of the motor fluid of the Rankine 21 cycle is the refrigerant of a refrigerating cycle 20.
En sortie, le moteur 8 électrique entraîne l'axe d'un compresseur 10 qui par une compression adiabatique remonte la pression et surchauffe le R143a du cycle frigorifique 20.  At the output, the electric motor 8 drives the axis of a compressor 10 which by adiabatic compression raises the pressure and overheats the R143a of the refrigerating cycle 20.
A l'entrée du compresseur le R143a est à la pression de process imposé par le lamineur 5, dans l'exemple de process 3 bar et une température de 35°, en sortie du compresseur le fluide est à la pression de 1 1 bar et sa température est à 90 ° environ. En aval du compresseur 10 le réfrigérant du circuit 20 est condensé par l'échangeur 12 et refroidi par l'échangeur de chaleur 6 pour entrer dans le lamineur 5 ou le fluide frigorigène dans une détente adiabatique subit une baisse de température par l'effet Joule-Thomson.  At the compressor inlet the R143a is at the process pressure imposed by the laminator 5, in the example of the 3 bar process and a temperature of 35 °, at the outlet of the compressor the fluid is at the pressure of 1 1 bar and its temperature is about 90 °. Downstream of the compressor 10 the refrigerant of the circuit 20 is condensed by the exchanger 12 and cooled by the heat exchanger 6 to enter the laminator 5 or the refrigerant in an adiabatic expansion undergoes a drop in temperature by the Joule effect -Thomson.
En sortie du lamineur 5 le fluide R134a à l'état liquide pour une pression imposée de 3 bars et sa température de 0,6°. Le fluide est ensuite évaporé dans l'évaporateur 3 pour absorber les calories de la source chaude 1 qui est l'espace à refroidir. Il va être ensuite réchauffé par l'échangeur 6 et retourne au compresseur 10. Cette réchauffe est essentielle pour que la température du fluide en sortie du compresseur soit supérieur à 85°. At the output of the laminator 5 the fluid R134a in the liquid state for an imposed pressure of 3 bar and its temperature of 0.6 °. The fluid is then evaporated in the evaporator 3 to absorb the calories from the hot source 1 which is the space to be cooled. It will then be heated by the exchanger 6 and returns to the compressor 10. This heating is essential for the temperature of the fluid output of the compressor is greater than 85 °.
En parallèle, le circuit 21 contenant du R143a pour l'exemple, alimente un cycle de Rankine comprenant une turbine 1 1 , un condenseur 4, une pompe 17 et un évaporateur 12. Le fluide du circuit frigorifique 20 est le fluide caloporteur de l'évaporateur 12 réalisant ici les moyens d'échange thermique entre le fluide caloporteur du circuit 20 et assure l'évaporation du fluide moteur du circuit 21 . Et inversement le fluide du circuit 21 est le fluide caloporteur du condenseur 12 réalisant ici les moyens d'échange thermique entre le fluide caloporteur du circuit 21 et assure la condensation du fluide du circuit 20 du cycle frigorifique.  In parallel, the circuit 21 containing R143a for example, feeds a Rankine cycle comprising a turbine 1 1, a condenser 4, a pump 17 and an evaporator 12. The refrigerant circuit fluid 20 is the heat transfer fluid of the evaporator 12 realizing here the heat exchange means between the heat transfer fluid of the circuit 20 and ensures the evaporation of the motor fluid of the circuit 21. And conversely the fluid of the circuit 21 is the heat transfer fluid of the condenser 12 realizing here the heat exchange means between the heat transfer fluid of the circuit 21 and ensures the condensation of the fluid of the circuit 20 of the refrigerating cycle.
Le R134a du circuit 21 est à l'état liquide à son entrée dans l'échangeur The R134a of the circuit 21 is in the liquid state when it enters the exchanger
12 et gazeux à sa sortie. L'enthalpie nécessaire à son changement de phase est exactement égale à l'enthalpie nécessaire à la condensation du fluide du circuit 20. 12 and gaseous as it leaves. The enthalpy required for its phase change is exactly equal to the enthalpy required for the condensation of the fluid of the circuit 20.
Contrairement au mode de réalisation de la figure, dans cette version de l'invention, que suivant la variation de température de la source froide 2 les enthalpies ne sont plus égales pour un même débit correspondant à une température donnée. Si la température de la source froide 2 augmente, la température du fluide du circuit 21 augmente en sortie du condenseur 4, le fluide du circuit 21 étant le fluide de service du cycle frigorifique dont le débit est nominal, il faut plus de débit à l'échangeur 12 pour condenser le fluide de procédé du cycle frigorifique du circuit 20.  Unlike the embodiment of the figure, in this version of the invention, that according to the temperature variation of the cold source 2 the enthalpies are no longer equal for the same flow rate corresponding to a given temperature. If the temperature of the cold source 2 increases, the temperature of the fluid of the circuit 21 increases at the outlet of the condenser 4, the fluid of the circuit 21 being the operating fluid of the refrigerating cycle whose flow is nominal, more flow is required at the exchanger 12 for condensing the process fluid of the refrigerating cycle of the circuit 20.
Afin d'ajuster très précisément le débit du circuit 21 nécessaire à la condensation du réfrigérant du circuit 20 le débit volumétrique est dépendant du régime de la pompe 17. La régulation du débit de la pompe 17 se fait par variation de son régime moteur, plus il faut de débit plus le moteur doit tourner vite ainsi les moyens de commande 13 reçoivent de la sonde de température 24 l'information sur la température du fluide avant la pompe 17 et ordonne au variateur de fréquences 23 de fournir au moteur électrique de la pompe 17 la fréquence de courant adéquate pour un régime moteur correspondant au débit de fluide caloporteur nécessaire à condenser le réfrigérant du cycle frigorifique. Le variateur de fréquences désigne un système électronique capable de piloter un moteur synchrone dont il permettra d'ajuster la vitesse et le débit avec précision. Si celui-ci est mal ajusté la jauge 15 du réservoir de condensât 16 informe les moyens de commande 13 du niveau de condensât dans le réservoir 16, s'il baisse de son niveau moyen il ordonne au variateur de fréquences 23 de monter la fréquence de l'alimentation électrique du moteur et inversement de descendre la fréquence du courant électrique alimentant le moteur de la pompe 17 si le niveau de condensât monte. In order to very precisely adjust the flow rate of the circuit 21 necessary for condensing the refrigerant of the circuit 20, the volumetric flow rate is dependent on the speed of the pump 17. The regulation of the flow rate of the pump 17 is done by varying its engine speed, plus it is necessary to flow more the motor must turn quickly and the control means 13 receive from the temperature sensor 24 the information on the temperature of the fluid before the pump 17 and orders the frequency converter 23 to supply the electric motor of the pump 17 the adequate current frequency for an engine speed corresponding to the heat transfer fluid flow required to condense the refrigerant of the refrigerating cycle. The frequency converter designates an electronic system capable of controlling a synchronous motor which it will allow to adjust the speed and the flow with precision. If it is incorrectly adjusted the gauge 15 of the condensate tank 16 informs the control means 13 of the condensate level in the tank 16, if it drops its average level it orders the frequency converter 23 to raise the frequency of the power supply of the motor and conversely to lower the frequency of the electric current supplying the motor of the pump 17 if the condensate level rises.
Dans l'échangeur 12 le fluide moteur du circuit 21 passe de l'état liquide à l'état gazeux à la pression de vapeur saturante imposée par la température du réfrigérant du circuit 20, à 69° la pression du R143a est de 21 bar environ.  In the exchanger 12 the driving fluid of the circuit 21 changes from the liquid state in the gaseous state to the saturating vapor pressure imposed by the refrigerant temperature of the circuit 20, at 69 ° the pressure of the R143a is about 21 bar. .
En aval de l'échangeur 12 le fluide du circuit 21 est séché par le séparateur 25 et alimente la turbine 1 1 pour produire un travail communiqué à l'arbre 9 permettant de réduire le travail du moteur électrique. La consommation électrique du moteur 8 entraînant le compresseur 10 est significativement réduite, en moyenne de moitié.  Downstream of the exchanger 12 the fluid of the circuit 21 is dried by the separator 25 and feeds the turbine 1 1 to produce a job communicated to the shaft 9 to reduce the work of the electric motor. The power consumption of the motor 8 driving the compressor 10 is significantly reduced, on average by half.
En aval de la turbine 1 1 le fluide est condensé par l'échangeur 4 dont le fluide caloporteur, pouvant être l'air extérieur ou de l'eau, provient de la source froide 2. Ici le R134a passe de l'état gazeux à l'état liquide et à la pression de condensation imposée par la température de la source froide 2. Plus il fait chaud plus la pression du r134a en phase liquide est haute ce qui réduit le travail de la turbine par un plus faible ΔΡ. Dans le cas de condition tropicale avec une température extérieure de 43° l'EER chute à 5,5 et il atteint 9 avec une température de 26°.  Downstream of the turbine 1 1 the fluid is condensed by the heat exchanger 4, the coolant, which may be external air or water, comes from the cold source 2. Here the R134a goes from the gaseous state to the liquid state and the condensation pressure imposed by the temperature of the cold source 2. The hotter the more the r134a liquid phase pressure is high which reduces the work of the turbine by a lower ΔΡ. In the case of tropical condition with an outside temperature of 43 ° the EER drops to 5.5 and it reaches 9 with a temperature of 26 °.
La figure 4 est une vue différente de l'intégration d'une turbine à l'installation frigorifique et applicable aux figures 1 ,2 ou 3. Figure 4 is a different view of the integration of a turbine to the refrigeration plant and applicable to Figures 1, 2 or 3.
Le principe de fonctionnement de l'installation avec une turbine 1 1 raccordé à un alternateur 26 est identique dans l'exploitation d'une source chaude produite par la compression d'un réfrigérant à la différence que le travail de ladite turbine entraine un alternateur 22 raccordé à un réseau 22. REFERENCES The principle of operation of the installation with a turbine 1 1 connected to an alternator 26 is identical in the operation of a hot source produced by the compression of a refrigerant with the difference that the work of said turbine drives an alternator 22 connected to a network 22. REFERENCES
1. Source chaude 1. Hot source
2. Source froide  2. Cold source
3. Evaporateur  3. Evaporator
4. Condenseur  4. Condenser
5. Lamineur  5. Laminator
6. Echangeur de chaleur  6. Heat exchanger
7. Détendeur  7. Regulator
8. Moteur électrique  8. Electric motor
9. Arbre  9. Tree
10. Compresseur  10. Compressor
11. Turbine  11. Turbine
12. Echangeur de chaleur  12. Heat exchanger
13. Moyens de commande  13. Means of order
14. Vanne de régulation  14. Control valve
15. Jauge  15. Gauge
16. Réservoir condensât  16. Condensate tank
17. Pompe  17. Pump
18. Bâche alimentaire  18. Food cover
19. Diviseur  19. Divider
20. Circuit cycle frigorifique  20. Refrigeration cycle circuit
21. Circuit cycle de Rankine  21. Rankine Cycle Circuit
22. Réseau  22. Network
23. Variateur de fréquence  23. Frequency inverter
24. Sonde température  24. Temperature probe
25. Séparateur  25. Separator
26. Alternateur  26. Alternator
30  30

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de refroidissement de systèmes de conditionnement d'air, caractérisé en ce qu'il comprend : 1. Cooling device for air conditioning systems, characterized in that it comprises:
- un compresseur (10) couplé à un moteur électrique (8) qui comprime un réfrigérant ;  - a compressor (10) coupled to an electric motor (8) which compresses a refrigerant;
- un refroidisseur et réchauffeur de gaz (12) disposé entre le compresseur (10) et la turbine (1 1 ) exécutant un échange de chaleur par le réfrigérant comprimé et qui réchauffe un fluide moteur étant le même réfrigérant dans une boucle ;  - a gas cooler and heater (12) disposed between the compressor (10) and the turbine (1 1) performing a heat exchange by the compressed refrigerant and which heats a driving fluid being the same refrigerant in a loop;
- un dispositif d'étranglement (5) qui étrangle l'écoulement du réfrigérant refroidi ;  a throttling device (5) which throttles the flow of the cooled refrigerant;
- un évaporateur (3) qui évapore le réfrigérant par une action d'absorption de chaleur d'une source chaude (1 ) ;  an evaporator (3) which evaporates the refrigerant by a heat-absorbing action of a hot source (1);
- un échangeur de chaleur (4) disposé entre la turbine (1 1 ) et le dispositif d'étranglement (5), l'échangeur de chaleur exécutant la condensation du réfrigérant par un échange de chaleur avec une source froide (2) ;  - a heat exchanger (4) disposed between the turbine (1 1) and the throttling device (5), the heat exchanger performing condensation of the refrigerant by heat exchange with a cold source (2);
- une turbine (1 1 ) couplée à un moteur (8) électrique qui détend le réfrigérant pour récupérer l'énergie et exécutant un travail complémentaire audit moteur, ledit dispositif utilisant la phase vapeur du fluide moteur comme moyen moteur en vue de la réduction d'énergie électrique ;  - a turbine (1 1) coupled to an electric motor (8) which relaxes the refrigerant to recover the energy and performing work complementary to said engine, said device using the vapor phase of the working fluid as a driving medium for the reduction of 'electric energy ;
caractérisé en outre par le fait que des moyens de chauffage du réfrigérant comportent :  further characterized in that refrigerant heating means comprises:
- le compresseur (10) apte à surchauffer un réfrigérant ;  - the compressor (10) capable of overheating a refrigerant;
- des moyens d'échange thermique (12) entre le réfrigérant et le fluide moteur ;  - Thermal exchange means (12) between the refrigerant and the driving fluid;
2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la chaleur issue de la compression d'un réfrigérant est exploitée pour produire l'énergie utile au travail mécanique d'une machine (1 1 ). 2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the heat resulting from the compression of a refrigerant is used to produce the energy useful to the mechanical work of a machine (1 1).
3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2 dans laquelle les moyens d'échange thermique (12) nécessaires à l'évaporation du fluide moteur en aval de la turbine (1 1 ) permettent aussi la condensation du réfrigérant en aval du compresseur (10). 3. Cooling device according to claim 2 wherein the heat exchange means (12) necessary for the evaporation of the driving fluid downstream of the turbine (1 1) also allow condensation of the refrigerant downstream of the compressor (10). .
4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la turbine (1 1 ) est intégrée dans une installation frigorifique ou pompe à chaleur.  4. Cooling device according to claim 3, characterized in that the turbine (1 1) is integrated in a refrigeration plant or heat pump.
5. Dispositif de refroidissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (12) est construit pour permettre l'évaporation d'un fluide et la condensation d'un autre fluide qui se croisent.  5. Cooling device according to claim 4, characterized in that the heat exchanger (12) is constructed to allow the evaporation of a fluid and the condensation of another fluid that intersect.
6. Dispositif de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (12) est intégré dans une installation frigorifique.  6. Cooling device according to claim 5, characterized in that the heat exchanger (12) is integrated in a refrigeration system.
7. Dispositif de refroidissement selon les revendications 1 et 2 dans lequel les moyens de régulation comportent un échangeur (6) en amont du compresseur (10) contrôlant la température d'admission d'un réfrigérant, un séparateur (25) contrôlant une phase 100% gazeuse du fluide en admission de la turbine (1 1 ) et une bâche alimentaire (18) apte à recevoir la phase liquide en amont de l'échangeur (1 2) et en aval de la turbine (1 1 ) qu i permettent d'appliquer un débit nominal à la pompe (17).  7. Cooling device according to claims 1 and 2 wherein the regulating means comprise an exchanger (6) upstream of the compressor (10) controlling the intake temperature of a refrigerant, a separator (25) controlling a phase 100 gaseous fluid of the inlet fluid of the turbine (1 1) and a food cover (18) adapted to receive the liquid phase upstream of the exchanger (1 2) and downstream of the turbine (1 1) that allow i apply a nominal flow rate to the pump (17).
8. Dispositif de refroidissement selon les revendications 1 et 7 comportant un échangeur régénératif (6) configuré pour préchauffer le réfrigérant en amont du compresseur d'un cycle frigorifique est intégré à une installation frigorifique.  8. Cooling device according to claims 1 and 7 comprising a regenerative heat exchanger (6) configured to preheat the refrigerant upstream of the compressor of a refrigerating cycle is integrated in a refrigeration system.
9. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la turbine (1 1 ) est intégrée dans une installation frigorifique.  9. Cooling device according to claim 1 characterized in that the turbine (1 1) is integrated in a refrigeration system.
10. Dispositif de refroidissement selon les revendications 1 et 9 caractérisé en ce q u 'u ne turbine (1 1 ) produit un travail mécanique transmit à l'arbre d'un compresseur ou d'un alternateur. 10. Cooling device according to claims 1 and 9, characterized in that a turbine (1 1) produces a work mechanical transmission to the shaft of a compressor or alternator.
11. Dispositif de refroidissement selon une quelconque des revendications 1 ou 7 caractérisé en ce qu'un échangeur régénératif (6) est un élément des moyens de régulation d'un cycle frigorifique permettant la régulation d'une température nominale de l'admission d'un réfrigérant en entrée d'un compresseur (10) pour une température variable d'une source froide (2) nécessaire à la condensation d'un réfrigérant d'un cycle frigorifique.  11. Cooling device according to any one of claims 1 or 7 characterized in that a regenerative heat exchanger (6) is an element of the control means of a refrigerating cycle for regulating a nominal temperature of the admission of a refrigerant at the inlet of a compressor (10) for a variable temperature of a cold source (2) necessary for condensing a refrigerant of a refrigerating cycle.
12. Dispositif de refroidissement selon une quelconque des revendications 1 à 11, dans laquelle ledit échangeur de chaleur (12) est construit pour permettre l'évaporation d'un fluide moteur entraînant une turbine (11) par récupération de l'énergie thermique d'un réfrigérant surchauffé par une compression adiabatique en sortie d'un compresseur (10) d'un cycle frigorifique.  12. Cooling device according to any one of claims 1 to 11, wherein said heat exchanger (12) is constructed to allow the evaporation of a driving fluid driving a turbine (11) by recovery of the thermal energy of a refrigerant overheated by adiabatic compression at the outlet of a compressor (10) of a refrigerating cycle.
13. Dispositif de refroidissement selon une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle l'énergie nécessaire à évaporer le fluide moteur d'une turbine (11) d'un cycle de Rankine provient de la condensation d'un réfrigérant surchauffé après sa compression dans un cycle frigorifique.  Cooling device according to any one of claims 1 to 12, wherein the energy required to evaporate the driving fluid of a turbine (11) of a Rankine cycle comes from the condensation of an overheated refrigerant after its compression. in a refrigerating cycle.
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