WO2016075384A1 - Procede de recuperation d'energie thermique d'une moto-pompe a chaleur - Google Patents

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

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heat
engine
recuperator
evaporator
pump
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Denis Clodic
Amine MEKDACHE
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Solaronics Chauffage
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    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier
    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the invention relates to heat pumps and thermo-heat pumps driven by a heat engine, hereinafter called heat pumps and motor-thermo-refrigerators.
  • the invention is particularly concerned with the energy efficiency of heat pump pumps and motor-thermofridge pumps.
  • thermofridge pump is used in industry to designate a heat pump whose arrangement allows to obtain simultaneously, hot and cold. In other words, the production of hot is valued as much as the production of cold.
  • the heat pump is a well known device. It is used in different applications requiring the production of hot or cold. Thus, there are heat pumps in air conditioning devices, domestic hot water production, or simply in refrigerators.
  • the heat pump comprises, generically, an evaporator in which a refrigerant absorbs heat, the refrigerant there changes state and passes from the liquid phase to the gas phase.
  • the fluid is then compressed in a compressor where its pressure and temperature increase sharply.
  • the refrigerant then passes through a condenser, where as its name suggests, the refrigerant condenses by giving up its heat.
  • the refrigerant returns to the evaporator by first passing through an expansion valve in which the pressure of the fluid drops.
  • the heat pump comprises on the one hand a low pressure circuit comprising the evaporator and which extends from the expansion valve to the inlet of the compressor and a high pressure circuit comprising the condenser and which extends from the compressor outlet to the expansion valve.
  • the compressor is coupled to an electric or thermal motor.
  • the energy efficiency of heat pumps is measured using the coefficient of performance.
  • the latter can be calculated with the Carnot method with a coefficient corresponding to the efficiency of the thermodynamic cycle.
  • the coefficient of performance of heat pumps is between 2 and 10.
  • the overall efficiency of transformation of primary energy into electrical energy on an electricity grid is known and established by the International Energy Agency.
  • a heat pump-motor to use primary energy as well as a condensing gas boiler that values 100% of the primary energy
  • a heat pump with an electric motor must have a coefficient of performance at least 2.58 which corresponds to the value of the primary energy coefficient for the French electricity grid.
  • a heat pump-pump directly uses the primary energy supplied by the fuel and its coefficient of primary energy CEP can therefore be established.
  • thermofridge pump both cold and hot are used.
  • the cold obtained at the evaporator is used for example for cooling or cooling purposes of products, and conversely the heat obtained at the condenser is allocated to heating needs.
  • the British patent published under the number GB 652,162 has a heat pump set in motion by a heat engine.
  • the condenser of the heat pump is used to heat water to a building.
  • Water as well heated is mixed with three other water sources each respectively heated by a compressor cooling circuit, a cooling circuit of the engine and by the exhaust gas.
  • these four heated water sources are mixed in a collector where the temperature of the water thus mixed will vary in proportion to the temperature and volume of the water sources.
  • a thermal energy recovery process of a heat pump-motor equipped with a heat pump in which a refrigerant circulates comprising:
  • a heat engine mechanically coupled to the compressor for driving thereof, the engine comprising an exhaust gas outlet from combustion, a cooling system of the heat engine, comprising a heat exchanger said engine recuperator, a recuperator of exhaust gas heat recovery recuperator, the heat pump-motor defining at least one heat-transfer loop in which circulates a coolant intended to take heat from the condenser, the engine and the exhaust gases, in which the condenser, the engine recuperator and the exhaust recuperator are arranged. in series, the heat-exchange loop passing through the condenser, the engine recuperator and the exhaust recuperator, the method comprising the following steps:
  • the heat pump-motor comprising a control unit equipped with a computer program arranged for:
  • the method comprises controlling the speed of the heat engine so that the combustion power can be modulated between 30% and 100% of the maximum available combustion power;
  • the combustion power is calculated as a function of the quantity of fuel injected and the lower or higher heating value of the fuel
  • the process comprises:
  • the process comprises:
  • the method comprises an operation for determining the enthalpy upstream and downstream of the evaporator of the refrigerant from abacuses given for a given refrigerant as a function of the measured pressures and temperatures;
  • the method comprises an operation of calculating the refrigerating capacity in the evaporator by making the product of the mass flow rate of the refrigerant by the enthalpy difference of the refrigerant between the upstream and downstream of the evaporator. It is proposed, secondly, a heat pump-motor in which circulates a refrigerant, the heat pump-pump comprising:
  • a heat engine mechanically coupled to the compressor for driving thereof, the heat engine comprising an exhaust gas outlet from the combustion
  • a cooling system of the engine comprising a heat exchanger said engine recuperator, an exhaust gas heat recovery recuperator recuperator,
  • the heat pump-motor defining at least one heat-transfer loop in which circulates a heat transfer fluid intended to take the heat from the condenser, the engine and the exhaust gases, in which the condenser, the engine recuperator and the exhaust recuperator are arranged in series, the heat-conducting loop passing through the condenser, the engine recuperator and the exhaust recuperator, the heat pump-pump comprising a control unit provided with a computer program arranged to execute the process as previously described.
  • the heat pump-pump comprises:
  • the computer program being arranged to execute the method as previously described.
  • Figure 1 is a schematic representation of a heat pump pump according to a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic representation of a heat pump pump according to a second embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of a heat pump pump according to a third embodiment.
  • FIGS. 1 to 3 represents a heat pump-pump 1 comprising a heat pump 2 equipped with:
  • the compressor 5 is mechanically coupled to a fuel powered thermal motor.
  • a refrigerant circulates in the heat pump 2.
  • the refrigerant is a zeotropic mixture (also known as a temperature slip mixture).
  • the zeotropic mixture comprises several fluids whose volatilities are different from each other, and consequently, the evaporation temperatures are also different from each other.
  • the thermal engine 7 is cooled using a cooling system 8 comprising:
  • 11 engine recuperator a heat exchanger, hereinafter called 11 engine recuperator.
  • a cooling liquid for example brine, circulates in the cooling circuit 9 by the action of the cooling pump 10.
  • the coolant rises in temperature in the engine 7 thermal, and it drops in temperature in the recuperator 11 engine.
  • the combustion of the fuel in the combustion engine generates exhaust gases.
  • the exhaust gases exit through an exhaust duct 12 before entering a heat exchanger 13 of the exhaust gas.
  • the heat of the exhaust gas is removed by means of a recovery loop 14.
  • the recovery loop 14 is provided with an exhaust fluid circuit 15 in which circulates a coolant.
  • An exhaust pump 16 ensures the circulation of the coolant in the exhaust fluid circuit.
  • the fluidic exhaust circuit passes through an exhaust heat recuperator 17 in order to restore the heat acquired in the heat exchanger 13 of the exhaust gas.
  • the heat pump-motor 1 comprises a heat-exchange loop 18 provided with a heat-transfer circuit 19 in which a coolant circulates.
  • a caloporous pump 20 ensures the circulation of the coolant in the heat transfer circuit 19.
  • the loop 18 heat sink is arranged so that the heat transfer circuit 19 passes through the condenser 4 of the heat pump 2, the recuperator 11 engine, the recuperator 17 exhaust and a restatrix 21 heat.
  • the heat-sink loop 18 thus recycles, in increasing order of temperatures, the heat of the heat engine 7, the exhaust gas and the condenser 4, thanks to the heat-exchange loop 18. It restores this heat through the heat restatrix 21.
  • the heat pump 1 pumps industrial wastewater or gray water from homes to recycle their heat.
  • the gray water enters the heat pump 1 at the evaporator 3 of the heat pump by an inlet 22 evaporator at a temperature t- ⁇ .
  • the greywater leave the heat pump 1 by an evaporator outlet 23 at a temperature t 2 lower than t- ⁇ .
  • a circuit 24 for recycling heat through the heat restatrix 21 In this recycling circuit 24, circulates a heat transfer fluid entering the heat restatrix 21 by a restitutant inlet at a temperature t 3 .
  • the heat transfer fluid exits the heat restatrix 21 by an output 26 restatrix, at a temperature t 4 greater than t 3 .
  • thermal power recovered at the engine 7 thermal and exhaust.
  • the numerator and the denominator are divided by the compression power W:
  • equation A Adding the thermal efficiency R t h, in theory, we obtain the following equation, hereinafter referred to as equation A:
  • Equation A above indicates that the primary energy coefficient of the heat pump-pump 1 is a function of the coefficient of performance of the heat pump 2, the mechanical efficiency of the heat engine 7 and the energy recovery efficiency. thermal.
  • equation B
  • equation B establishes the ratio between the two heat sources based only on the primary energy coefficient, the mechanical efficiency of the engine and the heat recovery efficiency lost by the engine.
  • the mathematical equation B makes it possible to make an important observation on Q 0 .
  • the primary energy coefficient is already about 1.9 since the power Q 0 is equal to the combustion power Q CO mb-
  • the primary energy coefficient of the heat pump 1 is even higher than the cooling capacity is greater than the combustion power.
  • the power of the engine is variable. The combustion power can then be adequately adjusted to be sufficiently lower than the power refrigerant in order to improve the energy performance of the motor pump 1 heat.
  • the embodiments shown in the figures illustrate an arrangement of the heat pump-1 to recover about 80% of the available energy on the engine 7 thermal.
  • the energy available on the thermal engine 7 corresponds to the energy recovered by cooling the thermal engine 7 and the energy recovered on the exhaust gases.
  • the mechanical efficiency of the heat engine 7 is at least 0.3 and the coefficient of performance of the heat pump 2 is between 2 and 10.
  • the refrigerant in the heat pump 2 varies between 28 ° C and 58 ° C to cool the wastewater from 60 ° C to 30 ° C.
  • the average evaporation temperature of the refrigerant in the evaporator 3 is about 43 ° C.
  • the recovered power Q rec in the loop 18 heat sink corresponds to the sum of the power available to the condenser 4 Q K , the cooling power in the recuperator 11 engine and hereinafter called Q re f and the available power in the recuperator 17 exhaust Q eC h which is expressed according to the thermal efficiency R th -
  • the thermal distribution in the caloporous loop 18 is therefore as follows:
  • the loop 18 caloportrice allows a warming of 50 ° C. According to the percentages described in the previous paragraph, it can be deduced that the condenser 4 allows a temperature rise of 40 ° C, from 70 ° C to 110 ° C, the 11 engine recuperator contributes up to 8% or 4 ° C, from 110 ° C to 114 ° C and finally the recuperator 17 exhaust brings 12% or 6 ° C from 114 ° C to 120 ° C.
  • the average condensing temperature of the refrigerant of the heat pump 2 is about 92 ° C. which corresponds to a temperature difference with the evaporator 3 of 39 ° C. From there, the coefficient of performance of the heat pump 2 is determined as follows with the Carnot method:
  • the typical distribution of thermal power as a function of the combustion power Q CO mb is as follows: about 35% comes from mechanical work, 20% from cooling power Q ref (steady state measured value for a heat engine), 35% of the exhaust and finally 10% of the radiation losses and heat transferred to the engine oil.
  • the condenser 4 contributes 76% here and the recovery unit 11 engine and 17 exhaust recuperator contributes up to 24% in the total power recovered.
  • the evaporator 3 thus contributes exactly 59% of the total thermal power recovered, which corresponds to Q 0 .
  • the remaining power is 41%, comes from the thermal power Q CO mb (recovered on the exhaust gas and on the cooling circuit of the engine). This makes it possible to obtain, at the level of the recycling circuit 24, a temperature t 4 of 120 ° C. with an average use of 95 ° C. and this from greywater available in the evaporator at an average temperature of 43 ° C. .
  • the energy valorization primary is done with a factor of 2 and the power extracted at the cold source is greater than the power provided by the fuel.
  • the various ratios established allow a fine regulation of the heat pump-motor and make it possible to reach the highest energy efficiencies.
  • the heat pump 1 advantageously comprises a computer control unit (not shown in the figures).
  • the computer control unit is equipped with a computer program defining a control strategy for the heat pump motor pump 1.
  • the strategy may be based on several different factors, one of them may be to make the recovered power at the caloporous loop 18 proportional to the power of combustion.
  • the computer program can vary the rotational speed of the thermal engine 7 so that the combustion power is adjustable between 30% and 100% of the total available combustion power. It follows then a rule of growth or decay of the speed of the thermal engine 7 which will cause that of the compressor 5 and therefore that of the cooling capacity.
  • the heat pump 2 is provided with a temperature probe and a pressure sensor (not shown in the figures) upstream and downstream of the evaporator 3 in the pump 2. heat.
  • the measured temperatures and pressures make it possible, from given charts for a given refrigerant, to determine the enthalpy of the refrigerant upstream and downstream of the evaporator 3.
  • the heat pump 2 is also provided with a volume flow sensor for measuring the flow rate of the refrigerant in the heat pump 2. From the volume flow, the control unit calculates the mass flow rate by multiplying by the density of the refrigerant which is obviously known at a given temperature. The control unit then precisely determines the cooling capacity available in the evaporator 3 by making the product of the refrigerant mass flow rate by the enthalpy difference between the upstream and the downstream of the evaporator 3.
  • the combustion power is determined by making the product of the amount of fuel injected into the heat engine by the higher or lower calorific value of the fuel.
  • Embodiment 1 In Figure 1 is shown a heat pump motor 1 as described above in the part common to different embodiments.
  • the heat-exchange loop 18 successively traverses the condenser 4, the engine recuperator 11, the exhaust recuperator 17 and the retractor 21.
  • the exhaust recuperator 17 is the one where the temperature is the highest. This is the reason why the exhaust recuperator 17 is positioned at the end of the course, just before the restorer 21. In fact, the recycling of the heat is better when the heat transfer fluid circulates successively through exchangers whose temperature is growing. The opposite would be pure loss. Through this reasoning, it is advantageous for the engine recuperator 11 and the exhaust recuperator 17 to work against each other. current. In this way, the coldest heat transfer fluid is in contact with the part of the coolers 11, 17 the coldest and conversely at the end of the heat transfer fluid in the recuperators 11, 17. 2 nd Embodiment
  • FIG. 2 illustrates a variant of the loop 18 caloporter.
  • the recuperator 11 engine is positioned before the condenser 4.
  • the heat transfer fluid from the restorer 21 is first warmed before joining the condenser 4 and the recuperator 17 exhaust.
  • the loop 18 heat sink is identical to the first embodiment.
  • the difference lies in the fact that a residual heat exchanger 27 is added so as to capture the residual heat of the exhaust gas at the outlet of the exhaust exchanger 13.
  • the residual heat exchanger 27 delivers the heat to a residual recuperator 28 situated between the evaporator 3 and the compressor 5 of the heat pump 2.
  • the refrigerant is reheated by means of the residual recuperator 28 before being compressed in the compressor 5. This arrangement is however only of interest if the temperature of the exhaust gases in the residual heat exchanger 27 is greater than the temperature of the refrigerant leaving the evaporator 3.

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Abstract

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

Description

PROCEDE DE RECUPERATION D'ENERGIE THERMIQUE D'UNE MOTO-POMPE A CHALEUR
L'invention a trait aux pompes à chaleur et aux thermofrigopompes entraînées par un moteur thermique, ci-après dénommées, motopompes à chaleur et moto-thermofrigopompes. L'invention traite tout particulièrement de l'efficacité énergétique des moto-pompes à chaleur et moto-thermofrigopompes.
Le terme thermofrigopompe est employé dans l'industrie pour désigner une pompe à chaleur dont l'agencement permet d'obtenir simultanément, du chaud et du froid. Autrement dit, la production de chaud est valorisée tout autant que la production de froid. La pompe à chaleur est un dispositif bien connu. Elle est utilisée dans différentes applications requérant la production de chaud ou de froid. Ainsi, on trouve des pompes à chaleur dans les dispositifs d'air conditionné, de production d'eau chaude sanitaire, ou bien plus simplement dans les réfrigérateurs.
La pompe à chaleur comprend, de manière générique, un évaporateur dans lequel un fluide frigorigène absorbe la chaleur, le fluide frigorigène y change d'état et passe de la phase liquide à la phase gazeuse. Le fluide est ensuite comprimé dans un compresseur où sa pression et sa température augmentent brusquement. Le fluide frigorigène traverse alors un condenseur, où comme son nom l'indique, le fluide frigorigène se condense en cédant sa chaleur. Le fluide frigorigène retourne vers l'évaporateur en passant au préalable par une vanne de détente dans laquelle la pression du fluide chute. On note donc que la pompe à chaleur comprend d'une part un circuit basse pression comprenant l'évaporateur et qui s'étend de la vanne de détente jusqu'à l'entrée du compresseur et un circuit haute pression comprenant le condenseur et qui s'étend de la sortie du compresseur jusqu'à la vanne de détente.
Le compresseur est couplé à un moteur électrique ou thermique. Dans ce qui suit, nous nous intéresserons uniquement aux pompes à chaleur dont le compresseur requiert l'utilisation d'un moteur thermique, sans distinction aucune du combustible utilisé pour son alimentation.
L'efficacité énergétique des pompes à chaleur se mesure à l'aide du coefficient de performance. Ce dernier peut se calculer avec la méthode de Carnot assortie d'un coefficient correspondant au rendement du cycle thermodynamique. Typiquement le coefficient de performance des pompes à chaleur de situe entre 2 et 10. L'efficacité globale de transformation d'énergie primaire en énergie électrique sur un réseau électrique est connue et établie par l'Agence internationale de l'Energie. Pour qu'une moto-pompe à chaleur utilise aussi bien l'énergie primaire qu'une chaudière à gaz dite à condensation qui valorise 100% de l'énergie primaire, une pompe à chaleur à moteur électrique doit disposer d'un coefficient de performance d'au moins 2,58 qui correspond à la valeur du coefficient d'énergie primaire pour le réseau électrique français. Une moto-pompe à chaleur utilise directement l'énergie primaire fournie par le combustible et son coefficient en énergie primaire CEP peut donc être établi.
Dans une thermofrigopompe, le froid comme le chaud sont utilisés. Ainsi, en se plaçant du point de vue du fluide frigorigène de la pompe à chaleur, le froid obtenu à l'évaporateur est utilisé par exemple pour des besoins de climatisation ou de refroidissement de produits, et inversement le chaud obtenu au condenseur est attribué aux besoins de chauffage.
Lorsque le compresseur de la pompe à chaleur est actionné à l'aide d'un moteur thermique, il est connu de récupérer la chaleur de son système de refroidissement et de ses gaz d'échappement. Il est intéressant pour une utilisation de la chaleur d'entraîner le compresseur de la pompe à chaleur directement par l'arbre du moteur thermique sans passer par une double conversion électrique.
Le brevet britannique publié sous le numéro GB 652,162 (JAMES HAROLD EVANS) présente une pompe à chaleur mise en mouvement par un moteur thermique. Le condenseur de la pompe à chaleur est utilisé pour réchauffer de l'eau à destination d'un immeuble. L'eau ainsi réchauffée est mélangée à trois autres sources d'eau chacune respectivement réchauffées par un circuit de refroidissement du compresseur, un circuit de refroidissement du moteur thermique et par les gaz d'échappement. In fine ces quatre sources d'eau réchauffées sont mélangées dans un collecteur où la température de l'eau ainsi mélangée variera au prorata des températures et du volume des sources d'eau.
Ce dispositif semble être a priori complet. Toutefois, le mélange anarchique effectué des sources d'eau chaude, ne permet absolument pas d'optimiser l'efficacité énergétique. Tout au contraire, cette méthode ne fait qu'affaiblir le pouvoir réchauffant de la source la plus chaude. Par ailleurs, la solution présentée dans le document antérieur implique un enchevêtrement de canalisations extrêmement complexe. De plus la récupération de chaleur sur les circuits de refroidissement et sur les gaz d'échappement est également anarchique. L'avantage (en termes de température) tiré des sources les plus chaudes est annihilé par les sources les plus froides.
Il est proposé, en premier lieu, un procédé dé récupération d'énergie thermique d'une moto-pompe à chaleur équipée d'une pompe à chaleur dans laquelle circule un fluide frigorigène, comprenant :
- un évaporateur relié à une source chaude,
un condenseur relié à une source froide,
un compresseur,
une vanne de détente,
un moteur thermique couplé mécaniquement au compresseur pour l'entraînement de celui-ci, le moteur comprenant une sortie des gaz d'échappement issus de la combustion, un système de refroidissement du moteur thermique, comprenant un échangeur de chaleur dit récupérateur moteur, un récupérateur de chaleur des gaz d'échappement dit récupérateur échappement, la moto-pompe à chaleur définissant au moins une boucle caloportrice dans laquelle circule un fluide caloporteur destiné à prélever la chaleur du condenseur, du moteur thermique et des gaz d'échappement, dans laquelle le condenseur, le récupérateur moteur et le récupérateur échappement sont disposés en série, la boucle caloportrice traversant le condenseur, le récupérateur moteur et le récupérateur échappement, le procédé comprenant les étapes suivantes :
prélèvement de la chaleur dans le condenseur,
prélèvement de la chaleur dans le récupérateur moteur, prélèvement de la chaleur dans le récupérateur d'échappement,
restitution de la chaleur prélevée dans un restituteur de chaleur que la boucle caloportrice traverse,
la moto-pompe à chaleur comprenant une unité de contrôle munie d'un programme informatique agencé pour :
déterminer la puissance de la combustion dans le moteur thermique,
déterminer la puissance frigorifique disponible à l'évaporateur,
moduler la vitesse de rotation du moteur thermique de telle sorte que la puissance frigorifique soit numériquement supérieure à la puissance de la combustion.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison :
- le procédé comprend le contrôle de la vitesse du moteur thermique de sorte que la puissance de combustion puisse être modulée entre 30% et 100% de la puissance maximale de combustion disponible ;
- la puissance de la combustion est calculée en fonction de la quantité de carburant injectée et du pouvoir calorifique inférieur ou supérieur du carburant ;
le procédé comprend une :
.opération de mesure de la température du fluide frigorigène de la pompe à chaleur à l'amont de l'évaporateur au moyen d'une sonde de température positionnée à l'amont de l'évaporateur ; .opération de mesure de la pression du fluide frigorigène de la pompe à chaleur à l'amont de l'évaporateur au moyen d'une sonde de pression positionnée à l'amont de l'évaporateur ;
- le procédé comprend une :
.opération de mesure de la température du fluide frigorigène de la pompe à chaleur à l'aval de l'évaporateur au moyen d'une sonde de température positionnée à l'aval de l'évaporateur ;
.opération de mesure de la pression du fluide frigorigène de la pompe à chaleur à l'aval de l'évaporateur au moyen d'une sonde de pression positionnée à l'aval de l'évaporateur ;
- le procédé comprend une opération de détermination de l'enthalpie à l'amont et à l'aval de l'évaporateur du fluide frigorigène à partir d'abaques données pour un fluide frigorigène donné en fonction des pressions et températures mesurées ;
- le procédé comprend une opération de calcul de la puissance frigorifique dans l'évaporateur en faisant le produit du débit massique du fluide frigorigène par l'écart d'enthalpie du fluide frigorigène entre l'amont et l'aval de l'évaporateur. II est proposé, en deuxième lieu, une moto-pompe à chaleur dans laquelle circule un fluide frigorigène, la moto-pompe à chaleur comprenant :
un évaporateur relié à une source chaude,
un condenseur relié à une source froide,
- un compresseur,
une vanne de détente,
un moteur thermique couplé mécaniquement au compresseur pour l'entraînement de celui-ci, le moteur thermique comprenant une sortie des gaz d'échappement issus de la combustion,
un système de refroidissement du moteur thermique, comprenant un échangeur de chaleur dit récupérateur moteur, un récupérateur de chaleur des gaz d'échappement dit récupérateur échappement,
la moto-pompe à chaleur définissant au moins une boucle caloportrice dans laquelle circule un fluide caloporteur destiné à prélever la chaleur du condenseur, du moteur et des gaz d'échappement, dans laquelle le condenseur, le récupérateur moteur et le récupérateur échappement sont disposés en série, la boucle caloportrice traversant le condenseur, le récupérateur moteur et le récupérateur échappement, la moto-pompe à chaleur comprenant une unité de contrôle munie d'un programme informatique agencé pour exécuter le procédé tel que précédemment décrit.
Selon un mode de réalisation particulier, la moto-pompe à chaleur comprend :
- une sonde de température,
une sonde de pression, et
une sonde de débit,
le programme informatique étant agencé pour exécuter le procédé tel que précédemment décrit.
Il est proposé, en troisième lieu, une utilisation de la moto-pompe à chaleur tel que précédemment décrit pour exploiter l'énergie des eaux usées des industries ou des eaux grises des habitations pour réchauffer un fluide caloporteur circulant dans un circuit de recyclage.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est une représentation schématique d'une moto-pompe à chaleur selon un premier mode de réalisation;
la figure 2 est une représentation schématique d'une moto-pompe à chaleur selon un deuxième mode de réalisation;
la figure 3 est une représentation schématique d'une moto-pompe à chaleur selon un troisième mode de réalisation.
La première partie de cette description décrit les points communs des différents modes de réalisation. Chacune des figures 1 à 3 représente une moto-pompe 1 à chaleur comprenant une pompe 2 à chaleur munie :
- d'un évaporateur 3,
d'un condenseur 4, d'un compresseur 5, et
d'une vanne 6 de détente.
Le compresseur 5 est couplé mécaniquement à un moteur 7 thermique alimenté par un combustible. Un fluide frigorigène circule dans la pompe 2 à chaleur. Le fluide frigorigène est un mélange zéotrope (également connu sous l'appellation mélange à glissement de température). Le mélange zéotrope comprend plusieurs fluides dont les volatilités sont différentes les unes des autres, et par voie de conséquence, les températures d'évaporation sont également différentes les unes des autres.
Le moteur 7 thermique est refroidi à l'aide d'un système 8 de refroidissement comprenant :
un circuit 9 de refroidissement,
- une pompe 10 de refroidissement,
un échangeur de chaleur, ci-après dénommé récupérateur 11 moteur.
Un liquide de refroidissement, par exemple de l'eau glycolée, circule dans le circuit 9 de refroidissement grâce à l'action de la pompe 10 de refroidissement. Le liquide de refroidissement monte en température dans le moteur 7 thermique, et il descend en température dans le récupérateur 11 moteur.
La combustion du carburant dans le moteur 7 thermique génère des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement sortent par un conduit 12 d'échappement avant d'entrer dans un échangeur de chaleur 13 des gaz d'échappement. La chaleur des gaz d'échappement est prélevée au moyen d'une boucle 14 de récupération. La boucle 14 de récupération est munie d'un circuit fluidique 15 d'échappement dans lequel circule un fluide caloporteur. Une pompe 16 échappement assure la circulation du fluide caloporteur dans le circuit fluidique 15 d'échappement. Le circuit fluidique 15 d'échappement traverse un récupérateur 17 de chaleur échappement afin de restituer la chaleur acquise dans l'échangeur de chaleur 13 des gaz d'échappement.
La moto-pompe à chaleur 1 comprend une boucle 18 caloportrice dotée d'un circuit 19 caloporteur dans lequel circule un fluide caloporteur. Une pompe 20 caloportrice assure la circulation du fluide caloporteur dans le circuit 19 caloporteur. La boucle 18 caloportrice est agencée de sorte à ce que le circuit 19 caloporteur traverse le condenseur 4 de la pompe 2 à chaleur, le récupérateur 11 moteur, le récupérateur 17 échappement et un restituteur 21 de chaleur. La boucle 18 caloportrice recycle ainsi, dans un ordre croissant des températures, la chaleur du moteur 7 thermique, des gaz d'échappement et du condenseur 4, grâce à la boucle 18 caloportrice. Elle restitue cette chaleur grâce au restituteur 21 de chaleur. La moto-pompe à chaleur 1 exploite les eaux usées des industries ou encore les eaux grises des habitations afin de recycler leur chaleur. Les eaux grises entrent dans la moto-pompe à chaleur 1 au niveau de l'évaporateur 3 de la pompe à chaleur par une entrée 22 évaporateur, à une température t-ι. Les eaux grises quittent la moto-pompe à chaleur 1 par une sortie 23 évaporateur à une température t2 inférieure à t-ι. En parallèle, un circuit 24 de recyclage de chaleur traverse le restituteur 21 de chaleur. Dans ce circuit 24 de recyclage, circule un fluide caloporteur entrant dans le restituteur 21 de chaleur par une entrée 25 restituteur à une température t3. Le fluide caloporteur ressort du restituteur 21 de chaleur par une sortie 26 restituteur, à une température t4 supérieure à t3.
L'agencement ci-dessus permet d'obtenir un coefficient en énergie primaire élevé de la moto-pompe à chaleur 1. On définit les grandeurs théoriques suivantes :
la puissance disponible au condenseur 4 QK = Qo + W où Q0 est la puissance absorbée à l'évaporateur 3 (puissance frigorifique) et W est la puissance mécanique du compresseur 5 fournie par le moteur 7 thermique et transférée au fluide frigorigène par le compresseur 5 dans la pompe 2 à chaleur ; le coefficient de performance de la pompe à chaleur COPPAC = ; la puissance fournie par le combustible QCOmb = Qout + w où Q est la puissance thermique perdue par le moteur 7 thermique au bloc moteur et à l'échappement ;
le coefficient en énergie primaire de la moto-pompe à chaleur 1 avec un rendement thermique égal à 1 (afin de simplifier les calculs) CEP = Qk+Qout ;
Qcomb
W
le rendement mécanique du moteur 7 thermique ffr,tcULt
Qcomb le rendement de la récupération d'énergie sur le moteur 7 thermique et sur les gaz d'échappement Rth = ^IÉ£ où Qrec est la
Qout
puissance thermique récupérée au moteur 7 thermique et à l'échappement.
Le coefficient en énergie primaire de la moto-pompe à chaleur 1 s'écrit :
Figure imgf000011_0001
On divise le numérateur et le dénominateur par la puissance de compression W :
Figure imgf000011_0002
comb /W
Ce qui permet de faire apparaît le coefficient de performance de la pompe 2 à chaleur :
COPPAC + Qout/W
CEP = ——
"mèca
En vertu des grandeurs précédemment définies, Qout = QCOmb ~ w > ce qui dans l'expression précédente donne : rnp Qcomb - w
CEP =— W
1/Rn
D'après la définition du rendement mécanique on a, COP, - 1
CEP =
CEP = R, méca X COP P,AC + 1-R; méca
En ajoutant le rendement thermique Rth on obtient, en théorie, l'équation suivante ci-après dénommée équation A :
CEP = R, méca X COP Î, C + Rth X (1 Rméca)
L'équation A ci-dessus indique que le coefficient en énergie primaire de la moto-pompe à chaleur 1 est fonction du coefficient de performance de la pompe 2 à chaleur, du rendement mécanique du moteur 7 thermique et du rendement de récupération d'énergie thermique.
En prenant un coefficient en énergie primaire égal à 1 (qui constitue le seuil bas minimum pour lequel il est intéressant d'utiliser une motopompe à chaleur en comparaison d'une chaudière à condensation), et en fixant les rendements thermique et mécanique à respectivement 0,8 et 0,35. Il vient un COPPAc minimum de 2,05. Cette valeur est inférieure au COP minimum lorsque l'on utilise l'électricité du réseau français. Il y là un intérêt certain d'utiliser une moto-pompe à chaleur plutôt qu'une chaudière à condensation. Le coefficient de performance de la pompe 2 à chaleur est fonction de l'écart de température entre l'évaporateur 3 et le condenseur 4 de la pompe 2 à chaleur. Toutefois, les pompes 2 à chaleur utilisées dans l'industrie ou dans les habitations sont déjà performantes. En effet, ces pompes 2 à chaleur récupèrent l'énergie sur des eaux dont la température varie entre 30°C et 60°C. Ces pompes 2 à chaleur remontent ensuite la température sur des intervalles allant de 30°C à 50°C. Le coefficient de performance des pompes 2 à chaleur faisant un tel travail se situe entre 4 et 8. Quel que soit le coefficient de performance de la pompe à chaleur, des expériences conduites par la demanderesse ont démontré que l'efficacité énergétique est meilleure lorsque la puissance frigorifique disponible à l'évaporateur 3 est supérieure à la puissance de combustion disponible dans le moteur 7 thermique.
La demanderesse s'est penchée sur l'aspect théorique de ces observations. L'approche mathématique qui va être présentée, n'est qu'une tentative de modélisation du phénomène.
On repart de l'expression du coefficient de performance du système avec un rendement thermique égal à 1 (afin de faciliter les calculs). Ceci permet d'exprimer la puissance récupérée Qrec en fonction des deux sources de chaleur à savoir QK et QCOmb-
Figure imgf000013_0001
On multiplie de part et d'autre par QComb,
Qcomb x CEP = Çfc + Qrec
Qcomb xCEP = Q0 + W + RthxQ out
D'après la définition de la puissance fournie par le combustible,
Qcomb XCEP = Q0 + W + Rth X (Qcomb - W) Qcomb X (CEP - Rth) = Q0 + W - Rth X W Qcomb X .CEP - Rth) = Q0 + W X (1 - Rth) Avec W = Rméca x Qcomb, on a,
Qcomb x (CEP— Rth) = Qo + Rméca x Qcomb X (1— Rth) Qo = Qcomb x [CEP— Rth— Rméca X (1— Rth)
Nous obtenons finalement l'équation suivante, ci-après dénommée équation B :
— — CEP— Rth— Rméca X (1— Rth)
Vcomb On note que l'équation B établit le rapport entre les deux sources de chaleur en fonction uniquement du coefficient d'énergie primaire, du rendement mécanique du moteur et du rendement de récupération des chaleurs perdues par le moteur. L'équation mathématique B permet d'effectuer un constat important sur Q0. En posant le rendement thermique normal Rth de 80%, un rendement mécanique standard pour un moteur thermique Rméca de 35%, et un coefficient en énergie primaire de 1, on a :
= 1 - 0,8 - 0,35 X 0,2
icomb
Qo— 0,13 X Qcomb
Avec un coefficient d'énergie primaire égal à celui d'une chaudière à condensation fonctionnant au gaz (CEP = 1), qui rappelons-le, valorise 100% de l'énergie primaire qu'elle utilise, on remarque (pour obtenir les mêmes performances) qu'il faut que la puissance Q0 soit égale à au moins 13% de QCOmb- H semble donc possible d'obtenir un meilleur coefficient d'énergie primaire qu'une chaudière à condensation avec une moto-pompe à chaleur, en faisant en sorte que la puissance Q0 soit supérieure à au moins 13% de QCOmb-
On peut faire un deuxième constat à partir de l'équation B, en posant la puissance Q0 égale à la puissance QCOmb avec les mêmes valeurs de rendement que précédemment :
CEP = 1 + 0,8 + 0,35 X (1 - 0.8) = 1,87
Le coefficient en énergie primaire vaut déjà environ 1,9 dès lors que la puissance Q0 est égale à la puissance de combustion QCOmb-
On remarque donc que le coefficient en énergie primaire de la motopompe 1 à chaleur est d'autant plus élevé que la puissance frigorifique est supérieure à la puissance de combustion. Afin d'agir sur la puissance de combustion, il est nécessaire que la puissance du moteur thermique soit variable. La puissance de combustion peut alors être adéquatement ajustée afin d'être suffisamment inférieure à la puissance frigorifique dans l'optique d'améliorer les performances énergétiques de la moto-pompe 1 à chaleur.
Les modes de réalisations présentés sur les figures, illustrent un agencement de la moto-pompe 1 à chaleur permettant de récupérer environ 80% de l'énergie disponible sur le moteur 7 thermique. L'énergie disponible sur le moteur 7 thermique correspond à l'énergie récupérée en refroidissant le moteur 7 thermique et à l'énergie récupérée sur les gaz d'échappement. Le rendement mécanique du moteur 7 thermique est d'au moins 0,3 et le coefficient de performance de la pompe 2 à chaleur est compris entre 2 et 10.
Dans ce qui suit, il sera illustré numériquement à l'aide d'un exemple concret, les proportions entre la puissance délivrée au condenseur QK et les puissances thermiques récupérées sur le moteur thermique lorsque la puissance frigorifique Q0 est supérieure à la puissance de combustion QCOmb- Pour les calculs, on prendra Rméca de 0,35 et Rth de 0,8. Le CEP de la moto-pompe 1 à chaleur est de l'ordre de 2, c'est-à- dire en pratique que l'énergie primaire nécessaire est divisée par deux.
Nous prendrons comme exemple une température t-ι de 30°C, une température t2 de 60°C, une température t3 de 70°C et une température t4 de 120°C. Dans cette configuration, le fluide entrant dans l'évaporateur 3 est à 60°C et il en ressort refroidi à 30°C. En parallèle, le restituteur 21 de chaleur remonte la température sur un écart de 50°C. Le fluide y entre à 70°C et en ressort réchauffé à 120°C.
Sur la base des températures ti, t2, t3 et t4 précédemment définies, le fluide frigorigène dans la pompe 2 à chaleur varie entre 28°C et 58°C pour refroidir les eaux usées de 60°C à 30°C. La température moyenne d'évaporation du fluide frigorigène dans l'évaporateur 3 se situe à environ 43°C.
La puissance récupérée Qrec dans la boucle 18 caloportrice correspond à la somme de la puissance disponible au condenseur 4 QK, de la puissance de refroidissement dans le récupérateur 11 moteur et ci- après dénommée Qref et de la puissance disponible dans le récupérateur 17 échappement QeCh qui s'exprime en fonction du rendement thermique Rth- La répartition thermique dans la boucle 18 caloportrice s'établit donc comme suit :
Qrec = QK + Qref + Rth X Qech avec QK = Q0 + W on a,
Qrec = Q0 + W + Qref + Rth X Qech et sachant que W = Qcomb x ffméca,on obtient
Qrec = Qo + Qcomb x Rméca + Çre/ + ^th x Çech en remplaçant Ç0 par son expression en fonction de Qcomb ϋ vient,
Qrec = [COPsys— Rth— Rméca X (1— Rth)] x Qcomb + Qcomb x Rméca + Çre/ + ^th x Çech
Il est important de noter qu'avec un CEP d'environ 2 (précisément 1,87), un rendement thermique Rth de 0,8 et un rendement mécanique de 0,35 la puissance disponible au condenseur QK est largement dominante sur les autres. Elle correspond à environ 80% de l'énergie thermique fournie à la boucle 18 caloportrice. Le deux dernières à savoir Qref et QeCh vont respectivement représenter 8% et 12%.
La boucle 18 caloportrice permet un réchauffement de 50°C. En vertu des pourcentages déclinés dans le paragraphe précédent, il peut en être déduit que le condenseur 4 permet une montée en température de 40°C, de 70°C à 110°C, le récupérateur 11 moteur contribue à hauteur de 8% soit 4°C, de 110°C à 114°C et enfin le récupérateur 17 échappement apporte 12%, soit 6°C de 114°C à 120°C.
La température moyenne de condensation du fluide frigorigène de la pompe 2 à chaleur est d'environ 92°C ce qui correspond à un écart de température avec l'évaporateur 3 de 39°C. A partir de là, le coefficient de performance de la pompe 2 à chaleur est déterminé de la façon suivante avec la méthode de Carnot :
273 + 92
C0P?AC = -^— Toutefois le rendement des compresseurs dans le commerce se situe à hauteur de 0,6 environ. Le coefficient de performance réel de la pompe 2 à chaleur est donc de :
COPPAC = 7,45 X 0,6 = 4,47
En reprenant la formule du coefficient en énergie primaire de la moto- pompe 1 à chaleur en fonction de celui de la pompe à chaleur, on obtient :
CEP = 0,35 X 4,47 + 0,8 X (1 - 0,35) = 2,08 En reprenant la formulation de la puissance récupérée on a :
Qrec = [CEP— Rtfl— Rméca X (1— Rth)] x Qcomb + Qcomb x Rméca + Qref + Rth X Qech avec Qecfi — Rméca x Qcomb
Dans une pompe 2 à chaleur dont le compresseur 5 est actionné par un moteur thermique, la répartition typique de la puissance thermique en fonction de la puissance de combustion QCOmb est comme suit : environ 35% provient du travail mécanique, 20% de la puissance de refroidissement Qref (valeur mesurée en régime permanent pour un moteur thermique), 35% de l'échappement et enfin 10% des pertes par rayonnement et de la chaleur transmise à l'huile moteur.
Qrec 1,21. Qcomb 0,35. Qcomb 0,2. Qcomb 0,28. Qcomb Qrec 1,56. Qcomb 0,48. Qcomb 2,04. Qcomb
Le condenseur 4 contribue ici à hauteur de 76% et l'ensemble récupérateur 11 moteur et récupérateur 17 échappement contribue à hauteur de 24% dans la puissance totale récupérée.
Il est important de noter que 23% de l'énergie disponible au condenseur 4 provient de l'énergie mécanique du moteur 7 thermique. Le reste provient de l'évaporateur 3 (de la source de froid) à hauteur de 77%.
0,77 X 1,56 ÷ 2,04 = 0,589 L'évaporateur 3 contribue donc précisément à hauteur de 59% de la puissance thermique totale récupérée ce qui correspond à Q0. La puissance restante soit 41%, provient de la puissance thermique QCOmb (récupérée sur les gaz d'échappement et sur le circuit de refroidissement du moteur thermique). Cela permet d'obtenir au niveau du circuit 24 de recyclage une température t4 de 120°C avec une utilisation en moyenne à 95°C et ce à partir d'eaux grises disponibles dans l'évaporateur à une température moyenne de 43°C.
De cette manière, on a vérifié qu'avec les paramètres fournis à savoir les températures ti, t2, t3, t4, et les rendements Rth et Rméca, ainsi que le COPPAC, la valorisation de l'énergie primaire se fait avec un facteur 2 et la puissance extraite à la source froide est supérieure à la puissance fournie par le combustible. Les différents ratios établis permettent une régulation fine de la moto-pompe à chaleur et permettent d'atteindre les plus hautes efficacités énergétiques.
Afin de faire varier la vitesse de rotation du moteur 7 thermique (et du compresseur 5 de la pompe 2 à chaleur), la moto-pompe à chaleur 1 comprend avantageusement une unité de contrôle informatique (non représentée sur les figures). L'unité de contrôle informatique est équipée d'un programme informatique définissant une stratégie de contrôle commande de la moto-pompe à chaleur 1 . La stratégie peut être basée sur plusieurs facteurs différents, l'un d'entre eux peut consister à rendre la puissance récupérée au niveau de la boucle 18 caloportrice proportionnelle à la puissance de combustion. Le programme informatique peut faire varier la vitesse rotation du moteur 7 thermique de sorte que la puissance de combustion soit modulable entre 30% et 100% de la puissance totale de combustion disponible. Il s'en déduit alors une règle de croissance ou de décroissance de la vitesse du moteur 7 thermique qui entraînera celle du compresseur 5 et donc celle de la puissance frigorifique. Un procédé basé sur une telle loi de commande de la vitesse de rotation du moteur 7 thermique permet avantageusement de dégager une efficacité énergétique optimisée. De manière avantageuse, la pompe 2 à chaleur est munie d'une sonde de température et d'une sonde de pression (non représentées sur les figures) à l'amont et à l'aval de l'évaporateur 3 dans la pompe 2 à chaleur. Les températures et pressions mesurées permettent à partir d'abaques données pour un fluide frigorigène donné, de déterminer l'enthalpie du fluide frigorigène à l'amont et à l'aval de l'évaporateur 3. La pompe 2 à chaleur est également munie d'une sonde de débit volumique afin de mesurer le débit volumique du fluide frigorigène dans la pompe 2 à chaleur. A partir du débit volumique, l'unité de contrôle calcule le débit massique en multipliant par la masse volumique du fluide frigorigène laquelle est évidemment connue à une température donnée. L'unité de contrôle détermine alors avec précision la puissance frigorifique disponible dans l'évaporateur 3 en faisant le produit du débit massique de fluide frigorigène par l'écart d'enthalpie entre l'amont et l'aval de l'évaporateur 3.
La puissance de combustion est déterminée en faisant le produit de la quantité de carburant injecté dans le moteur 7 thermique par le pouvoir calorifique supérieur ou inférieur du carburant.
1er Mode de réalisation Sur la figure 1 est représenté une moto-pompe à chaleur 1 telle que décrite précédemment dans la partie commune aux différents modes de réalisation.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figue 1, la boucle 18 caloportrice traverses successivement le condenseur 4, le récupérateur 11 moteur, le récupérateur 17 échappement et le restituteur 21.
Le récupérateur 17 d'échappement est celui où la température est la plus élevée. C'est la raison pour laquelle le récupérateur 17 d'échappement est positionné en fin de parcours, juste avant le restituteur 21. En effet, le recyclage de la chaleur est meilleur lorsque le fluide caloporteur circule successivement à travers des échangeurs dont la température est croissante. L'inverse ne serait que pure perte. A travers ce raisonnement, il est avantageux que le récupérateur 11 moteur et le récupérateur 17 d'échappement fonctionnent à contre- courant. De cette manière le fluide caloporteur le plus froid est en contact avec la partie des récupérateurs 11, 17 la plus froide et inversement en fin de parcours du fluide caloporteur dans le les récupérateurs 11, 17. 2ème Mode de réalisation
La figure 2 illustre une variante de la boucle 18 caloportrice. Le récupérateur 11 moteur est positionné avant le condenseur 4. Le fluide caloporteur en provenance du restituteur 21 est donc tout d'abord réchauffé avant de rejoindre le condenseur 4 puis le récupérateur 17 échappement.
Ceci implique que le récupérateur 11 moteur est à une température inférieure à celle du condenseur 4. On voit toute l'importance d'une récupération ordonnée de la chaleur dans le sens croissant des températures pour une moto-pompe à chaleur. 3ème Mode de réalisation
Sur la figure 3, la boucle 18 caloportrice est identique au premier mode de réalisation. La différence réside dans le fait qu'un échangeur 27 résiduel est ajouté de sorte à capter la chaleur résiduelle des gaz d'échappement à la sortie de l'échangeur 13 d'échappement. L'échangeur 27 résiduel délivre la chaleur à un récupérateur 28 résiduel situé entre l'évaporateur 3 et le compresseur 5 de la pompe 2 à chaleur. En sortie de l'évaporateur 3, le fluide frigorigène est réchauffé grâce au récupérateur 28 résiduel avant d'être comprimé dans le compresseur 5. Cet agencement n'est toutefois intéressant que si la température des gaz d'échappement dans l'échangeur 27 résiduel est supérieure à la température du fluide frigorigène sortant de l'évaporateur 3.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé dé récupération d'énergie thermique d'une moto-pompe (1) à chaleur équipée d'une pompe (2) à chaleur dans laquelle circule un fluide frigorigène, la moto-pompe (1) à chaleur comprenant :
un évaporateur (3) relié à une source chaude,
un condenseur (4) relié à une source froide,
un compresseur (5),
une vanne (6) de détente,
- un moteur (7) thermique couplé mécaniquement au compresseur (5) pour l'entraînement de celui-ci, le moteur (7) thermique comprenant une sortie des gaz d'échappement issus de la combustion,
un système (8) de refroidissement du moteur (7) thermique, comprenant un échangeur de chaleur dit récupérateur (11) moteur,
un récupérateur de chaleur des gaz d'échappement dit récupérateur (17) échappement,
la moto-pompe (1) à chaleur définissant au moins une boucle (18) caloportrice dans laquelle circule un fluide caloporteur destiné à prélever la chaleur du condenseur (4), du moteur (7) thermique et des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le condenseur (4), le récupérateur (11) moteur et le récupérateur (17) échappement sont disposés en série, la boucle (18) caloportrice traversant le condenseur (4), le récupérateur (11) moteur et le récupérateur (17) échappement, le procédé comprenant les étapes suivantes :
prélèvement de la chaleur dans le condenseur (4),
prélèvement de la chaleur dans le récupérateur (11) moteur, prélèvement de la chaleur dans le récupérateur (17) d'échappement,
restitution de la chaleur prélevée dans un restituteur (21) de chaleur que la boucle (18) caloportrice traverse,
et en ce que la moto-pompe (1) à chaleur comprend une unité de contrôle comprenant un programme informatique agencée pour :
- déterminer la puissance de la combustion dans le moteur (7)
thermique, déterminer la puissance frigorifique disponible à l'évaporateur (3),
moduler la vitesse de rotation du moteur (7) thermique de telle sorte que la puissance frigorifique soit numériquement supérieure à la puissance de la combustion.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé comprend le contrôle de la vitesse du moteur (7) thermique de sorte que la puissance de combustion puisse être modulée entre 30% et 100% de la puissance maximale de combustion disponible.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance de la combustion est calculée en fonction de la quantité de carburant injectée et du pouvoir calorifique inférieur ou supérieur du carburant.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comprend une :
opération de mesure de la température du fluide frigorigène de la pompe (2) à chaleur à l'amont de l'évaporateur (3) au moyen d'une sonde de température positionnée à l'amont de l'évaporateur (3),
opération de mesure de la pression du fluide frigorigène de la pompe (2) à chaleur à l'amont de l'évaporateur (3) au moyen d'une sonde de pression positionnée à l'amont de l'évaporateur (3).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le procédé comprend une :
- opération de mesure de la température du fluide frigorigène de la pompe (2) à chaleur à l'aval de l'évaporateur (3) au moyen d'une sonde de température positionnée à l'aval de l'évaporateur (3),
- opération de mesure de la pression du fluide frigorigène de la pompe (2) à chaleur à l'aval de l'évaporateur (3) au moyen d'une sonde de pression positionnée à l'aval de l'évaporateur (3).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le procédé comprend une opération de détermination de l'enthalpie à l'amont et à l'aval de l'évaporateur (3) du fluide frigorigène à partir d'abaques données pour un fluide frigorigène donné en fonction des pressions et températures mesurées.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le procédé comprend une opération de calcul de la puissance frigorifique dans l'évaporateur (3) en faisant le produit du débit massique du fluide frigorigène par l'écart d'enthalpie du fluide frigorigène entre l'amont et l'aval de l'évaporateur (3).
8. Moto-pompe (1) à chaleur équipée d'une pompe (2) à chaleur dans laquelle circule un fluide frigorigène, comprenant :
- un évaporateur (3) relié à une source chaude,
- un condenseur (4) relié à une source froide,
- un compresseur (5),
- une vanne (6) de détente,
- un moteur (7) thermique couplé mécaniquement au compresseur (5) pour l'entraînement de celui-ci, le moteur (7) thermique comprenant une sortie des gaz d'échappement issus de la combustion,
- un système (8) de refroidissement du moteur (7) thermique, comprenant un échangeur de chaleur dit récupérateur (11) moteur,
- un récupérateur de chaleur des gaz d'échappement dit récupérateur (17) échappement,
la moto-pompe (1) à chaleur définissant au moins une boucle (18) caloportrice dans laquelle circule un fluide caloporteur destiné à prélever la chaleur du condenseur (4), du moteur et des gaz d'échappement, caractérisée en ce que le condenseur (4), le récupérateur (11) moteur et le récupérateur (17) échappement sont disposés en série, la boucle (18) caloportrice traversant le condenseur (4), le récupérateur (11) moteur et le récupérateur (17) échappement, et en ce que la moto-pompe (1) à chaleur comprend une unité de contrôle munie d'un programme informatique agencé pour exécuter le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
9. Moto-pompe (1) à chaleur selon la revendication 8, caractérisée en ce que celle-ci comprend :
- une sonde de température,
- une sonde de pression, et
- une sonde de débit,
le programme informatique étant agencé pour exécuter le procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7.
10. Utilisation d'une moto-pompe (1) à chaleur selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la moto-pompe (1) à chaleur exploite l'énergie des eaux usées des industries ou des eaux grises des habitations pour réchauffer un fluide caloporteur circulant dans un circuit (24) de recyclage.
PCT/FR2015/052884 2014-11-14 2015-10-26 Procede de recuperation d'energie thermique d'une moto-pompe a chaleur WO2016075384A1 (fr)

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