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"Procédé de réglage des installations de pompes de chaleur à gaz. ou d'air fonctionnant suivant le cycle constitué par la succession d'une compression, d'un abandon de chaleur, d'une détente et d'une absorption de chaleur"
Les pompes de chaleur qui "pompent" de la chaleur de façon à la porter d'une température basse à une tempéra- ture plus élevée, peuvent être construites suivant des principes différents. C'est ainsi qu'on connaît les types principaux suivants :
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a) Les pompes de chaleur à vapeur et à compression; b) les pompes de chaleur à gaz ou à air ; c) les pompes de chaleur à absorption.
Les trois types de pompes de chaleur sont utilisés principalement à la production du froid.
Car, comme on le sait, une machine à froid est éga- lement une pompe de chaleur qui retire de la chaleur d'une enceinte qu'on veut maintenir froide et qui la rend à un milieu qui se trouve à une température plus élevée. Comme la présente invention n'est re- lative qu'à la pompe de chaleur à gaz ou à air, son fonctionnement va être rappelé brièvement à l'aide de la Fig. 1 du dessin joint. Les différentes sur- faces du diagramme présentant un intérêt particulier sont définies dans le texte par l'indication entre parenthèses de la nature des hachures.
Par différence avec la pompe de chaleur à vapeur, on fait circuler, dans la pompe de chaleur à gaz ou à air, un gaz ou de l'air en circuit fermé de telle sorte que, dans le diagramme entropique (TS), il se produise le long de a-b une détente de la pression P2 à la pression P1 La baisse de tem- pérature qui se produit dans cette détente met le gaz à même d'absorber une quantité de chaleur Qo (hacnures descendant de droite à gauche) le long de b-c. Ensuite, il se produit une compression le long de c-d et enfin une perte d'une quantité de chaleur Qo + A . L (hachures horizontales) le long de d-a.
La. quantité de chaleur Qo qui a été pompée est si- tuée en-dessous de b-c, tandis que la quantité de
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chaleur qo + A . L abandonnée au milieu qui se trou- ve à une température plus élevée est située en-des- sous de a-d. La différence A L (hachures descen- dant vers la droite) des deux surfaces représente le travail mis en oeuvre, ce travail étant égal à la différence entre le travail de compression et le travail de détente. Dans ces conditions, suivant qu'on veut obtenir un refroidissement, c'est-à-dire l'extraction d'une quantité de chaleur Qo d'une en- ceinte, ou un chauffage, c'est-à-dire l'apport d'une quantité de chaleur Qo + A . L à une enceinte, on est en présence d'une machine à froid ou d'une pompe de chaleur.
Dans les installations dites de climati- sation, on peut utiliser les deux modes de fonction- nement par des changements appropriés du montage.
Dans les installations de climatisation, tout comme dans les autres applications de la pompe de chaleur, il peut se produire de fortes variations da, la quan- tité de froid ou de chaleur nécessaire, autrement dit, on peut vouloir être en mesure d'effectuer un réglage entre des limites très étendues. Il est donc très nécessaire de pouvoir modifier dans de larges limites l'importance des quantités d'air mi- ses en mouvement par la pompe de chaleur, ce qui n' est possible, dans les machines à piston, que par une variation importante de la vitesse de rotation, tandis que dans les turbo-machines, on obtient une grande faculté de réglage sans variation de la vi- tesse de rotation ou en faisant varier cette vitesse faiblement, grâce à la caractéristique relativement
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peu inclinée de la pression en fonction du volume.
Bien que les turbo-machines soient plus souples à cet égard, c'est précisément le turbo-compresseur qui comporte des limites, étant donné qu'en-dessous d'un volume déterminé, dit volume critique, il est instable et est le siège de phénomènes de pompage.
Sur la Fig. 2, ce pompage se produit par exemple au point K1 de la courbe ni de la vitesse de rota- tion, et au point K de la. courbe n2, le débit en volume v étant porté en abscisse et la pression p en ordonnée. Cette discontinuité du débit entraîne naturellement une chute brusque du rendement.
La présente invention est relative, dans ces conditions, à un procédé de réglage des pompes de chaleur à gaz ou à air qu'on peut faire fonction- ner sous des charges partielles sans diminution pra- tique au rendement. Ce procédé consiste en ce qu'on obtient la variation de la quantité de chaleur mise en oeuvre et de la chute de température par modifi- cation de l'état du fluide servant de véhicule à la chaleur. On peut obtenir ce résultat par exemple par le remplacement par un fluide présentant des constantes gazeuses différentes ou par mélange avec un tel fluide, ou en utilisant simultanément les deux moyens. Un autre moyen particulièrement avan- tageux consiste par exemple à rendre variable, dans les installations fermées, la pression à laquelle le système fonctionne.
On peut obtenir ce résultat par exemple en introduisant ou en extrayant artifi- ciellement de l'air au moyen d'une pompe à air qui est en mesure de maintenir dans le système une pres-
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sion variable lorsque le débit varie, et cela par le fait que cette pompe est chargée de remplacer les pertes d'air qui se produisent à travers les presse- étoupe ou d'évacuer l'air qui pénètre à travers les presse-étoupe,. suivant que le système fonctionne dans le vide ou dans une enceinte qui est à une pression supérieure à celle de l'ambiance.
Une installation de ce genre est représentée schémati- quement et à titre d'exemple sur la Fig. 3, dans la- quelle 1 désigne une machine à détente, 2 un absor- beur de chaleur, 3 une machine à compression, 4 un générateur de chaleur, 5 un moteur d'entraînement, 6 une pompe de charge, par exemple une machine à cellules comme sur le dessin, 7 et 8 les branche- ments de la pompe de charge sur la conduite d'aspi- ration et sur le refoulement du compresseur, 9, 10, 11 et 12 des organes d'arrêt dans la conduite d'as- piration et dans la conduite de refoulement de la pompe de charge, 1 et 11 des réseaux extérieurs contenant de la chaleur, l'un étant à basse tempé- rature et l'autre à température plus élevée.
Le mode de fonctionnement de la pompe de chaleur à gaz a été rappelé ci-dessus. Dans le cas le plus fréquent où c'est de l'air qui sert de véhicule de chaleur, la pression se règlera en ser- vice, si on ne prend aucune mesure particulière, de telle sorte que la pression de détente soit infé- rieure à la pression atmosphérique, et la pression de compression supérieure à la pression atmosphé- rique. Ces pressions prennent des valeurs qui sont
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fonction des fuites des presse-étoupe.
Si du côté basse pression il y a une fuite importante, la valeur de cette basse pression s'éloignera du vide pour se rapprocher de la pression atmosphérique, et la pression finale sera d'autant plus élevée au-dessus ae la Pression atmosphérique, tandis que si c'est du côté du refoulement qu'il y a une fuite irnpor- tante la pression du compresseur sera peu élevée au-dessus de la pression atmosphérique et le vide d'autant plus important.
Dans ces conditions, on peut aussi modifier entre certaines limites et sans pompe de charge, la pression de fonctionnement en créant en 11 et 12 des fuites artificielles qui sont en communication avec l'atmosphère. Lorsque par exemple les robinets 9 et 11 sont ouverts et les robinets 10 et 12 fer- més, du côté de l'aspiration la pression qui s'éta- blira sera de une atmosphère, tandis que dans le cas par exemple d'un taux de compression de 3 pour le compresseur 3, la pression finale sera de 3 atmos- phères absolues. Si, par contre, les robinets 10 et 12 sont ouverts et les robinets 9 et 11 fermés, la pression finale sera de une atmosphère absolue et la pression à l'aspiration de 0,35 atmosphère absolue.
On peut, naturellement, régler la pres- sion, par une ouverture plus ou moins grande des robinets 9 à 12, de façon à obtenir des valeurs comprises entre celles qui viennent d'être indiquées.
Dans ce dernier cas, le compresseur est naturellement traversé par une certaine quantité d'air aveugle, mais la quantité de cet air est d'autant plus fai-
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ble que les fuites secondaires involontaires des presse-étoupe, etc.., sont plus faibles.
On peut pousser à volonté au-delà des li- mites précitées cette variation possible de la pres- sion autour de la pression atmosphérique en utilisant une pompe de charge 6. Cette pompe aspire de préfé- rence en 8 et refoule par 11 dans l'atmosphère quand la pompe de chaleur fonctionne dans le vide, ou bien elle aspire en 12 dans l'atmosphère et refoule vers 7 quand la. pompe de chaleur fonctionne à une pression supérieure à la pression atmosphérique.
Dans ces conditions, cette modification na- turelle ou artificielle de la pression de fonctionne- ment a pour conséquence que le débit en volume restant constant, le poids de fluide mis en circulation varie en fonction de la pression, et par conséquent égale- ment la quantité de chaleur échangée dans les échan- geurs 2 et 4, étant donné que cet échange de chaleur varie pour une même vitesse à peu près proportionnel- lement au poids de gaz quand la température reste constante.
Cela constitue donc un moyen de faire va- rier entre de très larges limites la charge calorif i- que de la pompe de chaleur, le volume restant cons- tant, ce qui est très souhaitable, quand on utilise des turbo-compresseurs, en raison du volume critique, mais ce qui permet d'obtenir également dans les ma- chines à piston une élasticité recherchée qui, dans ces dernières, ne serait toutefois possible que par une variation importante de la vitesse de rotation ou par d'autres manoeuvres de réglage diminuant le rendement.
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Dans le diagramme entropique, la charge au moyen de la pompe de charge se traduit par le gra- phique de la Fig, 4. Cette figure montre les varia- tions d'état qui peuvent s'établir, sans pompe spé- ciale de charge, dans les deux cas extrêmes suivant que les fuites 7 et 8 de la Fig. 3 ont pour effet de maintenir à la valeur de la pression atmosphérique la pression d'aspiration ou la pression de refoule- ment du compresseur.
La figure hachurée de gauche correspond à la position d'ouverture des robinets 9 et 11 avec une pression d'aspiration de 1 atmosphère absolue et une pression finale égale à P2, tandis que la figure hachurée de droite correspond à l'ou- verture des robinets 10 et 12, avec la pression fi- nale de compression de 1 atmosphère absolue et la pression d'aspiration P1 Comme un système de ce ty- pe fait circuler aux différentes pressions un volu- me constant, le poids de fluide qui circule est pro- portionnel à la valeur de la pression, ce qui entras ne la variation recherchée de la quantité de chaleur échangée.
A l'aide de ce dispositif, on peut régler très simplement et avec un rendement pratiquement constant le débit d'une pompe de chaleur.C'est sur- tout le turbo-compresseur qui, en raison de ses per- tes mécaniques très faibles, conserve son rendement jusqu' à la charge la plus faible, étant donné que lorsque la vitesse et le volume restent constants, les conditions d'écoulement restent pratiquement cons- tantes. Si on combine avec une disposition de ce genre le changement de fonctionnement permettant de
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passer du chauffage au refroidissement, une pompe de chaleur chargée de cette façon et fonctionnant en installation de climatisation peut par exemple sa- tisfaire à la demande sans aucune interruption pen- dant toute l'année et avec un rendement constant, La
Fig.
5 représente ces conditions de fonctionnement par le fait que sur labscisse on a porté positive- ment la quantité de chaleur de chauff age Qo + A. L et négativement la quantité de chaleur de refroidis sement Qo,, tandis que le ¯ t produit par la pompe de chaleur apparaît en ordonnée avec le signe posi- tif lors du chauffage et avec le signe négatif lors du refroidissement. Dans le fonctionnement en dis- positif de chauffage dans la partie droite de la fi- gure, on peut par exemple ramener la puissance de chauffage presque jusqu'à zéro au point B par dimi- nution de la pression, ce point correspondant au pas sage de la période d'hiver à la période de printemps.
En été, on peut inverser la pompe de chaleur pour la faire fonctionner en réfrigérant, par exemple en intervertissant les branchements sur le réseau de l'absorbeur de chaleur et de l'appareil fournissant de la chaleur. Dans la période de transition, on commencera de nouveaw avec une faible pression de charge, donc avec un faible débit de frigories, et au fur et à mesure de l'augmentation de la tempéras ture on augmentera ce débit par une élévation de la pression.
Le moyen qui vient d'être décrit permet donc de faire varier la quantité de chaleur trans"
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portée, par exemple en laissant constants la vites- se de rotation et le taux de compression et par conséquent les températures. Or, dans les pompes de chaleur il est particulièrement important de pou- voir faire fonctionner l'installation également lors- que la différence de température diminue quand la quantité de chaleur ou de froid nécessaire est fai- ble, et de pouvoir la faire fonctionner autant que possible sans perte, en faisant varier proportion- nellement à la chute de température la puissance absorbée par la pompe de chaleur. Une telle varia- tion de la chute de température sans perte nécessite la variation du rapport P2/P2 des pressions extrêmes de fonctionnement du circuit.
Les deux moyens dé- crits ci'-après, qui font également l'objet de la présente invention, ont pour but de permettre cette variation recherchée du rapport des pressions dans les cas où il n'est pas possible d'envisager un ré- glage de la vitesse de rotation. L'un de ces moyens consiste à faire varier le degré de remplissage de la machine à détente, ce qui correspond dans les ma- chines à piston à une modification des organes d'ad- mission, ou bien, dans les turbo-machines, à la mo- dification de la section des tuyères de la turbine à détente.
Le second moyen consiste à remplacer le fluide qui est le véhicule de la chaleur par un fluide semblable d'un poids spécif ique différent, ou à mélanger au fluide existant un fluide d'un poids spécifique diff érent. Par ce moyen, on peut également modifier le rapport des pressions et par
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conséquent des températures dans les turbo-machines.