FR2497931A1

FR2497931A1 - Procede de chauffage et de conditionnement thermique au moyen d'une pompe a chaleur a compression fonctionnant avec un fluide mixte de travail et appareil pour la mise en oeuvre dudit procede

Info

Publication number: FR2497931A1
Application number: FR8100847A
Authority: FR
Inventors: Alexandre Rojey; Rojey Et Claude Ramet Alexandre; Claude Ramet
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1981-01-15
Filing date: 1981-01-15
Publication date: 1982-07-16
Also published as: EP0057120B1; JPS57184860A; ATE17273T1; FR2497931B1; EP0057120A2; EP0057120A3; US4406135A; DE3268192D1

Abstract

PRODUCTION DE CHALEUR AU MOYEN D'UNE POMPE A CHALEUR COMPRENANT UN COMPRESSEUR K1, UN CONDENSEUR E3, UN DETENDEUR V1 ET UN EVAPORATEUR E1, LADITE POMPE FONCTIONNANT AVEC UN FLUIDE DE TRAVAIL MIXTE. LE FLUIDE DE TRAVAIL ENTIEREMENT CONDENSE AU CONTACT D'UN FLUIDE EXTERIEUR E3 EST SOUS-REFROIDI DANS UN ECHANGEUR E2 TANDIS QUE LA VAPORISATION DU FLUIDE DE TRAVAIL DETENDU, COMMENCEE AU CONTACT D'UN FLUIDE EXTERIEUR E1, EST POURSUIVIE DANS LEDIT ECHANGEUR E2.

Description

La présente invention concerne un procédé de chauffage et de con-

ditionnement thermique au moyen d'une pompe à chaleur à compression,

fonctionnant avec un fluide mixte de travail.

L'utilisation dans une pompe à chaleur à compression d'un fluide mixte de travail, non azéotropique, qui se vaporise ou se condense à une

pression donnée dans un intervalle de température, et non à une tempé-

rature fixe, permet d'améliorer le coefficient de performance de ladite

pompe à chaleur.

Par fluide mixte de travail, non azéotropique, on entend un mélange d'au moins deux individus capables de se vaporiser et de se recondenser dans le domaine de travail de la pompe sans former d'azéotrope entre eux,

en particulier deux individus chimiquement distincts (A) et (B) ne for-

mant pas d'azéotrope entre eux dans le domaine de travail de la pompe ou

un individu chimique (A) et un azéotrope (C) formé entre deux ou plu-

sieurs autres individus chimiques, azéotropiquement indépendant de l'in-

dividu chimique (A), ou même deux azéotropes indépendants l'un de l'au-

tre (C') et (C").

Dans un certain nombre d'applications la chaleur qui est fournie à

l'évaporateur est disponible dans un intervalle de température relative-

ment étroit, par exemple inférieur à 10 0C ou même dans certains cas in-

férieur à 5 0C, tandis que la chaleur doit être fournie au condenseur

dans un intervalle de température relativement large, par exemple supé-

rieur à 10 oC ou même dans certains cas supérieur à 15 WC.

Dans de tels cas l'utilisation d'un fluide mixte de travail qui se

condense suivant un profil de température parallèle au profil de tempé-

rature du fluide extérieur auquel la pompe à chaleur fournit de la cha-

leur et suivant un intervalle de température voisin de l'intervalle de température dans lequel évolue ledit fluide extérieur (par intervalle de température voisin d'un autre intervalle de 'température, on entend

deux intervalles dont la largeur est voisine, quels que soient les ni-

veaux thermiques auxquels ils se situent) ne conduit pas à une amélio-

ration sensible par rapport à un corps pur du fait qu'à l'évaporateur le mélange se vaporise en général suivant un intervalle de température voisin de l'intervalle de température suivant lequel il se condense et

qui, s'il est voisin de l'intervalle de température suivant lequel évo-

lue le fluide extérieur auquel la pompe à chaleur fournit de la chaleur,

est largement supérieur à l'intervalle de température suivant lequel évo-

lue le fluide extérieur sur lequel la pompe à chaleur prélève de la

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chaleur. Dans ce cas, le fluide mixte est mal adapté aux conditions dans

lesquelles il doit opérer à l'évaporateur et n'apporte pas de gain no-

table par rapport au corps pur.

Le procédé selon l'invention permet d'améliorer les Performances qui peuvent être obtenues dans un tel cas lorsque l'on utilise un fluide mixte. Il consiste à réaliser l'évaporation en au moins deux étapes dont au moins une première étape qui est effectuée er. échangeant de la chaleur avec le fluide extérieur qui constitue la source de chaleur et au moins une deuxième étape qui est effectuée en échangeant de la chaleur avec le

mélange liquide provenant de l'étape de condensation. La fraction du mé-

lange qui est vaporisée au cours de ladite deuxième étape doit être d'au moins 5 % de ce qui est vaporisé dans l'ensemble des deux étapes pour que le procédé, selon l'invention, puisse amener un gain notable et se situe pratiquement entre 5 et 40 % en fraction molaire. Le plus souvent la fraction du mélange vaporisée au cours de la première étape se situe entre 60 et 95 % en fraction molaire de ce qui est vaporisé dans les deux étapes. L'invention peut être décrite plus complètement en se rapportant au

schéma représenté sur la Figure 1, qui représente un exemple de réali-

sation du procédé selon l'invention.

Le mélange arrive en phase liquide par le conduit 1. Il est détendu à travers le détendeur Vl, est envoyé par le conduit 4 à l'échangeur El

et se vaporise partiellement dans l'échangeur El en prélevant de la cha-

leur sur un fluide extérieur qui arrive par le conduit 2 et repart par le conduit 3. Le mélange liquide-vapeur, sortant de l'échangeur El, est envoyé par le conduit 5 dans l'échangeur E2 d'o il ressort entièrement vaporisé et éventuellement surchauffé par le conduit 6. Il est comprimé dans le compresseur Kl et le mélange comprimé en phase vapeur est envoyé

par le conduit 7 à l'échangeur E3 o il se condense en cédant de la cha-

leur à un fluide extérieur qui arrive par le conduit 10 et repart par le conduit 11. Le mélange est refoulé de l'échangeur E3 par le conduit 8, puis pénètre dans le ballon Bi. Par le conduit 9, la phase liquide est envoyée à l'échangeur E2 dans lequel elle se refroidit en fournissant

la chaleur nécessaire à la fin de vaporisation et à une éventuelle sur-

chauffe du mélange arrivant par le conduit 5 et repartant par le conduit 6. Pour tirer le maximum d'avantages du procédé selon l'invention, la composition du mélange doit être sélectionnée de manière à ce que l'intervalle de température au cours de la condensation soit voisin de la

différence entre les températures d'entrée et de sortie du fluide exté-

rieur qui est chauffé au condenseur. Ainsi, par exemple, si le mélange est un mélange binaire constitué par un premier constituant majoritaire et un seccnd constituant minoritaire, on sait que l'intervalle de tempé- rature au cours de la condensation à une pression donnée augmente avec la proportion de ce second constituant et que, par conséquent, si les deux constituants ont des températures de vaporisation à l'état pur et

sous la même pression suffisamment différentes, à un intervalle de tempé-

rature donné en condensation correspond une composition bien définie. Il est également possible de choisir la composition d'un mélange de plus de

deux constituants, de manière à obtenir à une certaine pression un inter-

valle de température donne au cours de la condensation à condition d'uti-

liser des constituants qui ont des températures d'ébullition à l'état

pur et sous la même pression suffisamment différentes.

D'autre part, pour profiter au maximum des avantages du procédé se-

lon l'invention, il est désirable que le fluide de travail parvienne en-

tièrement vaporisé au compresseur. Pour cela, le détendeur Vl doit as-

surer une pression après détente telle que le mélange sorte complètement

vaporisé à la sortie de l'échangeur E2.

Cette condition fait apparaître un des avantages du procédé selon

l'invention. Il permet d'opére. avec une température de fin de vapori-

satin et une pressioc. supérieures à celles qu. seraient zéalisées dans le cas des techniques habituelles impliquant une vaporisation complète à la sortie de l'échangeur El. Il permet, d'autre part, d'entrer dans le détendeur Vl à une température beaucoup plus basse que la température à la sortie du condenseur E3 et ainsi de réduire la fraction vaporisée du fait de la détente. Il est possible ainsi de rapprocher la température de début de vaporisation du mélange de la température de bulle et ainsi

d'améliorer encore les conditions de l'échange thermique dans l'échan-

geur Et. L'augmentation de la pression à l'entrée du compresseur présente

un double ava..tage el.le permet d'améliorer le coefficiant de perfor-

mance ea réduisant le taux de compression et d'augmenter la capacité

thermique de la pompe à chaleur en réduisant le volume molaire à l'aspi-

ration.

Ce deuxième avantage est particulièrement important lorsque l'on

cherche à réduire l'investissement correspondant à une installation don-

née. Pour en bénéficier complètement il est essentiel que le fluide

mixte de travail à la sortie du condenseur E3 soit entièrement condensé.

En effet, on observe que si la condensation est opérée en partie dans l'échangeur E2, même si la fraction condensée dans l'échangeur E2 est

faible, il en résulte pour une puissance thermique donnée une augmenta-

tion du débit volumique à l'aspiration et par conséquent de la taille du compresseur necessaire. En pratique, ceci amène généralement à placer le bac de réserve BI à la sortie du condenseur E3 et ensuite à recueillir le fluide mixte de travail en phase liquide par le conduit 9 et à le

sous-refroidir dans l'échangeur E2.

o - En définitive le procédé selon l'invention est donc caractérisé en ce que: (a) on comprime le fluide mixte de travail en phase vapeur, (b) on met en contact d'échange thermique le fluide mixte comprimé provenant

de l'étape (a) avec un fluide extérieur relativement froid, et l'cn main-

tienL ce contact jusqu'à condensation sensiblement complète dudit fluide

mixte, (c) on met en contact d'échange thermique le fluide mixte sensi-

blement complètement condensé provenant de l'étape (b) avec un fluide

de refroidissement défini à l'étape (f), de manière à refroidir davan-

tage ledit fluide mixte, (d) on détend le fluide mixte refroidi provenant de l'étape (c), (e) on met le fluide mixte détendu, provenant de l'étape

(d), en contact d'échange thermique avec un fluide extérieur qui consti-

tue une source de chaleur, les conditions de contact permettant la vapo-

risation partielle dudit fluide mixte détendu, (f) on met le fluide mixte partiellement vaporisé. provenar.: de l'étape (e), en contact d'échange thermique avec le fluide mixte sensiblement complètement liquéfié envoyé à l'étape (c), ledit fluide mixte partiellement vaporisé constituant le fluide de refroidissement de ladite étape (c), les conditions de contact permettant de poursuivre la vaporisation commencée à l'étape (e), et (g) on renvoie le fluide mixte vaporisé, provenant de l'étape (f), à l'étape (a). La réalisation du procédé selon l'invention peut être effectuée de manière particulièrement simple puisqu'elle n'entraîne aucune nécessité de dérivation sur le circuit principal ni aucun organe de régulation supkpléxmentaire. Un mode de réalisation préféré comflpcrte un ou plusieurs des adaptations suivantes: 1 - Adaptation du fluide mixte à l'intervalle de température du

fluide extérieur chauffé au condenseur.

2 - Réglage de l'organe de détente (ou des organes de détente) de manière à assurer le(s) niveau(x) de pression après détente maximum, compatible(s) avec une vaporisation complète du mélange avant son entrée

dans le compresseur.

Le procédé selon l'invention s'adapte donc particulièrement bien à une pompe à chaleur utilisant l'air comme source de chaleur, que ce soit une pompe à chaleur air-air ou une pompe à chaleur air-eau. Sur la Figure 2 a été représenté un schéma de fonctionnement selon

l'invention d'une pompe à chaleur air-air, destinée au chauffage de lo-

caux, qui est illustré par l'exemple 2. Le caisson Dl, contrairement au caisson D2, est situé à l'extérieur du local à chauffer, (split system), mais il est clair que le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre

dans une installation monobloc.

Le mélange détendu est partiellement vaporisé dans l'évaporateur E4. Dans l'évaporateur E4, il circule globalement à contre-courant de

l'air extérieur (F1,F2). Cet air extérieur est aspiré à la base de l'en-

ceinte Dl par le ventilateur hélicoide VEI entrainé par le moteur élec-

trique MI et il est rejeté à l'extérieur à travers la grille de protec-

tion GP1. L'évaporateur E4 peut être constitué, par exemple, par un tube

muni d'ailettes ou d'aiguilles, de nature à améliorer l'échange et en-

roulé en spirale. Le mélange liquide-vapeur sortant de l'évaporateur E4 par le conduit 22 achève de se vaporiser dans l'échangeur E5 au contact du mélange arrivant par le conduit 21 et sort de l'échangeur E5 par le

conduit 20 à l'état surchauffé. Il passe alors dans le compresseur hermé-

tique HK1 d'o il ressort comprimé par le conduit 23. Il entre ensuite dans l'échangeur E6 dans lequel il se condense en chauffant l'air d'un local, cet air (F31F4) étant aspiré par le ventilateur centrifuge VE2 à la base de l'enceinte D2. L'échangeur E6 est formé de plusieurs batteries

distinctes qui sont parcourues en série par le mélange qui circule globa-

lement de haut en bas à contre-courant de l'air. Celui-ci est aspiré par

la gaine d'admission G2 et ressort de l'enceinte D2 par la gaine de re-

foulement G3 et circule ainsi de bas en haut. Le fluide mixte condensé ressort par le conduit 25 et il est recueilli dans le ballon 82. Le fluide mixte liquide ressort par le conduit 21 et il est sous-refroidi

dans l'échangeur E5 en chauffant le fluide mixte qui se vaporise. Il re-

part par le conduit 24 par lequel il arrive au détendeur V2, d'o il est

envoyé par le conduit 26 à l'évaporateur E4.

D'autre part, une telle installation peut prélever de la chaleur

sur de l'air extérieur, mais aussi sur de l'air extrait ou une combi-

naison d'air extérieur et d'air extrait. Dans ce dernier cas, les points

d'introduction de l'air extrait et de l'air extérieur peuvent être dif-

férents. Le procédé selon l'invention peut être également mis en oeuvre dans

une pompe à chaleur utilisant de l'air comme source de chaleur et chauf-

fant de l'eau. Dans ce cas, le condenseur de la pompe à chaleur peut être

constitué par exemple par un échangeur double tube opérant à contre-

courant. Lorsque l'intervalle de température selon lequel évolue le fluide

extérieur qui est chauffé au condenseur de la pompe à chaleur est parti-

culièrement large en comparaison de l'intervalle de température selon

lequel évolue le fluide extérieur qui sert de source de chaleur à l'éva-

porateur de la pompe à chaleur, il est possible de réduire l'intervalle

de vaporisation en réalisant l'étape de vaporisation à deux niveaux suc-

cessifs de pression. Une telle disposition est réalisée sur le schéma de fonctionnement qui est représenté sur la Figure 3 et qui est illustré

par l'exemple 3.

Le fluide mixte de travail est partiellement vaporisé à un premier niveau de pression P1 dans l'échangeur Elo, dans lequel il entre par le conduit 30 et ressort par le conduit 31; l'échange de chaleur dans E10 est effectué avec une première fraction du fluide extérieur constituant

la source froide, arrivant par le tube 43 et repartant par le tube 44.

La vaporisation du fluide mixte se poursuit dans l'échangeur Ell, dans lequel le fluide mixte entre en mélange liquide-vapeur par le conduit 31, repart par le conduit 32 et prélève la chaleur de vaporisation sur le fluide mixte liquide, qui circule à contre-courant, pénètre dans E11 par le conduit 41 et ressort par le conduit 42. Le mélange liquide-vapeur est évacué par le canal 32 dans le ballon B3, o les phases liquide et vapeur se séparent. La phase vapeur est évacuée par le tube 33 et est

aspirée, toujours à la pression P1, à un étage intermédiaire du compres-

seur K2. La disposition décrite suppose donc que la compression est ef-

fectuée en au moins deux étages.

A la sortie de B3, la phase liquide est évacuée par le conduit 34, sousrefroidie dans l'échangeur E12, puis est envoyée par le conduit 35

à travers la vanne de détente V4, o elle est détendue jusqu'à la pres-

sion basse du cycle P2, inférieure à P1. Une fois détendu dans V4, le fluide mixte est envoyé par le conduit 36 dans l'échangeur E13 et en ressort à l'état liquide vapeur par le conduit 37. L'échangeur assure la vaporisation partielle du fluide mixte à la pression P2, en prélevant

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de la chaleur sur une deuxi-Äme fraction du fluide extérieur extrait de

la source froide, arrivant par le tube 45 et ressortant par le tube 46.

La fin de la vaporisation du fluide mixte et une surchauffe éven-

tuelle est effectuée dans l'échangeur E12; le fluide mixte partiellement vaporisé entre dans El? par le tube 37, en ressort par le tube 38 et pré-

lève la chaleur nécessaire à la fin de vaporisation au liquide sous-re-

froidi qui entre par le conduit 34 et repart par le conduit 35.

Les niveaux de pression Pl et P2 obtenus à l'aide des organes de détente V3 et V4 sont fixés de manière à ce que la température du mélange

liquide vapeur à l'entrée de l'échangeur E13 soit voisine de la tempé-

rature du mélange liquide vapeur à l'entrée de l'échangeur E10. Il est clair qu'ainsi l'intervalle de température entre le début et la fin de

vaporisation est réduit. Une conséquence directe en est qu'au lieu d'a-

voir à comprimer tout le mélange vapeur à pariir du niveau de pressien 13 P2, i' est possible de comprimer une fraction de ce mélange vapeur à partir du niveau de pression intermédiaire P1 supérieur au niveau de

pression P2.

Le fluide mixte vaporisé à la pression P2 est évacué vers le pre-

mier étage du compresseur Kl par la conduite 38; il est mélangé au cours

de la compression avec le fluide mixte vaporisé à la pression P1 et as-

piré par le conduit 33. Le mélange final est refoulé de K2 par le canal

39 à la pression P3, qui est la pression haute du cycle (P3 > P1 > P2).

Il est alors désurchauffé et condensé dans l'échangeur E14, en chauffant

le fluide extérieur qui arrive a contre-courant par le conduit 47 et re-

part par le conduit 48.

Le fluide mixte, une fois condensé, est recueilli par l'intermé-

diaire du tube 40 dans le ballon de stockage B4. Le fluide mixte liquide est évacué par le tube 41, est sous-refroidi dans l'échangeur El., puis envoyé par le conduit 42 à la vanne V3. Là il est détendu jusqu'à la

pression intermédiaire du cycle P1.

Différents mélanges peuvent être utilisés, comme fluide mixte de travail, à condition de ne pas former d'azéotrope dans les conditions de fonctionnement de la pompe à chaleur. Le mélange peut être formé par exemple par ur mélange d'hydrocarbures ou d'hydrocarbures halogénés du type "Fréons", ou encore d'alcools, de cétones, d'esters, éthers, amines Il peut être avantageux, notamment pour des installations fonctionnant à des températures relativement élevées,d'utiliser un mélange d'eau et d'un constituant soluble dans l'eau, tel que l'ammoniac ou encore tel

que le méthanol.

Un domaine d'application particulièrement important du procédé se-

lon l'invention concerne les applications au chauffage de locaux et no-

tamment les pompes à chaleur équipant des habitations. L'invention s'ap-

plique également aux installations qui fonctionnent en pompe à chaleur en hiver et en conditionnement d'air en été et dans lesquelles le passage du fonctionnement "hiver" au fonctionnement "été" s'obtient par exemple en mettant en oeuvre une vanne d'inversion selon un principe bien connu en conditionnement d'air. Le procédé selon l'invention correspondant au schéma 3 est adapté à des applications du type chauffage industriel ou

collectif, dans lesquelles la variation de température du fluide de chauf-

fa-e est nettcment plus grande que le refroidissement du fluide provenant

de la source froide.

Dans les installations de chauffage ou de conditionnement de locaux,

pour des raisons de sécurité, le mélange utilisé est généralement un mé-

lange de constituants du type "Fréons". Les mélanges peuvent être ainsi formes par des mélanges binaires comportant un constituant majoritaire tel que le monochlorodifluorométhane (R-22), le dichlorofluorométhane

(R-12), le chloropentafluoroéthane (R-115) ou encore un mélange azéotro-

pique tel que le R-502, azéotrope de R-22 et de R-115 et un second cons-

tituant tel que le trichlorofluorométhane (R-11), le dichlorotétrafluoro-

éthane (R-114), le dichlorohexafluoropro.ane (R-216), le dichlorofluoro-

méthane (R-21), le monochlorotrifluorométhare (R-13), le trilluorométhare (R-23), le trifluorobromométhane (R-13B1). Des exemples spécifiques sont les suivants:

R-22 + R-11

R-22 + R-114

R-12 + R-13

R-12 + R-23

R-502 + R-114

Le réglage de l'organe de détente qui précède l'évaporateur doit être effectué en tenant compte de la composition du mélange. Dans les pompes à chaleur utilisées pour le chauffage de locaux, le détendeur est en général pourvu d'un Duibe qui contient le réfrigérant utilisé comme

fluide de travail. La pression de détente obtenue correspond à une pres-

sion telle que le même réfrigérant à la température du bulbe est sur-

chauffé de 5 à 15 0C; cette surchauffe étant réglée en jouant sur le tarage du détendeur. Le même type de détendeur peut être utilisé dans le cas d'un mélange. La pression après détente doit être toutefois réglée de manière à ce que le fluide mixte de travail ne soit que partiellement

vaporisé au cours de l'échange avec le fluide extérieur qui sert de sour-

ce de chaleur et sorte légèrement surchauffé de l'échangeur dans lequel il prélève de la chaleur sur le mélange sortant du condenseur. Ce réglage peut être effectué à la fois en jouant sur le tarage du détendeur et sur la position du bulbe ainsi que sur la nature du fluide qui remplit le bulbe qui peut être par exemple du R-22 ou du R-12. Le bulbe peut être placé en différents points et mis en équilibre de température avec le fluide mixte de travail par exemple à la fin de l'étape (e) ou à la fin

de l'étape (f) ou à la fin de l'étape (c) ou encore en un point inter-

médiaire de l'une quelconque de ces étapes.

On conçoit qu'il est possible soit d'augmenter la pression si l'on

constate que la surchauffe à la fin de l'étape (f) est excessive en dé-

plaçant le bulbe vers un point dont la température est plus élevée, soit

de diminuer la pression en déplaçant le bulbe vers un point dont la tem-

pérature est plus basse. En utilisant une telle disposition, il est pos-

sible d'obtenir un réglage automatique de la pression dans l'évaporateur

en réponse à une variation de la température extérieure.

Les conditions de fonctionnement sont choisies en général de manière à ce que la pression du mélange dans l'évaporateur soit supérieure à la pression atmosphérique et que la pression du mélange dans le condenseur

n'atteigne pas des valeurs excessives, par exemple supérieures à 30 bar.

La température d'entrée du fluide extérieur qui sert de source de chaleur est généralement supérieure à O 0C pendant au moins une partie

de la durée de fonctionnement de la pompe à chaleur au cours de l'année.

L'appareil mettant en oeuvre le procédé peut être réalisé en uti-

lisant différents équipements pour chacun des composants.

Ainsi l'échangeur dans lequel est effectuée l'étape finale de vapo-

risation qui s'effectue par échange avec le mélange sortant du conden-

seur peut être par exemple un échangeur double tube, différents types d'ailettes pouvant être introduits soit dans le ou les tubes intérieurs

et l'espace annulaire entre le ou les tubes intérieurs et le tube exté-

rieur. Dans ce cas, il pourra être avantageux de faire circuler le mé-

lange sortant du condenseur dans le ou les tubes intérieurs de manière

à obtenir des vitesses de passage plus élevées.

Ledit échangeur pourra être également constitué par un échangeur à plaques planes ou encore en spirale, la seule condition à respecter étant

de réaliser un échange qui soit le plus proche possible d'un contre-

courant pur.

Les échangeurs en contact avec les fluides extérieurs, c'est-à-dire

l'évaporateur et le condenseur, peuvent être également de type quelcon-

que à condition d'être adaptés à la nature du fluide extérieur avec le-

quel s'effectue l'échange.

Le compresseur peut être par exemple un compresseur à piston lubri-

fié du type hermétique ou du type ouvert, un compresseur a piston sec ou pour des puissances supérieures, un compresseur à vis ou un compresseur

centrifuge.

Les Figures 1, 2 et 3 qui servent à illustrer l'invention ne cons-

tituent que des schémas de principe et ne font pas mention de certains éléments secondaires pouvant faire partie des installations usuelles de

pompes à chaleur, tels que voyants, cartouche séchante, bouteille anti-

coup de liquide à l'entrée du compresseur, etc...

Les exemples suivants illustrent la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

EXEMPLE 1

L'exemple 1 est illustré par la Figure 1. La source froide est cons-

tituée par l'eau extraite d'une nappe phréatique. Cette eau, dont le dé-

bit est de 1500 1/h, arrive dans l'évaporateur El par le conduit 2 à une température de 12 OC et ressort de l'évaporateur El par le conduit 3 à une température de 5 0C. Au condenseur E3, l'eau de chauffage dont le débit est de 1000 1/h arrive par le conduit 10 à une température de 21,3

OC et ressort par le conduit 11 à une température de 34,5 OC.

Le fluide de travail est un mélange binaire dont la composition mo-

laire est la suivante: R-22 (chlorodifluorométhane): 0,94 R-11 (trichlorotrifluorométhane): 0,06 Le mélange sort de l'évaporateur El à une température de 3,5 0C. La fraction molaire vaporisée à la sortie de El est 0,86. Le mélange finit

de se vaporiser dans l'échangeur E2 à une température de 9,3 0C. On ob-

serve que l'introduction de l'échangeur E2 dans lequel le mélange sor-

tant de l'évaporateur El finit de se vaporiser et dans lequel le mélange

sortant du bac de réserve BI est sous-refroidi permet à la fois d'aug-

menter le coefficient de performance de 6,1 % et de réduire le débit

volumique à l'aspiration du compresseur de 4,4 %, par rapport à une ins-

tallation identique ne comportant pas l'échangeur E2 et fonctionnant

avec le même mélange.

EXEMPLE 2

L'exemple 2 est illustré par la Figure 2. L'évaporateur E4 reçoit un

déblt d'air extérieur de 4864 m3/h arrivant à une température de 8,3 C.

Cet air ressort à une température de 6,3 C. Le condenseur E6 permet le chauffage d'un débit de 1084 m3/h d'air provenant du local à chauffer, qui arrive sur le condenseur E6 à une température de 21,1 C et ressort

réchauffé à une température de 33,4 C.

Le fluide de travail est un mélange ternaire dont la composition mo-

* o10 laire est la suivante: R-22 (chlorodifluorométhane): 0,91 R-114 {dichlorotêtrafluoroéthane): 0,06 R-11 (trichlorofluorométhane): O,3 Le mélange sort de l'évaporateur E4 à unc température de 0,6 C. La fraction molaire vaporisée à la sortie de l'évaporateur E4 est 0,85. Le mélange finit de se vaporiser dans l'échangeur E5 à une température de ,1 C. L'introduction de l'échangeur E5 permet à la fois d'augmenter le coefficient de performance de 5,7 % et de réduire le débit volumique à l'aspiration du compresseur de 7,4 % par rapport à une installationidentique ne comportant pas l'échangeur E5 et fonctionnant avec le même mélange.

EXEMPLE 3

L'exemple 3 est illustré par la Figure 3. La source de chaleur aux évaporateurs E10 et E13 est constituée par de l'eau envoyée à 40 C et refroidie jusqu'à 33 C. La débit d'eau circulant dans les évaporateurs E10 et E13 est identique et égal à 75 m3/h. Le fluide de chauffage qui est chauffé au condenseur E14 est de l'eau qui entre dans le condenseur

E14 à une température de 45 C et qui est réchauffée jusqu'à une tempé-

rature de 82 C. Son débit est de 35 m3/h. Le fluide de travail est un mélange binaire équimolaire constitué de dichlorodifluorométhane (R-12)

et de trichlorotrifluoroéthane (R-113). Le compresseur est un compres-

seur du type centrifuge à deux étages. Le premier étage aspire le mé-

lange vapeur à une pression de 1,31 bar et le refoule à une pression in-

termédia-re de 2,49 bar. Le second étage comprime la mélange sortant du

premier étage et le mélange arrivant par le conduit 33 jusqu'à une pres-

sion finale de 6,54 bar.

Le mélange liquide sous-refroidi sortant de l'échangeur Ell par le conduit 42 commence à se vaporiser dans l'évaporateur E10. Par rapport

au débit liquide de la conduite 41 on constate que, à la sortie de l'é-

vaporateur EIO, la fraction vaporisée est de 0,4 en fraction molaire; à la sortie de l'évaporateur Ell, elle est de 0,5 en fraction molaire; à la sortie de l'évaporateur E13 la fraction vaporisée est au total de 0,9 en fraction molaire (soit 0,3 dans l'évaporateur E13). La vaporisation

s'achève complètement dans l'évaporateur E12.

L'intervalle de condensation dans l'échangeur E14 est de 39 'C alors que les intervalles de vaporisation à basse pression (vaporisation opérée dans les échangeurs E13 et E12) et à pression intermédiaire (vaporisation opérée dans les échangeurs E10 et Ell) sont voisins de 18 OC. On vérifie ainsi que la disposition schématisée sur la Figure 3 permet de récupérer de la chaleur sur un intervalle de ter.pércture beaucoup plus jéduit que l'intervalle de température suivznt lequel elle est fcurnie, en opérant des échanges de chaleur dans de bonnes conditions de réversibilité. Il s'ensuit un gain sur le coefficient de performance qui, dans l'exemple considéré, est d'environ 25 % par rapport à un cycle comprenant un seul

évaporateur et utilisant le même mélange.

Claims

REVENDICATIONS

1. - Procédé de chauffage et de conditionnement thermique au moyen d'une

pompe à chaleur à compression fonctionnant avec un fluide mixte de tra-

vail dans des conditions telles que le mélange de constituants formant le fluide mixte de travail ne forme pas d'azéotrope, caractérisé en ce que (a) on comprime le fluide mixte de travail en phase vapeur, (b) on met en contact d'échange thermique le fluide mixte comprimé provenant de l'étape (a) avec un fluide extérieur relativement froid, et l'on maintient ce contact jusqu'à condensation sensiblement complète dudit fluide mixte, (c) on met en contact d'échange thermique le fluide mixte sensiblement complètement condensé provenant de l'étape (b) avec un fluide de refroidissement défini à l'étape (f), de manière à refroidir davantage ledit fluide mixte, (d) on détend le fluide mixte refroidi provenant de l'étape (c), (e) on met le fluide mixte détendu, provenant de l'étape (d), en contact d'échange thermique avec un fluide extérieur

qui constitue une source de chaleur, les conditions de contact permet-

tant la vaporisation partielle dudit fluide mixte détendu, (f) on met le fluide mixte partiellement vaporisé, provenant de l'étape (e), en

contact d'échange thermique avec le fluide mixte sensiblement complète-

ment liquéfié envoyé à l'étape (c), ledit fluide mixte partiellement vaporisé constituant le fluide de refroidissement de ladite étape (c),

les conditions de contact permettant de poursuivre la vaporisation com-

mencée à l'étape (e), et (g) on renvoie le fluide mixte vaporisé, pro-

venant de l'étape (f), à l'étape (a).

2. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'échange de chaleur réalisé entre le fluide mixte de travail qui effectue l'étape (f) et le

fluide mixte de travail qui effectue l'étape (c) est opéré à contre-

courant.

3. - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la frac-

tion molaire du fluide mixte de travail qui est vaporisée au cours de l'étape (e) est comprise entre 60 à 95 % et celle vaporisée au cours de l'étape (f) est comprise entre 5 et 40 '%, par rapport à la quantité

totale de fluide mixte vaporisé au cours de ces deux étapes.

4. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans le-

quel l'échange de chaleur réalisé au cours de l'étape (b) est opéré à contre-courant.

5. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans le-

quel l'échange de chaleur réalisé au cours de l'étape (e) est opéré à

à contre-courant.

6. - Procédé selon l'une Quelconque des revendications 1 a 5, dans le-

quel la totalité du fluide mixte est vaporisée aux étapes (e) et (f).

7. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans le-

quel on ne vaporise que partiellement le fluide mixte aux étapes (e) et (f) et qui comprend les étapes additionnelles suivantes: (h) on sépare la fraction vaporisée de la fraction non-vaporisée et l'on renvoie la

fraction vaporisée à l'étape (a), (i) on met en contact d'échange ther-

mique la fraction non-vaporisée avec un fluide de refroidissement défini

à l'étape (1), de manière à refroidir davantage ladite fraction non-

vaporisée, (j) on détend la fraction refroidie provenant de l'étape (i), (k) on met la fraction détendue provenant de l'étape (j) en contact d'échange thermique avec un fluide extérieur, constituant une source de chaleur, les conditions de contact permettant la vaporisation partielle

de ladite fraction détendue, (1) on met la fraction partiellement vapo-

risée provenant de l'étape (k), en contact d'échange thermique avec la fraction non-vaporisée, comme indiqué à l'étape (i), ladite fraction

partiellement vaporisée constituant le fluide de refroidissement de l'é-

tape (i), les conditions de contact permettant de poursuivre la vapori-

sation commencée à l'étape (k), et (m) on renvoie la fraction vaporisée,

provenant de l'étape (1), a l'étape (a).

8. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, dans le-

quel le fluide mixte de travail est un mélange non azéotropique de cons-

tituants, choisis parmi les hydrocarbures et les hydrocarbures halogé-

nés.

9. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 8, dans le-

quel le fluide extérieur qui constitue la source de chaleur est à une

température supérieure a 0 oC pendant au moins une partie du fonction-

nement du procédé au cours de l'année.

10. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans le-

quel la composition du fluide de travail mixte est choisie de manière

que l'intervalle de température nécessité par sa condensation sensible-

ment complète de l'étape (b) soit voisin de la différence entre les températures d'entrée et de sortie du fluide extérieur relativement

froid de la même étape (b).

11. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 10, dans le-

quel on commande la pression de détente en réponse aux variations de

température à la sortie de l'étape (e), de manière A vaporiser partiel-

lement le fluide mixte de travail à l'étape (e) et à achever sa vapori-

sation à l'étape (f).

12. - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque

des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il compcrte un évapora-

teur, un échangeur de chaleur, un compresseur, un condenseur, un détendeur et un bac de réserve et des moyens pour faire circuler un fluide mixte de travail successivement dans l'évaporateur, dans un premier côté de l'échangeur, dans le compresseur, dans le condenseur, dans le bac de réserve, dans le second côté de l'échangeur, dans le détendeur puis à

nouveau dans l'évaporateur.