FR2484065A1 - IMPROVEMENTS ON HEAT PUMPS - Google Patents
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Abstract
Description
On sait qu'on appelle pompes à chaleur des machines thermiquesWe know that heat pumps are called thermal machines
fonctionnant de façon inversée, c'est-à-dire auxquelles on fournit de la operating in reverse, that is, to which we provide
puissance mécanique pour obtenir de la chaleur. En fait, comme ces machi- mechanical power to obtain heat. In fact, like these machi-
nes fonctionnent suivant le cycle de Carnot, leur action est double, savoir que d'une part elles transforment de la puissance mécanique en chaleur, mais que d'autre part elles prélèvent de la chaleur à une source froide pour la transférer à une source chaude, c'est-àdire qu'elles élèvent le niveau de température de la chaleur ainsi transférée, ce qui explique le nom qu'on leur a donné. Si la chaleur prélevée à la source froide est gratuite, si l'écart de température entre celle-ci et la source chaude n'est pas trop élevé et si le rendement mécanique de la machine considérée est bon, l'on peut ainsi arriver à disposer à la source chaude d'une quantité de chaleur bien supérieure à celle qui résulterait de la transformation directe en énergie thermique de l'énergie mécanique nes work according to the Carnot cycle, their action is twofold, namely that on the one hand they transform mechanical power into heat, but on the other hand they take heat from a cold source to transfer it to a hot source , that is, they raise the temperature level of the heat thus transferred, which explains the name they were given. If the heat taken from the cold source is free, if the temperature difference between it and the hot source is not too high and if the mechanical efficiency of the machine in question is good, we can thus arrive at have at the hot source a quantity of heat much greater than that which would result from the direct transformation into thermal energy of mechanical energy
appliquée à cette machine.applied to this machine.
Lorsqu'on peut disposer de l'eau d'une rivière ou d'un lac, on l'utilise avantageusement pour constituer le fluide extérieur d'apport de calories à la source froide, mais cela est rare en pratique. Aussi les pompes à chaleur usuelles sont-elles en général prévues pour employer à When it is possible to have water from a river or a lake, it is advantageously used to constitute the external fluid for supplying calories to the cold source, but this is rare in practice. The usual heat pumps are therefore generally designed to employ
cet effet l'air atmosphérique.this effect atmospheric air.
Toutefois cela pose un problème parfois gênant. La source froide d'une pompe à chaleur usuelle est en pratique constituée par un échangeur de chaleur ou "évaporateur" dans lequel un fluide caloporteur approprié (fréon en général) s'évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur utilisé (eau ou air) qui évidemment se refroidit au passage. Dans le cas o le fluide extérieur de source froide est constitué par de l'air ambiant, ce refroidissement peut entraîner un phénomène de condensation. Aussi longtemps que la surface de l'évaporateur exposée à l'air reste supérieure However, this poses a sometimes annoying problem. The cold source of a conventional heat pump is in practice constituted by a heat exchanger or "evaporator" in which a suitable heat transfer fluid (freon in general) evaporates by absorbing the heat of the external fluid used (water or air) which obviously cools down. In the case where the external cold source fluid consists of ambient air, this cooling can cause a phenomenon of condensation. As long as the surface of the evaporator exposed to the air remains larger
à 00C, l'eau ainsi condensée s'écoule et peut être évacuée sang difficulté. at 00C, the water thus condensed flows and can be evacuated without difficulty.
Mais au-dessous de cette limite, il y a givrage. La surfaée en question se' But below this limit, there is icing. The skin in question is
recouvre d'une couche adhérente de givre qui l'isole en réduisant considé- covers with an adherent layer of frost which insulates it by reducing considerably
rablement le coefficient d'échange et en abaissant par conséquent la température de vaporisation du fluide caloporteur, ce qui diminue à son tour les performances de la machine. Par ailleurs le givre gêne plus ou moins le passage du courant d'air, onî-gissant ainsidans le même sens défavorable que l'isolation de l'évaporateur. Il est donc indispensable de procéder de temps à autre à une opération de dégivrage, en prenant soin à ce que l'énergie ainsi dépensée ne diminue pas de manière trop sensible le the exchange coefficient and consequently lowering the vaporization temperature of the heat transfer fluid, which in turn decreases the performance of the machine. In addition, the frost more or less obstructs the passage of the air current, thus sliding in the same unfavorable direction as the insulation of the evaporator. It is therefore essential to carry out a defrosting operation from time to time, taking care that the energy expended does not decrease too significantly the
bilan énergétique final.final energy balance.
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contact des deux éléments tels que 7a, 7b. contact of the two elements such as 7a, 7b.
Le fréon liquide sous pression sortant de chacun des éléments 7a, 7b est amené par une canalisation 12a, 12b à un mano-détendeur 13a, 13b à partir duquel il parvient sous pression réduite par une canalisation 14a, 14b à un évaporateur 15a, 15b agencé de manière à pouvoir être traversé par un courant d'air de réchauffage. Chacun de ces évaporateurs peut par exemple être réalisé à cet effet sous la forme d'un serpentin plat ou d'un The liquid freon under pressure leaving each of the elements 7a, 7b is brought by a line 12a, 12b to a pressure reducer 13a, 13b from which it arrives under reduced pressure by a line 14a, 14b to an evaporator 15a, 15b arranged so that a stream of reheating air can pass through it. Each of these evaporators can for example be produced for this purpose in the form of a flat coil or a
faisceau tubulaire réunissant un corps d'entrée à un corps de sortie. tube bundle joining an inlet body to an outlet body.
Les deux évaporateurs 15a, 15b sont disposés à l'une et à l'autre extrémité d'une sorte de caisson tubulaire 16 à l'intérieur duquel est prévu un ventilateur réversible 17 commandé par un moteur 18 alimenté par une ligne 19, par exemple triphasée, sur laquelle est interposé un inverseur The two evaporators 15a, 15b are arranged at one and at the other end of a sort of tubular box 16 inside which is provided a reversible fan 17 controlled by a motor 18 supplied by a line 19, for example three-phase, on which is interposed an inverter
20 à actionnement électrique.20 with electric actuation.
Bien entendu le caisson 16 doit Etre à section circulaire dans le plan du ventilateur 17, mais rien n'empêche que cette section ne passe progressivement à une forme carrée ou rectangulaire vers chaque extrémité Of course the box 16 must have a circular section in the plane of the fan 17, but nothing prevents this section from gradually passing to a square or rectangular shape towards each end.
pour faciliter la réalisation des évaporateurs. to facilitate the production of evaporators.
Le fréon vaporisé dans les évaporateurs 15a, 15b est ramené aux The freon vaporized in the evaporators 15a, 15b is brought back to the
compresseurs 2a, 2b par des canalisations individuelles 21a, 21b. - compressors 2a, 2b by individual pipes 21a, 21b. -
Aux évaporateurs l5a, 15b sont associés des détecteurs individuels de givrage 22a, 22b établis sous forme de transducteurs électriques, de type connu, qui envoient leurs signaux par des lignes 23a, 23b à un microprocesseur 24. Ce dernier comporte trois sorties, savoir une première qui aboutit à l'inverseur 20 et deux autres 26a, 26b reliées aux The evaporators 15a, 15b are associated with individual icing detectors 22a, 22b established in the form of electrical transducers, of known type, which send their signals by lines 23a, 23b to a microprocessor 24. The latter has three outputs, namely a first which leads to the inverter 20 and two others 26a, 26b connected to the
contacteurs respectifs 4a et 4b.respective contactors 4a and 4b.
Le fonctionnement est le suivant En marche normale, c'est-à-dire en l'absence de givrage, les deux groupes la et lb fonctionnent simultanément, le ventilateur 17 tournant dans un sens quelconque, par exemple pour déterminer un courant d'air suivant les flèches 27. L'air extérieur entrant à une température tl traverse-l'évaporateur 15a auquel il cède de la chaleur en se refroidissant lui-même; il sort de celui-ci à une température t2 et, si l'on néglige la chaleur dégagée par le motdoientilateur 17-18, il arrive à cette même température à l'évaporateur 15b. Il réchauffe également celui-ci en se refroidissant et il sort à l'extérieur à une température t3. Pendant ce temps la chaleur de condensation du fréon dans les éléments 7a, 7b du condenseur 8 réchauffe l'eau de circulation qui sort par 10 à la température a'84065 The operation is as follows In normal operation, that is to say in the absence of icing, the two groups 1a and 1b operate simultaneously, the fan 17 rotating in any direction, for example to determine a current of air according to the arrows 27. The outside air entering at a temperature tl passes through the evaporator 15a to which it gives up heat while cooling itself; it leaves it at a temperature t2 and, if one neglects the heat given off by the motor fan 17-18, it arrives at this same temperature at the evaporator 15b. It also heats it by cooling and it goes outside at a temperature t3. During this time the heat of condensation of the freon in the elements 7a, 7b of the condenser 8 heats the circulation water which leaves by 10 at the temperature a'84065
désirée pour l'application envisagée, chauffage de locaux par exeuple. desired for the intended application, heating of premises for example.
Si la température d'entrée tl est suffisante, celle de sortie t3 est nettement supérieure à 00C et tout risque de givrage est exclu. La machine fonctionne alors comme une pompe double à cette petite différence près que la moitié qui correspond au compresseur 2b travaille avec une température d'évaporateur légèrement inférieure à celle du premier, ce qui implique un coefficient de performance un peu moindre. Mais si le courant d'air qui traverse les évaporateurs 15a, 15b comporte un débit suffisant, cette If the inlet temperature tl is sufficient, the outlet temperature t3 is significantly higher than 00C and any risk of icing is excluded. The machine then operates as a double pump with the small difference that the half which corresponds to compressor 2b works with an evaporator temperature slightly lower than that of the first, which implies a slightly lower coefficient of performance. But if the air flow passing through the evaporators 15a, 15b has a sufficient flow, this
différence est pratiquement négligeable. difference is practically negligible.
Lorsque tl, tout en restant supérieure à O0C, est inférieure à une certaine limite (par exemple 50C), t3 s'abaisse au-dessous de 00C et par conséquent, à moins que l'air ne soit particulièrement sec, le risque de givrage apparaît pour l'évaporateur 15b. Son coefficient d'échange de chaleur tend alors à diminuer, la résistance qu'il oppose au passage de When tl, while remaining above O0C, is below a certain limit (for example 50C), t3 lowers below 00C and therefore, unless the air is particularly dry, the risk of icing appears for evaporator 15b. Its heat exchange coefficient then tends to decrease, the resistance it opposes to the passage of
l'air à augmenter et le coefficient de performance dé la machine à s'abais- the air to increase and the performance coefficient of the lowering machine
ser. Mais aussitôt que la couche de givre a atteint une épaisseur notable, le détecteur 22b fonctionne et alerte le micro-processeur 24. Celui-ci est ser. But as soon as the layer of frost has reached a noticeable thickness, the detector 22b operates and alerts the microprocessor 24. This is
programmé de manière à inverser alors le ventilateur 17-18 par l'in- programmed so as to then reverse fan 17-18 by the
verseur 20 et à arrêter le groupe lb par le contacteur 4b. pourer 20 and to stop group lb by contactor 4b.
On passe alors à une phase de dégivrage au cours de laquelle le groupe la fonctionne seul, tandis que l'air circule dans le caisson 16 suivant les flèches en pointillé 28. Cet air entre alors à la température extérieure tl, soit par exemple 4 C; il traverse l'évaporateur 15b, alors au repos, sans céder de la chaleur au fluide caloporteur qui n'y circule plus et en faisant simplement fondre progressivement la couche de givre, ce qui n'abaisse que faiblement sa température. Il arrive ainsi à l'évaporateur a, toujours en action, à une température peu inférieure à celle d'entrée We then pass to a defrosting phase during which the group operates alone, while the air circulates in the box 16 according to the dotted arrows 28. This air then enters at the outside temperature tl, for example 4 C ; it crosses the evaporator 15b, then at rest, without yielding heat to the heat transfer fluid which no longer circulates there and by simply gradually melting the layer of frost, which only slightly lowers its temperature. It thus arrives at the evaporator a, always in action, at a temperature slightly lower than that of entry
(par exemple à 30C). Il lui cède la chaleur nécessaire à assurer l'évapora- (for example at 30C). It gives it the heat necessary to provide the evaporator
tion du fréon et il sort à une température encore supérieure à 00C (par tion of the freon and it comes out at a temperature even higher than 00C (by
exemple à 1'C), sans par conséquent provoquer la formation de givre. example at 1'C), without consequently causing the formation of frost.
Dès que le détecteur 22b a détecté la disparition du givre, il envoie un signal au micro-processeur 24 qui remet en marche le groupe lb sans réinverser le ventilateur 17-18. On revient ainsi à peu près aux conditions initiales de fonctionnement, avec cette différence toutefois que le courant d'air est inversé et que c'est par conséquent l'évaporateur a qui reçoit l'air à la température t2 et qui comporte le risque de givrage. Quand ce risque se réalise, le détecteur 22a entre en jeu et il alerte le micro-processeur qui arrête le groupe la et inverse le ventilateur As soon as the detector 22b has detected the disappearance of the frost, it sends a signal to the microprocessor 24 which restarts the group lb without reversing the fan 17-18. We thus return roughly to the initial operating conditions, with the difference however that the air flow is reversed and that it is therefore the evaporator a which receives the air at temperature t2 and which involves the risk of icing. When this risk occurs, the detector 22a comes into play and it alerts the microprocessor which stops the group and reverses the fan
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17-18. Il y a à nouveau dégivrage et lorsque celui-ci est terminé, le micro-processeur 24 remet en marche le groupe la en ramenant ainsi tout 17-18. There is again defrosting and when this is finished, the microprocessor 24 restarts the group 1a thereby bringing all
l'ensemble exactement aux conditions initiales sans aucune exception. the whole exactly at the initial conditions without any exception.
La machine fonctionne donc alors sans arrêt, sans intervention d'une énergie additionnelle pour assurer le dégivrage, avec seulement des périodes relativement courtes pendant lesquelles l'un des groupes est à The machine therefore operates without stopping, without the intervention of additional energy to ensure defrosting, with only relatively short periods during which one of the groups is at
l'arrêt, la puissance étant momentanément réduite de moitié. stopping, the power being temporarily halved.
Si la température extérieure tl continue à diminuer, la durée des phases de dégivrage augmente et il arrive un moment o l'évaporateur qui se trouve seul en action pendant l'une de celles-ci givre avant que l'autre ne soit complètement dégivré. En pareil cas les deux détecteurs 22a et 22b envoient simultanément un signal de givrage au micro-processeur 24. Celui-ci répond en arrêtant les deux groupes et l'on peut alors mettre en état de fonctionnement un système approprié de dévivrage. En variante le micro-processeur 24 peut être programmé pour déclencher If the outside temperature tl continues to decrease, the duration of the defrosting phases increases and there comes a time when the evaporator which is alone in action during one of them frost before the other is completely defrosted. In such a case, the two detectors 22a and 22b simultaneously send an icing signal to the microprocessor 24. The latter responds by stopping the two groups and it is then possible to put an appropriate defrosting system into operating state. Alternatively the microprocessor 24 can be programmed to trigger
lui-même de telles opérations de dégivrage et pour en surveiller l'exé- itself such defrosting operations and to monitor the exe
cution grâce aux détecteurs 22a, 22b qui lui envoient leur information en permanence. Fig. 2 indique en vue partielle une forme d'exécution dans laquelle on utilise deux condenseurs séparés 8a, 8b comportant chacun un élément ou serpentin 7a, 7b traversé par le fréon et une chambre à eau Ila, llb, ces deux chambres étant montées en parallèle entre les canalisations 9 et 10, mais avec interposition de vannes électromagnétiques 29a, 29b dont les cution thanks to detectors 22a, 22b which send them their information permanently. Fig. 2 indicates in partial view an embodiment in which two separate condensers 8a, 8b are used, each comprising an element or coil 7a, 7b traversed by the freon and a water chamber Ila, llb, these two chambers being mounted in parallel between lines 9 and 10, but with the interposition of electromagnetic valves 29a, 29b, the
entrées de commande sont reliées aux lignes de sorties 26a, 26b du micro- control inputs are connected to the output lines 26a, 26b of the micro-
processeur 24. L'agencement est tel que lorsqu'un groupe, tel par exemple processor 24. The arrangement is such that when a group, such for example
que lb (fig. 1), est arrêté par le microprocesseur 24, la vanne correspon- that lb (fig. 1), is stopped by microprocessor 24, the corresponding valve
dante, telle que 29b, soit fermée. Il en résulte que lors du fonctionnement d'un groupe unique, seul intervient le condenseur élémentaire correspondant (soit 8a dans l'exemple précité). Pour le débit d'eau traversant la chambre lia de ce condenseur, la température de sortie est plus basse que lors du fonctionnement des deux groupes avec demi-débit dans chaque condenseur élémentaire. Le coefficient de performance du groupe seul en fonctionnement (groupe la) est ainsi amélioré, ce qui compense en partie dante, such as 29b, is closed. It follows that during the operation of a single group, only the corresponding elementary condenser intervenes (ie 8a in the aforementioned example). For the water flow through the chamber 11a of this condenser, the outlet temperature is lower than during the operation of the two groups with half-flow in each elementary condenser. The coefficient of performance of the group alone in operation (group la) is thus improved, which partially compensates
l'arrêt de l'autre groupe (lb).the stop of the other group (lb).
En variante on pourrait agencer les choses de façon que lorsqu'un groupe fonctionne seul le condenseur correspondant continue à ne recevoir que la moitié du débit d'eau correspondant au fonctionnement des deux groupes. On pourrait par exemple remplacer les vannes 29a, 29b par deux pompes de circulation individuelles commandées par les lignes 26a, 26b, As a variant, it could be arranged so that when a group operates alone, the corresponding condenser continues to receive only half the water flow corresponding to the operation of the two groups. One could for example replace the valves 29a, 29b by two individual circulation pumps controlled by the lines 26a, 26b,
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des clapets anti-retour empêchant le condenseur qui correspond à la pompe check valves preventing the condenser which corresponds to the pump
arrêtée de fonctionner comme dérivation court-circuitant l'autre. stopped operating as a bypass shorting the other.
Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a It should also be understood that the above description has not
été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. C'est ainsi, par exemple, que l'invention est applicable au cas o le fluide extérieur de source froide est constitué par de l'eau à une température assez basse pour qu'il risque de se former de la glace sur les évaporateurs. Elle s'applique aussi aux pompes qui n'utilisent pas le phénomène de liquéfaction et d'évaporation du fluide caloporteur intérieur en mettant en oeuvre la compression et la détente d'un gaz non liquéfiable aux températures en cause à la source chaude. has been given only by way of example and that it in no way limits the field of the invention from which one would not depart by replacing the execution details described by all other equivalents. Thus, for example, the invention is applicable to the case where the external cold source fluid consists of water at a temperature low enough that it risks forming ice on the evaporators. It also applies to pumps which do not use the phenomenon of liquefaction and evaporation of the internal heat transfer fluid by implementing the compression and expansion of a non-liquefiable gas at the temperatures in question at the hot source.
R E V E ND I C AT I 0 N SR E V E ND I C AT I 0 N S
1. Pompe à chaleur, du genre comprenant un groupe moto-compresseur, un condenseur refroidi par un fluide extérieur de source chaude évacuant les calories de la pompe, et un évaporateur qui prélève des calories à partir d'un fluide extérieur de source froide, caractérisée en ce qu'elle comprend deux pompes élémentaires dont les évaporateurs (15a, 15b) sont disposés en série sur un même courant de fluide extérieur de source froide, tandis qu'il est prévu d'une part des moyens (17, 18) pour faire circuler ce fluide à volonté dans un sens ou dans l'autre, d'autre part des moyens (22a, 22b, 24) qui, lorsque l'évaporateur qui se trouve situé en aval sur le courant dudit fluide est recouvert de givre ou glace, arrêtent le groupe correspondant, inversent le sens de circulation de ce fluide (flèches 27, 28) puis, lorsque l'évaporateur du groupe ainsi arrêté a été débarrassé de la glace ou givre, remettent en marche ce 1. Heat pump, of the type comprising a motor-compressor unit, a condenser cooled by an external hot source fluid evacuating the calories from the pump, and an evaporator which takes calories from an external cold source fluid, characterized in that it comprises two elementary pumps, the evaporators (15a, 15b) of which are arranged in series on the same stream of external cold source fluid, while on the one hand means (17, 18) are provided to circulate this fluid at will in one direction or the other, on the other hand means (22a, 22b, 24) which, when the evaporator which is located downstream on the stream of said fluid is covered with frost or ice, stop the corresponding group, reverse the direction of circulation of this fluid (arrows 27, 28) then, when the evaporator of the group thus stopped has been cleared of ice or frost, restart this
groupe sans alors modifier le sens de circulation du fluide. group without changing the direction of fluid flow.
2. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide extérieur de source froide est constitué à la façon connue 2. Heat pump according to claim 1, characterized in that the external cold source fluid is constituted in the known manner
par l'air atmosphérique.by atmospheric air.
3. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide extérieur de source chaude est constitué à la façon connue 3. Heat pump according to claim 1, characterized in that the external hot source fluid is constituted in the known manner
par de l'eau.with water.
4. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle ccmprend un condenseur unique (8) comportant une chambre (11) traversée par le fluide extérieur de source chaude et deux éléments (7a, 4. Heat pump according to claim 1, characterized in that it ccmprend a single condenser (8) comprising a chamber (11) through which the external hot source fluid and two elements (7a,
7b) dans lesquels circulent les fluides caloporteurs intérieurs correspon- 7b) in which the corresponding internal heat transfer fluids circulate
dant respectivement à l'une et à l'autre des pompes élémentaires, des respectively to one and the other of the elementary pumps,
moyens étant prévus pour que ces deux éléments soient refroidis substantiel- means being provided so that these two elements are cooled substantially-
lement dans les mêmes conditions.in the same conditions.
5. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux condenseurs (8a, 8b) correspondant chacun à une pompe élémentaire, ces deux condenseurs étant traversés en parallèle par le fluide extérieur de source chaude, tandis qu'il est prévu des moyens (24, 26a, 26b, 29a, 29b) qui, lorsqu'un groupe (la ou lb) est arrêté, arrêtent la circulation de ce fluide dans le condenseur correspondant (8a 5. Heat pump according to claim 1, characterized in that it comprises two condensers (8a, 8b) each corresponding to an elementary pump, these two condensers being traversed in parallel by the external hot source fluid, while it means (24, 26a, 26b, 29a, 29b) are provided which, when a group (la or lb) is stopped, stop the circulation of this fluid in the corresponding condenser (8a
ou 8b).or 8b).
6. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens qui, lorsque les deux évaporateurs (15a, 15b) sont tous deux givrés, arrêtent les deux groupes (la, lb) et signalent l'incident. 7. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, dans laquelle à chaque évaporateur sont associés des dispositifs de dégivrage auxiliaires, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens qui, lorsque les deux évaporateurs (15a, 15b) sont tous deux givrés, arrêtent les deux groupes (la, lb), mettent en marche les dispositifs de dégivrage, puis, quand le dégivrage est terminé, arrêtent ces dispositifs et remettent en marche ces 6. Heat pump according to claim 1, characterized in that it comprises means which, when the two evaporators (15a, 15b) are both iced, stop the two groups (la, lb) and report the incident. 7. Heat pump according to claim 1, in which each evaporator are associated with auxiliary defrosting devices, characterized in that it comprises means which, when the two evaporators (15a, 15b) are both iced, stop the two groups (la, lb), start the defrosting devices, then, when defrosting is finished, stop these devices and restart these
deux groupes.two groups.
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