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FR3079920A1 - Machine thermodynamique de type thermofrigopompe et procede de fonctionnement - Google Patents

Machine thermodynamique de type thermofrigopompe et procede de fonctionnement Download PDF

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FR3079920A1
FR3079920A1 FR1852963A FR1852963A FR3079920A1 FR 3079920 A1 FR3079920 A1 FR 3079920A1 FR 1852963 A FR1852963 A FR 1852963A FR 1852963 A FR1852963 A FR 1852963A FR 3079920 A1 FR3079920 A1 FR 3079920A1
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Abstract

Machine thermodynamique comportant un circuit frigorigène traversant un premier échangeur de chaleur (2), un deuxième échangeur de chaleur (3) et un troisième échangeur de chaleur (4) pour faire circuler un fluide frigorigène. Un compresseur (5, 6) est monté entre une sortie du deuxième échangeur de chaleur (3) et une entrée du premier échangeur de chaleur (2). Un premier détendeur (7) est monté entre une sortie du premier échangeur de chaleur (2) et une entrée du deuxième échangeur de chaleur (3). Quatre nœuds de liaison (15, 16, 17, 18) relient différentes entrées et sortie pour définir plusieurs canaux de circulation du fluide frigorigène. Des premier et second dispositifs de commutation (10, 11, 12, 13, 19, 20) définissent sélectivement un canal montant le troisième échangeur de chaleur (4) en parallèle du premier échangeur de chaleur (2) ou montant le troisième échangeur de chaleur (4) en parallèle du deuxième échangeur de chaleur (3).

Description

MACHINE THERMODYNAMIQUE DE TYPE THERMOFRIGOPOMPE ET PROCEDE DE FONCTIONNEMENT
Domaine technique de l'invention
L'invention a pour domaine les installations de production d’énergie calorifique et frigorifique par cycle thermodynamique, pour satisfaire les besoins de chauffage, de rafraîchissement, et de production d’eau chaude sanitaire, dans les secteurs du bâtiment et de l’industrie.
Plus particulièrement, l'invention a pour domaine les machines thermodynamiques appelées thermofrigopompes, qui assurent simultanément la fourniture d’énergie calorifique à un consommateur d’énergie calorifique d’une part et la fourniture d’énergie frigorifique à un consommateur d’énergie frigorifique d’autre part.
État de la technique
Le consommateur d’énergie calorifique, appelé également consommateur de chaleur, est défini comme un ou plusieurs éléments absorbant de la chaleur par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur. La puissance calorifique transférée au consommateur est directement proportionnelle à la différence entre la température du fluide caloporteur en direction du consommateur de chaleur et la température du fluide caloporteur au retour du consommateur de chaleur. Afin d’adapter la puissance calorifique transférée au consommateur de chaleur à la valeur requise, c’est-à-dire à la demande calorifique, on régule généralement la température du fluide caloporteur en direction du consommateur de chaleur.
Le consommateur d’énergie frigorifique, appelé également consommateur de froid, est défini comme un ou plusieurs éléments absorbant de l’énergie frigorifique par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur. La puissance frigorifique transférée au consommateur est directement proportionnelle à la différence entre la température du fluide caloporteur en direction du consommateur de froid et la température du fluide caloporteur au retour du consommateur de froid. Généralement, afin d’adapter la puissance frigorifique transférée au consommateur de froid à la valeur requise, c’est-à-dire à la demande frigorifique, on régule la température du fluide caloporteur au départ vers le consommateur de froid.
Les thermofrigopompes produisent une énergie calorifique qui est transférée à l’extérieur à travers un échangeur thermique appelé échangeur condenseur, au primaire duquel a lieu la condensation d’un fluide frigorigène, et au secondaire duquel circule le fluide caloporteur véhiculant l’énergie calorifique vers le consommateur de chaud. Les thermofrigopompes produisent simultanément une énergie frigorifique qui est transférée à l’extérieur à travers un échangeur thermique appelé échangeur évaporateur, au primaire duquel a lieu l’évaporation d’un fluide frigorigène, et au secondaire duquel circule le fluide caloporteur véhiculant l’énergie frigorifique vers le consommateur de froid.
Par le principe même de fonctionnement de la machine, basé sur le cycle thermodynamique d’un fluide frigorigène, le rapport entre les puissances calorifique et frigorifique produites par la machine à un instant donné, dépend essentiellement du type de fluide frigorigène utilisé et des valeurs de température de condensation et d’évaporation du fluide frigorigène à l’instant considéré. Ces valeurs de température sont directement liées aux valeurs de température du fluide caloporteur en sortie du secondaire de l’échangeur condenseur et en sortie du secondaire de l’échangeur évaporateur. Le rapport entre les puissances calorifique et frigorifique produites par la machine à un instant donné ne peut donc pas être ajusté librement.
D’un autre côté, le rapport entre la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur et la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid, est totalement indépendant de la machine thermodynamique, peut varier à chaque instant, et peut en outre prendre n’importe quelle valeur.
Une thermofrigopompe est incapable d’adapter à chaque instant à la fois la puissance calorifique et la puissance frigorifique produites aux valeurs de puissance calorifique et frigorifique requises respectivement par le consommateur de chaleur et le consommateur de froid. Soit la machine adapte la puissance calorifique produite à la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur, et dans ce cas la puissance frigorifique produite par la machine ne correspond pas au niveau de puissance requis par le consommateur de froid. Soit la machine adapte la puissance frigorifique produite à la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid, et dans ce cas la puissance calorifique produite par la machine ne correspond pas au niveau de puissance requis par le consommateur de chaud.
On distingue alors deux modes de fonctionnement de la machine, en fonction du niveau respectif de la demande en énergie calorifique et de la demande en énergie frigorifique.
Lorsque le rapport entre les puissances calorifique et frigorifique appelées par les consommateurs est supérieur au rapport entre les puissances calorifique et frigorifique produites par la machine, la machine peut adapter la puissance calorifique produite à la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur. Cependant, elle produit une puissance frigorifique supérieure à la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid. Dans ce cas la machine fonctionne selon le mode appelé production calorifique prioritaire, la production calorifique étant alors appelée production prioritaire et la production frigorifique étant alors appelée production non prioritaire.
Inversement, lorsque le rapport entre les puissances calorifique et frigorifique appelées par les consommateurs est inférieur au rapport entre les puissances calorifique et frigorifique produites par la machine, la machine peut adapter la puissance frigorifique produite à la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid. Cependant, elle produit une puissance calorifique supérieure à la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur. Dans ce cas la machine fonctionne selon le mode appelé production frigorifique prioritaire, la production frigorifique étant alors appelée production prioritaire et la production calorifique étant alors appelée production non prioritaire.
En mode production calorifique prioritaire, une partie seulement de l’énergie frigorifique produite par la machine est effectivement fournie au consommateur de froid, et un résidu de l’énergie frigorifique produite par la machine doit être évacué vers un élément extérieur. En mode production frigorifique prioritaire, une partie seulement de l’énergie calorifique produite par la machine est effectivement fournie au consommateur de chaleur, et c’est un résidu d’énergie calorifique produite par la machine qui doit être évacué vers un élément extérieur.
Cet élément extérieur, assurant l’équilibre énergétique du système en absorbant le résidu de la production non prioritaire, qui peut être de l’énergie calorifique ou de l’énergie frigorifique, est appelé source externe.
La source externe est définie comme un ou plusieurs éléments capables d’absorber indifféremment de l’énergie calorifique ou de l’énergie frigorifique.
La source externe peut être un élément naturel, tel que l’air ambiant, la thermofrigopompe fonctionne alors selon le principe dit de l’aérothermie ; l’eau du milieu naturel, la thermofrigopompe fonctionne alors selon le principe dit de l’aquathermie ; ou le sol, la thermofrigopompe fonctionne alors selon le principe dit de la géothermie ; et peut être munie d’un ou plusieurs systèmes intermédiaires d’échange thermique.
Un premier inconvénient majeur des thermofrigopompes réside dans le fait que du côté de la production non prioritaire, le réglage de la part d’énergie produite qui doit être échangée avec la source externe n’est pas assuré par la machine elle-même. En mode production calorifique prioritaire, la totalité de l’énergie frigorifique produite par la machine est échangée avec l’extérieur à travers l’échangeur évaporateur, cette énergie étant ensuite orientée pour une partie vers le consommateur de froid et pour l’autre partie vers la source externe, à l’aide d’un circuit extérieur à la machine. En mode production frigorifique prioritaire, la totalité de l’énergie calorifique produite par la machine est échangée avec l’extérieur à travers l’échangeur condenseur. Cette énergie est ensuite orientée pour une partie vers le consommateur de chaleur et pour l’autre partie vers la source externe, à l’aide d’un circuit extérieur à la machine.
Ces circuits extérieurs, qui permettent la gestion du flux énergétique entre le consommateur non prioritaire et la source extérieure, sont souvent complexes et coûteux.
Un second inconvénient des thermofrigopompes réside dans le fait que du côté de la production prioritaire, la régulation de la température de départ du fluide caloporteur vers le consommateur est effectuée par paliers pour réaliser l’adaptation parfaite de la puissance produite à la puissance requise par le consommateur. Lors de l’adaptation par paliers, chaque palier correspond à la puissance unitaire des compresseurs de la machine, qui fonctionnent en mode tout ou rien. Or chaque démarrage ou arrêt d’un compresseur génère une variation des puissances calorifique et frigorifique produites par la machine thermodynamique, ce qui provoque une variation des températures du fluide caloporteur en sortie du secondaire de l’échangeur condenseur et en sortie du secondaire de l’échangeur évaporateur. Afin d’éviter des fluctuations trop importantes de la température de départ du fluide vers les consommateurs, dues à ces variations de puissance engendrées par le démarrage ou l’arrêt d’un compresseur, il est nécessaire d’installer un ballon tampon sur le circuit d’alimentation du consommateur de chaleur comme sur le circuit d’alimentation du consommateur de froid. Ces ballons tampons ajoutent de la complexité au circuit hydraulique, et peuvent de surcroît atteindre des volumes importants pour assurer des cycles de démarrages et d’arrêts des compresseurs suffisamment longs.
Un troisième inconvénient des thermofrigopompes réside dans le fait que du côté de la production non prioritaire, la totalité de l’énergie produite est transférée par la machine à travers un échangeur. La gestion des flux énergétiques entre le consommateur d’une part et la source externe d’autre part est réalisée par un circuit extérieur à la machine. Il est alors nécessaire que la machine produise cette énergie à un niveau de température adéquat pour que le consommateur comme la source externe puissent tous deux en absorber une partie. Ainsi en mode production calorifique prioritaire, la température du fluide caloporteur au secondaire de l’échangeur évaporateur doit être au plus égale à la plus basse des températures requises par le consommateur de froid d’une part et la source externe d’autre part.
En mode production frigorifique prioritaire, la température du fluide caloporteur au secondaire de l’échangeur condenseur doit quant à elle être au moins égale à la plus haute des températures requises par le consommateur de chaud d’une part et la source externe d’autre part. Or le rendement énergétique d’un circuit frigorigène dépend du travail fourni par les compresseurs, et donc de l’écart entre la haute pression et la basse pression dans le circuit frigorigène. La température de changement d’état d’un fluide étant directement liée à la pression de ce fluide, le rendement du circuit dépend de l’écart entre la température de condensation du fluide frigorigène lorsqu’il se trouve dans la portion de circuit à haute pression et la température d’évaporation du fluide frigorigène lorsqu’il se trouve dans la portion de circuit à basse pression. Ces températures de condensation et d’évaporation étant continuellement adaptées aux températures requises au secondaire des échangeurs condenseur et évaporateur, le rendement d’un circuit frigorigène dépend donc de l’écart entre la température au secondaire de l’échangeur condenseur et la température au secondaire de l’échangeur évaporateur. Plus cet écart est élevé et plus le rendement est bas.
La totalité de l’énergie est donc produite par la thermofrigopompe avec le niveau de température côté non prioritaire qui est le plus défavorable pour le rendement de la machine. Il n’est pas possible d’optimiser le rendement global de la machine en produisant une partie de l’énergie à destination du consommateur non prioritaire avec un rendement et une autre partie de l’énergie à destination de la source externe avec un autre rendement.
Résumé de l'invention
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes mentionnés cidessus et notamment de proposer une machine thermodynamique qui est capable d’échanger directement avec la source externe le résidu d’énergie calorifique ou frigorifique produite par la machine thermodynamique du côté de la production non prioritaire et non consommée par le consommateur correspondant, de préférence sans avoir recours à des circuits extérieurs de gestion du flux énergétique entre le consommateur et la source extérieure.
On tend à résoudre ces besoins au moyen d’une machine thermodynamique produisant simultanément de l’énergie calorifique et de l’énergie frigorifique et qui comporte :
un premier échangeur de chaleur possédant au moins un circuit primaire où circule un fluide frigorigène et au moins un circuit secondaire destiné à être parcouru par un premier fluide caloporteur, le premier échangeur de chaleur étant configuré pour condenser le fluide frigorigène ;
un deuxième échangeur de chaleur possédant au moins un circuit primaire où circule le fluide frigorigène et au moins un circuit secondaire destiné à être parcouru par un deuxième fluide caloporteur, le deuxième échangeur de chaleur étant configuré pour évaporer le fluide frigorigène ;
un troisième échangeur de chaleur possédant au moins un circuit primaire où circule le fluide frigorigène et au moins un circuit secondaire destiné à être parcouru par un troisième fluide caloporteur, le troisième échangeur de chaleur étant configuré pour évaporer ou condenser le fluide frigorigène ;
au moins un circuit frigorigène à l’intérieur duquel circule le fluide frigorigène, le au moins un circuit frigorigène connectant le premier échangeur de chaleur, le deuxième échangeur de chaleur et le troisième échangeur de chaleur ;
Le au moins un circuit frigorigène comporte :
un compresseur monté entre une sortie du deuxième échangeur de chaleur et une entrée du premier échangeur de chaleur ;
un premier détendeur monté entre une sortie du premier échangeur de chaleur et une entrée du deuxième échangeur de chaleur ;
un premier nœud de liaison reliant la sortie du compresseur à l’entrée du premier échangeur de chaleur et à un premier dispositif de commutation ;
un deuxième nœud de liaison reliant une sortie du premier échangeur de chaleur à une entrée du premier détendeur et à un deuxième dispositif de commutation ;
un troisième nœud de liaison reliant une entrée du deuxième échangeur de chaleur avec une sortie du premier détendeur et avec le deuxième dispositif de commutation ;
un quatrième nœud de liaison reliant une sortie du deuxième échangeur de chaleur à l’entrée du compresseur et au premier dispositif de commutation ;
le premier dispositif de commutation étant configuré pour définir sélectivement une première configuration ou une seconde configuration, la première configuration définissant un premier canal de circulation du fluide frigorigène reliant une première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur au quatrième nœud de liaison et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le premier dispositif de commutation depuis le premier nœud de liaison, la deuxième configuration définissant un deuxième canal de circulation du fluide frigorigène reliant le premier nœud de liaison à la première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le premier dispositif de commutation jusqu’au quatrième nœud de liaison ;
le deuxième dispositif de commutation étant configuré pour définir sélectivement une première configuration ou une seconde configuration, la première configuration définissant un premier canal de circulation du fluide frigorigène reliant le deuxième nœud de liaison à une deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le deuxième dispositif de commutation jusqu’au troisième nœud de liaison, la deuxième configuration définissant un deuxième canal de circulation du fluide frigorigène reliant la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur au troisième nœud de liaison et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le deuxième dispositif de commutation depuis le deuxième nœud de liaison ;
un second détenteur monté entre le deuxième dispositif de commutation et la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur.
Dans un développement, le second détenteur est un détendeur bidirectionnel.
Avantageusement, le compresseur comporte un premier compresseur et un deuxième compresseur montés en parallèle entre le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur, le premier compresseur étant un compresseur à vitesse de rotation variable et le deuxième compresseur étant un compresseur de type tout ou rien dont l’activation est déclenchée lorsqu’une puissance calorifique transférée à travers le premier échangeur de chaleur atteint une valeur seuil ou lorsqu’une puissance frigorifique transférée à travers le deuxième échangeur de chaleur atteint une valeur seuil.
Dans un mode de réalisation particulier, le premier détendeur est à taux d’ouverture variable et la machine comporte un circuit de commande configuré pour contrôler le taux d’ouverture du premier détendeur afin de réguler la proportion de fluide frigorigène traversant le détendeur et le deuxième échangeur de chaleur pour ajuster la puissance frigorifique transmise à travers le deuxième échangeur de chaleur ou pour contrôler le taux d’ouverture du premier détendeur afin de réguler la proportion de fluide frigorigène traversant le détendeur et le premier échangeur de chaleur pour ajuster la puissance calorifique transmise à travers le premier échangeur de chaleur
Il est avantageux de prévoir que le circuit de commande est configuré pour réguler la température du fluide caloporteur en sortie du premier échangeur de chaleur ou en sortie du deuxième échangeur de chaleur à une valeur de consigne.
Dans un autre développement, le second détendeur est à taux d’ouverture variable et le circuit de commande est configuré pour commander le rapport du taux d’ouverture du premier détendeur et du second détendeur.
Préférentiellement, la machine thermodynamique comporte un second circuit frigorigène à l’intérieur duquel circule un second fluide frigorigène, le second circuit frigorigène connectant le premier échangeur de chaleur, le deuxième échangeur de chaleur et le troisième échangeur de chaleur. Le second circuit frigorigène possède un compresseur, un premier détendeur, un premier nœud de liaison, un deuxième nœud de liaison, un troisième nœud de liaison, un quatrième nœud de liaison, un premier dispositif de commutation, un deuxième dispositif de commutation et un deuxième détendeur agencés de manière semblable à l’agencement du premier circuit frigorigène.
Dans un autre mode de réalisation particulier, la machine thermodynamique comporte un circuit de commande configuré pour définir un mode de fonctionnement dans lequel le premier et le deuxième dispositifs de commutation du premier circuit frigorigène empêchent la circulation du fluide frigorigène dans le troisième échangeur de chaleur et dans lequel le premier et le deuxième dispositifs de commutation du second circuit frigorigène empêchent la circulation du second fluide frigorigène dans le deuxième échangeur de chaleur.
Dans une configuration préférentielle, la machine thermodynamique comporte un circuit de commande configuré pour définir un mode de fonctionnement dans lequel le premier et le deuxième dispositifs de commutation du premier circuit frigorigène empêchent la circulation du fluide frigorigène dans le premier échangeur de chaleur et dans lequel le premier et le deuxième dispositifs de commutation du second circuit frigorigène empêchent la circulation du second fluide frigorigène dans le troisième échangeur de chaleur.
L’invention a également pour objet un procédé de fonctionnement d’une machine qui permet de mieux réguler la puissance calorifique fournie et la puissance frigorifique fournie.
On tend à résoudre ces besoins au moyen d’un procédé de fonctionnement d’une machine thermodynamique comportant les étapes :
- Fournir une machine thermodynamique selon l’un des modes de réalisation précédents avec un circuit frigorigène ;
- Basculer entre un premier mode de fonctionnement et un deuxième mode de fonctionnement, le premier mode de fonctionnement définissant un montage parallèle du troisième échangeur de chaleur et du deuxième échangeur de chaleur entre la sortie du premier échangeur de chaleur et l’entrée du compresseur, le deuxième mode de fonctionnement définissant un montage parallèle du troisième échangeur de chaleur et du premier échangeur de chaleur entre la sortie du compresseur et l’entrée du deuxième échangeur de chaleur.
On tend également à résoudre ces besoins au moyen d’un procédé de fonctionnement d’une machine thermodynamique comportant les étapes :
- Fournir une machine thermodynamique selon l’un des modes de réalisation précédents avec deux circuits frigorigènes ;
- Basculer entre un premier mode de fonctionnement et un deuxième mode de fonctionnement, le premier mode de fonctionnement définissant un premier circuit frigorigène dans lequel le fluide frigorigène ne passe pas au travers du troisième échangeur de chaleur et un second circuit frigorigène dans lequel le second fluide frigorigène ne passe pas au travers du deuxième échangeur de chaleur, le deuxième mode de fonctionnement définissant un premier circuit frigorigène dans lequel le fluide frigorigène ne passe pas au travers du premier échangeur de chaleur et un second circuit frigorigène dans lequel le second fluide frigorigène ne passe pas au travers du troisième échangeur de chaleur.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés à l’aide des dessins annexés, dans lesquels :
la figure 1 représente, de manière schématique, une thermofrigopompe selon l’invention à l’interface entre un consommateur d’énergie calorifique, un consommateur d’énergie frigorifique, et une source externe, selon un mode de réalisation à un seul circuit frigorigène ;
la figure 2 représente, de manière schématique, une thermofrigopompe selon l’invention, fonctionnant selon un mode appelé production calorifique prioritaire ;
la figure 3 représente, de manière schématique, une thermofrigopompe selon l’invention fonctionnant selon un mode appelé production calorifique seule ;
la figure 4 représente, de manière schématique, une thermofrigopompe selon l’invention fonctionnant selon un mode appelé production calorifique équilibrée ;
la figure 5 représente, de manière schématique, une thermofrigopompe selon l’invention, fonctionnant selon le mode appelé production frigorifique prioritaire ;
la figure 6 représente, de manière schématique, une thermofrigopompe selon l’invention fonctionnant selon le mode appelé production frigorifique seule ;
la figure 7 représente, de manière schématique, une thermofrigopompe selon l’invention fonctionnant selon le mode appelé production frigorifique équilibrée ;
la figure 8 représente, de manière schématique, une autre configuration de thermofrigopompe selon l’invention à l’interface entre un consommateur d’énergie calorifique, un consommateur d’énergie frigorifique, et une source externe avec deux circuits fhgorigènes ;
la figure 9 représente, de manière schématique, une thermofrigopompe selon l’invention, et selon le mode de réalisation décrit dans la figure 8, fonctionnant globalement selon le mode appelé production calorifique prioritaire ;
La figure 10 représente, de manière schématique, la thermofrigopompe selon l’invention, et selon le mode de réalisation décrit dans la figure 8, fonctionnant globalement selon le mode appelé production frigorifique prioritaire.
Description d’un mode de réalisation préféré de l’invention
La machine thermodynamique 100 est de type thermofrigopompe, c’est-à-dire que la machine thermodynamique possède au moins une pompe à chaleur dont l’énergie utile est rejetée sur une source chaude et est prélevée d’une source froide.
La machine thermodynamique 100 possède une pluralité de canalisations dans lesquelles un ou plusieurs fluides peuvent circuler. Les fluides peuvent être sous la forme liquide ou gazeuse. Le sens de circulation du fluide est matérialisé par des flèches sur les figures 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, et 10. Les canalisations autorisant une circulation de fluide sont représentées par un trait plein alors que les canalisations n’autorisant pas une circulation de fluide sont matérialisées par des pointillés.
Les vannes et les détendeurs en position ouverte sont indiqués en blanc. Les vannes et détendeurs en position fermée sont indiqués en noir. En position ouverte, la vanne autorise la circulation d’un fluide alors qu’elle empêche cette circulation lorsqu’elle se trouve en position fermée.
Les flèches noires disposées sur les échangeurs de chaleur indiquent quant à elles un transfert de chaleur au travers des échangeurs thermiques. Le sens des flèches noires indique le sens d’écoulement de la chaleur. Une flèche noire sortant de la machine thermodynamique 100 indique un transfert de puissance calorifique de la machine 100 vers l’extérieur, alors qu’une flèche noire entrant dans la machine thermodynamique 100 indique un transfert de puissance frigorifique de la machine 100 vers l’extérieur.
La thermofrigopompe 100 comprend un circuit frigorigène 1 dans lequel circule un fluide frigorigène ou au moins un fluide frigorigène. Un fluide frigorigène peut être pur ou être un mélange de fluides. Le fluide frigorigène peut se présenter sous forme gazeuse ou liquide en fonction de la pression et de la température dans le circuit frigorigène et notamment dans les échangeurs de chaleur. De manière avantageuse, les températures de changement d’état liquide-gaz du fluide frigorigène sont situées à l’intérieur de la gamme de températures de fonctionnement de la machine thermodynamique. Le fluide frigorigène est préférentiellement choisi parmi des Hydro Fluoro Carbones, par exemple le R134a (1,1,1,2-tétrafluoroéthane), le R410A (mélange de difuorométhane et
1.1.1.2.2- pentafluoroéthane), le R407C (mélange de 1,1,1,2-tétrafluoroéthane,
1.1.1.2.2- pentafluoroéthane et de difuorométhane) ou parmi les Hydro Fluoro Oléfines, par exemple le R1234ze (trans-1,3,3,3-Tétrafluoroprop-1-ène), ou le R-1233zd (trans-1-chloro-3,3,3-trifluoro-1-propene). Préférentiellement, la température de changement d’état liquide-gaz du fluide frigorigène est comprise entre -50°C et 100°C.
La thermofrigopompe 100 possède un premier échangeur thermique 2 qui produit de l’énergie calorifique. Le premier échangeur thermique 2 alimente un consommateur d’énergie calorifique 200 également appelé source chaude au moyen d’un premier fluide caloporteur. Le premier fluide caloporteur circule dans des canalisations 201 et 202 qui relient un secondaire du premier échangeur thermique 2 avec le consommateur d’énergie calorifique 200. Le consommateur d’énergie calorifique est par exemple un système de chauffage ou un producteur d’eau chaude.
La thermofrigopompe 100 produit de l’énergie frigorifique à travers un deuxième échangeur thermique 3. Le deuxième échangeur thermique 3 alimente un consommateur de froid 300 également appelé source froide au moyen d’un deuxième fluide caloporteur circulant dans des canalisations 301 et 302. Les canalisations 301 et 302 relient un secondaire du deuxième échangeur thermique 3 avec le consommateur de froid 300. Le consommateur de froid est par exemple un système de refroidissement.
La thermofrigopompe 100 possède un troisième échangeur thermique 4 dont le secondaire est connecté thermiquement avec un élément extérieur 401 qui peut être la source externe 400 elle-même ou un troisième fluide caloporteur alimentant cette source externe 400. La thermofrigopompe est apte à échanger de la chaleur avec la source externe 400. La température de la source extérieure est avantageusement comprise entre -40°C et 50°C. La source extérieure peut être l’air ambiant.
Les premier, deuxième et troisième fluides caloporteurs peuvent être identiques ou différents et être présents indépendamment purs ou sous la forme d’un mélange. Le fluide caloporteur peut également comporter des substances minérales. De préférence, le fluide caloporteur ne change pas d’état lors du transfert de chaleur entre un échangeur de chaleur et un consommateur de chaud/froid ou une source externe. Le fluide caloporteur peut être choisi parmi l’eau, l’air, une solution aqueuse, du monopropylène glycol, du monoéthylène glycol, des solutions alcooliques ou des sels.
En fonctionnement, une partie de l’énergie calorifique ou frigorifique produite par la machine thermodynamique 100, également appelée résidu d’énergie calorifique ou résidu d’énergie frigorifique, doit être évacuée vers la source externe 400. De préférence, la source externe possède un ou plusieurs éléments extérieurs 401. Un élément extérieur 401 est un élément naturel, tel que l’air ambiant, l’eau du milieu naturel, le sol ou tout type d’élément extérieur. La machine thermodynamique peut être munie d’un ou plusieurs systèmes intermédiaires d’échange thermique pour adresser chacun des éléments extérieurs.
Le circuit frigorigène 1 est connecté au primaire du premier échangeur de chaleur 2, au primaire du deuxième échangeur de chaleur 3 et au primaire du troisième échangeur de chaleur 4. Le fluide frigorigène circule de manière à déplacer des calories entre les échangeurs de chaleur.
Le premier échangeur thermique 2, également appelé échangeur condenseur 2, permet de transférer de la chaleur depuis le fluide frigorigène circulant au primaire de l’échangeur condenseur 2 vers un fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur condenseur 2, tout en assurant la condensation du fluide frigorigène.
Le deuxième échangeur thermique 3, également appelé échangeur évaporateur 3, permet de transférer de la chaleur depuis un fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur évaporateur 3 vers le fluide frigorigène circulant au primaire de l’échangeur évaporateur 3, tout en assurant l’évaporation du fluide frigorigène.
Le troisième échangeur thermique 4, également appelé échangeur de source 4, permet d’échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène circulant au primaire de l’échangeur de source 4 et l’élément extérieur 401, en contact avec le secondaire de l’échangeur de source 4, tout en assurant soit la condensation, soit l’évaporation, du fluide frigorigène.
La thermofrigopompe 100 comprend avantageusement un premier capteur de température 21 configuré pour mesurer la température TCH du fluide caloporteur en sortie du secondaire de l’échangeur condenseur 2 et avantageusement un deuxième capteur de température 31 configuré pour mesurer la température TFR du fluide caloporteur en sortie du secondaire de l’échangeur évaporateur 3. La mesure des deux températures peut être envoyée à un circuit de commande 500 pour assurer la régulation de chacune des températures TFR et TCH à une valeur de consigne.
Un troisième capteur de température 23 peut être utilisé pour mesurer la température T3 du fluide frigorigène en sortie du circuit primaire de l’échangeur condenseur 2.
Un quatrième capteur de température 32 peut être utilisé pour mesurer la température T1 en sortie du circuit primaire de l’échangeur évaporateur 3.
Un compresseur permet de comprimer le fluide frigorigène dans le circuit frigorigène 1 lorsque celui-ci se trouve à l’état gazeux. Le compresseur est disposé dans une canalisation qui relie la sortie du deuxième échangeur de chaleur 3 et l’entrée du premier échangeur de chaleur 2. Dans le mode de réalisation avantageux illustré, le compresseur comporte un premier compresseur 5 et un second compresseur 6 montés en parallèle. Le premier compresseur 5 peut être entraîné par un premier moteur électrique 53 muni d’un variateur électronique de vitesse 54 pour adapter sa vitesse à la puissance calorifique ou frigorifique demandée. Le deuxième compresseur 6 peut être entraîné par un deuxième moteur électrique 63.
Le circuit frigorigène 1 comprend également un premier capteur de pression 51 configuré pour mesurer la pression PHP en sortie du compresseur et un deuxième capteur de pression 52 configuré pour mesurer la pression PBP en entrée du compresseur.
Dans un mode de réalisation préférentiel, un réservoir 14 est monté dans le circuit frigorigène 1 à l’entrée du compresseur. Le réservoir 14 est configuré pour piéger le fluide frigorigène se trouvant à l’état liquide. Ainsi, le compresseur est alimenté avec un fluide frigorigène à l’état gazeux.
Un premier détendeur 7 est monté dans le circuit frigorigène 1 de manière à abaisser la pression du fluide frigorigène lorsque celui-ci circule dans le détendeur 7 à l’état liquide. Le premier détendeur 7 est disposé dans une canalisation qui relie la sortie du premier échangeur de chaleur 2 avec l’entrée du deuxième échangeur de chaleur 3. Le premier détendeur 7 est préférentiellement contrôlé électroniquement.
Un deuxième détendeur 8, de préférence bidirectionnel, est monté dans le circuit frigorigène 1 de manière à abaisser la pression du fluide frigorigène lorsque celui-ci circule dans le détendeur 8 à l’état liquide. Le deuxième détendeur 8 est disposé dans une canalisation où le fluide frigorigène circule entre un nœud liaison 20 et le troisième échangeur de chaleur 4. Le nœud de liaison 20 étant apte à connecter le deuxième détendeur 8 au premier échangeur de chaleur 2 et/ou au deuxième échangeur de chaleur 3. Le deuxième détendeur 8 est préférentiellement contrôlé électroniquement.
Le circuit frigorigène 1 est configuré de manière à alimenter chaque échangeur de chaleur en fluide frigorigène et assurer les transferts de calories entre les échangeurs de chaleur. Cependant, le circuit frigorigène 1 possède de multiples canalisations reliant les entrées et les sorties des échangeurs de chaleur entre eux afin de pouvoir définir différents sens de circulation du fluide frigorigène et ainsi différents modes de fonctionnement.
Le circuit frigorigène 1 possède un premier nœud de liaison 15 qui relie la sortie du compresseur à l’entrée du premier échangeur de chaleur 2 et à un premier dispositif de commutation qui définit ou comporte un cinquième nœud de liaison
19.
Un deuxième nœud de liaison 16 réalise la connexion entre la sortie du premier échangeur de chaleur 2, une première borne du premier détendeur 7 et un deuxième dispositif de commutation qui définit ou comporte un sixième nœud de liaison 20.
Un troisième nœud de liaison 17 réalise la connexion entre une deuxième borne du premier détendeur 7, l’entrée du deuxième échangeur de chaleur 3 et le deuxième dispositif de commutation.
Un quatrième nœud de liaison 18 réalise la connexion entre l’entrée du compresseur, la sortie du deuxième échangeur de chaleur 3 et un cinquième nœud de liaison 19. Le quatrième nœud de liaison peut être disposé entre la sortie du deuxième échangeur de chaleur 3 et le réservoir 14.
Le cinquième nœud de liaison 19 réalise la connexion entre le premier nœud de liaison 15, le quatrième nœud de liaison 18 et une première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4.
Le sixième nœud de liaison 20 réalise la connexion entre le troisième nœud de liaison 17, le deuxième nœud de liaison 16 et une deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 via le deuxième détendeur 8.
Un cinquième capteur de température 42 peut être utilisé pour mesurer la température T2 du fluide frigorigène entre le nœud de liaison 19 et la première entrée/sortie de l’échangeur de source 4. Par exemple, lorsque le primaire de l’échangeur de source 4 fonctionne en évaporateur, le cinquième capteur de température mesure la température T2 du fluide frigorigène en sortie du primaire de l’échangeur de source 4.
Un sixième capteur de température 43 peut être utilisé pour mesurer la température T4 du fluide frigorigène entre la deuxième entrée/sortie de l’échangeur de source 4 et le sixième nœud de liaison 20, de préférence entre la deuxième entrée/sortie de l’échangeur de source 4 et le deuxième détendeur 8. Lorsque le circuit primaire de l’échangeur de source 4 fonctionne en condenseur, le sixième capteur 43 mesure la température T4 du fluide frigorigène en sortie du primaire de l’échangeur de source 4.
Selon les besoins de régulation de la machine thermodynamique, le premier dispositif de commutation est configuré pour définir sélectivement une première configuration ou une seconde configuration. La première configuration définit un premier canal de circulation du fluide frigorigène reliant la première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 au quatrième nœud de liaison 18 et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le dispositif de commutation depuis le premier nœud de liaison 15 comme illustré à la figure
2.
La deuxième configuration définit un deuxième canal de circulation du fluide frigorigène reliant le premier nœud de liaison 15 à la première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 comme illustré à la figure 5, et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le dispositif de commutation jusqu’au quatrième nœud de liaison 18.
De manière avantageuse, le premier dispositif de commutation est encore configuré pour définir une configuration de blocage dans laquelle aucun fluide ne traverse le premier dispositif de commutation.
Le deuxième dispositif de commutation est configuré pour définir sélectivement une première configuration ou une seconde configuration. La première configuration définit un premier canal de circulation du fluide frigorigène reliant le deuxième nœud de liaison 16 à une deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le dispositif de commutation jusqu’au troisième nœud de liaison 17 comme cela est illustré à la figure 2.
La deuxième configuration définit un deuxième canal de circulation du fluide frigorigène reliant la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 au troisième nœud de liaison 17 et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le dispositif de commutation depuis le deuxième nœud de liaison 16 comme cela est illustré à la figure 5.
De manière avantageuse, le deuxième dispositif de commutation est encore configuré pour définir une configuration de blocage dans laquelle aucun fluide ne traverse le deuxième dispositif de commutation.
Comme illustré à la figure 2, les premiers canaux de circulation définis par les premier et deuxième dispositifs de commutation permettent de former un canal de circulation qui relie la sortie du premier échangeur de chaleur 2 avec l’entrée du compresseur en passant à travers le troisième échangeur de chaleur 4 pour récupérer de la chaleur. Ainsi, il est possible d’ajuster la température du fluide caloporteur du secondaire du premier échangeur de chaleur 2 et d’ajuster la température du fluide caloporteur du secondaire du deuxième échangeur de chaleur 3.
Comme illustré à la figure 5, les seconds canaux de circulation définis par les premier et deuxième dispositifs de commutation permettent de former un canal de circulation qui relie la sortie du compresseur avec l’entrée du deuxième échangeur de chaleur 3 en passant à travers le troisième échangeur de chaleur 4 pour évacuer de la chaleur. Ainsi, il est possible d’ajuster la température du fluide caloporteur du secondaire du premier échangeur de chaleur 2 et d’ajuster la température du fluide caloporteur du secondaire du deuxième échangeur de chaleur 3.
Le premier dispositif de commutation peut être formé par exemple par deux vannes 10 et 11, de préférence des électrovannes 10 et 11. A titre d’exemple de réalisation, la première vanne 10 peut être montée entre le premier nœud de liaison 15 et le cinquième nœud de liaison 19 et la deuxième vanne 11 peut être montée entre le cinquième nœud de liaison 19 et le quatrième nœud de liaison 18.
Le premier dispositif de commutation est configuré pour autoriser une première circulation du fluide frigorigène entre la première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 et l’entrée du compresseur 5, 6, pour autoriser une deuxième circulation de fluide frigorigène entre la sortie du compresseur 5, 6 et la première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 ou pour bloquer un flux de fluide frigorigène entre la sortie du compresseur et la première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 et bloquer un flux de fluide frigorigène entre la première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 et l’entrée du compresseur 5. Le premier dispositif de commutation est avantageusement configuré pour éviter de connecter directement l’entrée et la sortie du compresseur.
Le second dispositif de commutation peut être formé par exemple par deux vannes 12 et 13, de préférence des électrovannes 12 et 13. La vanne 12 est avantageusement disposée entre le deuxième nœud de liaison 16 et le sixième nœud de liaison 20. La vanne 13 est avantageusement disposée entre le sixième nœud de liaison 20 et le troisième nœud de liaison 17.
Le second dispositif de commutation est configuré pour autoriser une première circulation du fluide frigorigène entre la sortie du premier échangeur de chaleur 2 et la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4, pour autoriser une deuxième circulation de fluide frigorigène entre la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 et l’entrée du deuxième échangeur de chaleur 3 ou pour bloquer un flux de fluide frigorigène entre la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 et l’entrée du deuxième échangeur de chaleur 3 et bloquer un flux de fluide frigorigène entre la sortie du premier échangeur de chaleur 2 et la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4. Le premier dispositif de commutation est avantageusement configuré pour éviter de connecter directement la sortie du premier échangeur de chaleur et l’entrée du deuxième échangeur de chaleur ce qui court-circuite le détendeur 7.
Les premier et second dispositifs de commutation sont configurés pour disposer le troisième échangeur de chaleur 4 en parallèle du deuxième échangeur de chaleur 3 afin de dissocier la puissance frigorifique fournie au deuxième échangeur de chaleur 3 de la puissance frigorifique délivrée par la machine 100.
Les premier et second dispositifs de commutation sont configurés pour disposer le troisième échangeur de chaleur 4 en parallèle du premier échangeur de chaleur 2 afin de dissocier la puissance calorique fournie au premier échangeur de chaleur 2 de la puissance calorique délivrée par la machine 100.
Les premier et deuxième dispositifs de commutation peuvent également être configurés pour sortir indépendamment, le premier échangeur de chaleur 2, le deuxième échangeur de chaleur 3 et le troisième échangeur de chaleur 4 du circuit frigorigène en empêchant la circulation du fluide frigorigène à l’intérieur de l’un de ces échangeurs. Les premier et deuxième dispositifs de commutation permettent d’adapter facilement la puissance calorifique et/ou frigorifique délivrée au premier échangeur de chaleur et au deuxième échangeur de chaleur en adaptant le fonctionnement du troisième échangeur de chaleur.
Cette configuration est particulièrement avantageuse, car elle est compacte. Les premier, deuxième, troisième et quatrième nœuds de liaison peuvent être simplement des nœuds de raccordement et être dépourvus de vannes.
Selon les modes de réalisation, la machine thermodynamique 100 possède un seul circuit frigorigène, deux circuits frigorigènes ou plus de deux circuits frigorigènes.
La figure 2 illustre un mode de fonctionnement de la machine thermodynamique appelé production calorifique prioritaire. Dans ce mode de fonctionnement, la puissance calorifique produite par la machine thermodynamique 100 au travers du circuit frigorigène 1 est adaptée à la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur 200. Par exemple, le circuit de commande 500 régule la puissance calorifique pour maintenir la température TCH dans une gamme cible. La puissance frigorifique produite par le circuit frigorigène 1 est au moins égale à la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid 300.
La totalité de la puissance calorifique produite est transférée au consommateur de chaleur 200 au travers de l’échangeur condenseur 2. La flèche noire 203 représente une extraction de chaleur depuis le circuit frigorigène vers le consommateur de chaleur 200. Une partie de la puissance frigorifique produite, correspondant à la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid 300, est transférée au consommateur de froid 300 au travers de l’échangeur évaporateur 3. La flèche noire 303 représente une extraction de chaleur depuis le consommateur de froid 300 vers le circuit frigorigène 1. Enfin, la partie restante de la puissance frigorifique produite, non nécessaire au consommateur de froid 300, est transférée à la source 400 au travers de l’échangeur de source 4. La flèche noire 403 représente une extraction de chaleur depuis la source 400 vers le circuit frigorigène 1.
Dans ce mode de fonctionnement, la sortie du premier échangeur de chaleur 2 est connectée à l’entrée du deuxième échangeur de chaleur 3 et à la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 pour autoriser un flux de fluide frigorigène depuis le premier échangeur de chaleur 2 vers les deuxième et troisième échangeurs de chaleur 3 et 4. La sortie du deuxième échangeur de chaleur 3 et la première entrée/sortie du deuxième échangeur de chaleur se rejoignent par exemple avant l’entrée du compresseur et avantageusement avant l’entrée du réservoir 14.
Dans l’exemple particulier illustré à la figure 2, la vanne 12 est ouverte et la vanne 13 est fermée. La vanne 11 est ouverte et la vanne 10 est fermée.
La vanne 10 étant fermée, la totalité du fluide frigorigène à l’état gazeux et à haute pression, en provenance du compresseur, circule uniquement à travers le primaire de l’échangeur condenseur 2, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène se condense en cédant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur condenseur 2. Le fluide frigorigène ressort de l’échangeur condenseur 2 à une température T3 plus faible et avantageusement à l’état liquide et à haute pression.
La présence du capteur de température 23 n’est pas indispensable au fonctionnement de la machine. Cependant, la mesure de la température T3 éventuellement combinée à la mesure de pression PHP permet de vérifier que l’abaissement de température liée à l’échangeur condenseur 2 est dans la gamme recherchée et/ou que le fluide frigorigène en sortie du primaire de l’échangeur condenseur 2 se trouve en phase liquide.
L’utilisation du compresseur 6 fonctionnant en mode tout ou rien en association avec le compresseur 5 dont la vitesse de rotation peut être ajustée de façon continue, permet un ajustement continu de la puissance calorifique transférée à travers l’échangeur condenseur 2. Il est possible de prévoir que, en dessous d’une puissance seuil, seul le compresseur 5 peut être activé. La puissance qu’il est possible de transférer à travers l’échangeur condenseur 2 est alors déterminée par la vitesse de rotation du compresseur 5.
Au delà de la puissance seuil, lorsque le compresseur 5 seul ne permet plus de transférer la puissance requise, par exemple lorsque le compresseur atteint sa vitesse maximale, le second compresseur 6 est activé. Ce second compresseur 6 fournit alors une puissance additionnelle et la vitesse de rotation du compresseur 5 est contrôlée afin de fournir le complément de puissance nécessaire pour atteindre la puissance requise au niveau de l’échangeur condenseur 2.
Ce mode de fonctionnement des compresseurs 5 et 6 qui combine l’activation ou la désactivation du second compresseur 6 et l’ajustement de la vitesse de rotation du premier compresseur 5, permet ainsi d’ajuster de façon continue la puissance calorifique transmise à travers l’échangeur condenseur 2, et donc de réguler la température TCH de sortie du fluide caloporteur à sa valeur de consigne.
A la sortie de l’échangeur condenseur 2, le fluide frigorigène traverse le deuxième nœud de liaison 16 où il se scinde en deux parties. Une partie du fluide frigorigène est dirigée vers l’entrée du deuxième échangeur de chaleur 3 à travers le détendeur 7. Dans le détendeur 7, le fluide frigorigène subit un abaissement de sa pression. A la sortie du détendeur 7, le fluide est à basse pression et avantageusement à l’état liquide. Le fluide frigorigène est dirigé à travers le troisième nœud de liaison 17 vers le primaire de l’échangeur évaporateur 3 à l’intérieur duquel le fluide frigorigène s’évapore en captant de la chaleur depuis le fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur évaporateur 3.
A la sortie du primaire de l’échangeur évaporateur 3, le fluide frigorigène est majoritairement à l’état gazeux et à basse pression. Le fluide frigorigène rejoint le réservoir 14 à travers le nœud de liaison 18.
L’autre partie du fluide frigorigène sortant de l’échangeur condenseur 2 est dirigée vers le troisième échangeur de chaleur 4 à travers le détendeur 8. Le fluide frigorigène à l’état liquide subit un abaissement de sa pression au moyen du détendeur 8. A la sortie du détendeur 8, le fluide à l’état liquide et à basse pression traverse le primaire de l’échangeur de source 4, fonctionnant alors en évaporateur. Le fluide frigorigène s’évapore dans le troisième échangeur de chaleur 4 en captant de la chaleur à partir de l’élément extérieur se trouvant au contact du secondaire de l’échangeur de source 4. A sa sortie du primaire de l’échangeur de source 4, le fluide frigorigène est à l’état gazeux et à basse pression.
De manière avantageuse, la mesure combinée des températures T1 et T2 est utilisée pour déterminer la valeur de surchauffe du fluide frigorigène à la sortie de l’échangeur évaporateur 3 d’une part, et à la sortie de l’échangeur de source 4 d’autre part. Dans un mode de réalisation privilégié, la mesure des températures T1 et T2 est utilisée afin d’imposer la valeur de surchauffe du fluide frigorigène en sortie de l’échangeur évaporateur 3 et en sortie l’échangeur de source 4.
Avantageusement, la mesure combinée des températures T1 et T2 est utilisée pour commander le taux d’ouverture du détendeur 7 et le taux d’ouverture du détendeur 8 le cas échéant. Les mesures des températures est utilisée pour assurer l’évaporation complète du fluide frigorigène à la fois dans le primaire de l’échangeur évaporateur 3 et dans le primaire de l’échangeur de source 4. De manière particulièrement avantageuse, la mesure de température est associée à une mesure de la pression PBP pour mieux contrôler la valeur de la surchauffe.
Il est avantageux de contrôler le taux d’ouverture du détendeur 7 par rapport au taux d’ouverture du détendeur 8 afin de réguler la proportion de fluide traversant le détendeur 7 et l’échangeur évaporateur 3 par rapport à la proportion de fluide traversant le détendeur 8 et le troisième échangeur de chaleur 4. Le contrôle de la proportion de fluide traversant le primaire de l’échangeur évaporateur 3 permet d’ajuster de façon continue la puissance transmise à travers l’échangeur évaporateur 3, et donc de réguler la température de sortie du fluide caloporteur TFR à sa valeur de consigne. Le surplus de puissance est évacué par le troisième échangeur de chaleur 4.
Ainsi la thermofrigopompe 100, en mode production calorifique prioritaire, permet d’ajuster de façon continue les puissances calorifique et frigorifique transmises respectivement à travers l’échangeur condenseur 2 et l’échangeur évaporateur 3, et donc de réguler la température du fluide caloporteur TCH en sortie du secondaire de l’échangeur condenseur 2 et la température du fluide caloporteur TFR en sortie du secondaire de l’échangeur évaporateur 3, à leur valeur de consigne.
La figure 3 représente la machine thermodynamique dans un mode de fonctionnement appelé production calorifique prioritaire et plus particulièrement production calorifique seule. La puissance frigorifique requise par le consommateur de froid 300 est nulle. La totalité de la puissance calorifique produite par la machine thermodynamique 100 est donc transférée au consommateur de chaleur 200 au travers de l’échangeur condenseur 2. La flèche noire 203 représente l’extraction de chaleur depuis la machine 100 vers le consommateur de chaleur 200.
La totalité de la puissance frigorifique produite par la machine frigorifique 100 est transférée à la source 400 au travers de l’échangeur de source 4. La flèche noire 403 représente l’injection de chaleur depuis la source externe vers le circuit frigorigène. Dans ce cas particulier, aucun échange thermique n’a lieu à travers l’échangeur évaporateur 3, le détendeur 7 est totalement fermé, ne laissant ainsi passer aucun fluide frigorigène dans le primaire de l’échangeur évaporateur 3. La totalité du fluide frigorigène sortant de l’échangeur condenseur 2 à l’état liquide et à haute pression, est dirigée vers le détendeur 8 dans lequel ce fluide frigorigène subit un abaissement de sa pression.
A la sortie du détendeur 8, le fluide à l’état liquide et à basse pression traverse le primaire de l’échangeur de source 4 à l’intérieur duquel le fluide frigorigène s’évapore en captant de la chaleur à l’élément extérieur se trouvant au contact du secondaire de l’échangeur de source 4. A sa sortie du primaire de l’échangeur de source 4, le fluide frigorigène à l’état gazeux et à basse pression rejoint le réservoir 14. Le degré d’ouverture du détendeur 8 est avantageusement contrôlé dans le but d’assurer une surchauffe suffisante du fluide frigorigène en sortie de l’échangeur de source 4, assurant ainsi l’évaporation complète du fluide frigorigène dans le primaire de l’échangeur de source 4. Le mode de réalisation illustré à la figure 3 représente un cas particulier du fonctionnement illustré à la figure 2 où la puissance frigorifique consommée par le consommateur de froid 300 est nulle.
La figure 4 représente la machine thermodynamique sensiblement dans le même mode de fonctionnement que celui illustré dans la figure 2. La figure représente un mode de fonctionnement appelé production calorifique équilibrée, où la puissance frigorifique produite par la machine thermodynamique atteint exactement puissance frigorifique requise par le consommateur de froid 300.
La totalité de la puissance calorifique produite par la machine thermodynamique 100 est transférée au consommateur de chaleur 200 au travers de l’échangeur condenseur 2 comme cela est représenté par la flèche noire 203. La totalité de la puissance frigorifique produite par la machine frigorifique 100 est transférée au consommateur de froid 300 au travers de l’échangeur évaporateur 3 comme cela est représenté par la flèche noire 303.
Dans ce cas particulier, aucun échange thermique n’a lieu à travers l’échangeur de source 4, le détendeur 8 peut être totalement fermé, ne laissant ainsi passer aucun fluide frigorigène dans le primaire de l’échangeur de source 4. Il est également possible de fermer les vannes 12 et 13. Ainsi, la totalité du fluide frigorigène sortant à l’état liquide et à haute pression de l’échangeur condenseur 2 est dirigée vers le détendeur 7 dans lequel le fluide frigorigène subit un abaissement de sa pression. A la sortie du détendeur 7, le fluide à l’état liquide et à basse pression traverse le primaire de l’échangeur évaporateur 3 à l’intérieur duquel le fluide frigorigène s’évapore en captant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur évaporateur 3.
A la sortie du primaire de l’échangeur évaporateur 3, le fluide frigorigène à l’état gazeux et à basse pression rejoint le réservoir 14. Le taux d’ouverture du détendeur 7 est contrôlé dans le but d’assurer une surchauffe suffisante du fluide frigorigène en sortie de l’échangeur évaporateur 3, assurant ainsi l’évaporation complète du fluide frigorigène dans le primaire de l’échangeur évaporateur 3.
La figure 5 représente la machine thermodynamique dans un mode de fonctionnement que l’on appelle production frigorifique prioritaire. Dans ce mode de fonctionnement, la puissance frigorifique produite par le circuit frigorigène 1 est adaptée à la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid 300, et la puissance calorifique produite par la machine thermodynamique est au moins égale à la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur 200. Par exemple, le circuit de commande 500 régule la puissance frigorifique pour maintenir la température TFR dans une gamme cible. La totalité de la puissance frigorifique produite par la machine thermodynamique 100 est transférée au consommateur de froid 300 au travers de l’échangeur évaporateur 3 comme cela est représenté par la flèche noire 303.
Une partie de la puissance calorifique produite par la machine frigorifique 100, correspondant à la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur 200, est transférée au consommateur de chaleur 200 au travers de l’échangeur condenseur 2 comme cela représenté par la flèche noire 203.
La partie restante de la puissance calorifique produite par la machine frigorifique 100 non nécessaire au consommateur de chaleur 200, est transférée à la source 400 au travers de l’échangeur de source 4. La flèche noire 403 représente une extraction de chaleur depuis le circuit frigorigène vers la source externe.
Dans ce mode de fonctionnement, la sortie du compresseur alimente l’entrée du premier échangeur de chaleur 2 et la première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4. Dans l’exemple illustré, la vanne 10 est ouverte et la vanne 11 est fermée. La deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur 4 est reliée à l’entrée du deuxième échangeur de chaleur 3. Dans l’exemple illustré, la vanne 13 est ouverte et la vanne 12 est fermée.
A la sortie du compresseur, le fluide frigorigène est à l’état gazeux et à haute pression et il traverse le premier nœud de liaison 15 où il se scinde en deux parties. Une partie du fluide frigorigène est dirigée vers le primaire de l’échangeur condenseur 2, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène se condense en cédant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur condenseur 2. Le fluide frigorigène ressort de l’échangeur condenseur 2 à l’état liquide et à haute pression, et à la température T3. Il est avantageux de fermer la vanne 12 de sorte que le fluide frigorigène sortant de l’échangeur condenseur 2 soit orienté vers le détendeur 7. Le fluide frigorigène à l’état liquide subit un abaissement de sa pression à l’intérieur du détendeur 7. A la sortie du détendeur 7, le fluide à l’état liquide et à basse pression est dirigé vers le nœud de liaison 17.
L’autre partie de fluide frigorigène est dirigée vers le primaire de l’échangeur de source 4 fonctionnant alors en condenseur. A l’intérieur de l’échangeur de source 4, le fluide frigorigène se condense en cédant de la chaleur à l’élément extérieur se trouvant au contact du secondaire de l’échangeur de source 4.
La présence du capteur de température 43 n’est pas indispensable au fonctionnement de la machine. Cependant, une mesure de la température T4 permet de vérifier que la valeur du refroidissement du fluide frigorigène à la sortie du primaire de l’échangeur de source 4 se trouve dans la gamme recherchée lorsque l’échangeur de source 4 fonctionne en condenseur. La mesure de la température est avantageusement utilisée pour commander que le fluide frigorigène se trouve à l’état liquide en sortie du primaire de l’échangeur de source 4. Il est avantageux d’associer la mesure de la température T4 avec la mesure de la pression PHP pour commander que le fluide frigorigène se trouve à l’état liquide en sortie du primaire de l’échangeur de source 4.
A sa sortie du primaire de l’échangeur de source 4, le fluide frigorigène est orienté vers le détendeur 8, dans lequel le fluide frigorigène à l’état liquide subit un abaissement de sa pression. A la sortie du détendeur 8, le fluide à l’état liquide et à basse pression est dirigé à travers la vanne 13, qui est ouverte, vers le nœud de liaison 17.
Au niveau du troisième nœud de liaison 17, la partie de fluide frigorigène en provenance de l’échangeur condenseur 2 puis le détendeur 7 et la partie de fluide frigorigène en provenance de l’échangeur de source 4 puis le détendeur 8, se mélangent avant d’entrer dans le primaire de l’échangeur évaporateur 3. La totalité du fluide frigorigène, à l’état liquide et à basse pression, circule à travers le primaire de l’échangeur évaporateur 3, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène s’évapore en captant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur évaporateur 3.
A la sortie du primaire de l’échangeur évaporateur 3, le fluide frigorigène est à l’état gazeux et à basse pression. Le fluide frigorigène atteint avantageusement le réservoir 14. Comme précédemment, il est avantageux d’utiliser un second compresseur 6 fonctionnant en mode tout ou rien en association avec le premier compresseur 5 dont la vitesse de rotation peut être ajustée de façon continue. Cela permet un ajustement continu de la puissance frigorifique transférée à travers l’échangeur évaporateur 3. Le contrôle des compresseurs 5 et 6, combinant l’activation ou la désactivation du compresseur 6 et l’ajustement de la vitesse de rotation du compresseur 5, permet ainsi d’ajuster de façon continue la puissance frigorifique transmise à travers l’échangeur évaporateur 3, et donc de réguler la température de sortie du fluide caloporteur TFR à sa valeur de consigne.
Comme pour le mode de réalisation illustré à la figure 2, le taux d’ouverture des détendeurs 7 et 8 peut être commandé dans le but d’assurer une surchauffe suffisante du fluide frigorigène en sortie du primaire de l’échangeur évaporateur 3, assurant ainsi l’évaporation complète du fluide frigorigène dans le primaire de l’échangeur évaporateur 3. La mesure de la température T1 éventuellement en association avec la mesure de la basse pression PBP, permet de commander que la valeur de la surchauffe du fluide frigorigène à la sortie de l’échangeur évaporateur 3 soit dans la gamme recherchée.
La commande des taux d’ouverture des détendeurs 7 et 8, par exemple la valeur relative du degré d’ouverture du détendeur 7 par rapport au degré d’ouverture du détendeur 8, permet de réguler la proportion de fluide traversant l’échangeur condenseur 2. Le contrôle de la proportion de fluide traversant le primaire de l’échangeur condenseur 2 permet d’ajuster de façon continue la puissance transmise à travers l’échangeur condenseur 2, et donc de réguler la température de sortie du fluide caloporteur TCH à sa valeur de consigne.
Ainsi la thermofrigopompe 100, en mode production frigorifique prioritaire, permet d’ajuster de façon continue les puissances calorifique et frigorifique transmises respectivement à travers l’échangeur condenseur 2 et l’échangeur évaporateur 3, et donc de réguler la température du fluide caloporteur TCH en sortie du secondaire de l’échangeur condenseur 2 et la température du fluide caloporteur TFR en sortie du secondaire de l’échangeur évaporateur 3, à leur valeur de consigne.
La figure 6 représente un mode de fonctionnement particulier de ce qui est illustré à la figure 5 et appelé production frigorifique seule. La puissance calorifique requise par le consommateur de chaud 200 est nulle. La totalité de la puissance frigorifique produite par la machine thermodynamique 100 est transférée au consommateur de froid 300 au travers de l’échangeur évaporateur 3 comme cela est représenté par la flèche noire 303. La totalité de la puissance calorifique produite par la machine frigorifique 100 est transférée à la source 400 au travers de l’échangeur de source 4 comme cela est représenté par la flèche noire 403.
Dans ce cas particulier, aucun échange thermique n’a lieu à travers l’échangeur condenseur 2, le détendeur 7 est totalement fermé, ne laissant ainsi passer aucun fluide frigorigène dans le primaire de l’échangeur condenseur 2. Ainsi, la totalité du fluide frigorigène, à l’état gazeux et à haute pression en sortie du compresseur, est dirigée vers le circuit primaire de l’échangeur de source 4, qui fonctionne en condenseur, et à l’intérieur duquel le fluide frigorigène se condense en transférant de la chaleur à l’élément extérieur se trouvant au contact du secondaire de l’échangeur de source 4. A sa sortie du primaire de l’échangeur de source 4, le fluide frigorigène à l’état liquide et à haute pression, entre dans le détendeur bidirectionnel 8 dans lequel ce fluide frigorigène subit un abaissement de sa pression.
Dans l’exemple illustré, la vanne 10 est ouverte et la vanne 11 est fermée. A sa sortie du détendeur 8, la totalité du fluide frigorigène à l’état liquide et à basse pression est dirigée vers le circuit primaire de l’échangeur évaporateur 3, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène s’évapore en captant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur évaporateur 3. Dans l’exemple illustré, la vanne 13 est ouverte et la vanne 12 est fermée.
Le fluide frigorigène ressort de l’échangeur évaporateur 3 à l’état gazeux et à basse pression, puis rejoint avantageusement le réservoir 14 à travers le nœud de liaison 18. Le taux d’ouverture du détendeur 8 est commandé de manière à obtenir une surchauffe suffisante du fluide frigorigène en sortie de l’échangeur évaporateur 3, assurant ainsi l’évaporation complète du fluide frigorigène dans le primaire de l’échangeur évaporateur 3.
La figure 7 représente un autre mode de fonctionnement particulier de celui illustré à la figure 5 et appelé production frigorifique équilibrée. La puissance calorifique produite par la machine thermodynamique atteint exactement la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur. La totalité de la puissance frigorifique produite par la machine thermodynamique 100 est transférée au consommateur de froid 300 au travers de l’échangeur évaporateur 3 comme cela est représenté par la flèche noire 303.
La totalité de la puissance calorifique produite par la machine frigorifique 100 est transférée au consommateur de chaleur 200 au travers de l’échangeur condenseur 2 comme cela est représenté par la flèche noire 203. Aucun échange thermique n’a lieu à travers l’échangeur de source 4, le détendeur 8 est totalement fermé, ne laissant ainsi passer aucun fluide frigorigène dans le primaire de l’échangeur de source 4. Il est également possible de fermer les vannes 10 et 11. Ainsi, la totalité du fluide frigorigène, à l’état gazeux et à haute pression en sortie des compresseurs 5 et 6, est dirigée vers le circuit primaire de l’échangeur condenseur 2, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène se condense en cédant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur condenseur 2.
A sa sortie du primaire de l’échangeur condenseur 2, le fluide frigorigène à l’état liquide et à haute pression, entre dans le détendeur 7. Le fluide frigorigène subit alors un abaissement de sa pression. A sa sortie du détendeur 7, la totalité du fluide frigorigène à l’état liquide et à basse pression est dirigée vers le circuit primaire de l’échangeur évaporateur 3, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène s’évapore en captant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de l’échangeur évaporateur 3.
Le fluide frigorigène ressort de l’échangeur évaporateur 3 à l’état gazeux et à basse pression, puis rejoint avantageusement le réservoir 14. Le taux d’ouverture du détendeur 7 est contrôlé de manière à obtenir une surchauffe suffisante du fluide frigorigène en sortie de l’échangeur évaporateur 3, assurant ainsi l’évaporation complète du fluide frigorigène dans le primaire de l’échangeur évaporateur 3.
Selon les modes de fonctionnement, le circuit de commande 500 modifie l’état des premier et second dispositifs de commutation pour qu’ils définissent sélectivement un canal de circulation dans lequel le troisième échangeur de chaleur 4 est monté en parallèle du premier échangeur de chaleur 2 ou un canal de circulation dans lequel le troisième échangeur de chaleur 4 est monté en parallèle du deuxième échangeur de chaleur 3.
La figure 8 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’une thermofrigopompe 100 comportant deux circuits frigorigènes distincts 1 et 101. Chaque circuit frigorigène 1/101 alimente un primaire des multiples échangeurs de chaleur. Le premier circuit frigorigène 1 est identique à ce qui a été décrit précédemment en relation avec les modes de réalisation illustrés aux figures 1 à 7.
Les deux circuits frigorigènes 1/101 sont avantageusement identiques et comportent chacun un compresseur 5/6 et 105/106 préférentiellement disposé dans la canalisation qui relie le deuxième échangeur de chaleur 3 avec le premier échangeur de chaleur 2. Chaque circuit frigorigène 1 et 101 comporte également deux détendeurs 7, 8 et 107, 108. Les caractéristiques techniques des éléments formant le deuxième circuit frigorigène peuvent reprendre les caractéristiques déjà indiquées plus haut pour le premier circuit frigorigène. Le deuxième circuit frigorigène comporte six nœuds de liaison disposés de manière identique à ce qui a été décrit précédemment et il comporte également les deux dispositifs de commutation. Le deuxième circuit frigorigène peut également comporter un réservoir 114, ainsi que des capteurs de température. Chaque capteur de température du deuxième circuit frigorigène étant un capteur équivalent à ce qui a été décrit dans le premier circuit frigorigène.
Le second circuit frigorigène 101 permet la circulation d’un second fluide frigorigène qui peut être identique ou différent au premier fluide frigorigène dans sa composition.
Le circuit frigorigène 101 comprend avantageusement un capteur de pression 151 configuré pour mesurer la pression PHP101 en sortie du compresseur 105/106. Le circuit frigorigène 101 peut également comporter un autre capteur de pression 152 configuré pour mesurer la pression PBP101 en entrée du compresseur 105/106.
Le troisième détendeur 107 permet d’abaisser la pression du second fluide frigorigène lorsque celui-ci circule dans le détendeur 107 à l’état liquide. Le circuit frigorigène 101 comporte également un quatrième détendeur 108 qui est avantageusement contrôlé électroniquement. De manière préférentielle, le quatrième détendeur 108 est bidirectionnel et permet d’abaisser la pression du fluide frigorigène lorsque celui-ci circule dans le détendeur 108 à l’état liquide.
Comme indiqué précédemment, le second circuit frigorigène 101 comporte un premier capteur de température du fluide frigorigène 132 configuré pour mesurer la température T101 en sortie du second circuit primaire de l’échangeur évaporateur 3.
Le second circuit frigorigène 101 comporte un deuxième capteur de température du fluide frigorigène 142 configuré pour mesurer la température T102 du fluide frigorigène en sortie du second circuit primaire de l’échangeur de source 4 lorsque celui-ci fonctionne en évaporateur.
Le second circuit frigorigène 101 comporte un troisième capteur de température du fluide frigorigène 123, configuré pour mesurer la température T103 du fluide frigorigène en sortie du second circuit primaire de l’échangeur condenseur 2.
Le second circuit frigorigène 101 comporte également un quatrième capteur de température du fluide frigorigène 143 configuré pour mesurer la température T104 du fluide frigorigène en sortie du second circuit primaire de l’échangeur de source 4 lorsque celui-ci fonctionne en condenseur.
Dans un premier type de fonctionnement, la thermofrigopompe 100 à deux circuits frigorigènes peut fonctionner selon les mêmes modes de production que ceux illustrés aux figures 2, 3, 4, 5, 6 et 7. Dans ces cas de figure, les deux circuits frigorigènes sont connectés aux mêmes échangeurs de chaleurs et les deux fluides frigorigènes circulent de manière identique dans les deux circuits. Le premier dispositif de commutation du premier circuit frigorigène est dans le même état que le premier dispositif de commutation du second circuit frigorigène. Selon la même logique le second dispositif de commutation du premier circuit frigorigène est dans le même état que le second dispositif de commutation du second circuit frigorigène.
Cependant, il est avantageux de prévoir que les deux circuits frigorigènes 1 et 101 illustrés à la figure 8 soient considérés comme deux sous-ensembles thermodynamiques pouvant fonctionner de manière indépendante. Chacun des deux circuits frigorigènes 1 et 101 peut fonctionner indépendamment selon l’un ou l’autre des deux modes que sont le mode production calorifique prioritaire, incluant les cas particuliers que sont la production calorifique seule et la production calorifique équilibrée, et le mode production frigorifique prioritaire, incluant les cas particuliers que sont la production frigorifique seule et la production frigorifique équilibrée. Les figures 9 et 10 donnent deux exemples de réalisation de deux modes de fonctionnement des circuits frigorigènes 1 et 101.
Dans le mode de fonctionnement illustré à la figure 9 et fonctionnant globalement selon le mode appelé production calorifique prioritaire, la puissance calorifique produite par la machine thermodynamique 100 est adaptée à la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur 200, et la puissance frigorifique produite par la machine thermodynamique dépasse la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid 300.
La totalité de la puissance calorifique produite par la machine thermodynamique 100 est transférée au consommateur de chaleur 200 au travers de l’échangeur condenseur 2 comme cela est représenté par la flèche noire 203. Une partie de la puissance frigorifique produite par la machine frigorifique 100, correspondant à la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid 300, est transférée au consommateur de froid 300 au travers de l’échangeur évaporateur 3 comme cela est représenté par la flèche noire 303.
Enfin, la partie restante de la puissance frigorifique produite par la machine thermodynamique 100, qui n’a pas été transférée au consommateur de froid 300, est transférée à la source 400 au travers de l’échangeur de source 4 comme cela est représenté par la flèche noire 403.
Même si la machine thermodynamique fonctionne globalement selon le mode de production calorifique prioritaire, chacun des deux circuits 1 et 101 fonctionne selon un mode qui lui est propre. Ainsi le circuit frigorigène 1 fonctionne selon le mode de production frigorifique prioritaire dans le cas particulier appelé production frigorifique équilibrée, où la puissance calorifique produite par le circuit frigorigène 1 est entièrement transférée au consommateur de chaleur 200. Ce mode de fonctionnement du circuit frigorigène 1 est identique au mode de fonctionnement de la machine thermodynamique 100 à un seul circuit frigorigène, qui est illustré à la figure 7.
Le circuit frigorigène 101 fonctionne quant à lui selon le mode de production calorifique prioritaire dans le cas particulier appelé production calorifique seule, où la puissance frigorifique produite par le circuit frigorigène 101 est entièrement transférée à la source. Ce mode de fonctionnement du circuit frigorigène 101 est identique au mode de fonctionnement de la machine thermodynamique 100 à un seul circuit frigorigène, qui est illustré à la figure 3.
Dans le circuit frigorigène 1, la vanne 11 et le détendeur 8 sont fermés. La totalité du fluide frigorigène à l’état gazeux et à haute pression en sortie des compresseurs 5 et 6 est dirigée vers un premier circuit primaire de l’échangeur condenseur 2, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène se condense en cédant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de cet échangeur condenseur 2.
A la sortie du primaire de l’échangeur condenseur 2, la vanne 12 est fermée et la totalité du fluide frigorigène à l’état liquide et à haute pression pénètre dans le détendeur 7. Le fluide frigorigène subit un abaissement de sa pression, puis il est dirigé vers un premier circuit primaire de l’échangeur évaporateur 3, à l’intérieur duquel il s’évapore en captant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de cet échangeur évaporateur 3. A la sortie du premier circuit primaire de l’échangeur évaporateur 3, le fluide frigorigène à l’état gazeux et à basse pression rejoint le réservoir 14 puis les compresseurs 5 et 6.
Dans le circuit frigorigène 101, la vanne 110 étant fermée, la totalité du fluide frigorigène à l’état gazeux et à haute pression en sortie des compresseurs 105 et 106 est dirigée vers le second circuit primaire de l’échangeur condenseur 2, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène se condense en cédant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de cet échangeur condenseur 2.
A la sortie du second circuit primaire de l’échangeur condenseur 2, le détendeur 107 étant fermé, la totalité du fluide frigorigène à l’état liquide et à haute pression est dirigé à travers la vanne 112, qui est ouverte, vers le détendeur 108. Le fluide frigorigène subit un abaissement de sa pression, puis il pénètre dans le second circuit primaire de l’échangeur de source 4, qui fonctionne alors en évaporateur, et à l’intérieur duquel le fluide frigorigène s’évapore en captant de la chaleur depuis l’élément extérieur se trouvant au contact du secondaire de cet échangeur de source 4. A la sortie du second circuit primaire de l’échangeur de source 4, le fluide frigorigène à l’état gazeux et à basse pression rejoint le réservoir 114 puis les compresseurs 105 et 106.
Dans ce mode fonctionnement, le circuit frigorigène 1 produit une partie de l’énergie calorifique transférée au consommateur de chaleur 200 ainsi que la totalité de l’énergie frigorifique transférée au consommateur de froid 300, avec un rendement énergétique correspondant aux températures requises au secondaire de l’échangeur condenseur 2 et au secondaire de l’échangeur évaporateur 3. Le circuit frigorigène 101 produit l’autre partie de l’énergie calorifique transférée au consommateur de chaleur 200 ainsi que la totalité de l’énergie frigorifique transférée à la source 400, avec un rendement énergétique correspondant aux températures requises au secondaire de l’échangeur condenseur 2 et au secondaire de l’échangeur de source 4. La température requise à la sortie du secondaire de l’échangeur évaporateur 3 pour transférer l’énergie frigorifique vers le consommateur de froid et la température requise à la sortie du secondaire de l’échangeur de source 4 pour évacuer l’énergie frigorifique vers la source étant généralement différentes, chacun des deux circuits frigorigènes 1 et 101 fonctionne alors avec son propre rendement, optimisant ainsi le rendement global de la machine thermodynamique 100.
La figure 10 illustre un autre mode de fonctionnement particulier d’une machine thermodynamique illustrée à la figure 8, et fonctionnant globalement selon le mode appelé production frigorifique prioritaire. Dans ce mode de fonctionnement, la puissance frigorifique produite par la machine thermodynamique 100 est adaptée à la puissance frigorifique requise par le consommateur de froid 300, et la puissance calorifique produite par la machine thermodynamique dépasse la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur 200.
La totalité de la puissance frigorifique produite par la machine thermodynamique 100 est transférée au consommateur de froid 300 au travers de l’échangeur évaporateur 3 comme cela est représenté par la flèche noire 303. Une partie de la puissance calorifique produite par la machine frigorifique 100, correspondant à la puissance calorifique requise par le consommateur de chaleur 200, est transférée au consommateur de chaleur 200 au travers de l’échangeur condenseur 2 comme cela est représenté par la flèche noire 203. Enfin, la partie restante de la puissance calorifique produite par la machine frigorifique 100, non nécessaire au consommateur de chaleur 200, est transférée à la source 400 au travers de l’échangeur de source 4 comme cela est représenté par la flèche noire 403.
Même si la machine fonctionne globalement selon le mode de production frigorifique prioritaire, chacun des deux circuits 1 et 101 fonctionne selon un mode qui lui est propre. Ainsi le circuit frigorigène 1 fonctionne selon le mode de production frigorifique prioritaire dans le cas particulier appelé production frigorifique seule, où la puissance calorifique produite par le circuit frigorigène 1 est entièrement transférée à la source. Ce mode de fonctionnement du circuit frigorigène 1 est identique au mode de fonctionnement de la machine thermodynamique 100 à un seul circuit frigorigène, qui est illustré à la figure 6.
Le circuit frigorigène 101 fonctionne quant à lui selon le mode de production calorifique prioritaire dans le cas particulier appelé production calorifique équilibrée, où la puissance frigorifique produite par le circuit frigorigène 101 est entièrement transférée au consommateur de froid. Ce mode de fonctionnement du circuit frigorigène 101 est identique au mode de fonctionnement de la machine thermodynamique 100 à un seul circuit frigorigène, qui est illustré à la figure 4.
Dans le circuit frigorigène 1, le détendeur 7 et la vanne 12 sont fermés. La totalité du fluide frigorigène à l’état gazeux et à haute pression en sortie du compresseur est dirigée vers le premier circuit primaire de l’échangeur de source 4, qui fonctionne alors en condenseur, et à l’intérieur duquel le fluide frigorigène se condense en cédant de la chaleur à l’élément extérieur se trouvant au contact du secondaire de cet échangeur de source 4.
A la sortie du primaire de l’échangeur de source 4, le fluide frigorigène à l’état liquide et à haute pression pénètre dans le détendeur 8 et il subit un abaissement de sa pression, puis il est dirigé vers le premier circuit primaire de l’échangeur évaporateur 3, à l’intérieur duquel il s’évapore en captant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de cet échangeur évaporateur 3.
A la sortie du primaire de l’échangeur évaporateur 3, le fluide frigorigène à l’état gazeux et à basse pression rejoint le réservoir 14 puis les compresseurs 5 et 6. Dans le circuit frigorigène 101, la vanne 110 est fermée. La totalité du fluide frigorigène à l’état gazeux et à haute pression en sortie du compresseur est dirigée vers le second circuit primaire de l’échangeur condenseur 2, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène se condense en cédant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de cet échangeur condenseur 2.
A la sortie du primaire de l’échangeur condenseur 2, le détendeur 108 est fermé. La totalité du fluide frigorigène à l’état liquide et à haute pression est dirigée vers le détendeur 107 dans lequel fluide frigorigène subit un abaissement de sa pression, puis il pénètre dans le second circuit primaire de l’échangeur évaporateur 3, à l’intérieur duquel le fluide frigorigène s’évapore en captant de la chaleur au fluide caloporteur circulant au secondaire de cet échangeur évaporateur 3. A la sortie du primaire de l’échangeur évaporateur 3, le fluide frigorigène à l’état gazeux et à basse pression rejoint le réservoir 114 puis le compresseur.
Dans ce mode fonctionnement, le circuit frigorigène 1 produit une partie de l’énergie frigorifique transférée au consommateur de froid 200 ainsi que la totalité de l’énergie calorifique transférée à la source 400, avec un rendement énergétique correspondant aux températures requises au secondaire de l’échangeur évaporateur 3 et au secondaire de l’échangeur de source 4. Le circuit frigorigène 101 produit l’autre partie de l’énergie frigorifique transférée au consommateur de froid 300 ainsi que la totalité de l’énergie calorifique transférée au consommateur de chaleur 200, avec un rendement énergétique correspondant aux températures requises au secondaire de l’échangeur évaporateur 3 et au secondaire de l’échangeur condenseur 2.
La température requise à la sortie de l’échangeur de source 4 pour évacuer l’énergie calorifique vers la source et la température requise à la sortie de l’échangeur condenseur 2 pour transférer l’énergie calorifique vers le consommateur de chaleur étant généralement différentes, chacun des deux circuits frigorigènes 1 et 101 fonctionne alors avec son propre rendement, optimisant ainsi le rendement global de la machine thermodynamique 100.
La machine thermodynamique 100 permet de produire simultanément de l’énergie calorifique et de l’énergie frigorifique, alimentant respectivement un consommateur de chaleur et un consommateur de froid, et d’échanger directement avec une source externe le résidu d’énergie thermique produite mais non utilisée par les consommateurs. En mode production calorifique prioritaire, il s’agit du résidu d’énergie frigorifique produite mais non utilisée par le consommateur de froid. En mode production frigorifique prioritaire il s’agit du résidu d’énergie calorifique produite mais non utilisée par le consommateur de chaud.
La machine thermodynamique 100 permet également de réguler de façon continue à la fois la température de départ du fluide caloporteur vers le consommateur d’énergie calorifique et la température de départ du fluide caloporteur vers le consommateur d’énergie frigorifique, ajustant ainsi de façon continue à la fois la puissance calorifique et la puissance frigorifique fournies respectivement au consommateur de chaleur et au consommateur de froid.
Selon un des modes de réalisation à plusieurs circuits frigorigènes, il est possible de produire une partie de l’énergie avec une température côté production non prioritaire adaptée à la température requise par le consommateur, et l’autre partie de l’énergie avec une température côté production non prioritaire adaptée à la température requise par la source externe, optimisant ainsi le rendement global de la machine.
La machine thermodynamique possède un circuit de commande 500 qui est configuré pour définir un mode de fonctionnement dans lequel le premier dispositif de commutation et le deuxième dispositif de commutation du premier circuit frigorigène 1 empêchent la circulation du fluide frigorigène dans le premier échangeur de chaleur 2 et simultanément le premier et le deuxième dispositifs de commutation du second circuit frigorigène 101 empêchent la circulation du second fluide frigorigène dans le troisième échangeur de chaleur 4.
Le circuit de commande 500 peut également être configuré pour définir un mode de fonctionnement dans lequel le premier dispositif de commutation et le deuxième dispositif de commutation du premier circuit frigorigène empêchent la circulation du fluide frigorigène dans le troisième échangeur de chaleur 4 et simultanément le premier et le deuxième dispositifs de commutation du second circuit frigorigène 101 empêchent la circulation du second fluide frigorigène dans le deuxième échangeur de chaleur 3.
La machine thermodynamique est configurée pour réguler la puissance calorifique et la puissance frigorifique simultanément ce qui n’est réalisé par les machines de l’art antérieur.
De manière avantageuse, la machine thermodynamique est configurée pour produire une énergie calorifique pour des applications de chauffage et/ou de production d’eau chaude sanitaire, par exemple nécessitant le chauffage d’un fluide caloporteur à une température comprise entre 20°C et 100°C. La machine thermodynamique peut également être configurée pour produire une énergie frigorifique pour des applications de refroidissement d’un fluide caloporteur de préférence dans la gamme 0°C - 20°C.
Bien que l'invention ait été décrite en référence à un mode de réalisation particulier, elle n'est nullement limitée à ce mode de réalisation. Elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons qui entrent dans le cadre de l'invention.

Claims (11)

  1. Revendications
    1. Machine thermodynamique produisant simultanément de l’énergie calorifique et de l’énergie frigorifique, comportant :
    un premier échangeur de chaleur (2) possédant au moins un circuit primaire où circule un fluide frigorigène et au moins un circuit secondaire destiné à être parcouru par un premier fluide caloporteur, le premier échangeur de chaleur (2) étant configuré pour condenser le fluide frigorigène ;
    un deuxième échangeur de chaleur (3) possédant au moins un circuit primaire où circule le fluide frigorigène et au moins un circuit secondaire destiné à être parcouru par un deuxième fluide caloporteur, le deuxième échangeur de chaleur (3) étant configuré pour évaporer le fluide frigorigène ;
    un troisième échangeur de chaleur (4) possédant au moins un circuit primaire où circule le fluide frigorigène et au moins un circuit secondaire destiné à être parcouru par un troisième fluide caloporteur, le troisième échangeur de chaleur (4) étant configuré pour évaporer ou condenser le fluide frigorigène ;
    au moins un circuit frigorigène (1) à l’intérieur duquel circule le fluide frigorigène, le au moins un circuit frigorigène connectant le premier échangeur de chaleur (2), le deuxième échangeur de chaleur (3) et le troisième échangeur de chaleur (4) ;
    dans laquelle le au moins un circuit frigorigène (1) comporte :
    un compresseur (5, 6) monté entre une sortie du deuxième échangeur de chaleur (3) et une entrée du premier échangeur de chaleur (2) ;
    un premier détendeur (7) monté entre une sortie du premier échangeur de chaleur (2) et une entrée du deuxième échangeur de chaleur (3) ;
    un premier nœud de liaison (15) reliant la sortie du compresseur (5, 6) à l’entrée du premier échangeur de chaleur (2) et à un premier dispositif de commutation (10, 11, 19) ;
    un deuxième nœud de liaison (16) reliant une sortie du premier échangeur de chaleur (2) à une entrée du premier détendeur (7) et à un deuxième dispositif de commutation (12, 13, 20) ;
    un troisième nœud de liaison (17) reliant une entrée du deuxième échangeur de chaleur (3) avec une sortie du premier détendeur (7) et avec le deuxième dispositif de commutation (12, 13, 20) ;
    un quatrième nœud de liaison (18) reliant une sortie du deuxième échangeur de chaleur (3) à une entrée du compresseur (5, 6) et au premier dispositif de commutation (10, 11, 19) ;
    le premier dispositif de commutation (10, 11, 19) étant configuré pour définir sélectivement une première configuration ou une seconde configuration, la première configuration définissant un premier canal de circulation du fluide frigorigène reliant une première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur (4) au quatrième nœud de liaison (18) et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le premier dispositif de commutation (10, 11, 19) depuis le premier nœud de liaison (15), la deuxième configuration définissant un deuxième canal de circulation du fluide frigorigène reliant le premier nœud de liaison (15) à la première entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur (4) et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le premier dispositif de commutation (10, 11, 19) jusqu’au quatrième nœud de liaison (18) ;
    le deuxième dispositif de commutation (12, 13, 20) étant configuré pour définir sélectivement une première configuration ou une seconde configuration, la première configuration définissant un premier canal de circulation du fluide frigorigène reliant le deuxième nœud de liaison (16) à une deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur (4) et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le deuxième dispositif de commutation (12, 13, 20) jusqu’au troisième nœud de liaison (17), la deuxième configuration définissant un deuxième canal de circulation du fluide frigorigène reliant la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur (4) au troisième nœud de liaison (17) et empêchant la circulation du fluide frigorigène à travers le deuxième dispositif de commutation (12, 13, 20) depuis le deuxième nœud de liaison (16);
    un second détenteur (8) monté entre le deuxième dispositif de commutation (12, 13, 20) et la deuxième entrée/sortie du troisième échangeur de chaleur (4).
  2. 2. Machine thermodynamique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second détenteur (8) est un détendeur bidirectionnel.
  3. 3. Machine thermodynamique selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le compresseur comporte un premier compresseur (5) et un deuxième compresseur (6) montés en parallèle entre le premier échangeur de chaleur (2) et le deuxième échangeur de chaleur (3), le premier compresseur (5) étant un compresseur à vitesse de rotation variable et le deuxième compresseur (6) étant un compresseur de type tout ou rien dont l’activation est déclenchée lorsqu’une puissance calorifique transférée à travers le premier échangeur de chaleur (2) atteint une valeur seuil ou lorsqu’une puissance frigorifique transférée à travers le deuxième échangeur de chaleur (3) atteint une valeur seuil.
  4. 4. Machine thermodynamique selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier détendeur (7) est à taux d’ouverture variable et en ce qu’elle comporte un circuit de commande (500) configuré pour contrôler le taux d’ouverture du premier détendeur (7) afin de réguler la proportion de fluide frigorigène traversant le détendeur (7) et le deuxième échangeur de chaleur (3) pour ajuster la puissance frigorifique transmise à travers le deuxième échangeur de chaleur (3) ou pour contrôler le taux d’ouverture du premier détendeur (7) afin de réguler la proportion de fluide frigorigène traversant le détendeur (7) et le premier échangeur de chaleur (2) pour ajuster la puissance calorifique transmise à travers le premier échangeur de chaleur (2).
  5. 5. Machine thermodynamique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le circuit de commande (500) est configuré pour réguler la température (TCH, TFR) du fluide caloporteur en sortie du premier échangeur de chaleur (2) ou en sortie du deuxième échangeur de chaleur (3) à une valeur de consigne.
  6. 6. Machine thermodynamique selon l’une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le second détendeur (8) est à taux d’ouverture variable et en ce que le circuit de commande (500) est configuré pour commander le rapport du taux d’ouverture du premier détendeur (7) et du second détendeur (8).
  7. 7. Machine thermodynamique selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte un second circuit frigorigène (101) à l’intérieur duquel circule un second fluide frigorigène, le second circuit frigorigène (101) connectant le premier échangeur de chaleur (2), le deuxième échangeur de chaleur (3) et le troisième échangeur de chaleur (4), le second circuit frigorigène (101) possédant un compresseur (105, 106), un premier détendeur (107), un premier nœud de liaison, un deuxième nœud de liaison, un troisième nœud de liaison, un quatrième nœud de liaison, un premier dispositif de commutation, un deuxième dispositif de commutation et un deuxième détendeur (108) agencés de manière semblable à l’agencement du premier circuit frigorigène.
  8. 8. Machine thermodynamique selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’elle comporte un circuit de commande (500) configuré pour définir un mode de fonctionnement dans lequel le premier et le deuxième dispositifs de commutation du premier circuit frigorigène (1) empêchent la circulation du fluide frigorigène dans le troisième échangeur de chaleur (4) et dans lequel le premier et le deuxième dispositifs de commutation du second circuit frigorigène (101) empêchent la circulation du second fluide frigorigène dans le deuxième échangeur de chaleur (3).
  9. 9. Machine thermodynamique selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’elle comporte un circuit de commande (500) configuré pour définir un mode de fonctionnement dans lequel le premier et le deuxième dispositifs de commutation du premier circuit frigorigène (1) empêchent la circulation du fluide frigorigène dans le premier échangeur de chaleur (2) et dans lequel le premier et le deuxième dispositifs de commutation du second circuit frigorigène (101) empêchent la circulation du second fluide frigorigène dans le troisième échangeur de chaleur (4).
  10. 10. Procédé de fonctionnement d’une machine thermodynamique comportant les étapes :
    Fournir une machine thermodynamique selon l’une des revendications 1 à6 ;
    Basculer entre un premier mode de fonctionnement et un deuxième mode de fonctionnement, le premier mode de fonctionnement définissant un montage parallèle du troisième échangeur de chaleur (4) et du deuxième échangeur de chaleur (3) entre la sortie du premier échangeur de chaleur (2) et l’entrée du compresseur (5, 6), le deuxième mode de fonctionnement définissant un montage parallèle du troisième échangeur de chaleur (4) et du premier échangeur de chaleur (2) entre la sortie du compresseur (5, 6) et l’entrée du deuxième échangeur de chaleur (3).
  11. 11. Procédé de fonctionnement d’une machine thermodynamique comportant les étapes :
    Fournir une machine thermodynamique selon l’une des revendications 7à9 ;
    Basculer entre un premier mode de fonctionnement et un deuxième mode de fonctionnement, le premier mode de fonctionnement définissant un premier circuit frigorigène (1) dans lequel le fluide frigorigène ne passe pas au travers du troisième échangeur de chaleur (4) et un second circuit frigorigène (101) dans lequel le second fluide frigorigène ne passe pas au travers du deuxième échangeur de chaleur (3), le deuxième mode de fonctionnement définissant un premier circuit frigorigène (1) dans lequel le fluide frigorigène ne passe pas au travers du premier échangeur de chaleur (2) et un second circuit frigorigène (101) dans lequel le second fluide frigorigène ne passe pas au travers du troisième échangeur de chaleur (4).
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