La présente invention concerne un cycle de refroidissement de systèmes de conditionnement d'air.

L'efficacité de la production frigorifique dépend du fonctionnement thermodynam iq ue de la mach ine frigorifiq ue, on dédu it son efficacité énergétique instantanée ou EER (Energy Efficiency Ratio) qui est le coefficient d'efficacité frigorifique, représentant la performance énergétique de la pompe à chaleur fonctionnant en mode rafraîchissement. C'est le rapport entre la quantité de chaleur absorbée par l'évaporateur et la quantité d'énergie électrique totale absorbée par l'installation, soit principalement le compresseur, mais également les équipements annexes (ventilateurs, pompes de circulation d'eau et d'air). On trouve dans les catalogues d'EER des valeurs de l'ordre de 2,5 à 4, l'invention propose une valeur pouvant aller de 5,5 à 9.

Dans tous les cycles frigorifiques des machines existantes, la chaleur produite par le compresseur est évacuée à l'extérieur sans être exploitée. L'intérêt de la récupération de chaleur produite par la compression du réfrigérant d'un cycle frigorifique est de valoriser cette énergie pour produire un travail mécanique qui est le sujet de l'invention.

On connaît, notamment par la demande de brevet américain avec le numéro de publication US 5,761 ,921 , une installation frigorifique pouvant fonctionner tant en mode refroidissement qu'en mode chauffage dans lequel la turbine, d'un cycle de Rankine alimenté par une source chaude provenant des fu mées d 'une mach ine therm ique, entraine le compresseur d'un cycle frigorifique.

Il est de ce fait extrêmement intéressant de pouvoir développer un cycle frigorifique permettant d'améliorer l'efficacité énergétique de celui-ci. L'installation de réfrigération sera donc énergétiquement efficace si elle demande peu d'énerg ie électrique pour atteindre une même pu issance frigorifique que les cycles frigorifique existants.

L'invention apporte beaucoup d'amélioration à une machine frigorifique, notamment en déduisant le travail produit par la turbine dont l'énergie provient de la récupération de l'énergie thermique produite par la compression du fluide frigorigène d'un cycle frigorifique. Cette énergie thermique est normalement rejetée par un condenseur dont la source froide est l'air extérieur, l'invention exploite cette énergie thermique et la transforme en travail mécanique.

Suivant d'autres aspects de l'invention, le rendement de l'installation est optimisé par différents moyens additionnels.

Globalement, l'invention ici proposée assure d'une part une augmentation du rendement et d'autre part la possibilité d'un fonctionnement adaptable au regard des variations climatiques et des besoins en fourniture d'énergie thermique pour le chauffage ou l'air conditionné.

Cette installation comprend d'autre part, un moteur électrique pour entraîner en rotation un compresseur et une turbine raccordée à l'arbre dudit compresseur pour réduire le travail dudit moteur électrique. Dans le cadre de la présente invention, on entend « compresseur » dans le sens le plus large, c'est-à-dire toute machine permettant la compression d'un fluide frigorigène gazeux, tel qu'un compresseur scroll ou un moteur à piston, actionnée par un moteur électrique.

On entend par « turbine » dans le sens le plus large, c'est-à-dire toute machine motrice, tel qu'une turbine scroll ou moteur à vis, actionnée par l'expansion d'un fluide compressible, tel que le R134a ou tous autres fluides frigorigènes ou gaz.

La présente invention vise à proposer la réalisation d'un cycle de refroidissement q u i permet d 'amél iorer l 'efficacité énergétique dans la conversion de l'énergie électrique en frigories.

Dans une installation suivant un mode de réalisation de la présente invention, ce but est atteint grâce au fait que, le condenseur du cycle frigorifique est aussi l'évaporateur d'un dispositif intermédiaire de type cycle de Rankine. Le dit dispositif complémentaire à l'installation d'un cycle frigorifique comporte une turbine, un condenseur, un diviseur, une bâche alimentaire et une pompe. Ladite turbine est apte à recevoir à haute pression ledit fluide frigorigène à l'état gazeux et à le détendre de manière à en extraire un travail mécanique. Le dit condenseur permet le changement de phase du fluide moteur en sortie de ladite turbine de l'état gazeux à l'état liquide et à la pression de condensation fonction de la température de la source froide, l'air extérieur.

La présente divulgation concerne aussi un procédé ou un échangeur de chaleur est à la fois l'évaporateur et le condenseur d'un cycle frigorifique en boucle avec un cycle de Rankine dont le réfrigérant est à la fois le fluide de service et le fluide de procédé dans la phase simultanée de condensation et d'évaporation de ce même réfrigérant.

Avantageusement, après l'étape de ladite compression du fluide frigorigène l'enthalpie nécessaire à sa condensation est égale à l'enthalpie de ce même fluide qui retourne au même échangeur pour y être évaporé. Pour des raisons d'équilibre le débit du fluide à évaporer est toujours supérieur au fluide à condenser car la priorité est de respecter la phase première qui est la condensation du réfrigérant. A cet effet l'excédent de fluide non évaporé sera séparé par un séparateur et injecté à la bâche alimentaire disposée en amont dudit échangeur.

La présente invention est relative à un cycle de refroidissement de systèmes de conditionnement d'air, caractérisé en ce qu'il comprend :

- un compresseur couplé à un moteur électrique qui comprime un réfrigérant ;

- un refroidisseur et réchauffeur de gaz (disposé entre le compresseur et la turbine exécutant un échange de chaleur par le réfrigérant comprimé et qui réchauffe un fluide moteur étant le même réfrigérant dans une boucle ;

- un dispositif d'étranglement qui étrangle l'écoulement du réfrigérant refroidi ;

- un évaporateur qui évapore le réfrigérant par une action d'absorption de chaleur d'une source chaude;

- un échangeur de chaleur disposé entre la turbine et le dispositif d'étranglement, l'échangeur de chaleur exécutant la condensation du réfrigérant par un échange de chaleur avec une source froide ;

- une turbine couplée à un moteur électrique qui détend le réfrigérant pour récupérer l'énergie et exécutant un travail complémentaire audit moteur, ledit système utilisant la phase vapeur du fluide moteur comme moyen moteur en vue de la réduction d'énergie électrique ;

caractérisé par le fait que les moyens de chauffage du réfrigérant comportent :

- un compresseur apte à surchauffer un réfrigérant ;

des moyens d'échange thermique entre un réfrigérant et un fluide moteur ;

Selon des modes de réalisation, le cycle est tel que :

- la chaleur issue de la compression d'un réfrigérant est exploitée pour produire l'énergie utile au travail mécanique d'une machine. - les moyens d'échange thermique nécessaires à l'évaporation du fluide moteur en aval de la turbine permettent aussi la condensation du réfrigérant en aval du compresseur.

- la turbine est intégrée dans une installation frigorifique ou pompe à chaleur.

- l'échangeur de chaleur est construit pour permettre l'évaporation d'un fluide et la condensation d'un autre fluide qui se croisent.

- l'échangeur de chaleur est intégré dans une installation frigorifique.

- les moyens de régulation comportent un échangeur en amont du compresseur contrôlant la température d'admission d'un réfrigérant, un séparateur contrôlant une phase 100% gazeuse du fluide en admission de la turbine et une bâche alimentaire apte à recevoir la phase liquide en amont de l'échangeur et en aval de la turbine qui permettent d'appliquer un débit nominal à la pompe.

- il comporte un échangeur régénératif configuré pour préchauffer le réfrigérant en amont du compresseur d'un cycle frigorifique est intégré à une installation frigorifique.

- la turbine est intégrée dans une installation frigorifique.

- une turbine produit un travail mécanique transmit à l'arbre d'un compresseur ou d'un alternateur.

- un échangeur régénératif est un élément des moyens de régulation d'un cycle frigorifique permettant la régulation d'une température nominale de l'admission d'un réfrigérant en entrée d'un compresseur pour une température variable d'une source froide nécessaire à la condensation d'un réfrigérant d'un cycle frigorifique.

- ledit échangeur de chaleur est construit pour permettre l'évaporation d'un fluide moteur entraînant une turbine par récupération de l'énergie thermique d'un réfrigérant surchauffé par une compression adiabatique en sortie d'un compresseur d'un cycle frigorifique.

- l'énergie nécessaire à évaporer le fluide moteur d'une turbine d'un cycle de Rankine provient de la condensation d'un réfrigérant surchauffé après sa compression dans un cycle frigorifique. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 présente schématiquement un premier mode de réalisation d'une installation de production de froid.

La figure 2 est un schéma similaire à la figure 1 représentant un second mode de réalisation de la présente invention par l'intégration d'un échangeur régénératif placé en amont du compresseur.

La figure 3 présente un second mode de réalisation de l'installation de l'invention appliquée avec deux cycles en parallèles.

La fig ure 4 est une vue d ifférente de l 'intég ration d 'une turbine applicable aux figures 1 ,2 ou 3.

La figure 1 illustre une première version de l'installation présentant un cycle de refroidissement de systèmes de conditionnement d'air.

Il a été choisi le fluide frigorigène R134a comme exemple de process de description de l'invention, les températures et pressions sont données pour ce fluide.

Cette installation comporte un circuit contenant un réfrigérant avec un compresseur 10 et une turbine 1 1 solidaire mécaniquement d'un même arbre moteur couplé à un moteur 8 électrique alimenté par un réseau électrique 22. Dans le circuit 20 de réfrigérant est placé directement en aval du compresseur 10 un échangeur 12 qui condense le fluide frigorigène surchauffé.

A l'entrée du compresseur 10 le fluide HFC R134a est à l'état gazeux et à la pression de process choisi suivant l'effet frigorifique recherché pouvant être compris entre 1 et 3 bar, en sortie du compresseur le fluide est comprimé à la pression nécessaire pour atteindre une température d'au moins 75°, cette pression est de1 1 bar en moyenne. En aval du compresseur 10 le réfrigérant est condensé par l'échangeur 12. En aval de l'échangeur 12 le réfrigérant est détendu par le détendeur 7 à la pression imposée par la température de la source froide 2 alimentant le condenseur 4 et injecté dans la bâche alimentaire 18. La pression dans la bâche alimentaire 18 est de 7,5 bar pour une température extérieure de ladite source froide de 33° prenant en compte un pincement de 4°. Le détendeur 7 impose au réfrigérant au point « f » une pression égale à celle du point « e » pour un mélange isobare dans la bâche alimentaire 18. En sortie de bâche alimentaire 18 le réfrigérant en phase liquide est remonté à la pression de 21 bar par la pompe 17 et alimente l'échangeur 12, la pression de 21 bar est la pression de vapeur saturante du réfrigérant imposé par la température du réfrigérant en aval du compresseur 10 avant son entrée dans l'échangeur 12. L'échangeur 12 est le condenseur du réfrigérant en sortie du compresseur 10 et l'évaporateur du réfrigérant avant son admission dans la turbine 1 1 . La pompe 17 assure le débit de fluide caloporteur nécessaire à la condensation du réfrigérant provenant du compresseur 10 qui lui assure l'évaporation du réfrigérant pour son admission dans la turbine 1 1 . L'excédant de réfrigérant non évaporé et à l'état liquide est séparé du réfrigérant à l'état gazeux par le séparateur 25 et retourne à la bâche alimentaire 18.

La turbine 1 1 est apte à recevoir le réfrigérant à une pression supérieure à la pression imposée à sa sortie par le condenseur 4, et à le détendre de manière à en extraire un travail mécanique. Le travail mécanique produit par la turbine 1 1 et transmit à l'arbre 9 soulage le moteur 8 électrique et réduit son travail nécessaire à entraîner le compresseur 10, réduisant ainsi la consommation dudit moteur électrique, W ₈ = Wi ₀ + Wn. La performance énergétique et son indice EER prend en compte les consommations des auxiliaires comme les ventilateurs de l'évaporateur 3 ou du condenseur 4 et dans notre solution la pompe 17 qui n'existe pas dans un cycle frigorifique, ces consommations d'énergies sont ajoutées à la consommation du moteur électrique 8, et celle-ci peut, suivant les conditions de températures extérieures et le process du cycle frigorifique, être divisée par 2,5 et dans les meilleurs conditions Wi ₀ est à peine supérieur à Wn.

A son entrée dans le condenseur 4 le réfrigérant est à l'état gazeux et passe à l'état liquide à sa sortie, la source froide 2 est l'air extérieur en mode réfrigération de l'installation et l'espace à chauffer en mode chauffage de l'utilisation de l'installation. Le réfrigérant à la sortie du condenseur 4 est séparé par le diviseur 19 la partie nominal du circuit 20 alimente le lamineur 5 et l'autre partie comprise entre 1 et 15% du débit nominal est injecté à la bâche alimentaire 18 au point « e ». La pression au point « e » est inférieure de 0,1 bar à la pression de vapeur saturante imposé au réfrigérant par le condenseur 4 en fonction de la température de la source froide 2, pour le R134a elle est de 7,5 bar à la température de 29 ° prenant en compte un pincement de 4° et une température de la source froide 2 de 33°. Au point « f » la pression du débit nominal du réfrigérant est égal à la pression au point « e » et imposé par le détendeur 7.

En sortie du diviseur 19 le débit nominal de réfrigérant alimente le lamineur 5 ou celui-ci dans une détente adiabatique subit une baisse de température par l'effet Joule-Thomson.

En sortie du lamineur 5 le fluide R134a à l'état liquide pour une pression imposée de 3 bar est à la température de 0,6°, il serait de -26° pour une pression imposée à 1 bar pour une utilisation de l'installation en congélateur.

Le réfrigérant est ensuite évaporé dans l'évaporateur 3 pour absorber les calories de la source chaude 1 qui est l'espace à réfrigérer ou l'air extérieur pour une utilisation de l'installation en mode chauffage.

L'installation illustrée dans figure 2 illustre une variante de la présente invention par l'intégration d'un échangeur régénératif avant le compresseur.

Son intérêt majeur réside dans l'échangeur 6 qui apporte un complément de frigories à l'échangeur 12 nécessaire à la condensation du réfrigérant provenant du compresseur 10 mais surtout il permet d'augmenter la température du réfrigérant au point « b » ce qui à pour effet d'augmenter la température du réfrigérant en sortie du compresseur 10 en ne causant qu'un négligeable travail supplémentaire au moteur 8 électrique, travail très largement compensé par une augmentation de la pression de vapeur saturante du réfrigérant alimentant la turbine 1 1 obtenu par une température plus élevée du réfrigérant en entrée de l'échangeur 12 en aval du compresseur 10. Plus la température est élevée en sortie du compresseur 10 plus la pression de vapeur du réfrigérant admis dans la turbine est élevée et plus W est important. En effet dans le cas de l'installation exploitée comme une pompe à chaleur l'échangeur 6 améliore l'efficacité énergétique de l'invention mais aussi la régulation. Le débit de réfrigérant distribué par la pompe 17 à l'évaporateur 12 devient quasiment identique à toutes les températures de process imposée par la température extérieure. Au point « a » la température est toujours identique quelle que soit la saison, au point « b » le fluide a été réchauffé par lui-même après sa condensation dans l'échangeur 12 et devient le fluide de service au point « c ». Au point « d » la température du fluide moteur de la turbine 1 1 varie seulement de quelques degrés suivant la saison ce qui est important car il devient le fluide caloporteur du condenseur 12 nécessaire à condenser le réfrigérant en aval du compresseur 10, sont débit au point « f » avant la bâche alimentaire 18 est environ neuf fois supérieur au débit du réfrigérant au point « e » en aval du séparateur 19 ce qui influe très positivement dans la régulation car le mélange au point « g » est pratiquement identique à quelques degrés près même avec des températures très variables de la source froide suivant les saisons. La pompe 17 a un débit nominal correspondant au maximum de la température extérieure en été permettant d'assurer la condensation impérative du réfrigérant en amont du compresseur 10, avec une température qui ne varie pas au point « b » la variation de débit ajusté par le séparateur 25 n'excède pas 1 % suivant la température minimale et maximale extérieure, en effet le séparateur 25 régule par séparation le mélange dysphasique éventuel par un retour du condensât à la bâche alimentaire 18.

Suivant la saison la température de la source froide varie et la pression de saturation du condensât varie en sortie du condenseur 4 et la pression de la partie séparée après le diviseur de débit 19 au point « e » est parfois différente mais toujours inférieur à la pression du point « f ». Le mélange est isobare dans la bâche alimentaire 18, le détendeur 7 impose au point « f » une pression égale à celle du point « e ». La figure 3 présente un second mode de réalisation de l'installation de l'invention avec cycle de Rankine en parallèle à cycle frigorifique. Le fonctionnement de l'installation avec deux circuits en parallèles est identique dans l'exploitation d'une source chaude produite par le compresseur d'un cycle frigorifique.

L'intérêt physique n'est pas meilleur excepté pour les installions de climatisation en zone tropical car il permet d'utiliser deux fluides frigorigènes différents, du R245fa par exemple pour le cycle de Rankine 21 qui permet une condensation pour des températures extérieures supérieur à 40°.

Le descriptif de ce mode de réalisation de l'installation présente la conversion de l'énergie électrique en frigories, le mode chauffage reprend les raisonnements de la figure 1 et de la figure 2.

Dans le cas représenté, deux fluides sont mis en œuvre, dont un fluide moteur apte à entraîner en rotation une turbine 1 1 et un fluide apte produire les frigories d'un espace à réfrigérer.

On pourra choisir, à titre d'exemple, un fluide HFC et en particulier du R143a.

L'autre fluide impliqué dans l'installation selon l'invention assure le transport de calories depuis un réfrigérant chaud en aval d'un compresseur 10 vers des moyens d'échange thermique aptes à chauffer le fluide moteur d'une turbine 1 1 du cycle de Rankine 21 . Le fluide caloporteur nécessaire à l'évaporation du fluide moteur du cycle de Rankine 21 est le réfrigérant d'un cycle frigorifique 20.

En sortie, le moteur 8 électrique entraîne l'axe d'un compresseur 10 qui par une compression adiabatique remonte la pression et surchauffe le R143a du cycle frigorifique 20.

A l'entrée du compresseur le R143a est à la pression de process imposé par le lamineur 5, dans l'exemple de process 3 bar et une température de 35°, en sortie du compresseur le fluide est à la pression de 1 1 bar et sa température est à 90 ° environ. En aval du compresseur 10 le réfrigérant du circuit 20 est condensé par l'échangeur 12 et refroidi par l'échangeur de chaleur 6 pour entrer dans le lamineur 5 ou le fluide frigorigène dans une détente adiabatique subit une baisse de température par l'effet Joule-Thomson.

En sortie du lamineur 5 le fluide R134a à l'état liquide pour une pression imposée de 3 bars et sa température de 0,6°. Le fluide est ensuite évaporé dans l'évaporateur 3 pour absorber les calories de la source chaude 1 qui est l'espace à refroidir. Il va être ensuite réchauffé par l'échangeur 6 et retourne au compresseur 10. Cette réchauffe est essentielle pour que la température du fluide en sortie du compresseur soit supérieur à 85°.

En parallèle, le circuit 21 contenant du R143a pour l'exemple, alimente un cycle de Rankine comprenant une turbine 1 1 , un condenseur 4, une pompe 17 et un évaporateur 12. Le fluide du circuit frigorifique 20 est le fluide caloporteur de l'évaporateur 12 réalisant ici les moyens d'échange thermique entre le fluide caloporteur du circuit 20 et assure l'évaporation du fluide moteur du circuit 21 . Et inversement le fluide du circuit 21 est le fluide caloporteur du condenseur 12 réalisant ici les moyens d'échange thermique entre le fluide caloporteur du circuit 21 et assure la condensation du fluide du circuit 20 du cycle frigorifique.

Le R134a du circuit 21 est à l'état liquide à son entrée dans l'échangeur

12 et gazeux à sa sortie. L'enthalpie nécessaire à son changement de phase est exactement égale à l'enthalpie nécessaire à la condensation du fluide du circuit 20.

Contrairement au mode de réalisation de la figure, dans cette version de l'invention, que suivant la variation de température de la source froide 2 les enthalpies ne sont plus égales pour un même débit correspondant à une température donnée. Si la température de la source froide 2 augmente, la température du fluide du circuit 21 augmente en sortie du condenseur 4, le fluide du circuit 21 étant le fluide de service du cycle frigorifique dont le débit est nominal, il faut plus de débit à l'échangeur 12 pour condenser le fluide de procédé du cycle frigorifique du circuit 20.

Afin d'ajuster très précisément le débit du circuit 21 nécessaire à la condensation du réfrigérant du circuit 20 le débit volumétrique est dépendant du régime de la pompe 17. La régulation du débit de la pompe 17 se fait par variation de son régime moteur, plus il faut de débit plus le moteur doit tourner vite ainsi les moyens de commande 13 reçoivent de la sonde de température 24 l'information sur la température du fluide avant la pompe 17 et ordonne au variateur de fréquences 23 de fournir au moteur électrique de la pompe 17 la fréquence de courant adéquate pour un régime moteur correspondant au débit de fluide caloporteur nécessaire à condenser le réfrigérant du cycle frigorifique. Le variateur de fréquences désigne un système électronique capable de piloter un moteur synchrone dont il permettra d'ajuster la vitesse et le débit avec précision. Si celui-ci est mal ajusté la jauge 15 du réservoir de condensât 16 informe les moyens de commande 13 du niveau de condensât dans le réservoir 16, s'il baisse de son niveau moyen il ordonne au variateur de fréquences 23 de monter la fréquence de l'alimentation électrique du moteur et inversement de descendre la fréquence du courant électrique alimentant le moteur de la pompe 17 si le niveau de condensât monte.

Dans l'échangeur 12 le fluide moteur du circuit 21 passe de l'état liquide à l'état gazeux à la pression de vapeur saturante imposée par la température du réfrigérant du circuit 20, à 69° la pression du R143a est de 21 bar environ.

En aval de l'échangeur 12 le fluide du circuit 21 est séché par le séparateur 25 et alimente la turbine 1 1 pour produire un travail communiqué à l'arbre 9 permettant de réduire le travail du moteur électrique. La consommation électrique du moteur 8 entraînant le compresseur 10 est significativement réduite, en moyenne de moitié.

En aval de la turbine 1 1 le fluide est condensé par l'échangeur 4 dont le fluide caloporteur, pouvant être l'air extérieur ou de l'eau, provient de la source froide 2. Ici le R134a passe de l'état gazeux à l'état liquide et à la pression de condensation imposée par la température de la source froide 2. Plus il fait chaud plus la pression du r134a en phase liquide est haute ce qui réduit le travail de la turbine par un plus faible ΔΡ. Dans le cas de condition tropicale avec une température extérieure de 43° l'EER chute à 5,5 et il atteint 9 avec une température de 26°.

La figure 4 est une vue différente de l'intégration d'une turbine à l'installation frigorifique et applicable aux figures 1 ,2 ou 3.

Le principe de fonctionnement de l'installation avec une turbine 1 1 raccordé à un alternateur 26 est identique dans l'exploitation d'une source chaude produite par la compression d'un réfrigérant à la différence que le travail de ladite turbine entraine un alternateur 22 raccordé à un réseau 22. REFERENCES

1. Source chaude

2. Source froide

3. Evaporateur

4. Condenseur

5. Lamineur

6. Echangeur de chaleur

7. Détendeur

8. Moteur électrique

9. Arbre

10. Compresseur

11. Turbine

12. Echangeur de chaleur

13. Moyens de commande

14. Vanne de régulation

15. Jauge

16. Réservoir condensât

17. Pompe

18. Bâche alimentaire

19. Diviseur

20. Circuit cycle frigorifique

21. Circuit cycle de Rankine

22. Réseau

23. Variateur de fréquence

24. Sonde température

25. Séparateur

26. Alternateur

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