FR2525330A1 - Evaporator de-icing in air heat pump driven by heat engine - using engine cooling water and exhaust heat to melt external ice on evaporator tubes - Google Patents
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Abstract
Description
Pompe à chaleur à compression sur l'air entraînée par m moteur thermique et munie d'un dispositif de dégivrage.Compression heat pump on air driven by m heat engine and fitted with a defrosting device.
La présente invention a pour objet une pompe à chaleur à compres- sion sur l'air dont le circuit fermé, contenant le fluide frigorigène, comprend en série, un compresseur entraîné par un moteur thermique, un condenseur et un évaporateur.The present invention relates to an air compression heat pump, the closed circuit of which contains the refrigerant, comprises in series a compressor driven by a heat engine, a condenser and an evaporator.
Les pompes à chaleur sur l'air, pour pouvoir disposer d'une durée annuelle de service et/ou d'une puissance frigorifique suffisante pour assurer leur rentabilité, doivent, dans la majorité des cas, pouvoir fonctionner dans des conditions telles que l'apparition de givre sur l'évaporateur est inévltable. Air heat pumps, in order to have an annual service life and / or sufficient cooling capacity to ensure their profitability, must, in most cases, be able to operate under conditions such as the appearance of frost on the evaporator is unavoidable.
Si une légère efflorescence de givre n'est pas préjudiciable aux échanges de chaleur au niveau de l'évaporateur, par contre, une accumulation de givre est particulièrement néfaste et peut conduire au blocage complet de la machine.If a slight efflorescence of frost is not detrimental to the heat exchanges at the level of the evaporator, on the other hand, an accumulation of frost is particularly harmful and can lead to complete blocking of the machine.
I1 en résulte que ces machines doivent être munies, de manière quasi-systématique, d'un système efficace de dégivrage de l'évaporateur. As a result, these machines must be provided, almost systematically, with an efficient system for defrosting the evaporator.
Pour résoudre le problème du dégivrage, un certain nombre de solutions ont été proposées, qui présentent en commun le fait d'avoir été développées pour les pompes à chaleur utilisant l'électricité comme force motrice. Parmi ces procédés on peut citer:
Le procédé dit "par dérivation de gaz chauds" : lorsque le besoin de dégivrage est détecté, l'ouverture d'une simple vanne de dérivation permet au compresseur de débiter directement des gaz chauds dans l'évaporateut, le condenseur et le détendeur étantby-passés.To solve the problem of defrosting, a certain number of solutions have been proposed, which have in common the fact of having been developed for heat pumps using electricity as a driving force. Among these processes we can cite:
The so-called "hot gas bypass" process: when the need for defrosting is detected, the opening of a simple bypass valve allows the compressor to deliver hot gases directly into the evaporator, the condenser and the pressure reducer being past.
Les avantages de re procédé résident dans une certaine simplicité de réalisation au niveau du circuit frigorifique, l'absence de prélèvement de chaleur à la source chaude et, au total, un assez faible coût énergétique. The advantages of re process reside in a certain simplicity of implementation in the refrigeration circuit, the absence of heat removal from the hot source and, in total, a fairly low energy cost.
Par contre, ce procédé ne procure qutune assez faible puissance de dégivrage pouvant aller jusqu'a l'inefficacité dans certaines configurations de machines.On the other hand, this process provides only a fairly low defrosting power which can go as far as ineffectiveness in certain machine configurations.
Le procédé dit "par inversion du cycle frigorifique" : en cas de nécessité de dégivrage, on intervertit les rôles respectifs de leévaporateur et du condenseur, la chaleur dégagée pendant la phase de dégivrage au niveau de l'évaporateur permettant de faire fondre le givre. Ce procédé est généralement mis en oeuvre au moyen d'une vanne à quatre voies permettant l'inversion de l'alimentation en fluide frigorigè de leévaporateur et du condenseur.The process known as "by inversion of the refrigeration cycle": in the event of the need for defrosting, the respective roles of the evaporator and the condenser are reversed, the heat released during the defrosting phase at the evaporator making it possible to melt the frost. This process is generally implemented by means of a four-way valve permitting the reversal of the supply of refrigerant to the evaporator and to the condenser.
L' avantage de ce dispositif est de fournir une bonne puissance de dégivrage permettant d'assurer la fonction dans tous les cas. Les inconvénients en sont par contre nombreux et importants : le coût de réalisation est élevé, le circuit frigorifique est complexe, ce qui peut provoquer un certain manque de fiabilité, un prélèvement de chaleur à la source chaude est effectué, et son coût énergétique n'est pas négligeable. De plus, le séquencement souhaitable des opérations lors du degivrage (arrêt du compresseur avant la manoeuvre de la vanne à quatre voies est peu compatible avec un entrainement par moteur thermique. The advantage of this device is to provide a good defrosting power allowing to ensure the function in all cases. The disadvantages are however numerous and important: the production cost is high, the refrigeration circuit is complex, which can cause a certain lack of reliability, a heat is taken from the hot source, and its energy cost does not is not negligible. In addition, the desirable sequencing of operations during defrosting (stopping the compressor before operating the four-way valve is not very compatible with a drive by thermal engine.
Le procédé utilisant des résistances électriques serties dans l'évaporateur : ce procédé a le mérite d'une très grande simplicité, d'une bonne efficacité et d'une grande robustesse, mais nécessite une puissance électrique appelée importante et une forte dépense énergétique.The process using electrical resistors crimped in the evaporator: this process has the merit of very great simplicity, good efficiency and great robustness, but requires a large electrical power called and a high energy expenditure.
Ces divers procédés, dont l'énumération n'est pas limitative, qui ont été mis au point pour être appliqués sur des machines mues par l'électricité, ne tirent pas profit des spécificités d'une machine dont le compresseur est entraîné par un moteur thermique, oumême sont peu compatibles avec un fonctionnement correct du moteur thermique (nécessité d'arrêter le compresseur à chaque manoeuvre de la vanne à quatre voies dans le cas de l'inversion du cycle). These various processes, the list of which is not limiting, which have been developed to be applied on machines powered by electricity, do not take advantage of the specific features of a machine whose compressor is driven by a motor. thermal, or even are not very compatible with correct operation of the thermal engine (need to stop the compressor each time the four-way valve is operated in the event of the cycle reversing).
L'invention proposée a pour but, au contraire, de tirer avantage de la présence inévitable de fluides caloporteurs portés à très haute température lors du fonctionnement normal du moteur thermique. En particulier, si le moteur est du type à refroidissement par eau, le mieux approprié pour l'entraînement d'une pompe à chaleur, on dispose très naturellement d'un débit d'eau à 85-900 qui est, en phase de fonctionnement normal de la machine, dirigé vers le circuit d'utilisation de la pompe à chaleur.The proposed invention aims, on the contrary, to take advantage of the inevitable presence of heat transfer fluids brought to very high temperature during normal operation of the engine. In particular, if the motor is of the water-cooled type, the most suitable for driving a heat pump, there is very naturally a water flow rate of 85-900 which is, in the operating phase normal of the machine, directed to the heat pump operating circuit.
De plus, la récupération de la chaleur véhiculée par les gaz d'échappement du moteur conduit la plupart du temps à la mise en place d'un échangeur gaz d'échappement-eau, qui permet lui aussi de disposer d'un débit d'eau à 85-90 au moins, dirigé lui aussi, en marche normale, vers le circuit d'utilisation de la pompe à chaleur.In addition, the recovery of the heat conveyed by the engine exhaust gases leads most of the time to the installation of an exhaust gas-water exchanger, which also allows to have a flow of water at least 85-90, also directed, in normal operation, to the heat pump operating circuit.
On peut donc considérer que, dans la quasi-totalité des cas, on dispose d'un débit important d'eau à 85-900 dans les pompes à chaleur entraînées par un moteur thermique.We can therefore consider that, in almost all cases, there is a significant flow of water at 85-900 in heat pumps driven by a heat engine.
En cas de nécessité de dégivrage, cette eau constitue un agent de dégivrage idéal, puisqu'elle est à très haute température, qu'elle présente une chaleur massique maximale et qu'il est éventuellement possible de stocker une capacité de dégivrage importante sous un faible volume et pour un faible coût
Dans ce but, l'invention propose une pompe à chaleur du type décrit plus haut, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de dégivrage de l'évaporateur comprenant des conduits incorporés à ltévaporateur, ces derniers étant susceptibles d'être alimentés, pendant la phase de dégivrage par un fluide caloporteur provenant du moteur thermique.If defrosting is necessary, this water is an ideal defrosting agent, since it is at very high temperature, it has maximum specific heat and it is possible to store a large defrosting capacity under low volume and for a low cost
To this end, the invention provides a heat pump of the type described above, characterized in that it comprises a device for defrosting the evaporator comprising conduits incorporated in the evaporator, the latter being capable of being supplied, during the defrosting phase with a heat transfer fluid from the heat engine.
L'invention consiste donc à insérer dans la structure de leévapora- teur des conduits qui permettent la circulation, pendant la période du dégivrage, d'eau à 85-90 en provenance des circuits de refroidissement ou de récupération de chaleur du moteur thermique.The invention therefore consists in inserting into the structure of the evaporator conduits which allow the circulation, during the defrosting period, of water at 85-90 from the cooling circuits or heat recovery of the heat engine.
L'insertion de conduits dans l'évaporateur est particulièrement simple dans le cas d'un évaporateur du type "tubes et ailettes" en effet, on peut réserver un certain nombre de tubes, régulière ment espacés et qui serviraient normalement à la circulation du fluide frigorisène, à la circulation de l'eau de dégivrage, un collecteur d'eau étant prévu à chaque extrémité de l'évaporateur.The insertion of conduits into the evaporator is particularly simple in the case of an evaporator of the "tube and fin" type, in fact, a certain number of tubes can be reserved, regularly spaced and which would normally serve for the circulation of the fluid refrigerant, to the circulation of defrost water, a water collector being provided at each end of the evaporator.
Au cours de la séquence de dégivrage, il est naturellement indispensable de suspendre la production du froid à l'évaporateur.During the defrosting sequence, it is naturally essential to suspend the production of cold in the evaporator.
La manière la plus simple consiste à stopper le moteur, ou à le faire tourner au ralentit en puisant la chaleur nécessaire au dégivrage dans un stockage d'eau chaude prévu à cet effet. Cepen- dant, cette solution n'est pas entièrement satisfaisante, tant sur le plan de la longévité du moteur que sur la qualité de l'exploitation (arrêt de toute production de chaleur). Une solution plus satisfaisante consiste à coupler le procédé de dégivrage selon l'invention avec le procédé connu dit "par dérivation de gaz chauds" : on aboutit alors à un système de dégivrage particulièrement puissant et efficace, n'obligeant pas à faire varier la vitesse du moteur, et ntinterrompant pas totalement la production de chaleur à l'utilisation puisqu'une partie du fluide caloporteur provenant du moteur reste disponible.The simplest way is to stop the engine, or run it at a slower speed by drawing the heat necessary for defrosting from a hot water storage provided for this purpose. However, this solution is not entirely satisfactory, both in terms of the longevity of the engine and in terms of operating quality (stopping all production of heat). A more satisfactory solution consists in coupling the defrosting method according to the invention with the known method known as "bypassing hot gases": this then results in a particularly powerful and effective defrosting system, not requiring the speed to be varied. of the engine, and not completely interrupting the production of heat during use since part of the heat transfer fluid coming from the engine remains available.
On décrira maintenant un mode de réalisation non limitatif de l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une pompe à chaleur à entraînement par
moteur thermique munie d'un dispositif de dégivrage conforme
aux enseignements de la présente invention - les figures 2 et 3 représentent respectivement la vue de côtéet
la vue de face d'une section d'un évaporateur classique du type
à tubes et ailettes serties sur les tubes - les figures 4 et 5 reysrésentent respectivement la vue de côté
et la vue de face d'un évaporateur à tubes et ailettes réalisé
conformément aux enseignements de la présente invention
La pompe à chaleur représentée à la figure 1 comprend un circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène tel que par exemple du fréon. 1 circuit comprend un compresseur JO, un condenseur 12 et un évaporateur t4. Le compresseur 10 est entraîné par un moteur thermique 16 auquel il est relié par l'intermédiaire d'un accouplement 18. Le compresseur 10 aspire par une tubulure 20 le fluide frigorigène évaporé dans l'évaporateur 14 et refoule le fluide frigorigène comprimé dans le condenseur 12 par la tubulure 22. Le fluide frigorigène, sortant du zonde ;seur 12, est détendu par un détendeur 24, disposé entre le condenseur 12 et l'évaporateur 14, avant d'aller à nouveau alimenter l'éva- porateur 14.We will now describe a non-limiting embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings in which - Figure 1 shows a heat pump driven by
internal combustion engine fitted with a defrosting device
to the teachings of the present invention - Figures 2 and 3 respectively represent the side view and
the front view of a section of a conventional evaporator of the type
with tubes and fins crimped on the tubes - Figures 4 and 5 represent the side view respectively
and the front view of a tube and fin evaporator made
in accordance with the teachings of the present invention
The heat pump shown in Figure 1 comprises a closed circuit in which circulates a refrigerant such as for example freon. 1 circuit includes a JO compressor, a condenser 12 and a t4 evaporator. The compressor 10 is driven by a heat engine 16 to which it is connected by means of a coupling 18. The compressor 10 draws in via a pipe 20 the refrigerant evaporated in the evaporator 14 and discharges the refrigerant compressed in the condenser 12 through the tubing 22. The refrigerant, leaving the zon; sor 12, is expanded by a regulator 24, disposed between the condenser 12 and the evaporator 14, before going again to supply the evaporator 14.
Une canalisation 26, branchée en dérivation sur la tubulure 22, oermet de court-circuiter le condenseur 12 et le détendeur 24 au moyen d'une vanne électromagnétique 28 qui est fermée en phase de marche normale de la pompe à chaleur et ouverte pendant les séquences de dégivrage, réalisant ainsi un système connu en soi de dégivrage par dérivation de gaz chauds.A pipe 26, connected in bypass to the tubing 22, allows to short-circuit the condenser 12 and the regulator 24 by means of an electromagnetic valve 28 which is closed during normal operation of the heat pump and open during the sequences defrosting system, thus producing a system known per se of defrosting by bypassing hot gases.
Le circuit de refroidissement du moteur thermique 16 comporte un dispositif de stockage 30 du fluide caloporteur de refroidissement, une vanne à trois voies 32 dirigeant l'eau à 85-?)00 issue du stockage 30 soit en 40 vers les tubes à eau de ltévaporateur selon l'invention, soit vers un réseau d'utilisation 34 du circuit de refroidissement du moteur.The cooling circuit of the heat engine 16 includes a device 30 for storing the coolant, a three-way valve 32 directing the water to 85 -?) 00 coming from the storage 30 or 40 to the water tubes of the evaporator according to the invention, either to a use network 34 of the engine cooling circuit.
L'eau sortant en 42 de l'évaporateur 14 est réinjectée en aval du réseau 34 dans le circuit de refroidissement du moteur En phase de marche normale de la pompe à chaleur, la vanne 32 est positionnée de manière à faire circuler la totalité du débit d'eau dans le réseau 34, tandis qu'en phase de dégivrage, la vanne 32 dirige tout ou partie du débit d'eau vers l'évaporateur, alors que la vanne zblectromaynetique 28 est simultanément ouverte pour court-circuiter le condenseur 12 et le détendeur 24, alimentant ainsi i 'Jvaporateur 14 en gaz chauds.The water leaving at 42 from the evaporator 14 is reinjected downstream from the network 34 in the engine cooling circuit. In the normal operating phase of the heat pump, the valve 32 is positioned so as to circulate the entire flow of water in the network 34, while in the defrosting phase, the valve 32 directs all or part of the water flow towards the evaporator, while the zblectromaynetic valve 28 is simultaneously open to short-circuit the condenser 12 and the regulator 24, thereby supplying the evaporator 14 with hot gases.
En phase de dégivrage, l'évaporateur 14 est simultanément alimenté en eau très chaude et en gaz chauds : la puissance calorifique de dégivrage ainsi disponible est considérable et conduit à des durées de dégivrage très courtes, sans qu'il y ait prelèvement de chaleur au circuit d'utilisation 13 du condenseur, ni nécessité de modifier le régime de marche du moteur thermique 16.In the defrosting phase, the evaporator 14 is simultaneously supplied with very hot water and hot gases: the defrosting calorific power thus available is considerable and leads to very short defrosting times, without there being any heat removal at the operating circuit 13 of the condenser, nor need to modify the operating speed of the heat engine 16.
La figure 2 et la figure 3 représentent respectivement la vue de côté et la vue de face d'une section d'ln évaporateur classique à tubes et ailettes serties sur les tubes : l'entrée du fluide frigorigène liquide s'opère par les canalisations d'alimentation 2, tandis que le fluide évaporé quitte l'évaporateur par les canaliations 4 ; les tubes de circulation 6 du fluide frigorigène sont reliés entre eux, à leurs extrémités, par les crosses 8, les ailettes 9 étant serties autour des tubes 6.FIG. 2 and FIG. 3 respectively represent the side view and the front view of a section of a conventional evaporator with tubes and fins crimped onto the tubes: the entry of the liquid refrigerant takes place via the pipes d 'supply 2, while the evaporated fluid leaves the evaporator through the channels 4; the refrigerant circulation tubes 6 are interconnected at their ends by the brackets 8, the fins 9 being crimped around the tubes 6.
l'a figure 4 et la figure 5 représentent respectivement la vue de côté et la vue de face d'un évaporateur à tubes et ailettes réalisé selon l'invention : on reconnaît les éléments classiques 2 a' 9 des figures 1 et 2 et des tubes 44 et 46, destinés à recevoir l'eau à 85-90 en provenance du moteur et relié entre eux par la crosse 48. Pour la commodité de la réal-sation, les conduits 44 et 46 peuvent avantageusement être constitués par des tubes d'eau ayant la même section que les tubes de fluide frigorigène. FIG. 4 and FIG. 5 respectively represent the side view and the front view of a tube and fin evaporator produced according to the invention: the conventional elements 2 to 9 of FIGS. 1 and 2 are recognized. tubes 44 and 46, intended to receive the water at 85-90 coming from the engine and connected together by the butt 48. For the convenience of the realization, the conduits 44 and 46 may advantageously be constituted by tubes with the same cross-section as the refrigerant tubes.
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