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WO2015104330A1 - Pompe à chaleur produisant du froid - Google Patents

Pompe à chaleur produisant du froid Download PDF

Info

Publication number
WO2015104330A1
WO2015104330A1 PCT/EP2015/050251 EP2015050251W WO2015104330A1 WO 2015104330 A1 WO2015104330 A1 WO 2015104330A1 EP 2015050251 W EP2015050251 W EP 2015050251W WO 2015104330 A1 WO2015104330 A1 WO 2015104330A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit
water
compressor
condenser
evaporator
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/050251
Other languages
English (en)
Inventor
Bénédicte BALLOT-MIGUET
Sébastien PLACE
Wolfgang ZEDLER
Ernst Jahn
Joachim Paul
Original Assignee
Electricite De France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Electricite De France filed Critical Electricite De France
Publication of WO2015104330A1 publication Critical patent/WO2015104330A1/fr

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/10—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with multi-stage compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
    • F25B29/003—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the compression type system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00—Compressor arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump producing cold.
  • a heat pump is a thermodynamic device designed to force a heat transfer from a cold source (from which heat is extracted) to a hot source (where it is reinjected).
  • Figure 1 shows the general architecture of a conventional heat pump. It comprises a circuit 10 of a phase change thermal fluid, on which are successively arranged:
  • an evaporator 20 in heat exchange with a medium to be cooled (cold source) via a circuit 30, in which the thermal fluid passes to the gaseous state by absorbing the surrounding heat;
  • a condenser 21 in heat exchange with a medium to be heated (hot source) via a circuit 31, wherein the fluid passes to the liquid state by releasing enthalpy in the form of heat;
  • the cold source is the medium whose cooling is desired (the circuit 30 is then a cold recovery circuit) and the hot source is an external medium, in particular the water of a river, the ambient air, the basement, etc. (The circuit 31 is thus a heat dissipation circuit). It will be noted that many heat pumps are alternatively used for heat production.
  • the advantage of a heat pump is its efficiency (or COP, Coefficient of Performance) greater than 1: part of the energy supplied by the pump is "free".
  • the thermal fluids of the circuit 10 intended for cold production are called refrigerants: they are capable of evaporating at a low temperature under atmospheric pressure.
  • HFCs hydrofluorocarbons
  • hydrocarbons are flammable
  • the patent application FR2800159 thus proposes a heat pump (water) in which the cold recovery and heat dissipation circuits also use water as coolant / heat transfer fluid. Insofar as water is then the fluid common to the three circuits, heat exchange by direct contact (that is to say without physical barrier, by mixing the fluids of the circuits) can be implemented in the evaporator. and the condenser. This technique avoids heat losses at the exchangers and provides satisfaction.
  • the invention improves the situation.
  • the invention proposes to overcome these disadvantages by proposing in a first aspect a heat pump system adapted for cold production, comprising
  • a main circuit on which are successively arranged an evaporator, a compressor, a condenser and an expander; - a cold recovery circuit;
  • the main circuit, cold recovery circuit and heat dissipation circuit being water circuits in the liquid state and / or steam;
  • the evaporator putting the water of the main circuit in heat exchange by direct contact with the water of the cold recovery circuit, the condenser putting the water of the main circuit in heat exchange by direct contact with the water of the dissipation circuit heat ;
  • the compressor is an axial compressor directly coupled to the evaporator and configured to increase the water vapor pressure of the main circuit by at least 400%.
  • the compressor is configured to increase the pressure of the main circuit water vapor by a factor between 500% and 700%;
  • the compressor is configured to increase the pressure of the main circuit water vapor by approximately 600%;
  • the system is configured so that the vapor pressure in the main circuit is less than 12 millibars at the inlet of the compressor, and greater than 50 millibars at the outlet of the compressor;
  • the system is configured so that the vapor pressure in the main circuit is approximately 8 millibars at the inlet of the compressor, and approximately 56 millibars at the outlet of the compressor;
  • the system further comprises a desuperheater disposed on the main circuit between the compressor and the condenser, the desuperheater putting compressed water vapor of the main circuit in heat exchange with the fluid of a heat recovery circuit;
  • the system has the compressor, desuperheater and condenser stacked to a height less than the height of the evaporator, so that the compressor is coupled to the evaporator at an upper part of the evaporator, and the condenser is arranged vis-à-vis a lower part of the evaporator;
  • the system further comprises a vacuum pump connected to the condenser for starting the system and regulating operating pressure levels;
  • the vacuum pump is connected to the condenser via at least one tapping at the top of the condenser; • The system further comprises a bypass circuit for the circulation of steam between the condenser and the evaporator at the start of the system;
  • the evaporator comprises at least one agitator and / or at least one inclined plate;
  • the heat dissipation circuit comprises at least one nozzle for spraying water in the condenser
  • the circuit further comprises a lubricating circuit of the compressor, the fluid of the lubrication circuit being water coming from a branch of the cold recovery circuit and / or a branch of the heat dissipation circuit;
  • the system further comprises a cooling circuit of the compressor, the fluid of the cooling circuit being water coming from a branch of the cold recovery circuit and / or a branch of the heat dissipation circuit;
  • water is the only fluid used as thermal fluid or lubricating fluid.
  • the invention relates to a method of producing cold using a heat pump system, the method being characterized in that it comprises steps of:
  • the trigger is implemented up to a pressure of less than 12 millibars, and the compression is implemented up to a pressure greater than 50 millibars;
  • the step of returning the water vapor compressed in the condenser comprises the circulation of water vapor in a desuperheater in heat exchange with the fluid of a heat recovery circuit so as to cool the steam of main circuit water to a temperature below 40 ° C.
  • FIG. 1 is a diagram of a known heat pump
  • FIG. 2 is a diagram of a preferred embodiment of the heat pump system according to the invention.
  • FIG. 3 is a diagram of a compressor of an installation according to the invention.
  • FIG. 4 is a graph showing a Mollier diagram plotted on a phase diagram of the water
  • FIG. 5 is a diagram of a detail of the evaporator-compressor connection
  • FIG. 6 is a diagram of a detail of the compressor-desuperheater link
  • FIG. 7 is a diagram of a detail of the desuperheater-condenser connection.
  • the invention proposes a heat pump system 1 adapted for cold production.
  • main circuit 10 On which are successively arranged an evaporator 20, a compressor 1 1, a condenser 21 and a pressure reducer 12; a cold recovery circuit 30; and a heat dissipation circuit 31; the main circuit 10, cold recovery circuit 30 and heat dissipation circuit 31 being water circuits in the liquid state and / or steam.
  • the main circuit 10 is a phase change circuit, so the water is in the liquid state on one part of the cycle and gaseous on the other part.
  • the evaporator 20 puts the water of the main circuit 10 in heat exchange by direct contact with the water of the cold recovery circuit 30, the condenser 21 putting the water of the main circuit 10 in heat exchange by direct contact with a heat dissipation circuit 31.
  • the fluids of the three circuits 10, 30 and 31 are not separated by physical barriers, and therefore are in one and the same enclosure.
  • the water of the cold recovery circuit 30 enters the evaporator 20 at the bottom, where it mixes with the liquid water from the regulator 12 and the water of the heat dissipation circuit 31 is sprayed into the condenser 21 at the top, where it mixes with the steam condensates.
  • the present system 1 is distinguished by the specific features of the compressor 1 1.
  • the latter is an axial compressor as evoked.
  • An axial compressor comprises fixed wheels 1 14 and movable wheels 1 13 (not shown in Figure 2, but visible in Figure 3).
  • the wheels fixed (called rectifiers) are fixed on a stator January 12, the movable wheels are fixed on a rotor 1 1 1.
  • the fixed wheels 1 14 are equipped with so-called steerable blades (their feet can be rotated whose angle can be adjusted according to the speed of rotation of the rotor 1 1 1).
  • An assembly of a fixed wheel 1 14 and a movable wheel 1 13 constitutes a stage.
  • the present compressor is configured to increase the pressure of the water vapor of the main circuit 10 by at least 400% (ie compression ratio at least 5), advantageously configured to increase the pressure of the water vapor of the main circuit 10 by a factor of between 500% and 700% (ie compression ratio of between 6 and 8), more advantageously configured for increase the pressure of the main circuit water vapor 10 by about 600% (ie compression ratio of 7).
  • the Applicant had the idea to directly couple the axial compressor to the evaporator.
  • "Directly coupled” means that there is no circuit 10 piping between the two.
  • the evaporator contains, in its upper part, a "manhole” finalized by a half-flange 100 (see Figure 5 which has this detail), and the envelope 1 10 of the compressor 1 1 is also equipped with a half-flange 100 which is fixed on the half-flange 100 of the evaporator 20 so as to form the coupling.
  • the "suction" part of the compressor 1 1 (in other words the first stages in the direction of circulation of the steam) can even be slightly nested in the evaporator 20, or even be substantially disposed inside the evaporator 20.
  • This coupling makes it possible to limit the pressure losses even by conveying a particularly large volume of gas (as is necessary for the steam) and to lower as much as possible the pressure within the evaporator 20. to choose a number of stages to reach the required compression ratio.
  • the speed of the wheels may be of the order of 9000 rpm for a wheel diameter of about 1.37 m.
  • the evaporator 20 is the component of the heat pump in which, under the effect of the low pressure which prevails, the water evaporates into water vapor by taking the heat from the ambient environment, in particular the return water from the cold recovery circuit 30.
  • the evaporator 20 is advantageously equipped, in its lower part, with at least one stirrer 200 (or mixer), itself connected to a rotation shaft, itself actuated by a motor located outside the evaporator.
  • stirrer 200 or mixer
  • Inclined plates 201 in particular metal plates, are advantageously welded to the lower part of the evaporator 20 at such an angle that they make it possible, thanks to the combined action of the stirrer 200, to homogenize a "grout. ice that can appear at temperatures close to 0 ° C.
  • the stirrer 200 also makes it possible to homogenize the temperature of the water and / or the slurry contained in the evaporator 20.
  • the evaporator 20 may be thermally insulated in its lower part.
  • a tapping allows the suction of ice water / slurry (at a temperature around 5 ° C) in the cold recovery circuit 30 by a pump.
  • a stitching still in its lower part, for example on the sidewall, allows the return of ice water / grout after recovery, and therefore at a higher temperature (about 12 ° C) or a lower ice concentration.
  • the water vapor is located in the middle and upper part of the evaporator 20, present by direct heat exchange a temperature of about 5 ° C and a pressure of about 8 millibars.
  • the high compression ratio obtained by the compressor 1 1 causes a significant increase in the temperature of the water vapor, it can exceed 100 ° C or 200 ° C, and particularly preferably reach about 270 ° C.
  • a desuperheater 22 makes it possible to recover heat at a very high temperature (greater than 100 ° C.) at the discharge of the compressor via a heat recovery circuit 32. It will be understood that the desuperheater 22, it is present, differs from the condenser 21 in that it is not the place of any phase change.
  • the desuperheater 22 can thus be a heat exchanger that is conventionally found in commerce. It is supplied with superheated heat at over 100 ° C and at least 50 millibars by the compressor 1 1 in its upper part.
  • the desuperheater uses a cooling of the steam to the limit of condensation (point of dew). After heat exchange, the saturated steam is typically discharged in the lower part at about 34 ° C. towards the condenser 21.
  • the desuperheater 22 may be absent from the circuit 10. In this case, the desuperheating of the steam is done directly in the condenser 21.
  • the advantage of the desuperheater 22 is to avoid dissipating (and therefore lose) all the thermal energy via the circuit 31 of heat dissipation, but to be able to value a portion at sufficient temperature levels for example for applications various heating or preheating (air, liquid, etc.) via the circuit 32, which is a heat recovery, and thus limit the share of heat dissipated via the circuit 31.
  • the compressor 1 1 is also coupled to the desuperheater 22: as seen in Figure 6, there is no piping between the two elements.
  • the casing 1 10 of the compressor 1 1 contains, in the lower part of the discharge side, another half-flange 100.
  • the casing 220 of the desuperheater 22, in its upper part and at its end, also comprises a half-flange 100 which is fixed on the half-flange of the discharge of the compressor.
  • the desuperheater can also be coupled to the condenser 21 by a flange system 100 identical to that of the compressor / desuperheater coupling.
  • the condenser 21 is the component of the heat pump in which the water vapor usually gives up its sensible heat while cooling, the water vapor gives up its latent heat by condensing, and the water sometimes gives up its sensible heat by cooling (phenomenon called subcooling).
  • the existence or not of the above phenomena depends on the size of the condenser 21 and the presence or absence of Desuperheater 22. In all cases, the heat is transferred to the outside environment (via the circuit 31 of heat dissipation).
  • the condenser 21 is supplied with saturated steam in the upper part by the desuperheater 22 (or directly by the compressor 1 1), the steam condenses through the distribution (see below) of liquid water at about 28 ° C back circuit 31 of heat dissipation.
  • the liquid water at about 34 ° C is collected in the lower part of the condenser 21.
  • the condenser 21 is equipped with a tapping so as to discharge the warm water to the circuit 31 of heat dissipation using a pump.
  • An optional purge 210 makes it possible to empty an excess of condensates.
  • the condenser 21 can also be equipped with a nozzle in its upper part so as to connect it to a vacuum pump 13.
  • the latter allows the start of the system 1 by initiating the pressure conditions required for its proper operation and can be necessary for vacuum maintenance (ie regulation of pressure levels) during system operation 1.
  • the condenser 21 may also be equipped with one or more taps in its upper or middle part so as to connect it to the evaporator 20 by a "by-pass" circuit, in other words a short-circuiting circuit the main circuit 10 (and the regulator 12).
  • This bypass allows the start of the system 1 by initiating the circulation of steam throughout the system 1. It comprises at least one valve allowing its closure, triggered as soon as the operation of the system 1 is stabilized.
  • the cooling of the condenser 21 is advantageously ensured by a distribution of "rain" water in the upper part of the condenser 21: the return water of the heat dissipation circuit 31 (at about 28 ° C.) is distributed by a or several nozzles 31 1 located inside the condenser 21, which spray the water (see Figure 7). The water then falls back into the lower part of the condenser 21, capturing the latent heat of the surrounding water vapor.
  • the evaporator 20 and the condenser 21 are connected by a branch of the main circuit 10 comprising a pipe provided with the expander 12 (for example a solenoid valve).
  • the expansion (in particular up to about 8 millibars) is accompanied by a cooling of the water, as seen on the Mollier diagram ( Figure 4) and allows the pressure balance.
  • a ⁇ B compression in the compressor 1 1;
  • the evaporator 20, the compressor 11, the desuperheater 22 and the condenser 21 are preferably successively coupled in pairs.
  • the height of the evaporator 20 is at least equal to the height of the stack of the other three components, so as to allow the coupling of the evaporator 20 and the compressor 1 1 at the top, and to have the evaporator 20 disposed vis-à-vis the condenser 21, that is to say in the lower part.
  • the branch of the circuit 10 allowing the communication between the condenser 21 and the evaporator 20 is then of minimum length.
  • This architecture allows a minimal space requirement of the system 1 while limiting as much as possible the pressure losses due to the length of piping.
  • this architecture offers at its center (between the compressor 1 1, the desuperheater 22, the condenser 21 and the evaporator 20) a location for integrating the possible vacuum pump 13.
  • this architecture is in no way limiting and the vacuum pump can for example be below the condenser 21.
  • the desuperheater 22 can be arranged at the same level, with the condenser 21 below.
  • the present system 1 allows the replacement of the oil with water, and generally allows even that water is the only fluid used as a thermal fluid and / or lubricating fluid. There is no longer any risk of contamination of refrigerant, coolant and coolant since there are more fluids than water in the system.
  • the system advantageously comprises a lubricating circuit 40 of the compressor 1 1 and / or a cooling circuit 41 of the compressor 1 1 (preferably both), fed by the water of the thermal circuits 10, 30 and 31.
  • the fluid of the cooling circuit 41 and / or the fluid of the lubrication circuit 40 is indeed water coming from a branch 300 of the cold recovery circuit 30 and / or a branch 310 of the heat dissipation circuit. heat 31.
  • the cooling circuit 41 and the lubrication circuit 40 are the only lubrication / cooling circuits of the compressor 1 1, in other words the compressor 1 1 is lubricated / cooled only with water.
  • the flow of water required for cooling and lubricating the compressor 1 1 is less than 1% of the flow rate of water flowing from the evaporator 20 to the cold recovery circuit 30 or from the condenser 21 to the circuit heat dissipation 31. If the sampling takes place on the cold recovery circuit 30 (at the outlet of the evaporator 20), the temperature will be of the order of 10 ° C. If the sampling takes place on the heat dissipation circuit 31 (at the outlet of the condenser 21), the temperature of the water taken will be of the order of 30 ° C. The flow rate taken for cooling will be lower if the water is taken from the cold recovery circuit 30. The sampling location for the lubrication and cooling of the compressor 1 1 has no effect on the performance of the machine.
  • a three-way valve makes it possible to select a combination of the flow rates of the branches 300 and 310 so as to dynamically adjust the temperature of the water in the circuits 40 and 41.
  • a tapping at the return water circuit to the condenser 21 (branch 310) or a tapping at the water return circuit to the evaporator 20 (branch 300) allows the water to be conveyed to compressor 1 1.
  • the lubrication circuit 40 comprises, itself, two connections to the compressor 1 1: one at the suction ( front part according to the direction of circulation of the steam) and the other at the discharge (rear part) to ensure the lubrication of the front and rear bearings bearings 1 15.
  • the cooling circuit 40 comprises several connections, located at the discharge (rear part) compressor 1 1, and which ensure the cooling of the stator January 12 and the rotor 1 1 1. The water coming from these two circuits 40 and 41 is then brought back to the condenser 21 via the desuperheater 22.
  • the invention also relates to a method of producing cold using a heat pump system 1 according to the first aspect of the invention.
  • the method comprises steps of:
  • vaporization of the liquid water in an evaporator in heat exchange by direct contact with water of a cold recovery circuit typically a vapor at approximately 5 ° C. and a pressure of less than 12 millibars is obtained; even less than 9 millibars, and advantageously about 8 millibars
  • compression of the water vapor by an axial compressor 1 1 directly coupled to the evaporator 20 so as to increase the pressure of the water vapor of the main circuit 10 by at least 400% (advantageously between 500% and 700%); %, more preferably about 600%, a compression ratio of 7.
  • the last step preferably comprises the circulation of water vapor in a desuperheater 22 in heat exchange with the fluid of a heat recovery circuit 32, so as to cool the steam of water of the main circuit 10 to a temperature below 40 ° C, which as explained makes it possible to value the temperature differential and limits the heat to be rejected via the heat dissipation circuit 31.

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Abstract

L'invention concerne un système (1) de pompe à chaleur adaptée pour une production de froid, comprenant un circuit principal (10) sur lequel sont disposés successivement un évaporateur (20), un compresseur (11), un condenseur (21) et un détendeur (12); un circuit de valorisation de froid (30); un circuit de dissipation de chaleur (31); les circuit principal (10), circuit de valorisation de froid (30) et circuit de dissipation de chaleur (31) étant des circuits d'eau à l'état liquide et/ou vapeur; l'évaporateur (20) mettant l'eau du circuit principal (10) en échange thermique par contact direct avec l'eau du circuit de valorisation de froid (30), le condenseur (21) mettant l'eau du circuit principal (10) en échange thermique par contact direct avec l'eau du circuit de dissipation de chaleur (31); caractérisé en ce que le compresseur (11) est un compresseur axial directement accouplé à l'évaporateur (20) et configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal (10) d'au moins 400%.

Description

Pompe à chaleur produisant du froid
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne une pompe à chaleur produisant du froid.
ETAT DE L'ART
Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique conçu pour forcer un transfert de chaleur d'une source froide (d'où on extrait la chaleur) vers une source chaude (où on la réinjecte).
La figure 1 représente l'architecture générale d'une pompe à chaleur classique. Elle comprend un circuit 10 d'un fluide thermique à changement de phase, sur lequel sont disposés successivement :
- un évaporateur 20, en échange thermique avec un milieu à refroidir (source froide) via un circuit 30, dans lequel le fluide thermique passe à l'état gazeux en absorbant la chaleur environnante ;
- un compresseur 1 1 permettant une remontée en pression du fluide ;
- un condenseur 21 , en échange thermique avec un milieu à chauffer (source chaude) via un circuit 31 , dans lequel le fluide passe à l'état liquide en libérant de l'enthalpie sous forme de chaleur ;
- un détendeur 12.
Dans une configuration orientée « production de froid », la source froide est le milieu dont le refroidissement est souhaité (le circuit 30 est alors un circuit de valorisation de froid) et la source chaude est un milieu externe, en particulier l'eau d'une rivière, l'air ambiant, le sous-sol, etc. (le circuit 31 est ainsi un circuit de dissipation de chaleur). On notera que de nombreuses pompes à chaleur sont alternativement utilisées en production de chaleur.
L'intérêt d'une pompe à chaleur est son rendement (ou COP, Coefficient de Performance) supérieur à 1 : une partie de l'énergie fournie par la pompe est « gratuite ».
Les fluides thermiques du circuit 10 destinés à une production de froid sont appelés fluides frigorigènes : ils sont capables de s'évaporer à une faible température sous pression atmosphérique.
Les fluides frigorigènes communément utilisés dans les machines frigorifiques posent toutefois problème car ils ont un impact sur l'environnement ou sur la sécurité des personnes. En particulier :
- les fluides carbonés, essentiellement les HFC (hydrofluorocarbures), ont un potentiel d'effet de serre ;
- l'ammoniac, est toxique et explosif ;
- les hydrocarbures sont inflammables ;
- le CO2 nécessite de très hautes pressions (100 bars).
Pour ces raisons, il a été proposé d'utiliser comme fluide frigorigène l'eau, qui est un fluide courant, bon marché, sans impact sur l'environnement et sans risque pour la sécurité des personnes.
Toutefois, utiliser de l'eau pose aujourd'hui de fortes difficultés techniques (le traitement d'une quantité énorme de vapeur est requise) qui nécessitent de repenser l'architecture des compresseurs.
La demande de brevet FR2800159 propose ainsi une pompe à chaleur (à eau) dans laquelle les circuits de valorisation de froid et de dissipation de chaleur utilisent également l'eau comme fluide frigoporteur/caloporteur. Dans la mesure où l'eau est alors le fluide commun aux trois circuits, des échanges thermiques par contact direct (c'est-à-dire sans barrière physique, en mélangeant les fluides des circuits) peuvent être mis en œuvre dans l'évaporateur et le condenseur. Cette technique évite les déperditions thermiques au niveau des échangeurs et apporte satisfaction. La publication « Water as réfrigérant » de Madsboll, 23rd International Congress of Réfrigération, 21 -26 Août 201 1 , Prague, organisé par International Institute of Réfrigération, papier numéro 765, propose quant à elle d'utiliser un compresseur axial (habituellement utilisé pour la compressions d'autres gaz que la vapeur d'eau et des applications complètement différentes, par exemple dans des réacteurs d'avions) en lieu et place des compresseurs centrifuges radiaux connus.
On constate toutefois que ces techniques ne sont aujourd'hui pas suffisantes pour lancer commercialement les pompes à chaleurs frigorifiques à eau.
L'invention vient améliorer la situation.
PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier ces inconvénients en proposant selon un premier aspect un système de pompe à chaleur adaptée pour une production de froid, comprenant
- un circuit principal sur lequel sont disposés successivement un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un détendeur ; - un circuit de valorisation de froid ;
- un circuit de dissipation de chaleur ;
les circuit principal, circuit de valorisation de froid et circuit de dissipation de chaleur étant des circuits d'eau à l'état liquide et/ou vapeur ;
l'évaporateur mettant l'eau du circuit principal en échange thermique par contact direct avec l'eau du circuit de valorisation de froid, le condenseur mettant l'eau du circuit principal en échange thermique par contact direct avec l'eau du circuit de dissipation de chaleur ;
caractérisé en ce que le compresseur est un compresseur axial directement accouplé à l'évaporateur et configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal d'au moins 400%. Le dispositif selon l'invention est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :
• le compresseur est configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal d'un facteur compris entre 500% et 700% ;
• le compresseur est configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal d'environ 600% ;
• le système est configuré pour que la pression de vapeur dans le circuit principal soit inférieure à 12 millibars en entrée du compresseur, et supérieure à 50 millibars en sortie du compresseur ;
• le système est configuré pour que la pression de vapeur dans le circuit principal soit environ 8 millibars en entrée du compresseur, et environ 56 millibars en sortie du compresseur ;
• le système comprend en outre un désurchauffeur disposé sur le circuit principal entre le compresseur et le condenseur, le désurchauffeur mettant la vapeur d'eau comprimée du circuit principal en échange thermique avec le fluide d'un circuit de valorisation de chaleur ;
• le désurchauffeur est directement accouplé au compresseur et au condenseur ;
· le système présente le compresseur, le désurchauffeur et le condenseur empilés sur une hauteur inférieure à la hauteur de l'évaporateur, de sorte que le compresseur soit accouplé à l'évaporateur au niveau d'une partie haute de l'évaporateur, et le condenseur soit disposé en vis-à-vis d'une partie basse de l'évaporateur ;
· le système comprend en outre une pompe à vide reliée au condenseur pour le démarrage du système et la régulation des niveaux de pression en fonctionnement ;
• la pompe à vide est reliée au condenseur via au moins un piquage en partie haute du condenseur ; • le système comprend en outre un circuit de by-pass permettant la circulation de la vapeur entre le condenseur et l'évaporateur lors du démarrage du système ;
• l'évaporateur comprend au moins un agitateur et/ou au moins une plaque inclinée ;
• le circuit de dissipation de chaleur comprend au moins une buse pour la pulvérisation d'eau dans le condenseur ;
• le circuit comprend en outre un circuit de lubrification du compresseur, le fluide du circuit de lubrification étant de l'eau provenant d'une branche du circuit de valorisation de froid et/ou d'une branche du circuit de dissipation de chaleur ;
• le système comprend en outre un circuit de refroidissement du compresseur, le fluide du circuit de refroidissement étant de l'eau provenant d'une branche du circuit de valorisation de froid et/ou d'une branche du circuit de dissipation de chaleur ;
• l'eau est l'unique fluide utilisé comme fluide thermique ou fluide de lubrification.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé de production de froid à l'aide d'un système de pompe à chaleur, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de :
- condensation de vapeur d'eau d'un circuit principal dans un condenseur en échange thermique par contact direct avec de l'eau d'un circuit de dissipation de chaleur ;
- détente de l'eau liquide dans un détendeur ;
- vaporisation de l'eau liquide dans un évaporateur en échange thermique par contact direct avec de l'eau d'un circuit de valorisation de froid ;
- compression de la vapeur d'eau par un compresseur axial directement accouplé à l'évaporateur de sorte à augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal d'au moins 400% ; - renvoi de la vapeur d'eau comprimée dans le condenseur.
Selon des caractéristiques avantageuses :
• la détente est mise en œuvre jusqu'à une pression inférieure à 12 millibars, et la compression est mise en œuvre jusqu'à une pression supérieure à 50 millibars ;
• l'étape de renvoi de la vapeur d'eau comprimée dans le condenseur comprend la circulation de la vapeur d'eau dans un désurchauffeur en échange thermique avec le fluide d'un circuit de valorisation de chaleur de sorte à refroidir la vapeur d'eau du circuit principal jusqu'à une température inférieure à 40°C.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma d'une pompe à chaleur connue ;
- la figure 2 est un schéma d'un mode de réalisation préféré du système de pompe à chaleur selon l'invention ;
- la figure 3 est un schéma d'un compresseur d'une installation selon l'invention ;
- la figure 4 est un graphique représentant un diagramme de Mollier porté sur un diagramme de phase de l'eau ;
- la figure 5 est un schéma d'un détail de la liaison évaporateur- compresseur ;
- la figure 6 est un schéma d'un détail de la liaison compresseur- désurchauffeur ;
- la figure 7 est un schéma d'un détail de la liaison désurchauffeur- condenseur.
DESCRIPTION DETAILLEE Principe de l'invention
En référence à la figure 2, l'invention propose un système 1 de pompe à chaleur adaptée pour une production de froid.
On retrouve un circuit principal 10 sur lequel sont disposés successivement un évaporateur 20, un compresseur 1 1 , un condenseur 21 et un détendeur 12 ; un circuit de valorisation de froid 30 ; et un circuit de dissipation de chaleur 31 ; les circuit principal 10, circuit de valorisation de froid 30 et circuit de dissipation de chaleur 31 étant des circuits d'eau à l'état liquide et/ou vapeur.
En particulier, le circuit principal 10 est un circuit à changement de phase, donc l'eau est à l'état liquide sur une partie du cycle et gazeuse sur l'autre partie.
Comme dans l'art antérieur FR2800159 cité, l'évaporateur 20 met l'eau du circuit principal 10 en échange thermique par contact direct avec l'eau du circuit de valorisation de froid 30, le condenseur 21 mettant l'eau du circuit principal 10 en échange thermique par contact direct avec un circuit de dissipation de chaleur 31 .
Comme expliqué, par « contact direct », on entend que les fluides des trois circuits 10, 30 et 31 ne sont pas séparés par des barrières physiques, et donc sont dans une seule et même enceinte. En particulier, comme on voit dans l'exemple préféré illustré par la figure 2, l'eau du circuit de valorisation de froid 30 pénètre dans l'évaporateur 20 en partie basse, où elle se mélange avec l'eau liquide issue du détendeur 12, et l'eau du circuit de dissipation de chaleur 31 est pulvérisée dans le condenseur 21 en partie haute, où elle se mélange avec les condensais de vapeur d'eau.
Le présent système 1 se distingue par des spécificités du compresseur 1 1 . Ce dernier est un compresseur axial tel qu'évoqué. Un compresseur axial comprend des roues fixes 1 14 et des roues mobiles 1 13 (non représentées sur la figure 2, mais visibles sur la figure 3). Les roues fixes (appelées redresseurs) sont fixées sur un stator 1 12, les roues mobiles sont fixées sur un rotor 1 1 1 .
Les roues fixes 1 14 sont équipées d'aubes dites orientables (leur pied peut être soumis à une rotation dont l'angle peut être ajusté en fonction de la vitesse de rotation du rotor 1 1 1 ). Un ensemble d'une roue fixe 1 14 et d'une roue mobile 1 13 constitue un étage.
Il a été constaté que l'eau utilisée comme fluide frigorigène nécessite, contrairement aux fluides classiques (HFC, Ammoniac, etc.), un taux de compression très élevé, associé à un volume massique très important.
Figure imgf000010_0001
Contrairement aux techniques antérieures, qui ont un taux de compression de l'ordre de 2 à 4, le présent compresseur est configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal 10 d'au moins 400% (i.e. taux de compression d'au moins 5), avantageusement configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal 10 d'un facteur compris entre 500% et 700% (i.e. taux de compression compris entre 6 et 8), plus avantageusement configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal 10 d'environ 600% (i.e. taux de compression de 7). Cela correspond à une pression de vapeur dans le circuit principal 10 inférieure à 12 millibars (avantageusement inférieure à 9 millibars, et en particulier environ 8 millibar) en entrée du compresseur 1 1 , et supérieure à 50 millibars (en particulier environ 56 millibars) en sortie du compresseur 1 1 .
Il n'avait jamais été possible jusqu'à présent de mettre en œuvre les niveaux de pression requis. Pour configurer ainsi le compresseur 1 1 , la Demanderesse a eu l'idée d'accoupler directement le compresseur axial à l'évaporateur. Par « accoupler directement », on entend qu'il n'y a pas de tuyauterie du circuit 10 entre les deux. En particulier, l'évaporateur contient, dans sa partie haute, un « trou d'homme » finalisé par une demi-bride 100 (voir la figure 5 qui présente ce détail), et l'enveloppe 1 10 du compresseur 1 1 est également dotée d'une demi-bride 100 qui vient se fixer sur la demi- bride 100 de l'évaporateur 20 de sorte à former l'accouplement. La partie « aspiration » du compresseur 1 1 (en d'autres termes les premiers étages selon le sens de circulation de la vapeur) peut même être légèrement emboîtée dans l'évaporateur 20, voire même être sensiblement disposée à l'intérieur de l'évaporateur 20.
Cet accouplement permet de limiter les pertes de charges même en véhiculant un volume particulièrement important de gaz (comme c'est nécessaire pour la vapeur d'eau) et d'abaisser au maximum la pression au sein de l'évaporateur 20. Il suffit alors de choisir un nombre d'étages tel qu'il permet d'atteindre le taux de compression requis.
La vitesse des roues peut être de l'ordre de 9000tr/min pour un diamètre de roue de l'ordre de 1 ,37m.
Evaporateur L'évaporateur 20 est le composant de la pompe à chaleur dans lequel, sous l'effet de la basse pression qui y règne, l'eau s'évapore en vapeur d'eau en prélevant la chaleur du milieu ambiant, en particulier l'eau de retour du circuit 30 de valorisation de froid. L'évaporateur 20 est avantageusement équipé, dans sa partie inférieure, d'au moins un agitateur 200 (ou mélangeur), lui-même relié à un arbre de rotation, lui-même actionné par un moteur situé à l'extérieur de l'évaporateur. Des plaques inclinées 201 , en particulier métalliques, sont avantageusement soudées à la partie basse de l'évaporateur 20 avec un angle tel qu'elles permettent, grâce à l'action combinée de l'agitateur 200, l'homogénéisation d'un « coulis de glace » qui peut apparaître aux températures proches de 0°C qui y régnent. L'agitateur 200 permet également l'homogénéisation de la température de l'eau et/ou du coulis contenus dans l'évaporateur 20. L'évaporateur 20 peut être isolé thermiquement dans sa partie basse. Un piquage y permet l'aspiration de l'eau glacée/coulis (à une température autour de 5°C) dans le circuit de valorisation de froid 30 par une pompe. Un piquage toujours dans sa partie basse, par exemple sur le flanc, permet le refoulement de l'eau glacée/coulis après valorisation, et donc à une température supérieure (environ 12°C) ou à une concentration en glace moindre. La vapeur d'eau est située dans la partie médiane et haute de l'évaporateur 20, présente par échange thermique direct une température d'environ 5°C et une pression d'environ 8 millibars.
Désurchauffeur Le fort taux de compression obtenu par le compresseur 1 1 entraîne une hausse notable de la température de la vapeur d'eau, elle peut dépasser 100°C voire 200°C, et de façon particulièrement préférée atteindre environ 270°C.
De façon préférée, un désurchauffeur 22 permet de récupérer la chaleur à très haute température (supérieure à 100°C) au refoulement du compresseur par l'intermédiaire d'un circuit de valorisation de chaleur 32. On comprendra que le désurchauffeur 22, s'il est présent, se distingue du condenseur 21 en ce qu'il n'est le lieu d'aucun changement de phase.
Contrairement à ce qui se passe dans l'évaporateur 20 ou condenseur 21 , il n'est pas nécessaire que l'échange thermique mis en œuvre par le désurchauffeur 22 se fasse par contact direct, ni que le fluide caloporteur du circuit 32 soit de l'eau (même si le choix de l'eau est préféré). Le désurchauffeur peut ainsi être un échangeur de chaleur que l'on trouve classiquement dans le commerce. Il est alimenté en chaleur surchauffée à plus de 100°C et au moins 50 millibars par le compresseur 1 1 dans sa partie haute. Avantageusement, le désurchauffeur met en œuvre un refroidissement de la vapeur jusqu'à la limite de condensation (point de rosée). Après échange thermique, la vapeur saturée est typiquement évacuée en partie basse à environ 34°C vers le condenseur 21 .
Le désurchauffeur 22 peut être absent du circuit 10. Dans ce cas, la désurchauffe de la vapeur se fait directement dans le condenseur 21 . L'intérêt du désurchauffeur 22 est d'éviter de dissiper (et donc de perdre) toute l'énergie thermique via le circuit 31 de dissipation de chaleur, mais de pouvoir en valoriser une partie à des niveaux de température suffisants par exemple pour des applications diverses de chauffage ou préchauffage (d'air, de liquide, etc.) via le circuit 32, qui est un récupérateur de chaleur, et donc de limiter la part de la chaleur dissipée via le circuit 31 .
Le bilan énergétique reste équivalent.
De façon préférée, le compresseur 1 1 est également accouplé au désurchauffeur 22 : comme l'on voit sur la figure 6, il n'y a pas de tuyauterie entre les deux éléments. L'enveloppe 1 10 du compresseur 1 1 contient, dans la partie basse du côté refoulement, une autre demi-bride 100. L'enveloppe 220 du désurchauffeur 22, dans sa partie haute et à son extrémité, comporte également une demi-bride 100 qui vient se fixer sur la demi-bride du refoulement du compresseur.
Le désurchauffeur peut également être accouplé au condenseur 21 par un système de bride 100 identique à celui de l'accouplement compresseur/désurchauffeur.
Condenseur
Le condenseur 21 est le composant de la pompe à chaleur dans lequel la vapeur d'eau cède généralement sa chaleur sensible en refroidissant, la vapeur d'eau cède sa chaleur latente en se condensant, et l'eau cède parfois sa chaleur sensible en se refroidissant (phénomène appelé sous-refroidissement). L'existence ou non des phénomènes ci-avant dépend du dimensionnement du condenseur 21 et de la présence ou non du désurchauffeur 22. Dans tous les cas, la chaleur cédée l'est au milieu extérieur (via le circuit 31 de dissipation de chaleur).
Le condenseur 21 est alimenté en vapeur saturée dans la partie haute par le désurchauffeur 22 (ou directement par le compresseur 1 1 ), la vapeur se condense grâce à la distribution (voir plus loin) d'eau liquide à environ 28°C de retour du circuit 31 de dissipation de chaleur. L'eau liquide à environ 34°C est recueillie dans la partie basse du condenseur 21 . Le condenseur 21 y est équipé d'un piquage de façon à évacuer cette eau tiède vers le circuit 31 de dissipation de chaleur à l'aide d'une pompe. Une purge 210 optionnelle permet de vider un trop plein de condensais.
Le condenseur 21 peut en outre être équipé d'un piquage dans sa partie haute de façon à le relier à une pompe à vide 13. Cette dernière permet le démarrage du système 1 en amorçant les conditions de pression requises à son bon fonctionnement et peut être nécessaire pour l'entretien du vide (i.e. la régulation des niveaux de pression) durant le fonctionnement du système 1 .
Le condenseur 21 peut en outre être équipé d'un ou plusieurs piquages dans sa partie haute ou médiane de façon à le relier à l'évaporateur 20 par un circuit de « by-pass », en d'autres termes un circuit court-circuitant le circuit principal 10 (et le détendeur 12). Ce by-pass permet le démarrage du système 1 en amorçant la circulation de la vapeur dans l'ensemble du système 1 . Il comprend au moins une vanne permettant sa fermeture, déclenchée dès que le fonctionnement du système 1 est stabilisé.
Le refroidissement du condenseur 21 est avantageusement assuré par une distribution d'eau « en pluie » dans la partie haute du condenseur 21 : l'eau de retour du circuit 31 de dissipation de chaleur (à environ 28°C), est distribuée par une ou plusieurs buses 31 1 situées à l'intérieur du condenseur 21 , qui pulvérisent l'eau (voir figure 7). L'eau retombe ensuite dans la partie inférieure du condenseur 21 en captant la chaleur latente de la vapeur d'eau environnante. L'évaporateur 20 et le condenseur 21 sont reliés par une branche du circuit principal 10 comprenant un tuyau muni du détendeur 12 (par exemple une électrovanne). La détente (en particulier jusqu'à environ 8 millibars) s'accompagne d'un refroidissement de l'eau, comme on le voit sur le diagramme de Mollier (Figure 4) et permet l'équilibre des pressions.
En référence à ce diagramme, le système parcourt dans le sens inverse des aiguilles d'une montre le cycle dessiné.
A ^ B : compression dans le compresseur 1 1 ;
B ^ C : refroidissement dans le désurchauffeur 22 ;
C ^ D : condensation dans le condenseur 21 ;
D ^ E : détente dans le détendeur 12 ;
E ^ A : vaporisation dans l'évaporateur 20 ; Compacité du système
Comme expliqué, l'évaporateur 20, le compresseur 1 1 , le désurchauffeur 22 et le condenseur 21 sont de façon préférés accouplés successivement deux à deux.
En d'autres termes, la majeure partie du circuit 10 (en l'espèce la totalité sauf la portion sur laquelle est disposé le détendeur 12) est formée par les enveloppes des composants eux-mêmes.
Ceci permet une architecture de système 1 comprenant deux blocs tels que représentés sur la figure 2 : d'un côté l'évaporateur 20, et de l'autre côté le compresseur 1 1 , le désurchauffeur 22 et le condenseur 21 empilés.
La hauteur de l'évaporateur 20 est au moins égale à la hauteur de l'empilement des trois autres composants, de sorte à permettre l'accouplement de l'évaporateur 20 et du compresseur 1 1 en partie haute, et d'avoir l'évaporateur 20 disposé en vis-à-vis du condenseur 21 , c'est-à- dire en partie basse.
La branche du circuit 10 permettant la communication entre le condenseur 21 et l'évaporateur 20 est alors de longueur minimale. Cette architecture permet un encombrement minimal du système 1 tout en limitant au maximum les pertes de charges dues à la longueur de tuyauterie.
On constate sur la figure 2 que cette architecture offre en son centre (entre le compresseur 1 1 , le désurchauffeur 22, le condenseur 21 et l'évaporateur 20) un emplacement pour intégrer l'éventuelle pompe à vide 13. Toutefois cette architecture n'est en rien limitative et la pompe à vide peut par exemple être en dessous du condenseur 21 . Par ailleurs, si le compresseur 1 1 est largement inclus dans l'évaporateur 20, le désurchauffeur 22 peut être disposé au même niveau, avec le condenseur 21 en dessous.
Circuit de lubrification et refroidissement du compresseur Dans un compresseur classique, on utilise de l'huile pour refroidir et lubrifier le compresseur.
Le présent système 1 permet le remplacement de l'huile par de l'eau, et de façon générale permet même que l'eau soit l'unique fluide utilisé comme fluide thermique et/ou fluide de lubrification. Il n'y ainsi plus le moindre risque de contamination des fluides frigorigène, frigoporteur et caloporteur puisqu'il n'y a plus d'autres fluides que de l'eau dans le système.
Ainsi, le système comprend avantageusement un circuit de lubrification 40 du compresseur 1 1 et/ou un circuit de refroidissement 41 du compresseur 1 1 (de façon préférée les deux), alimenté par l'eau des circuits thermiques 10, 30 et 31 .
Le fluide du circuit de refroidissement 41 et/ou le fluide du circuit de lubrification 40 est en effet de l'eau provenant d'une branche 300 du circuit de valorisation de froid 30 et/ou d'une branche 310 du circuit de dissipation de chaleur 31 .
De façon préférée, le circuit de refroidissement 41 et le circuit de lubrification 40 sont les seuls circuits de lubrification/refroidissement du compresseur 1 1 , en d'autres termes le compresseur 1 1 est lubrifié/refroidi uniquement par de l'eau.
On note que le débit d'eau nécessaire pour le refroidissement et la lubrification du compresseur 1 1 est inférieur à 1 % du débit d'eau circulant de l'évaporateur 20 vers le circuit de valorisation de froid 30 ou du condenseur 21 vers le circuit de dissipation de chaleur 31 . Si le prélèvement a lieu sur le circuit de valorisation de froid 30 (en sortie de l'évaporateur 20), la température sera de l'ordre de 10°C. Si le prélèvement a lieu sur le circuit de dissipation de chaleur 31 (en sortie du condenseur 21 ), la température de l'eau prélevée sera de l'ordre de 30°C. Le débit prélevé pour le refroidissement sera moins important si l'eau est prélevée au circuit de valorisation de froid 30. Le lieu de prélèvement pour la lubrification et le refroidissement du compresseur 1 1 n'a pas de conséquence sur les performances de la machine.
Dans le cas où l'eau des deux circuits 30 et 31 est prélevée à la fois, une vanne trois voies permet de sélectionner une combinaison des débits des branches 300 et 310 de sorte à régler dynamiquement la température de l'eau dans les circuits 40 et 41 .
Un piquage au niveau du circuit de retour d'eau vers le condenseur 21 (branche 310) ou un piquage au niveau du circuit de retour d'eau vers l'évaporateur 20 (branche 300) permet d'acheminer l'eau jusqu'au compresseur 1 1 .
Cette eau est distribuée au compresseur 1 1 via le circuit de refroidissement 41 et/ou le circuit de lubrification 40. Le circuit de lubrification 40 comprend, lui-même, deux piquages vers le compresseur 1 1 : l'un à l'aspiration (partie avant selon le sens de circulation de la vapeur) et l'autre au refoulement (partie arrière) pour assurer la lubrification des roulements avant et roulements arrière 1 15. Le circuit de refroidissement 40 comprend plusieurs piquages, situés au refoulement (partie arrière) du compresseur 1 1 , et qui assurent le refroidissement du stator 1 12 et du rotor 1 1 1 . L'eau en provenance de ces deux circuits 40 et 41 est ensuite ramenée vers le condenseur 21 via le desurchauffeur 22.
Procédé
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne également un procédé de production de froid à l'aide d'un système 1 de pompe à chaleur selon le premier aspect de l'invention.
Le procédé comprend des étapes de :
- condensation de vapeur d'eau d'un circuit principal 10 dans un condenseur 21 en échange thermique par contact direct avec de l'eau d'un circuit 31 de dissipation de chaleur (en particulier via pulvérisation) ;
- détente de l'eau liquide dans un détendeur 12 ;
- vaporisation de l'eau liquide dans un évaporateur 20 en échange thermique par contact direct avec de l'eau d'un circuit 30 de valorisation de froid (on obtient typiquement une vapeur à environ 5°C et une pression inférieure à 12 millibars, voire inférieure à 9 millibars, et avantageusement environ 8 millibars) ; - compression de la vapeur d'eau par un compresseur 1 1 axial directement accouplé à l'évaporateur 20 de sorte à augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal 10 d'au moins 400% (avantageusement entre 500% et 700%, plus avantageusement environ 600%, soit un taux de compression de 7. La température monte à plus de 100°C (voire jusqu'à environ 270°C) et la pression dépasse 50 millibars, avantageusement atteint environ 56 millibars) ;
- renvoi de la vapeur d'eau comprimée dans le condenseur 21 . La dernière étape comprend préférentiellement la circulation de la vapeur d'eau dans un désurchauffeur 22 en échange thermique avec le fluide d'un circuit 32 de valorisation de chaleur, de sorte à refroidir la vapeur d'eau du circuit principal 10 jusqu'à une température inférieure à 40°C, ce qui comme expliqué permet de valoriser le différentiel de température et limite la chaleur à rejeter via le circuit de dissipation de chaleur 31 .

Claims

REVENDICATIONS
1. Système (1 ) de pompe à chaleur adaptée pour une production de froid, comprenant
- un circuit principal (10) sur lequel sont disposés successivement un évaporateur (20), un compresseur (1 1 ), un condenseur (21 ) et un détendeur (12) ;
- un circuit de valorisation de froid (30) ;
- un circuit de dissipation de chaleur (31 ) ;
les circuit principal (10), circuit de valorisation de froid (30) et circuit de dissipation de chaleur (31 ) étant des circuits d'eau à l'état liquide et/ou vapeur ;
l'évaporateur (20) mettant l'eau du circuit principal (10) en échange thermique par contact direct avec l'eau du circuit de valorisation de froid (30), le condenseur (21 ) mettant l'eau du circuit principal (10) en échange thermique par contact direct avec l'eau du circuit de dissipation de chaleur (31 ) ;
caractérisé en ce que le compresseur (1 1 ) est un compresseur axial directement accouplé à l'évaporateur (20) et configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal (10) d'au moins 400%.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel le compresseur (1 1 ) est configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal (10) d'un facteur compris entre 500% et 700%.
3. Système selon la revendication 2, dans lequel le compresseur (1 1 ) est configuré pour augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal (10) d'environ 600%.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, configuré pour que la pression de vapeur dans le circuit principal (10) soit inférieure à 12 millibars en entrée du compresseur (1 1 ), et supérieure à 50 millibars en sortie du compresseur (1 1 ).
5. Système selon la revendication 4, configuré pour que la pression de vapeur dans le circuit principal (10) soit environ 8 millibars en entrée du compresseur (1 1 ), et environ 56 millibars en sortie du compresseur (1 1 ).
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre un désurchauffeur (22) disposé sur le circuit principal (10) entre le compresseur (1 1 ) et le condenseur (21 ), le désurchauffeur (22) mettant la vapeur d'eau comprimée du circuit principal (10) en échange thermique avec le fluide d'un circuit de valorisation de chaleur (32).
7. Système selon la revendication 6, dans lequel le désurchauffeur (22) est directement accouplé au compresseur (1 1 ) et au condenseur (21 ).
8. Système selon la revendication 7, présentant le compresseur (1 1 ), le désurchauffeur (22) et le condenseur (21 ) empilés sur une hauteur inférieure à la hauteur de l'évaporateur (20), de sorte que le compresseur (1 1 ) soit accouplé à l'évaporateur (20) au niveau d'une partie haute de l'évaporateur (20), et le condenseur (21 ) soit disposé en vis-à-vis d'une partie basse de l'évaporateur (20).
9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant en outre une pompe à vide (13) reliée au condenseur (21 ) pour le démarrage du système (1 ) et la régulation des niveaux de pression en fonctionnement.
10. Système selon la revendication 9, dans lequel la pompe à vide (13) est reliée au condenseur (21 ) via au moins un piquage en partie haute du condenseur (21 ).
11. Système selon l'une des revendications 9 et 10, comprenant en outre un circuit de by-pass permettant la circulation de la vapeur entre le condenseur (21 ) et l'évaporateur (20) lors du démarrage du système (1 ) ;
12. Système selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel l'évaporateur (20) comprend au moins un agitateur (200) et/ou au moins une plaque inclinée (201 ).
13. Système selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le circuit de dissipation de chaleur (31 ) comprend au moins une buse (31 1 ) pour la pulvérisation d'eau dans le condenseur (21 ).
14. Système selon l'une des revendications 1 à 13, comprenant en outre un circuit de lubrification (40) du compresseur (1 1 ), le fluide du circuit de lubrification (40) étant de l'eau provenant d'une branche (300) du circuit de valorisation de froid (30) et/ou d'une branche (310) du circuit de dissipation de chaleur (31 ).
15. Système selon l'une des revendications 1 à 14, comprenant en outre un circuit de refroidissement (41 ) du compresseur (1 1 ), le fluide du circuit de refroidissement (41 ) étant de l'eau provenant d'une branche (300) du circuit de valorisation de froid (30) et/ou d'une branche (310) du circuit de dissipation de chaleur (31 ).
16. Système selon les revendications 14 et 15 en combinaison, dans lequel l'eau est l'unique fluide utilisé comme fluide thermique ou fluide de lubrification.
17. Procédé de production de froid à l'aide d'un système (1 ) de pompe à chaleur, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de :
- condensation de vapeur d'eau d'un circuit principal (10) dans un condenseur (21 ) en échange thermique par contact direct avec de l'eau d'un circuit de dissipation de chaleur (31 ) ;
- détente de l'eau liquide dans un détendeur (12) ;
- vaporisation de l'eau liquide dans un évaporateur (20) en échange thermique par contact direct avec de l'eau d'un circuit de valorisation de froid (30) ;
- compression de la vapeur d'eau par un compresseur (1 1 ) axial directement accouplé à l'évaporateur (20) de sorte à augmenter la pression de la vapeur d'eau du circuit principal (10) d'au moins 400% ;
- renvoi de la vapeur d'eau comprimée dans le condenseur (21 ).
18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel la détente est mise en œuvre jusqu'à une pression inférieure à 12 millibars, et la compression est mise en œuvre jusqu'à une pression supérieure à 50 millibars.
19. Procédé selon l'une des revendications 17 et 18, dans lequel l'étape de renvoi de la vapeur d'eau comprimée dans le condenseur (21 ) comprend la circulation de la vapeur d'eau dans un désurchauffeur (22) en échange thermique avec le fluide d'un circuit (32) de valorisation de chaleur de sorte à refroidir la vapeur d'eau du circuit principal (10) jusqu'à une température inférieure à 40°C.
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