WO2024156698A1 - Improving the power of thermodynamic machines - Google Patents
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Definitions
- thermodynamic machines and more particularly the improvement of the heating or cooling power of vapor compression machines.
- thermodynamic vapor compression machines usable on the one hand as a heat pump for heating to take heat from a cold source and transfer it to a hot well (and therefore the utility is found from well side) or usable, on the other hand, in a refrigeration machine to take heat from a cold source and transfer it to a hot well (and therefore the utility is on the source side).
- thermodynamic vapor compression machine commonly includes a compressor, a condenser, an expander and an evaporator in series in a closed fluid circuit containing a refrigerant, or "primary fluid".
- a refrigerant or "primary fluid”.
- Such a machine exchanges heat via its heat exchangers (evaporator and condenser) with a coolant circuit (the cold source) and a heat transfer circuit (the hot sink), respectively.
- the coolant or heat transfer fluid called “secondary fluid” can be either in the gaseous state (air or other gases) or in the liquid state (water or other liquids).
- thermodynamic machine which is another fluidic circuit which transports a secondary fluid in thermal contact with one of the machine's exchangers, by means of a fluid circulator which allows the flow of the secondary fluid.
- the fluid circulator When the secondary fluid is in the liquid phase, the fluid circulator is typically a pump and when the fluid is in the gas phase, the fluid circulator is typically a fan.
- the constituent elements of a machine namely the compressor, the condenser, the expander and the evaporator define together and with the refrigerant used, a useful power or nominal thermal power for the thermodynamic machine.
- This nominal thermal power is the quantity of heat transmitted to the secondary fluid per unit of time, expressed in kilowatt (kW), under the test conditions following the standards in force or the rules of the art (nominal operating speed).
- standard EN 14511-2 defines the test conditions for determining the characteristics and performances of air conditioners, liquid chillers and heat pumps with compressor driven by electric motor for heating and refrigeration of premises.
- the nominal thermal power is one of the technical specifications reported by the manufacturers of thermodynamic machines.
- a nominal flow rate must be ensured by the circulator. It is deduced in a known manner from the nominal thermal power of the thermodynamic machine and a predefined variation (or difference) in temperature or enthalpy of the secondary fluid at the terminals of the exchanger. More precisely, the nominal flow rate of the secondary fluid is such that the product of the nominal flow rate by the predefined enthalpy variation is equal to the nominal thermal power.
- the temperature or enthalpy variation is predefined in the sense that it is fixed by the standards in force or the rules of the art. In particular, for a heat pump (PAC) with water as secondary fluid, standard EN 14511-2 sets the variation in water temperature between the inlet and outlet of the exchanger for different types of PAC.
- the variation in water temperature is set at 5°C for low temperature heat pumps, at 8°C for medium temperature heat pumps and at 10°C for high temperature heat pumps.
- the nominal flow rate is one of the technical specifications indicated by the manufacturers of thermodynamic machines.
- the fluidic circulator is sized to be able to provide such a nominal flow rate of secondary fluid for a characteristic pressure loss of the secondary circuit.
- the selected circulator operates within a certain flow rate range and can ensure a maximum flow rate greater than the nominal flow rate selected. However, in practice, this maximum flow rate does not exceed 120% of the nominal flow rate.
- the flow of the liquid secondary fluid in a circulation is ensured by a pump sized for a corresponding nominal flow, for a temperature difference (or enthalpy) fixed by the standards or rules of the art at the terminals of the exchanger, to the nominal thermal power of the machine;
- the flow of the gaseous secondary fluid is ensured by a fan or a system of fans sized for a corresponding nominal flow, for a temperature difference (or enthalpy) fixed by the standards or rules of the art at the terminals of the exchanger, at the nominal thermal power of the machine.
- the fluidic circulator is therefore sized for a nominal thermal power of the thermodynamic machine.
- thermodynamic machine In conventional devices, the increase in flow rate of the secondary fluid in contact with the exchangers of the thermodynamic machine, at best maintains the power constant and at worst leads to a loss of power. There is therefore nothing to expect from oversizing the pump of a liquid secondary fluid circuit (water or other) of a thermodynamic machine or from oversizing the fan of a gaseous secondary fluid circuit (air or others) of a thermodynamic machine in terms of energy efficiency or improvement in the thermal power obtained from a thermodynamic machine. Furthermore, as such oversizing of the fluidic circulator represents additional cost, greater bulk and excess consumption, it is carefully avoided in the prior art.
- bulges are typically bulges in which the inlet and outlet chambers are fluidly connected by at least one tube on the fluidic circuit of the machine.
- a bulge that includes more than one tube divides the pipe (and the refrigerant flow) into sub-pipes, conveniently called tubing, in parallel on the fluid circuit between the inlet and outlet chambers.
- This type of bulge is conveniently called a “tubed bulge.” It is understood that a tubular bulge does not involve circulation of a secondary fluid unlike a multi-tubular heat exchanger.
- the aforementioned bulges are usually arranged in a gaseous medium or in a liquid medium, in a so-called high pressure part of a thermodynamic machine, namely between a compressor and a condenser (arrangement of the bulge in a gaseous medium) or between a condenser and an expander ( arrangement of the bulge in a liquid medium).
- These bulges improve the power and COP of a thermodynamic vapor compression machine, when inserted into such a machine.
- thermodynamic machines There is a constant need for improvement of thermodynamic machines in terms of energy efficiency or thermal power.
- the invention relates to a device comprising a first thermodynamic machine for vapor compression of a refrigerant and a second thermodynamic machine for circulation of a heat transfer fluid
- the first machine comprises a compressor, a condenser, a expander and an evaporator, defining, together and with the refrigerant, for the first machine, a nominal thermal power
- the second machine comprises a fluidic circulator configured to deliver the heat transfer fluid into the second machine in thermal contact with the refrigerant , in which the nominal thermal power, exchanged with the second machine, is defined by the product of a nominal flow rate by a predefined enthalpy variation of the heat transfer fluid, in which the fluidic circulator is dimensioned to be able to deliver the heat transfer fluid according to a maximum flow rate greater than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate
- the first machine comprises a first pipe, extending in width along an interior section and extending in length between the compressor and the expander via the condenser, in which
- thermodynamic vapor compression machine means a system operating using a refrigerant fluid to which cyclical transformations are made (compression then condensation then expansion then evaporation) during which there is an exchange of energy with two thermodynamic machines. with circulation of heat transfer fluid.
- thermodynamic machine with circulation of a heat transfer fluid means a fluid circuit capable of circulating a heat transfer fluid and making it transport heat coming from a condenser of a thermodynamic machine for vapor compression or destination of an evaporator of a thermodynamic vapor compression machine.
- heat transfer fluid or “secondary fluid” means any fluid capable of transporting heat in a thermodynamic machine circulating a heat transfer fluid.
- heat transfer fluids or “secondary fluid” means any fluid capable of transporting heat in a thermodynamic machine circulating a heat transfer fluid.
- these terms refer indiscriminately to heat transfer fluids and refrigeration fluids.
- fluidically connecting or “fluidically connected”, applied to two elements, will be understood as “allowing transport of a fluid” between the two elements, without loss of fluid in the transport and without diversion of fluid between the elements, thus establishing fluid contact between the two elements.
- the fluidic circulator being dimensioned to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater (i.e. greater than or equal to) one hundred and twenty percent (120%) of the nominal flow rate, that is to say at a maximum flow rate greater than or equal to 1.2 times the nominal flow rate, it is said to be “oversized” in relation to a fluidic circulator sized to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate strictly less than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate.
- a flow rate of heat transfer fluid is said to be “oversized” when it is greater than or equal to one hundred and twenty percent (120%) of the nominal flow rate.
- the device has the following characteristics, alone or in combination, when technically possible: - the second section bulge comprises a single second tube; - the second section bulge comprises several second tubes; - the fluidic circulator is sized to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater than one hundred and fifty percent of the nominal flow rate; - the fluidic circulator is sized to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater than two hundred percent of the nominal flow rate; - thermal contact is imposed in the condenser and the fluid circulator is a pump; - thermal contact is imposed in the evaporator and the fluid circulator is a fan; - thermal contact is imposed in the condenser and the fluidic circulator is a fan; - thermal contact is imposed in the evaporator and the fluidic circulator is a pump.
- the device of the invention can be used in the following manner: - the first and second machines are operated so as to exchange real thermal power between the first and second machines, and - the heat transfer fluid is delivered by means of the fluid circulator at an actual flow rate greater than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate.
- the real thermal power exchanged with the second machine is defined by the product of the real flow rate by a real enthalpy variation of the heat transfer fluid. Thanks to the bulges of the device and the oversized circulator, the actual thermal power is greater than the nominal thermal power.
- FIG. 1 There is a schematic diagram of an Air/Water heat pump (PAC), in which the heat pump comprises in series on a first pipe 8: a compressor 5, a first bulge with tubing 3, a condenser 2, a second bulge 4, a regulator 6, and an evaporator 7.
- PAC Air/Water heat pump
- the heat pump comprises in series on a first pipe 8: a compressor 5, a first bulge with tubing 3, a condenser 2, a second bulge 4, a regulator 6, and an evaporator 7.
- a pump-type fluid circulator 1 is arranged in series on the second pipe 9.
- the condenser and the evaporator are commonly referred to together and throughout the application as the "heat exchangers" of the machine (PAC or CLIM).
- the invention is implemented in an air/water heat pump, or heat pump, which draws energy from a cold source (ie outside air) to bring it to a hot well (ie water ). Its useful use is the exploitation of the energy delivered at the hot well.
- a cold source ie outside air
- a hot well ie water
- Such a vapor compression machine is constituted in a known manner by the first pipe 8 on which the compressor 5, the first bulge with tubes 3, the condenser 2, the second bulge 4, the expander 6 and the evaporator 7 are located.
- a fluid circuit comprising a fluid circulator, here a pump 1, configured to circulate a heat transfer fluid, here water, in the second pipe 9.
- the amount of energy required for use is determined by the heat output of the heat pump and the operating time according to the formula Or : Energy delivered to the hot well (Water) : Heating power of the heat pump : Operating time
- all the components of the heat pump are sized to ensure the necessary heat output.
- the heat output is expressed by the formula with : : Heating power of the heat pump : Flow rate of the heat transfer fluid : Specific heat mass at constant pressure of the heat transfer fluid : Difference in temperature of the heat transfer fluid between the inlet and outlet of the heat pump condenser .
- the heat output is constant for given operating conditions (temperatures of the hot well and the cold source). And since the specific heat of an incompressible heat transfer fluid is also constant, then any variation in mass flow will generate a change in the temperature difference in an inversely proportional manner in order to conserve the calorific power constant.
- Table 1.1 indicates the theoretical values calculated for an example of an Air/Water heat pump with a power of 12 kW (or nominal power for an outside air temperature of 7°C, degrees Celsius, a water temperature at condenser inlet of 30°C and a water temperature at the condenser outlet of 35°C), for three different water flow rates.
- the temperature difference decreases in a manner inversely proportional to the flow rate.
- Table 1.2 shows the results of real tests carried out with an Air/Water heat pump without bulges, sized at 12 kW of nominal power and operating with a refrigerant of type R454C (mass composition: 21.5%R32, 78.5%R1234yf ), for two different water flow rates.
- the inventors discovered that, for a heat pump according to the invention operating with bulges and an oversized pump, the heat output increased unexpectedly by increasing the circulated flow rate of the secondary heat transfer fluid, here water. Indeed, although the temperature difference decreases when the flow rate increases, we observe that the temperature difference does not decrease in a manner inversely proportional to the flow rate: the observed temperature decrease is smaller than the expected decrease.
- Table 1.3 shows the results of tests carried out on the Air/Water heat pump according to the invention, sized at a nominal power of 12 kW operating with a refrigerant of type R454C with an oversized circulator and bulges, for four water flow rates different. Table 1.3 – Real test results on the Air/Water heat pump with bulges and oversized circulator. Case Heating power (kW) Water flow (kg/s) (K) Rated water flow (kg/s) 1 11.24 0.56 4.83 0.57 2 11.7 0.69 4.06 0.57 3 13.33 1.18 2.65 0.57 4 14.03 1.37 2.36 0.57
- cases 2, 3 and 4 correspond to an oversized flow rate, significantly higher than the nominal flow rate (0.57 kg/s), while case 1 corresponds to a flow rate quite close to the nominal flow rate. .
- the heat pump is an air/air, water/air or water/water heat pump.
- the invention is implemented in an Air/Air air conditioner (CLIM) which draws energy from a cold source (Indoor air) to bring it to a hot well (Outdoor air). Its useful use is the exploitation of the energy taken from the cold source.
- CLIM Air/Air air conditioner
- the configuration of the thermal machine is the same as in the first embodiment.
- the second pipe 9 is in thermal contact with the other heat exchanger of the machine, here the evaporator 7 and a fluid circulator, i.e. a fan 10, adapted to circulate a coolant. , or secondary fluid, i.e. air, in the second pipe 9 is used.
- the required amount of energy for use is determined by the cooling capacity of the refrigerating machine and the operating time according to the formula Or : Energy recovered from the cold source (air) : Cooling power of the CLIM : Operating time
- Cooling power of the CLIM Coolant flow rate : Difference in enthalpy of the coolant between the inlet and outlet of the evaporator for a constant (kJ/kg).
- the cooling power is constant for given operating conditions (temperatures of the hot well and the cold source).
- the variation in mass flow will generate a change in the enthalpy difference in an inversely proportional manner in order to keep the cooling capacity constant .
- Table 2.1 indicates the theoretical values calculated for an example of an Air/Air air conditioner (CLIM) with a nominal power of 6.9 kW (or nominal power for an outside air temperature of 35°C, degrees Celsius, and a air temperature at the evaporator inlet of 27°C), for five different air flow rates.
- CLIM Air/Air air conditioner
- the enthalpy difference decreases in a manner inversely proportional to the flow rate.
- the nominal secondary fluid flow rate is defined by the manufacturer based on the application in which the vapor compression machine is used. Typically, for a residential air conditioning application, the nominal flow rate must ensure a temperature difference across the evaporator of 10 to 15 K, Kelvin. Typically, for a commercial refrigeration application, the nominal flow rate must ensure a temperature difference across the evaporator of 5 to 10 K.
- the air conditioner used for this example is a residential type air conditioner.
- the temperature difference of 10 to 15 K corresponds to an enthalpy difference of approximately 10 to 15 kJ/kg (cp ⁇ 1.005 , rounded to 1 ) and therefore at a nominal flow rate of 0.46 to 0.69 kg/s.
- the technical sheet of the Air/Air conditioner used for this example indicates a nominal flow rate of 0.5 kg/s.
- Table 2.2 shows the results of real tests carried out with the aforementioned Air/Air CLIM, without bulge, sized at 6.9 kW of nominal power and operating with a refrigerant of type R410A (mass composition: 50%R32, 50%R125 ), for two different air flow rates.
- the inventors discovered that, for an air conditioner according to the invention operating with bulges and an oversized fan, the cooling power increased unexpectedly by increasing the flow rate of the coolant, here air. Indeed, although the enthalpy difference decreases when the flow rate increases, we observe that the enthalpy difference does not decrease in a manner inversely proportional to the flow rate: the observed enthalpy decrease is smaller than the expected decrease.
- Table 2.3 shows the results of the Air/Air CLIM according to the invention, sized at a nominal power of 6.9 kW operating with a refrigerant of type R410A with an oversized circulator and bulges, for four different air flow rates .
- cases 2, 3 and 4 correspond to an oversized flow rate, significantly higher than the nominal flow rate (0.5 kg/s), while case 1 corresponds to a flow rate quite close to the nominal flow rate. .
- the air conditioner is an air/water, water/air or water/water refrigeration machine.
- the invention is capable of industrial application in the field of thermodynamic machines.
- oversized for a circulation or a fluidic circulator, will be understood in relation to a dimensioning of a circulation or a fluidic circulator for a thermodynamic vapor compression machine without bulges having a certain nominal power .
- the power rating is reported by the machine manufacturer.
- the teaching of the present application also extends equivalently to a vapor compression machine whose compressor would be undersized in relation to its exchangers and to the fluidic circulator or circulator of the secondary fluid (in which case the circulator would be oversized by compared to the thermodynamic vapor compression machine) and which would contain the bulges described previously.
- thermodynamic vapor compression machine in relation to the exchangers and to the fluid circulator of a fluid circulation for said thermodynamic machine, or to oversize the fluid circulator of fluid circulation for said thermodynamic machine relative to the compressor and the exchangers, in the presence of bulges.
- the fluid circulator must be oversized to operate at a fluid flow rate greater than the nominal flow rate.
- thermodynamic machine including a compressor and bulges and another thermodynamic machine including a fluidic circulator
- a well-sized theoretical compressor and fluidic circulator couple we check if, taking into account the specifications of the compressor and the circulator, these are relatively oversized relative to each other with respect to the relative sizing of the theoretical torque. If so, the machine conforms to the invention.
- a bulge may comprise a single tube as well as several tubes.
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Abstract
The invention relates to a device comprising a first thermodynamic vapour-compression machine having a refrigerant and a second thermodynamic flow machine having a heat-transfer fluid. The first machine comprises a compressor (5), a condenser (2), an expansion valve (6) and an evaporator (7) which together define, with the refrigerant, for the first machine, a thermal power to be exchanged with the heat-transfer fluid. The second machine comprises a fluid circulator (1) configured to feed the heat-transfer fluid into the second machine in thermal contact with the refrigerant. The fluid circulator (1) is dimensioned so as to be able to deliver the heat-transfer fluid at a maximum flow rate greater than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate. The first machine comprises a first pipe with a first cross-sectional widening (3) between the compressor (5) and the condenser (2) and a second cross-sectional widening (4) between the condenser (2) and the expansion valve (6).
Description
La présente demande concerne le domaine des machines thermodynamiques et plus particulièrement l’amélioration de la puissance calorifique ou frigorifique des machines à compression de vapeur.This application concerns the field of thermodynamic machines and more particularly the improvement of the heating or cooling power of vapor compression machines.
L’art antérieur connaît des machines thermodynamiques à compression de vapeur, utilisables d’une part en pompe à chaleur pour le chauffage pour prélever de la chaleur dans une source froide et la transférer à un puits chaud (et donc l’utilité se trouve du côté puits) ou utilisables, d’autre part, en machine frigorifique pour prélever de la chaleur dans une source froide et la transférer vers un puits chaud (et donc l’utilité se trouve du côté source).The prior art knows thermodynamic vapor compression machines, usable on the one hand as a heat pump for heating to take heat from a cold source and transfer it to a hot well (and therefore the utility is found from well side) or usable, on the other hand, in a refrigeration machine to take heat from a cold source and transfer it to a hot well (and therefore the utility is on the source side).
Une machine thermodynamique à compression de vapeur comprend communément un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur en série dans un circuit fluidique fermé contenant un fluide frigorigène, ou "fluide primaire". Une telle machine échange via ses échangeurs thermiques (évaporateur et condenseur) de la chaleur avec un circuit frigoporteur (la source froide) et un circuit caloporteur (le puits chaud), respectivement. Selon l’application, le fluide frigoporteur ou caloporteur, dit "fluide secondaire", peut être soit à l’état gazeux (air ou autres gaz), soit à l’état liquide (eau ou autres liquides).A thermodynamic vapor compression machine commonly includes a compressor, a condenser, an expander and an evaporator in series in a closed fluid circuit containing a refrigerant, or "primary fluid". Such a machine exchanges heat via its heat exchangers (evaporator and condenser) with a coolant circuit (the cold source) and a heat transfer circuit (the hot sink), respectively. Depending on the application, the coolant or heat transfer fluid, called "secondary fluid", can be either in the gaseous state (air or other gases) or in the liquid state (water or other liquids).
Dans tous les cas, le phénomène de transfert de la chaleur émise au puits chaud ou absorbée de la source froide est assuré de façon externe à la machine thermodynamique par une circulation de fluide qui est un autre circuit fluidique qui transporte un fluide secondaire en contact thermique avec un des échangeurs de la machine, au moyen d’un circulateur fluidique qui permet l’écoulement du fluide secondaire. In all cases, the phenomenon of heat transfer emitted to the hot well or absorbed from the cold source is ensured externally to the thermodynamic machine by a fluid circulation which is another fluidic circuit which transports a secondary fluid in thermal contact with one of the machine's exchangers, by means of a fluid circulator which allows the flow of the secondary fluid.
Lorsque le fluide secondaire est en phase liquide, le circulateur fluidique est typiquement une pompe et lorsque le fluide est en phase gazeuse, le circulateur fluidique est typiquement un ventilateur.When the secondary fluid is in the liquid phase, the fluid circulator is typically a pump and when the fluid is in the gas phase, the fluid circulator is typically a fan.
Les éléments constitutifs d'une machine, à savoir le compresseur, le condenseur, le détendeur et l'évaporateur définissent ensemble et avec le fluide frigorigène utilisé, une puissance utile ou puissance thermique nominale pour la machine thermodynamique. Cette puissance thermique nominale est la quantité de chaleur transmise au fluide secondaire par unité de temps, exprimée en kilowatt (kW), dans les conditions d'essais suivant les normes en vigueur ou les règles de l’art (allure de fonctionnement nominale). En particulier, la norme EN 14511-2 définit les conditions d’essai pour la détermination des caractéristiques et des performances des climatiseurs, groupes refroidisseurs de liquide et pompes à chaleur avec compresseur entraîné par moteur électrique pour le chauffage et la réfrigération des locaux.
Généralement, la puissance thermique nominale fait partie des spécificités techniques signalées par les constructeurs de machines thermodynamiques.The constituent elements of a machine, namely the compressor, the condenser, the expander and the evaporator define together and with the refrigerant used, a useful power or nominal thermal power for the thermodynamic machine. This nominal thermal power is the quantity of heat transmitted to the secondary fluid per unit of time, expressed in kilowatt (kW), under the test conditions following the standards in force or the rules of the art (nominal operating speed). In particular, standard EN 14511-2 defines the test conditions for determining the characteristics and performances of air conditioners, liquid chillers and heat pumps with compressor driven by electric motor for heating and refrigeration of premises.
Generally, the nominal thermal power is one of the technical specifications reported by the manufacturers of thermodynamic machines.
Généralement, la puissance thermique nominale fait partie des spécificités techniques signalées par les constructeurs de machines thermodynamiques.The constituent elements of a machine, namely the compressor, the condenser, the expander and the evaporator define together and with the refrigerant used, a useful power or nominal thermal power for the thermodynamic machine. This nominal thermal power is the quantity of heat transmitted to the secondary fluid per unit of time, expressed in kilowatt (kW), under the test conditions following the standards in force or the rules of the art (nominal operating speed). In particular, standard EN 14511-2 defines the test conditions for determining the characteristics and performances of air conditioners, liquid chillers and heat pumps with compressor driven by electric motor for heating and refrigeration of premises.
Generally, the nominal thermal power is one of the technical specifications reported by the manufacturers of thermodynamic machines.
Un débit nominal est à assurer par le circulateur. Il est déduit de façon connue à partir de la puissance thermique nominale de la machine thermodynamique et d’une variation (ou différence) prédéfinie de température ou d’enthalpie du fluide secondaire aux bornes de l’échangeur. Plus précisément, le débit nominal du fluide secondaire est tel que le produit du débit nominal par la variation d’enthalpie prédéfinie est égal à la puissance thermique nominale. La variation de température ou d’enthalpie est prédéfinie en ce sens qu’elle est fixée par les normes en vigueur ou les règles de l’art. En particulier, pour une pompe à chaleur (PAC) avec de l’eau en fluide secondaire, la norme EN 14511-2 fixe la variation de température de l’eau entre l’entrée et la sortie de l’échangeur pour différents types de PAC. Ainsi, la variation de température de l’eau est fixée à 5°C pour les PAC basse température, à 8°C pour les PAC moyenne température et à 10°C pour les PAC haute température. La variation d’enthalpie étant égale au produit de la chaleur spécifique de l’eau (cp = 4,18 kJ/kg.K) par la variation de la température, on peut déduire la variation d’enthalpie prédéfinie imposée par cette norme. Pour une PAC basse température, la variation de température de 5°C correspond à une variation d’enthalpie égale à 5x4,18 = 20,9 kJ/kg. Le débit nominal est égal au quotient de la puissance nominale (aux conditions nominales d’essai, définies par la norme ) par cette différence d’enthalpie : débit nominal = puissance nominale / 20,9.
Généralement, le débit nominal fait partie des spécificités techniques signalées par les constructeurs de machines thermodynamiques.A nominal flow rate must be ensured by the circulator. It is deduced in a known manner from the nominal thermal power of the thermodynamic machine and a predefined variation (or difference) in temperature or enthalpy of the secondary fluid at the terminals of the exchanger. More precisely, the nominal flow rate of the secondary fluid is such that the product of the nominal flow rate by the predefined enthalpy variation is equal to the nominal thermal power. The temperature or enthalpy variation is predefined in the sense that it is fixed by the standards in force or the rules of the art. In particular, for a heat pump (PAC) with water as secondary fluid, standard EN 14511-2 sets the variation in water temperature between the inlet and outlet of the exchanger for different types of PAC. Thus, the variation in water temperature is set at 5°C for low temperature heat pumps, at 8°C for medium temperature heat pumps and at 10°C for high temperature heat pumps. The enthalpy variation being equal to the product of the specific heat of water (cp = 4.18 kJ/kg.K) by the temperature variation, we can deduce the predefined enthalpy variation imposed by this standard. For a low temperature heat pump, the temperature variation of 5°C corresponds to an enthalpy variation equal to 5x4.18 = 20.9 kJ/kg. The nominal flow rate is equal to the quotient of the nominal power (at the nominal test conditions, defined by the standard) by this enthalpy difference: nominal flow rate = nominal power / 20.9.
Generally, the nominal flow rate is one of the technical specifications indicated by the manufacturers of thermodynamic machines.
Généralement, le débit nominal fait partie des spécificités techniques signalées par les constructeurs de machines thermodynamiques.A nominal flow rate must be ensured by the circulator. It is deduced in a known manner from the nominal thermal power of the thermodynamic machine and a predefined variation (or difference) in temperature or enthalpy of the secondary fluid at the terminals of the exchanger. More precisely, the nominal flow rate of the secondary fluid is such that the product of the nominal flow rate by the predefined enthalpy variation is equal to the nominal thermal power. The temperature or enthalpy variation is predefined in the sense that it is fixed by the standards in force or the rules of the art. In particular, for a heat pump (PAC) with water as secondary fluid, standard EN 14511-2 sets the variation in water temperature between the inlet and outlet of the exchanger for different types of PAC. Thus, the variation in water temperature is set at 5°C for low temperature heat pumps, at 8°C for medium temperature heat pumps and at 10°C for high temperature heat pumps. The enthalpy variation being equal to the product of the specific heat of water (cp = 4.18 kJ/kg.K) by the temperature variation, we can deduce the predefined enthalpy variation imposed by this standard. For a low temperature heat pump, the temperature variation of 5°C corresponds to an enthalpy variation equal to 5x4.18 = 20.9 kJ/kg. The nominal flow rate is equal to the quotient of the nominal power (at the nominal test conditions, defined by the standard) by this enthalpy difference: nominal flow rate = nominal power / 20.9.
Generally, the nominal flow rate is one of the technical specifications indicated by the manufacturers of thermodynamic machines.
Le circulateur fluidique est dimensionné pour pouvoir fournir un tel débit nominal de fluide secondaire pour une perte de charge caractéristique du circuit secondaire. Généralement, le circulateur sélectionné fonctionne dans une certaine plage de débits et peut assurer un débit maximum supérieur au débit nominal retenu. Toutefois, en pratique, ce débit maximum n'excède pas 120% du débit nominal.The fluidic circulator is sized to be able to provide such a nominal flow rate of secondary fluid for a characteristic pressure loss of the secondary circuit. Generally, the selected circulator operates within a certain flow rate range and can ensure a maximum flow rate greater than the nominal flow rate selected. However, in practice, this maximum flow rate does not exceed 120% of the nominal flow rate.
Ainsi dans l’art antérieur :
- le débit du fluide secondaire liquide dans une circulation est assuré par une pompe dimensionnée pour un débit nominal correspondant, pour une différence de température (ou d’enthalpie) fixée par les normes ou règles de l’art aux bornes de l’échangeur, à la puissance thermique nominale de la machine ;
- le débit du fluide secondaire gazeux est assuré par un ventilateur ou un système de ventilateurs dimensionnés pour un débit nominal correspondant, pour une différence de température (ou d’enthalpie) fixée par les normes ou règles de l’art aux bornes de l’échangeur, à la puissance thermique nominale de la machine.
Le circulateur fluidique est donc dimensionné pour une puissance thermique nominale de la machine thermodynamique.Thus in the prior art:
- the flow of the liquid secondary fluid in a circulation is ensured by a pump sized for a corresponding nominal flow, for a temperature difference (or enthalpy) fixed by the standards or rules of the art at the terminals of the exchanger, to the nominal thermal power of the machine;
- the flow of the gaseous secondary fluid is ensured by a fan or a system of fans sized for a corresponding nominal flow, for a temperature difference (or enthalpy) fixed by the standards or rules of the art at the terminals of the exchanger, at the nominal thermal power of the machine.
The fluidic circulator is therefore sized for a nominal thermal power of the thermodynamic machine.
- le débit du fluide secondaire liquide dans une circulation est assuré par une pompe dimensionnée pour un débit nominal correspondant, pour une différence de température (ou d’enthalpie) fixée par les normes ou règles de l’art aux bornes de l’échangeur, à la puissance thermique nominale de la machine ;
- le débit du fluide secondaire gazeux est assuré par un ventilateur ou un système de ventilateurs dimensionnés pour un débit nominal correspondant, pour une différence de température (ou d’enthalpie) fixée par les normes ou règles de l’art aux bornes de l’échangeur, à la puissance thermique nominale de la machine.
Le circulateur fluidique est donc dimensionné pour une puissance thermique nominale de la machine thermodynamique.Thus in the prior art:
- the flow of the liquid secondary fluid in a circulation is ensured by a pump sized for a corresponding nominal flow, for a temperature difference (or enthalpy) fixed by the standards or rules of the art at the terminals of the exchanger, to the nominal thermal power of the machine;
- the flow of the gaseous secondary fluid is ensured by a fan or a system of fans sized for a corresponding nominal flow, for a temperature difference (or enthalpy) fixed by the standards or rules of the art at the terminals of the exchanger, at the nominal thermal power of the machine.
The fluidic circulator is therefore sized for a nominal thermal power of the thermodynamic machine.
Dans les dispositifs conventionnels, l’augmentation de débit du fluide secondaire en contact avec les échangeurs de la machine thermodynamique, au mieux maintient la puissance constante et au pire entraine une perte de puissance. Il n’y a donc rien à attendre d’un surdimensionnement de la pompe d’un circuit du fluide secondaire liquide (eau ou autres) d’une machine thermodynamique ou du surdimensionnement du ventilateur d’un circuit du fluide secondaire gazeux (air ou autres) d’une machine thermodynamique en termes de rendement énergétique ou d’amélioration de la puissance thermique obtenue d’une machine thermodynamique. En outre, comme un tel surdimensionnement du circulateur fluidique représente un surcoût, un encombrement supérieur et une surconsommation, il est soigneusement évité dans l'art antérieur.In conventional devices, the increase in flow rate of the secondary fluid in contact with the exchangers of the thermodynamic machine, at best maintains the power constant and at worst leads to a loss of power. There is therefore nothing to expect from oversizing the pump of a liquid secondary fluid circuit (water or other) of a thermodynamic machine or from oversizing the fan of a gaseous secondary fluid circuit (air or others) of a thermodynamic machine in terms of energy efficiency or improvement in the thermal power obtained from a thermodynamic machine. Furthermore, as such oversizing of the fluidic circulator represents additional cost, greater bulk and excess consumption, it is carefully avoided in the prior art.
Dans certaines machines thermodynamiques à compression de vapeur de l’art antérieur, non conventionnelles, sont prévus, dans le circuit fluidique contenant le fluide primaire frigorigène, des renflements de conduite ou "renflements de section intérieure d’une conduite" ou "renflements de section", qui améliorent le rendement thermique d’une machine à compression de vapeur. Des exemples de tels renflements sont décrits, par exemple, dans le document de brevet EP 3071901 B1. Ces renflements comprennent typiquement, pour une conduite de section intérieure donnée avant et après le renflement, une chambre d’entrée dans laquelle la section augmente et une chambre de sortie dans laquelle la section diminue.In certain non-conventional thermodynamic vapor compression machines of the prior art, pipe bulges or “inner section bulges of a pipe” or “section bulges” are provided in the fluid circuit containing the primary refrigerant fluid. ", which improve the thermal efficiency of a vapor compression machine. Examples of such bulges are described, for example, in patent document EP 3071901 B1. These bulges typically include, for a pipe of given interior section before and after the bulge, an inlet chamber in which the section increases and an outlet chamber in which the section decreases.
Ces renflements sont typiquement des renflements dans lesquels les chambres d’entrée et de sortie sont reliées fluidiquement par au moins un tube sur le circuit fluidique de la machine. Un renflement qui comprend plus d’un tube opère une division de conduite (et du débit de fluide frigorigène) en sous-conduites, nommées commodément tubulures, en parallèle sur le circuit fluidique entre les chambres d’entrée et de sortie. Ce type de renflement est commodément appelé "renflement à tubulures". Il est entendu qu'un renflement à tubulures ne comporte pas de circulation d’un fluide secondaire à la différence d’un échangeur thermique multitubulaire.These bulges are typically bulges in which the inlet and outlet chambers are fluidly connected by at least one tube on the fluidic circuit of the machine. A bulge that includes more than one tube divides the pipe (and the refrigerant flow) into sub-pipes, conveniently called tubing, in parallel on the fluid circuit between the inlet and outlet chambers. This type of bulge is conveniently called a “tubed bulge.” It is understood that a tubular bulge does not involve circulation of a secondary fluid unlike a multi-tubular heat exchanger.
Les renflements précités sont disposés usuellement en milieu gazeux ou en milieu liquide, dans une partie dite haute pression d’une machine thermodynamique, à savoir entre un compresseur et un condenseur (disposition du renflement en milieu gazeux) ou entre un condenseur et un détendeur (disposition du renflement en milieu liquide). Ces renflements améliorent la puissance et le COP d’une machine thermodynamique à compression de vapeur, lorsqu’ils sont insérés dans une telle machine. The aforementioned bulges are usually arranged in a gaseous medium or in a liquid medium, in a so-called high pressure part of a thermodynamic machine, namely between a compressor and a condenser (arrangement of the bulge in a gaseous medium) or between a condenser and an expander ( arrangement of the bulge in a liquid medium). These bulges improve the power and COP of a thermodynamic vapor compression machine, when inserted into such a machine.
Il existe un besoin constant d'amélioration des machines thermodynamiques en termes de rendement énergétique ou de puissance thermique. There is a constant need for improvement of thermodynamic machines in terms of energy efficiency or thermal power.
Dans ce contexte, l’invention concerne un dispositif comprenant une première machine thermodynamique à compression de vapeur d’un fluide frigorigène et une deuxième machine thermodynamique à circulation d’un fluide caloporteur, dans lequel la première machine comprend un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur, définissant, ensemble et avec le fluide frigorigène, pour la première machine, une puissance thermique nominale, dans lequel la deuxième machine comprend un circulateur fluidique configuré pour débiter le fluide caloporteur dans la deuxième machine en contact thermique avec le fluide frigorigène, dans lequel la puissance thermique nominale, échangée avec la deuxième machine, est définie par le produit d’un débit nominal par une variation d’enthalpie du fluide caloporteur prédéfinie, dans lequel le circulateur fluidique est dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal supérieur à cent vingt pour cent du débit nominal, dans lequel la première machine comprend une première conduite, s’étendant en largeur selon une section intérieure et s’étendant en longueur entre le compresseur et le détendeur via le condenseur, dans lequel la première conduite comprend un premier renflement de section entre le compresseur et le condenseur, dans lequel la première conduite comprend un second renflement de section entre le condenseur et le détendeur, dans lequel le premier renflement de section comprend une première chambre d’entrée dans laquelle la section augmente, une première chambre de sortie dans laquelle la section diminue et des premiers tubes reliant fluidiquement la première chambre d’entrée à la première chambre de sortie, dans lequel le second renflement de section comprend une seconde chambre d’entrée dans laquelle la section augmente, une seconde chambre de sortie dans laquelle la section diminue et au moins un second tube reliant fluidiquement la seconde chambre d’entrée à la seconde chambre de sortie.In this context, the invention relates to a device comprising a first thermodynamic machine for vapor compression of a refrigerant and a second thermodynamic machine for circulation of a heat transfer fluid, in which the first machine comprises a compressor, a condenser, a expander and an evaporator, defining, together and with the refrigerant, for the first machine, a nominal thermal power, in which the second machine comprises a fluidic circulator configured to deliver the heat transfer fluid into the second machine in thermal contact with the refrigerant , in which the nominal thermal power, exchanged with the second machine, is defined by the product of a nominal flow rate by a predefined enthalpy variation of the heat transfer fluid, in which the fluidic circulator is dimensioned to be able to deliver the heat transfer fluid according to a maximum flow rate greater than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate, in which the first machine comprises a first pipe, extending in width along an interior section and extending in length between the compressor and the expander via the condenser, in which the first pipe comprises a first section bulge between the compressor and the condenser, in which the first pipe comprises a second section bulge between the condenser and the expander, in which the first section bulge comprises a first inlet chamber in which the section increases, a first outlet chamber in which the section decreases and first tubes fluidly connecting the first inlet chamber to the first outlet chamber, in which the second section bulge comprises a second inlet chamber in which the section increases, a second outlet chamber in which the section decreases and at least one second tube fluidly connecting the second inlet chamber to the second outlet chamber.
On désigne par "machine thermodynamique à compression de vapeur", un système fonctionnant grâce à un fluide frigorigène auquel on fait subir des transformations cycliques (compression puis condensation puis détente puis évaporation) au cours desquelles il y a échange d’énergie avec deux machines thermodynamiques à circulation de fluide caloporteur.The term "thermodynamic vapor compression machine" means a system operating using a refrigerant fluid to which cyclical transformations are made (compression then condensation then expansion then evaporation) during which there is an exchange of energy with two thermodynamic machines. with circulation of heat transfer fluid.
On désigne par "machine thermodynamique à circulation d’un fluide caloporteur", un circuit fluidique apte à faire circuler un fluide caloporteur et à lui faire transporter de la chaleur en provenance d’un condenseur d’une machine thermodynamique à compression de vapeur ou à destination d’un évaporateur d’une machine thermodynamique à compression de vapeur.The term “thermodynamic machine with circulation of a heat transfer fluid” means a fluid circuit capable of circulating a heat transfer fluid and making it transport heat coming from a condenser of a thermodynamic machine for vapor compression or destination of an evaporator of a thermodynamic vapor compression machine.
Dans le cadre de l'invention, on désigne par "fluide caloporteur", ou "fluide secondaire", tout fluide apte à transporter de la chaleur dans une machine thermodynamique à circulation d’un fluide caloporteur. Ainsi, on désigne indistinctement sous ces termes les fluides caloporteurs et les fluides frigoporteurs. In the context of the invention, the term “heat transfer fluid” or “secondary fluid” means any fluid capable of transporting heat in a thermodynamic machine circulating a heat transfer fluid. Thus, these terms refer indiscriminately to heat transfer fluids and refrigeration fluids.
Enfin, les mots "reliant fluidiquement" ou "reliés fluidiquement’’, appliqués à deux éléments, seront entendus comme "permettant un transport d’un fluide" entre les deux éléments, sans perte de fluide dans le transport et sans dérivation de fluide entre les éléments, en instaurant ainsi un contact fluidique entre les deux éléments.Finally, the words "fluidically connecting" or "fluidically connected", applied to two elements, will be understood as "allowing transport of a fluid" between the two elements, without loss of fluid in the transport and without diversion of fluid between the elements, thus establishing fluid contact between the two elements.
Par ailleurs, le circulateur fluidique étant dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal supérieur (i.e. supérieur ou égal) à cent vingt pour cent (120%) du débit nominal, c’est-à-dire selon un débit maximal supérieur ou égal à 1,2 fois le débit nominal, il est dit "surdimensionné" par rapport à un circulateur fluidique dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal strictement inférieur à cent vingt pour cent du débit nominal. De même, un débit de fluide caloporteur est dit "surdimensionné" lorsqu'il est supérieur ou égale à cent vingt pour cent (120%) du débit nominal.Furthermore, the fluidic circulator being dimensioned to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater (i.e. greater than or equal to) one hundred and twenty percent (120%) of the nominal flow rate, that is to say at a maximum flow rate greater than or equal to 1.2 times the nominal flow rate, it is said to be "oversized" in relation to a fluidic circulator sized to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate strictly less than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate. Likewise, a flow rate of heat transfer fluid is said to be “oversized” when it is greater than or equal to one hundred and twenty percent (120%) of the nominal flow rate.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif présente les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison, lorsque cela est techniquement possible :
- le second renflement de section comprend un seul second tube ;
- le second renflement de section comprend plusieurs seconds tubes ;
- le circulateur fluidique est dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal supérieur à cent cinquante pour cent du débit nominal ;
- le circulateur fluidique est dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal supérieur à deux cents pour cent du débit nominal ;
- le contact thermique est imposé dans le condenseur et le circulateur fluidique est une pompe ;
- le contact thermique est imposé dans l’évaporateur et le circulateur fluidique est un ventilateur ;
- le contact thermique est imposé dans le condenseur et le circulateur fluidique est un ventilateur ;
- le contact thermique est imposé dans l’évaporateur et le circulateur fluidique est une pompe.In certain embodiments, the device has the following characteristics, alone or in combination, when technically possible:
- the second section bulge comprises a single second tube;
- the second section bulge comprises several second tubes;
- the fluidic circulator is sized to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater than one hundred and fifty percent of the nominal flow rate;
- the fluidic circulator is sized to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater than two hundred percent of the nominal flow rate;
- thermal contact is imposed in the condenser and the fluid circulator is a pump;
- thermal contact is imposed in the evaporator and the fluid circulator is a fan;
- thermal contact is imposed in the condenser and the fluidic circulator is a fan;
- thermal contact is imposed in the evaporator and the fluidic circulator is a pump.
- le second renflement de section comprend un seul second tube ;
- le second renflement de section comprend plusieurs seconds tubes ;
- le circulateur fluidique est dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal supérieur à cent cinquante pour cent du débit nominal ;
- le circulateur fluidique est dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal supérieur à deux cents pour cent du débit nominal ;
- le contact thermique est imposé dans le condenseur et le circulateur fluidique est une pompe ;
- le contact thermique est imposé dans l’évaporateur et le circulateur fluidique est un ventilateur ;
- le contact thermique est imposé dans le condenseur et le circulateur fluidique est un ventilateur ;
- le contact thermique est imposé dans l’évaporateur et le circulateur fluidique est une pompe.In certain embodiments, the device has the following characteristics, alone or in combination, when technically possible:
- the second section bulge comprises a single second tube;
- the second section bulge comprises several second tubes;
- the fluidic circulator is sized to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater than one hundred and fifty percent of the nominal flow rate;
- the fluidic circulator is sized to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater than two hundred percent of the nominal flow rate;
- thermal contact is imposed in the condenser and the fluid circulator is a pump;
- thermal contact is imposed in the evaporator and the fluid circulator is a fan;
- thermal contact is imposed in the condenser and the fluidic circulator is a fan;
- thermal contact is imposed in the evaporator and the fluidic circulator is a pump.
Le dispositif de l’invention peut s’utiliser de la manière suivante :
- on fait fonctionner la première et la deuxième machine de manière à échanger une puissance thermique réelle entre la première et la deuxième machine, et
- on débite le fluide caloporteur au moyen du circulateur fluidique selon un débit réel supérieur à cent vingt pour cent du débit nominal.The device of the invention can be used in the following manner:
- the first and second machines are operated so as to exchange real thermal power between the first and second machines, and
- the heat transfer fluid is delivered by means of the fluid circulator at an actual flow rate greater than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate.
- on fait fonctionner la première et la deuxième machine de manière à échanger une puissance thermique réelle entre la première et la deuxième machine, et
- on débite le fluide caloporteur au moyen du circulateur fluidique selon un débit réel supérieur à cent vingt pour cent du débit nominal.The device of the invention can be used in the following manner:
- the first and second machines are operated so as to exchange real thermal power between the first and second machines, and
- the heat transfer fluid is delivered by means of the fluid circulator at an actual flow rate greater than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate.
La puissance thermique réelle échangée avec la deuxième machine est définie par le produit du débit réel par une variation d’enthalpie réelle du fluide caloporteur. Grace aux renflements du dispositif et au circulateur surdimensionné, la puissance thermique réelle est supérieure à la puissance thermique nominale.The real thermal power exchanged with the second machine is defined by the product of the real flow rate by a real enthalpy variation of the heat transfer fluid. Thanks to the bulges of the device and the oversized circulator, the actual thermal power is greater than the nominal thermal power.
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.The aforementioned features and advantages, as well as others, will become apparent upon reading the detailed description which follows. This detailed description refers to the accompanying drawings.
Des modes de réalisation particuliers du dispositif proposé sont décrits en détail ci-après, en référence aux exemples représentés sur les dessins annexés. Ces modes de réalisation illustrent les caractéristiques et les avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à ces modes de réalisation.Particular embodiments of the proposed device are described in detail below, with reference to the examples shown in the accompanying drawings. These embodiments illustrate the characteristics and advantages of the invention. However, it is recalled that the invention is not limited to these embodiments.
La est un schéma de principe d’une pompe à chaleur (PAC) Air/Eau, dans laquelle la pompe à chaleur comprend en série sur une première conduite 8 : un compresseur 5, un premier renflement à tubulures 3, un condenseur 2, un deuxième renflement 4, un détendeur 6, et un évaporateur 7. De plus sur une deuxième conduite 9 en contact thermique avec le condenseur 2 est disposé un circulateur fluidique de type pompe 1 en série sur la deuxième conduite 9.There is a schematic diagram of an Air/Water heat pump (PAC), in which the heat pump comprises in series on a first pipe 8: a compressor 5, a first bulge with tubing 3, a condenser 2, a second bulge 4, a regulator 6, and an evaporator 7. In addition, on a second pipe 9 in thermal contact with the condenser 2, a pump-type fluid circulator 1 is arranged in series on the second pipe 9.
La représente le schéma de principe d’un climatiseur (CLIM) Air/Air, dans lequel le climatiseur comprend en série sur une première conduite 8 : un compresseur 5, un premier renflement à tubulures 3, un condenseur 2, un deuxième renflement 4, un détendeur 6, un évaporateur 7. De plus sur une deuxième conduite 9 en contact thermique avec l’évaporateur 7 est disposé un circulateur fluidique de type ventilateur 10, en série sur la deuxième conduite 9. There represents the principle diagram of an Air/Air air conditioner (CLIM), in which the air conditioner comprises in series on a first pipe 8: a compressor 5, a first bulge with tubes 3, a condenser 2, a second bulge 4, a expander 6, an evaporator 7. In addition, on a second pipe 9 in thermal contact with the evaporator 7, a fan-type fluid circulator 10 is arranged, in series on the second pipe 9.
Le condenseur et l’évaporateur sont communément désignés ensemble et dans toute la demande par les "échangeurs thermiques" de la machine (PAC ou CLIM).The condenser and the evaporator are commonly referred to together and throughout the application as the "heat exchangers" of the machine (PAC or CLIM).
Dans un premier mode de réalisation, en référence à la , l’invention est mise en œuvre dans une pompe à chaleur, ou PAC, Air/Eau qui puise l’énergie d’une source froide (i.e. l'air extérieur) pour l’amener à un puits chaud (i.e. l'eau). Son usage utile est l’exploitation de l’énergie délivrée au niveau du puits chaud. In a first embodiment, with reference to the , the invention is implemented in an air/water heat pump, or heat pump, which draws energy from a cold source (ie outside air) to bring it to a hot well (ie water ). Its useful use is the exploitation of the energy delivered at the hot well.
Une telle machine à compression de vapeur est constituée de façon connue de la première conduite 8 sur laquelle se trouvent le compresseur 5, le premier renflement à tubulures 3, le condenseur 2, le deuxième renflement 4, le détendeur 6 et l'évaporateur 7. Such a vapor compression machine is constituted in a known manner by the first pipe 8 on which the compressor 5, the first bulge with tubes 3, the condenser 2, the second bulge 4, the expander 6 and the evaporator 7 are located.
Dans la deuxième conduite 9 en contact thermique avec la machine au niveau d’un de ses échangeurs thermiques, ici le condenseur 2, on dispose un circuit fluidique comprenant un circulateur fluidique, ici une pompe 1, configurée pour mettre en circulation un fluide caloporteur, ici de l’eau, dans la deuxième conduite 9.In the second pipe 9 in thermal contact with the machine at the level of one of its heat exchangers, here the condenser 2, there is a fluid circuit comprising a fluid circulator, here a pump 1, configured to circulate a heat transfer fluid, here water, in the second pipe 9.
Il est connu de dimensionner le circulateur fluidique en fonction d’une puissance thermique nominale, ici calorifique, de la pompe à chaleur, selon un calcul connu de l’art antérieur et détaillé ci-dessous.It is known to size the fluidic circulator according to a nominal thermal power, here calorific, of the heat pump, according to a calculation known from the prior art and detailed below.
La quantité nécessaire d’énergie pour l’usage est déterminée par la puissance calorifique de la PAC et le temps de fonctionnement selon la formule où :
: Energie délivrée au puit chaud (Eau)
: Puissance calorifique de la PAC
: Temps de fonctionnement
The amount of energy required for use is determined by the heat output of the heat pump and the operating time according to the formula Or :
: Energy delivered to the hot well (Water)
: Heating power of the heat pump
: Operating time
Pour répondre au besoin calorifique, tous les composants de la PAC (le compresseur, le détendeur, l’évaporateur et surtout le condenseur) sont dimensionnés pour assurer la puissance calorifique nécessaire.To meet the heat requirement, all the components of the heat pump (the compressor, the expander, the evaporator and especially the condenser) are sized to ensure the necessary heat output.
Selon les lois de la thermodynamique, et pour les fluides incompressibles comme l’eau, la puissance calorifique est exprimée par la formule avec :
: Puissance calorifique de la PAC
: Débit du fluide caloporteur
: Chaleur spécifique massique à pression constante du fluide caloporteur
: Différence de température du fluide caloporteur entre l’entrée et la sortie du condenseur de la PAC .According to the laws of thermodynamics, and for incompressible fluids like water, the heat output is expressed by the formula with :
: Heating power of the heat pump
: Flow rate of the heat transfer fluid
: Specific heat mass at constant pressure of the heat transfer fluid
: Difference in temperature of the heat transfer fluid between the inlet and outlet of the heat pump condenser .
Pour une machine donnée, dans tous les modes de réalisation de la présente invention, la puissance calorifique est constante pour des conditions opératoires données (températures du puits chaud et de la source froide). Et puisque la chaleur spécifique d’un fluide caloporteur incompressible est également constante, alors toute variation du débit massique va générer un changement de la différence de température d’une manière inversement proportionnelle afin de conserver la puissance calorifique constante. For a given machine, in all embodiments of the present invention, the heat output is constant for given operating conditions (temperatures of the hot well and the cold source). And since the specific heat of an incompressible heat transfer fluid is also constant, then any variation in mass flow will generate a change in the temperature difference in an inversely proportional manner in order to conserve the calorific power constant.
Le tableau 1.1 indique les valeurs théoriques calculées pour un exemple d’une PAC Air/Eau de puissance 12 kW (ou puissance nominale pour une température de l'air extérieur de 7°C, degrés Celsius, une température de l’eau à l’entrée du condenseur de 30°C et une température de l’eau à la sortie du condenseur de 35°C), pour trois débits d'eau différents.
Tableau 1.1 – Exemple théorique pour la PAC Air/Eau
Table 1.1 indicates the theoretical values calculated for an example of an Air/Water heat pump with a power of 12 kW (or nominal power for an outside air temperature of 7°C, degrees Celsius, a water temperature at condenser inlet of 30°C and a water temperature at the condenser outlet of 35°C), for three different water flow rates.
Table 1.1 – Theoretical example for the Air/Water heat pump
Tableau 1.1 – Exemple théorique pour la PAC Air/Eau
Cas | Puissance calorifique (kW) | Débit d’eau (kg/s) | |
1 | 12 | 0,5 | 5,74 |
2 | 12 | 0,57 | 5 |
3 | 12 | 1 | 2,87 |
4 | 12 | 1,5 | 1,91 |
Table 1.1 – Theoretical example for the Air/Water heat pump
Case | Heating power (kW) | Water flow (kg/s) | |
1 | 12 | 0.5 | 5.74 |
2 | 12 | 0.57 | 5 |
3 | 12 | 1 | 2.87 |
4 | 12 | 1.5 | 1.91 |
Dans cet exemple théorique, la différence de température diminue bien d’une manière inversement proportionnelle au débit.In this theoretical example, the temperature difference decreases in a manner inversely proportional to the flow rate.
Par ailleurs, on comprend que dans l'exemple d'une PAC Air/Eau de puissance nominale 12 kW et pour une variation de température du fluide caloporteur aux bornes du condenseur de 5 K (selon la norme EN 14511-2), le débit nominal d'eau est de 0,57 kg/s. Dans l'art antérieur, dans cet exemple, le circulateur fluidique serait dimensionné pour obtenir un tel débit nominal.Furthermore, we understand that in the example of an Air/Water heat pump with a nominal power of 12 kW and for a temperature variation of the heat transfer fluid at the condenser terminals of 5 K (according to standard EN 14511-2), the flow rate nominal water flow is 0.57 kg/s. In the prior art, in this example, the fluidic circulator would be sized to obtain such a nominal flow rate.
Pour tous les résultats expérimentaux des tableaux 1.2 et 1.3, les conditions opératoires sont identiques : la température de l'air extérieur est de 7°C et la température de l’eau à la sortie du condenseur est de 35°C.For all the experimental results in tables 1.2 and 1.3, the operating conditions are identical: the outside air temperature is 7°C and the water temperature at the condenser outlet is 35°C.
Le tableau 1.2 montre les résultats de tests réels effectués avec une PAC Air/Eau sans renflements, dimensionnée à 12 kW de puissance nominale et fonctionnant avec un fluide frigorigène de type R454C (composition massique : 21,5%R32, 78,5%R1234yf), pour deux débits d'eau différents.
Tableau 1.2 – Résultats des tests réels sur la PAC Air/Eau de 12 kW en puissance nominale
Table 1.2 shows the results of real tests carried out with an Air/Water heat pump without bulges, sized at 12 kW of nominal power and operating with a refrigerant of type R454C (mass composition: 21.5%R32, 78.5%R1234yf ), for two different water flow rates.
Table 1.2 – Results of real tests on the 12 kW Air/Water heat pump at nominal power
Tableau 1.2 – Résultats des tests réels sur la PAC Air/Eau de 12 kW en puissance nominale
Cas | Puissance calorifique (kW) | Débit d’eau (kg/s) | |
1 | 11,4 | 0,51 | 5,35 |
2 | 10,7 | 0,94 | 2,72 |
Table 1.2 – Results of real tests on the 12 kW Air/Water heat pump at nominal power
Case | Heating power (kW) | Water flow (kg/s) | |
1 | 11.4 | 0.51 | 5.35 |
2 | 10.7 | 0.94 | 2.72 |
On constate que la puissance calorifique mesurée ne croît pas lorsque le débit d'eau augmente. Il n’existe donc aucune incitation pour l’homme du métier à augmenter le débit de fluide caloporteur, ou fluide secondaire, dans un circulateur fluidique au-delà du débit nominal (i.e. au-delà de 0,57 kg/s) correspondant à la puissance nominale de 12kW.It can be seen that the measured heat output does not increase when the water flow increases. There is therefore no incentive for those skilled in the art to increase the flow rate of heat transfer fluid, or secondary fluid, in a fluid circulator beyond the nominal flow rate (i.e. beyond 0.57 kg/s) corresponding to the nominal power of 12kW.
En revanche, les inventeurs ont découvert que, pour une PAC selon l'invention fonctionnant avec des renflements et une pompe surdimensionnée, la puissance calorifique augmentait de façon inattendue en augmentant le débit circulé du fluide secondaire caloporteur, ici de l’eau. En effet, bien que la différence de température baisse lorsque le débit augmente, on observe que la différence de température ne baisse pas d’une manière inversement proportionnelle au débit : la diminution de température observée est plus faible que la diminution attendue.On the other hand, the inventors discovered that, for a heat pump according to the invention operating with bulges and an oversized pump, the heat output increased unexpectedly by increasing the circulated flow rate of the secondary heat transfer fluid, here water. Indeed, although the temperature difference decreases when the flow rate increases, we observe that the temperature difference does not decrease in a manner inversely proportional to the flow rate: the observed temperature decrease is smaller than the expected decrease.
Le tableau 1.3 montre les résultats de tests effectués sur la PAC Air/Eau selon l'invention, dimensionnée à une puissance nominale de 12 kW fonctionnant avec un fluide frigorigène de type R454C avec un circulateur surdimensionné et des renflements, pour quatre débits d'eau différents.
Tableau 1.3 – Résultats de tests réels sur la PAC Air/Eau avec renflements et circulateur surdimensionné.
Table 1.3 shows the results of tests carried out on the Air/Water heat pump according to the invention, sized at a nominal power of 12 kW operating with a refrigerant of type R454C with an oversized circulator and bulges, for four water flow rates different.
Table 1.3 – Real test results on the Air/Water heat pump with bulges and oversized circulator.
Tableau 1.3 – Résultats de tests réels sur la PAC Air/Eau avec renflements et circulateur surdimensionné.
Cas | Puissance calorifique (kW) | Débit d’eau (kg/s) | | Débit d’eau nominal (kg/s) |
1 | 11,24 | 0,56 | 4,83 | 0,57 |
2 | 11,7 | 0,69 | 4,06 | 0,57 |
3 | 13,33 | 1,18 | 2,65 | 0,57 |
4 | 14,03 | 1,37 | 2,36 | 0,57 |
Table 1.3 – Real test results on the Air/Water heat pump with bulges and oversized circulator.
Case | Heating power (kW) | Water flow (kg/s) | | Rated water flow (kg/s) |
1 | 11.24 | 0.56 | 4.83 | 0.57 |
2 | 11.7 | 0.69 | 4.06 | 0.57 |
3 | 13.33 | 1.18 | 2.65 | 0.57 |
4 | 14.03 | 1.37 | 2.36 | 0.57 |
On notera que, dans le tableau 1.3, les cas 2, 3 et 4 correspondent à un débit surdimensionné, nettement supérieur au débit nominal (0,57 kg/s), tandis que le cas 1 correspond à un débit assez proche du débit nominal.Note that, in table 1.3, cases 2, 3 and 4 correspond to an oversized flow rate, significantly higher than the nominal flow rate (0.57 kg/s), while case 1 corresponds to a flow rate quite close to the nominal flow rate. .
Ces résultats illustrent le fait que, de façon inattendue, pour les PAC avec renflements, on obtient une baisse non proportionnelle de la différence de température sur le fluide caloporteur pour une augmentation du débit et donc une augmentation de la puissance calorifique de la PAC. L'invention met à profit ce phénomène en surdimensionnant le circulateur fluidique de manière à obtenir un débit de fluide caloporteur nettement plus élevé que le débit nominal et, ainsi, une puissance calorifique plus élevée.These results illustrate the fact that, unexpectedly, for heat pumps with bulges, we obtain a non-proportional reduction in the temperature difference on the heat transfer fluid for an increase in flow rate and therefore an increase in the heat output of the heat pump. The invention takes advantage of this phenomenon by oversizing the fluidic circulator so as to obtain a flow rate of heat transfer fluid significantly higher than the nominal flow rate and, thus, a higher heat output.
Dans des variantes de ce premier mode de réalisation, la pompe à chaleur est une pompe à chaleur air/air, eau/air ou eau/eau.In variants of this first embodiment, the heat pump is an air/air, water/air or water/water heat pump.
Dans un deuxième mode de réalisation, en référence à la , l’invention est mise en œuvre dans un climatiseur (CLIM) Air/Air qui puise l’énergie d’une source froide (Air intérieur) pour l’amener à un puits chaud (Air extérieur). Son usage utile est l’exploitation de l’énergie prélevée au niveau de la source froide. In a second embodiment, with reference to the , the invention is implemented in an Air/Air air conditioner (CLIM) which draws energy from a cold source (Indoor air) to bring it to a hot well (Outdoor air). Its useful use is the exploitation of the energy taken from the cold source.
La configuration de la machine thermique est la même que dans le premier mode de réalisation. Cependant, dans ce deuxième mode de réalisation, la deuxième conduite 9 est en contact thermique avec l’autre échangeur thermique de la machine, ici l’évaporateur 7 et un circulateur fluidique, i.e. un ventilateur 10, adapté pour mettre en circulation un fluide frigoporteur, ou fluide secondaire, i.e. de l’air, dans la deuxième conduite 9 est utilisé.The configuration of the thermal machine is the same as in the first embodiment. However, in this second embodiment, the second pipe 9 is in thermal contact with the other heat exchanger of the machine, here the evaporator 7 and a fluid circulator, i.e. a fan 10, adapted to circulate a coolant. , or secondary fluid, i.e. air, in the second pipe 9 is used.
Il est connu de dimensionner le circulateur fluidique en fonction d’une puissance thermique nominale, ici frigorifique, du climatiseur, selon le calcul ci-dessous. It is known to size the fluidic circulator according to a nominal thermal power, here refrigeration, of the air conditioner, according to the calculation below.
La quantité nécessaire d’énergie pour l’usage est déterminée par la puissance frigorifique de la machine frigorifique et le temps de fonctionnement selon la formule où :
: Energie récupérée à la source froide (air)
: Puissance frigorifique de la CLIM
: Temps de fonctionnement
The required amount of energy for use is determined by the cooling capacity of the refrigerating machine and the operating time according to the formula Or :
: Energy recovered from the cold source (air)
: Cooling power of the CLIM
: Operating time
Pour répondre au besoin frigorifique, tous les composants de la machine frigorifique (le compresseur, le détendeur, le condenseur et l’évaporateur) sont dimensionnés pour assurer la puissance frigorifique nécessaire.To meet the refrigeration need, all the components of the refrigeration machine (the compressor, the expander, the condenser and the evaporator) are sized to ensure the necessary refrigeration power.
Selon les lois de la thermodynamique, et pour les fluides compressibles tel que l’air, la puissance frigorifique est exprimée par : , avec :
: Puissance frigorifique de la CLIM
: Débit du fluide frigoporteur
: Différence d’enthalpie du fluide frigoporteur entre l’entrée et la sortie de l’évaporateur pour une constante (kJ/kg).According to the laws of thermodynamics, and for compressible fluids such as air, the cooling capacity is expressed by: , with :
: Cooling power of the CLIM
: Coolant flow rate
: Difference in enthalpy of the coolant between the inlet and outlet of the evaporator for a constant (kJ/kg).
Pour une machine donnée, dans tous les modes de réalisation de la présente invention, la puissance frigorifique est constante pour des conditions opératoires données (températures du puits chaud et de la source froide). De ce fait, la variation du débit massique va générer un changement de la différence d’enthalpie d’une manière inversement proportionnelle afin de conserver constante la puissance frigorifique .For a given machine, in all embodiments of the present invention, the cooling power is constant for given operating conditions (temperatures of the hot well and the cold source). As a result, the variation in mass flow will generate a change in the enthalpy difference in an inversely proportional manner in order to keep the cooling capacity constant .
Le tableau 2.1 indique les valeurs théoriques calculées pour un exemple d’un climatiseur (CLIM) Air/Air de puissance nominale 6,9 kW (ou puissance nominale pour une température de l'air extérieur de 35°C, degrés Celsius, et une température de l’air à l’entrée de l’évaporateur de 27°C), pour cinq débits d'air différents.
Tableau 2.1 – Exemple théorique pour la CLIM Air/Air
Table 2.1 indicates the theoretical values calculated for an example of an Air/Air air conditioner (CLIM) with a nominal power of 6.9 kW (or nominal power for an outside air temperature of 35°C, degrees Celsius, and a air temperature at the evaporator inlet of 27°C), for five different air flow rates.
Table 2.1 – Theoretical example for Air/Air CLIM
Tableau 2.1 – Exemple théorique pour la CLIM Air/Air
Cas | Puissance frigorifique (kW) | Débit d’air (kg/s) | |
1 | 6,9 | 0,4 | 17,25 |
2 | 6,9 | 0,5 | 13,8 |
3 | 6,9 | 0,6 | 11,5 |
4 | 6,9 | 0,8 | 8,63 |
5 | 6,9 | 1,0 | 6,9 |
Table 2.1 – Theoretical example for Air/Air CLIM
Case | Cooling power (kW) | Air flow (kg/s) | |
1 | 6.9 | 0.4 | 17.25 |
2 | 6.9 | 0.5 | 13.8 |
3 | 6.9 | 0.6 | 11.5 |
4 | 6.9 | 0.8 | 8.63 |
5 | 6.9 | 1.0 | 6.9 |
Dans cet exemple théorique, la différence d’enthalpie diminue bien d’une manière inversement proportionnelle au débit.In this theoretical example, the enthalpy difference decreases in a manner inversely proportional to the flow rate.
Le débit nominal de fluide secondaire est défini par le constructeur en fonction de l’application dans laquelle la machine à compression de vapeur est utilisée. Typiquement, pour une application de climatisation résidentielle, le débit nominal doit assurer une différence de température aux bornes de l’évaporateur de 10 à 15 K, Kelvin. Typiquement, pour une application de réfrigération commerciale, le débit nominal doit assurer une différence de température aux bornes de l’évaporateur de 5 à 10 K.The nominal secondary fluid flow rate is defined by the manufacturer based on the application in which the vapor compression machine is used. Typically, for a residential air conditioning application, the nominal flow rate must ensure a temperature difference across the evaporator of 10 to 15 K, Kelvin. Typically, for a commercial refrigeration application, the nominal flow rate must ensure a temperature difference across the evaporator of 5 to 10 K.
Le climatiseur utilisé pour cet exemple est un climatiseur de type résidentiel. La différence de température de 10 à 15 K correspond à une différence d’enthalpie d’environ 10 à 15 kJ/kg (cp ~ 1,005 , arrondi à 1 ) et donc à un débit nominal de 0,46 à 0,69 kg/s. La fiche technique du climatiseur Air/Air utilisé pour cet exemple indique un débit nominal de 0,5 kg/s. The air conditioner used for this example is a residential type air conditioner. The temperature difference of 10 to 15 K corresponds to an enthalpy difference of approximately 10 to 15 kJ/kg (cp ~ 1.005 , rounded to 1 ) and therefore at a nominal flow rate of 0.46 to 0.69 kg/s. The technical sheet of the Air/Air conditioner used for this example indicates a nominal flow rate of 0.5 kg/s.
Pour tous les résultats expérimentaux des tableaux 2.2 et 2.3, les conditions opératoires sont identiques : la température de l'air extérieur est de 35° et la température de l’air à l’entrée de l’évaporateur de 27°C.For all the experimental results in tables 2.2 and 2.3, the operating conditions are identical: the outside air temperature is 35° and the air temperature at the evaporator inlet is 27°C.
Le tableau 2.2 montre les résultats de tests réels effectués avec la CLIM Air/Air précitée, sans renflement, dimensionnée à 6,9 kW de puissance nominale et fonctionnant avec un fluide frigorigène de type R410A (composition massique : 50%R32, 50%R125), pour deux débits d'air différents.
Tableau 2.2 – Résultats des tests réels sur la CLIM Air/Air de 6,9 kW de puissance nominale
Table 2.2 shows the results of real tests carried out with the aforementioned Air/Air CLIM, without bulge, sized at 6.9 kW of nominal power and operating with a refrigerant of type R410A (mass composition: 50%R32, 50%R125 ), for two different air flow rates.
Table 2.2 – Results of real tests on the Air/Air air conditioning with 6.9 kW nominal power
Tableau 2.2 – Résultats des tests réels sur la CLIM Air/Air de 6,9 kW de puissance nominale
Cas | Puissance frigorifique (kW) | Débit d’air (kg/s) | |
1 | 6,93 | 0,41 | 16,81 |
2 | 6,82 | 0,51 | 13,32 |
Table 2.2 – Results of real tests on the Air/Air air conditioning with 6.9 kW nominal power
Case | Cooling power (kW) | Air flow (kg/s) | |
1 | 6.93 | 0.41 | 16.81 |
2 | 6.82 | 0.51 | 13.32 |
On constate que, en accord avec la théorie, la puissance frigorifique mesurée est constante dans la limite des tolérances expérimentales. Il n’existe donc aucune incitation pour l’homme du métier à augmenter le débit de fluide frigoporteur, ou fluide secondaire, dans un circulateur fluidique au-delà du débit nominal (ici, 0,5 kg/s selon la fiche technique du climatiseur Air/Air utilisé) correspondant à la puissance nominale de 6.9 kW.It can be seen that, in agreement with theory, the measured cooling power is constant within the limit of experimental tolerances. There is therefore no incentive for those skilled in the art to increase the flow rate of coolant, or secondary fluid, in a fluid circulator beyond the nominal flow rate (here, 0.5 kg/s according to the air conditioner technical sheet Air/Air used) corresponding to the nominal power of 6.9 kW.
En revanche, les inventeurs ont découvert que, pour un climatiseur selon l'invention fonctionnant avec des renflements et un ventilateur surdimensionné, la puissance frigorifique augmentait de façon inattendue en augmentant le débit circulé du fluide frigoporteur, ici de l’air. En effet, bien que la différence d’enthalpie baisse lorsque le débit augmente, on observe que la différence d’enthalpie ne baisse pas d’une manière inversement proportionnelle au débit : la diminution d’enthalpie observée est plus faible que la diminution attendue.On the other hand, the inventors discovered that, for an air conditioner according to the invention operating with bulges and an oversized fan, the cooling power increased unexpectedly by increasing the flow rate of the coolant, here air. Indeed, although the enthalpy difference decreases when the flow rate increases, we observe that the enthalpy difference does not decrease in a manner inversely proportional to the flow rate: the observed enthalpy decrease is smaller than the expected decrease.
Le tableau 2.3 montre les résultats de la CLIM Air/Air selon l'invention, dimensionnée à une puissance nominale de 6,9 kW fonctionnant avec un fluide frigorigène de type R410A avec un circulateur surdimensionné et des renflements, pour quatre débits d'air différents.
Tableau 2.3 – Résultats de tests réels pour la CLIM Air/Air avec renflements et ventilateur surdimensionné
Table 2.3 shows the results of the Air/Air CLIM according to the invention, sized at a nominal power of 6.9 kW operating with a refrigerant of type R410A with an oversized circulator and bulges, for four different air flow rates .
Table 2.3 – Actual test results for Air/Air A/C with bulges and oversized fan
Tableau 2.3 – Résultats de tests réels pour la CLIM Air/Air avec renflements et ventilateur surdimensionné
Cas | Puissance frigorifique (kW) | Débit d’air (kg/s) | | Débit d’air nominal (kg/s) |
1 | 7,47 | 0,51 | 14,4 | 0,5 |
2 | 8,2 | 0,61 | 13,47 | 0,5 |
3 | 9,4 | 0,84 | 11,18 | 0,5 |
4 | 10,4 | 0,99 | 10,47 | 0,5 |
Table 2.3 – Actual test results for Air/Air A/C with bulges and oversized fan
Case | Cooling power (kW) | Air flow (kg/s) | | Rated air flow (kg/s) |
1 | 7.47 | 0.51 | 14.4 | 0.5 |
2 | 8.2 | 0.61 | 13.47 | 0.5 |
3 | 9.4 | 0.84 | 11.18 | 0.5 |
4 | 10.4 | 0.99 | 10.47 | 0.5 |
On notera que, dans le tableau 2.3, les cas 2, 3 et 4 correspondent à un débit surdimensionné, nettement supérieur au débit nominal (0,5 kg/s), tandis que le cas 1 correspond à un débit assez proche du débit nominal. Note that, in table 2.3, cases 2, 3 and 4 correspond to an oversized flow rate, significantly higher than the nominal flow rate (0.5 kg/s), while case 1 corresponds to a flow rate quite close to the nominal flow rate. .
En analysant les résultats de la machine frigorifique avec l’invention, on observe une baisse étonnamment non proportionnelle de la différence d’enthalpie ΔH sur le fluide frigoporteur pour une augmentation de débit et donc une augmentation de la puissance frigorifique. L'invention met à profit ce phénomène en surdimensionnant le circulateur fluidique de manière à obtenir un débit de fluide frigoporteur nettement plus élevé que le débit nominal et, ainsi, une puissance frigorifique plus élevée.By analyzing the results of the refrigerating machine with the invention, we observe a surprisingly non-proportional drop in the enthalpy difference ΔH on the refrigerating fluid for an increase in flow rate and therefore an increase in refrigerating power. The invention takes advantage of this phenomenon by oversizing the fluid circulator so as to obtain a flow rate of coolant fluid significantly higher than the nominal flow rate and, thus, a higher cooling capacity.
Dans des variantes de ce deuxième mode de réalisation, le climatiseur est une machine frigorifique air/eau, eau/air ou eau/eau.In variants of this second embodiment, the air conditioner is an air/water, water/air or water/water refrigeration machine.
L’invention est susceptible d’application industrielle dans le domaine des machines thermodynamiques.The invention is capable of industrial application in the field of thermodynamic machines.
Dans toute la présente demande, le terme " surdimensionné " pour une circulation ou un circulateur fluidique, sera entendu relativement à un dimensionnement d’une circulation ou d’un circulateur fluidique pour une machine thermodynamique à compression de vapeur sans renflements ayant une certaine puissance nominale. Typiquement, la puissance nominale est signalée par le constructeur de la machine.Throughout the present application, the term "oversized" for a circulation or a fluidic circulator, will be understood in relation to a dimensioning of a circulation or a fluidic circulator for a thermodynamic vapor compression machine without bulges having a certain nominal power . Typically, the power rating is reported by the machine manufacturer.
L’enseignement de la présente demande s’étend aussi de façon équivalente à une machine à compression de vapeur dont le compresseur serait sous-dimensionné par rapport à ses échangeurs et au circulateur fluidique ou circulateur du fluide secondaire (auquel cas le circulateur serait surdimensionné par rapport à la machine thermodynamique à compression de vapeur) et qui contiendrait les renflements décrits précédemment.The teaching of the present application also extends equivalently to a vapor compression machine whose compressor would be undersized in relation to its exchangers and to the fluidic circulator or circulator of the secondary fluid (in which case the circulator would be oversized by compared to the thermodynamic vapor compression machine) and which would contain the bulges described previously.
Ainsi, selon l’invention, il est possible de sous-dimensionner le compresseur d’une machine thermodynamique à compression de vapeur par rapport aux échangeurs et au circulateur fluidique d’une circulation de fluide pour ladite machine thermodynamique, ou de surdimensionner le circulateur fluidique d’une circulation de fluide pour ladite machine thermodynamique par rapport au compresseur et aux échangeurs, en présence de renflements. Par exemple :
- en partant d’une machine de puissance nominale connue (généralement signalée par le constructeur de la machine), le circulateur fluidique devra être surdimensionné pour fonctionner à un débit de fluide supérieur au débit nominal. Ceci permettra, après introduction des renflements, de fonctionner avec un débit surdimensionné et d'obtenir une puissance thermique supérieure à la puissance nominale,
- en partant originellement d’une machine de puissance thermique nominale donnée, à circulateur fluidique inchangé, le compresseur sera sous-dimensionné pour diminuer la puissance thermique nominale de la machine. Le débit de fluide imposé par le circulateur fluidique inchangé sera alors supérieur au débit nominal calculé avec le compresseur sous-dimensionné. Ceci permettra, après introduction des renflements, de recouvrer la puissance thermique nominale d’origine avec le circulateur fluidique d’origine mais avec un compresseur moins puissant et typiquement moins coûteux. Thus, according to the invention, it is possible to undersize the compressor of a thermodynamic vapor compression machine in relation to the exchangers and to the fluid circulator of a fluid circulation for said thermodynamic machine, or to oversize the fluid circulator of fluid circulation for said thermodynamic machine relative to the compressor and the exchangers, in the presence of bulges. For example :
- starting from a machine with a known nominal power (generally indicated by the machine manufacturer), the fluid circulator must be oversized to operate at a fluid flow rate greater than the nominal flow rate. This will allow, after introduction of the bulges, to operate with an oversized flow rate and to obtain a thermal power greater than the nominal power,
- starting originally from a machine with a given nominal thermal power, with an unchanged fluidic circulator, the compressor will be undersized to reduce the nominal thermal power of the machine. The fluid flow rate imposed by the unchanged fluidic circulator will then be greater than the nominal flow rate calculated with the undersized compressor. This will allow, after introduction of the bulges, to recover the original nominal thermal power with the original fluidic circulator but with a less powerful and typically less expensive compressor.
- en partant d’une machine de puissance nominale connue (généralement signalée par le constructeur de la machine), le circulateur fluidique devra être surdimensionné pour fonctionner à un débit de fluide supérieur au débit nominal. Ceci permettra, après introduction des renflements, de fonctionner avec un débit surdimensionné et d'obtenir une puissance thermique supérieure à la puissance nominale,
- en partant originellement d’une machine de puissance thermique nominale donnée, à circulateur fluidique inchangé, le compresseur sera sous-dimensionné pour diminuer la puissance thermique nominale de la machine. Le débit de fluide imposé par le circulateur fluidique inchangé sera alors supérieur au débit nominal calculé avec le compresseur sous-dimensionné. Ceci permettra, après introduction des renflements, de recouvrer la puissance thermique nominale d’origine avec le circulateur fluidique d’origine mais avec un compresseur moins puissant et typiquement moins coûteux. Thus, according to the invention, it is possible to undersize the compressor of a thermodynamic vapor compression machine in relation to the exchangers and to the fluid circulator of a fluid circulation for said thermodynamic machine, or to oversize the fluid circulator of fluid circulation for said thermodynamic machine relative to the compressor and the exchangers, in the presence of bulges. For example :
- starting from a machine with a known nominal power (generally indicated by the machine manufacturer), the fluid circulator must be oversized to operate at a fluid flow rate greater than the nominal flow rate. This will allow, after introduction of the bulges, to operate with an oversized flow rate and to obtain a thermal power greater than the nominal power,
- starting originally from a machine with a given nominal thermal power, with an unchanged fluidic circulator, the compressor will be undersized to reduce the nominal thermal power of the machine. The fluid flow rate imposed by the unchanged fluidic circulator will then be greater than the nominal flow rate calculated with the undersized compressor. This will allow, after introduction of the bulges, to recover the original nominal thermal power with the original fluidic circulator but with a less powerful and typically less expensive compressor.
Dans la même idée, pour un dispositif comprenant une machine thermodynamique incluant un compresseur et des renflements et une autre machine thermodynamique incluant un circulateur fluidique, après avoir enlevé les renflements, on calcule un couple théorique compresseur et circulateur fluidique bien dimensionné puis on vérifie si, compte-tenu des spécifications du compresseur et du circulateur, ceux-ci sont surdimensionnés relativement l’un par rapport à l’autre vis-à-vis du dimensionnement relatif du couple théorique. Dans l'affirmative, la machine est conforme à l'invention.Along the same lines, for a device comprising a thermodynamic machine including a compressor and bulges and another thermodynamic machine including a fluidic circulator, after removing the bulges, we calculate a well-sized theoretical compressor and fluidic circulator couple then we check if, taking into account the specifications of the compressor and the circulator, these are relatively oversized relative to each other with respect to the relative sizing of the theoretical torque. If so, the machine conforms to the invention.
L’enseignement de la présente demande s’étend à d’autres fluides frigorigènes que ceux cités (R410A et R454C), notamment au R407C (composition massique : 50%R134a, 23%R32, 25%R125).The teaching of this application extends to other refrigerants than those cited (R410A and R454C), in particular to R407C (mass composition: 50%R134a, 23%R32, 25%R125).
Il est entendu au sens de la présente demande qu’un renflement, sauf indication contraire, peut comprendre un seul tube aussi bien que plusieurs tubes.It is understood for the purposes of this application that a bulge, unless otherwise indicated, may comprise a single tube as well as several tubes.
Claims (10)
- Dispositif comprenant une première machine thermodynamique à compression de vapeur d’un fluide frigorigène et une deuxième machine thermodynamique à circulation d’un fluide caloporteur,
dans lequel la première machine comprend un compresseur (5), un condenseur (2), un détendeur (6) et un évaporateur (7), définissant, ensemble et avec le fluide frigorigène, pour la première machine, une puissance thermique nominale,
dans lequel la deuxième machine comprend un circulateur fluidique (1,10) configuré pour débiter le fluide caloporteur dans la deuxième machine en contact thermique avec le fluide frigorigène,
dans lequel la puissance thermique nominale, échangée avec la deuxième machine, est définie par le produit d’un débit nominal par une variation d’enthalpie du fluide caloporteur prédéfinie,
dans lequel le circulateur fluidique (1,10) est dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal supérieur à cent vingt pour cent du débit nominal,
dans lequel la première machine comprend une première conduite, s’étendant en largeur selon une section intérieure et s’étendant en longueur entre le compresseur (5) et le détendeur (6) via le condenseur (2),
dans lequel la première conduite comprend un premier renflement de section (3) entre le compresseur (5) et le condenseur (2),
dans lequel la première conduite comprend un second renflement de section (4) entre le condenseur (2) et le détendeur (6),
dans lequel le premier renflement de section (3) comprend une première chambre d’entrée dans laquelle la section augmente, une première chambre de sortie dans laquelle la section diminue et des premiers tubes reliant fluidiquement la première chambre d’entrée à la première chambre de sortie, et
dans lequel le second renflement de section (4) comprend une seconde chambre d’entrée dans laquelle la section augmente, une seconde chambre de sortie dans laquelle la section diminue et au moins un second tube reliant fluidiquement la seconde chambre d’entrée à la seconde chambre de sortie.Device comprising a first thermodynamic machine for vapor compression of a refrigerant and a second thermodynamic machine for circulation of a heat transfer fluid,
in which the first machine comprises a compressor (5), a condenser (2), an expander (6) and an evaporator (7), defining, together and with the refrigerant, for the first machine, a nominal thermal power,
in which the second machine comprises a fluid circulator (1,10) configured to deliver the heat transfer fluid into the second machine in thermal contact with the refrigerant,
in which the nominal thermal power, exchanged with the second machine, is defined by the product of a nominal flow rate by a predefined variation in enthalpy of the heat transfer fluid,
in which the fluidic circulator (1.10) is dimensioned to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate,
in which the first machine comprises a first pipe, extending in width along an interior section and extending in length between the compressor (5) and the expander (6) via the condenser (2),
in which the first pipe comprises a first bulge of section (3) between the compressor (5) and the condenser (2),
in which the first pipe comprises a second bulge of section (4) between the condenser (2) and the expander (6),
in which the first section bulge (3) comprises a first inlet chamber in which the section increases, a first outlet chamber in which the section decreases and first tubes fluidly connecting the first inlet chamber to the first chamber of exit, and
in which the second section bulge (4) comprises a second inlet chamber in which the section increases, a second outlet chamber in which the section decreases and at least one second tube fluidly connecting the second inlet chamber to the second exit chamber. - Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le second renflement de section (4) comprend un seul second tube.Device according to claim 1 in which the second sectional bulge (4) comprises a single second tube.
- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le second renflement de section (4) comprend plusieurs seconds tubes.Device according to claim 1 in which the second sectional bulge (4) comprises several second tubes.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel dans lequel le circulateur fluidique (1,10) est dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal supérieur à cent cinquante pour cent du débit nominal. Device according to any one of claims 1 to 3 in which in which the fluidic circulator (1,10) is dimensioned to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater than one hundred and fifty percent of the nominal flow rate.
- Dispositif selon la revendication 4 dans lequel dans lequel le circulateur fluidique (1,10) est dimensionné pour pouvoir débiter le fluide caloporteur selon un débit maximal supérieur à deux cents pour cent du débit nominal. Device according to claim 4 in which in which the fluidic circulator (1.10) is dimensioned to be able to deliver the heat transfer fluid at a maximum flow rate greater than two hundred percent of the nominal flow rate.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le contact thermique est imposé dans le condenseur (2) et dans lequel le circulateur fluidique est une pompe (1).Device according to any one of claims 1 to 5 in which thermal contact is imposed in the condenser (2) and in which the fluid circulator is a pump (1).
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le contact thermique est imposé dans l’évaporateur (7) et dans lequel le circulateur fluidique est un ventilateur (10).Device according to any one of claims 1 to 5 in which thermal contact is imposed in the evaporator (7) and in which the fluid circulator is a fan (10).
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le contact thermique est imposé dans le condenseur (2) et dans lequel le circulateur fluidique est un ventilateur.Device according to any one of claims 1 to 5 in which thermal contact is imposed in the condenser (2) and in which the fluidic circulator is a fan.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le contact thermique est imposé dans l’évaporateur (7) et dans lequel le circulateur fluidique est une pompe.Device according to any one of claims 1 to 5 in which thermal contact is imposed in the evaporator (7) and in which the fluid circulator is a pump.
- Utilisation du dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle on fait fonctionner la première et la deuxième machine de manière à échanger une puissance thermique réelle entre la première et la deuxième machine, dans laquelle on débite le fluide caloporteur au moyen du circulateur fluidique selon un débit réel supérieur à cent vingt pour cent du débit nominal, dans laquelle la puissance thermique réelle échangée avec la deuxième machine est définie par le produit du débit réel par une variation d’enthalpie réelle du fluide caloporteur, et dans laquelle la puissance thermique réelle est supérieure à la puissance thermique nominale.Use of the device according to any one of claims 1 to 9, in which the first and the second machine are operated so as to exchange a real thermal power between the first and the second machine, in which the heat transfer fluid is delivered by means of the fluidic circulator according to a real flow rate greater than one hundred and twenty percent of the nominal flow rate, in which the real thermal power exchanged with the second machine is defined by the product of the real flow rate by a real enthalpy variation of the heat transfer fluid, and in which the actual thermal power is greater than the nominal thermal power.
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2024
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