CA1170067A - Procede de production de chaleur au moyen d'une pompe a chaleur utilisant un melange specifique de fluides comme agent de travail - Google Patents
Procede de production de chaleur au moyen d'une pompe a chaleur utilisant un melange specifique de fluides comme agent de travailInfo
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Abstract
La présente invention propose un procédé de chauffage d'un local au moyen d'une pompe à chaleur fonctionnant en prélevant de la chaleur à l'extérieur du local à chauffer sur un fluide dont la température est comprise entre 0 et 20.degree.C et en fournissant, au local à chauffer, de la chaleur à un niveau thermique plus élevé, ladite pompe à chaleur fonctionnant avec un mélange de fluides ne formant pas d'azéotrope, ledit mélange comprenant au moins deux constituants dont un constituant majoritaire dit constituant de base et au moins un second constituant, caractérisé en ce que l'on opère avec un second constituant dont la température critique est supérieure à la température critique du constituant de base, l'écart entre la température critique du constituant de base et la température critique du second constituant étant au moins de 20.degree.C et la concentration molaire du second constituant dans le mélange étant comprise entre 0,5 et 20%.
Description
L'utilisation de mélanges dans les pompes à chaleur de manière a améliorer les performances en vaporisant et en condensant le mélange suivant des profils de température paralleles a ceux des fluides exté-rieurs avec lesquels s'effectuent les échan~es de chaleur, ces échanges de chaleur étant opérës a contre-courant, a fait l'objet du brevet des Etats ~nis d'Am-rique N ~10~9186.
Les mélan~es utilisés ont été définis dans le brevet N 4089186 comme des mélanges d'au moins deux constituants utilisés ~ une composi-tion pour laquelle le mélange résultant n'est pas azéotropique.
Les applications qui ont été décrites dans le brevet N ~089186 concernent des cas pour lesquels la chaleur est récupérée sur un large intervalle de température. Pour cette raison, il a été décrit dans ]e brevet N 4089186 un schéma de fonctionnement préféré consistant a con-denser le mélancle circulant dans ia po~pe a chaleur en deux étages de manière à fournir la chaleur sur un intervalle de température plus res-treint que l'intervalle de température suivant lequel la chaleur est récupérée.
D'autre part, dans les cas d'application ainsi décrits, le mélange est condensé dans un intervalle de température situé au moins en partie au dessus de 40 C.
Dans le cas ou la chaleur est récupérée sur un large intervalle de température, si le mélange utilisé est un mélanse binaire, les propor-tions des deux constituants formant le mélange doivent être voi_ines.
Ainsi,dans les deux exemples cités dans le brevet ~ ~0891~,dans un cas le mélange est formé de ~0 ~ de chloro-difluorométhan2 (R-22) et de 60 ~ de trichloro -1,1,2 - trifluoro -1,2,2 éthane (X-113) et dans i'autre cas le r~-~lange est formé de 38 % de propane et de 62 ~ de pen-tane normal.
- De nombreuses pompes à chaleur utilisées en particulier en chauf-fage de locaux requierent des conditions de fonctionnement différentes.
En effet dans de nombreux cas, la chaleur est récupérée sur un inter-- vallA de température relativement étroit, pouvant être par exemple de S
a 15 C.
De telles pompes a c~.aleur fonctionnent souvent en récupérant de la chaleur sur un fluide, qui eeut être de l'eau ou de l'air, dont la température est relativement basse, par exemple comprise entre 0 et 20~C
et en fournissant c1e la chaleur d un fluide, qui peut être de l'eau ou de l'air, dont la temperature est écJalement relativement basse, ~ar , ,,, . . : ,, ~ i . .
~7( ~
exemple comprise entre 20.et 40C.
Dans le cas de telles pompes a chaleur, le fluide de travail généralement employé est soit le mono-chlorodifluorométhane ~R-22) soit le dichlorodifluorométhane (R-12); la température critique qui sera désignee dans la suite par la notation tc est de 96C pour le R-22 et de 112C pour le R-12.
De manière generale, une temperature d'ebul-lition et une tempera-ture critique plus.élevees sont favo-rables en ce qui concerne le coefficient de performance, mais conduisent à un debit à l'aspiration eleve ,donc a une capacite thermique reduite pour un compresseur donne.
Le choix du R-22 et du R-12 résuIte d'un compromis entre ces deux contraintes pour les temperatures d'utilisation courantes en chauffage de locaux, l'emploi du R-12 etant plus particulièrement destine a des niveaux de température relativement eleves, par exemple superieure à 50C.
De telles pompes à chaleur requièrent en general pour des raisons de securite l'utilisation de fluides halogenes du type Freon en evitant les produits inflam-mables tels que les hydrocarbures ou les produits toxiques tels que l'ammoniaque.
Il est avantageux, pour reduire les problemes d'adaptation et utiliser dans une large mesure le meme materiel que lorsque la pompe a chaleur fonctionne avec un corps pur, d'employer des melanges comprenant un constituant majoritaire, dit constituant de base, qui est celui qui est utilise lorsque la pompe a chaleur fonctionne avec un corps pur, par exemple le R-22 ou le R-12, et un second consti-tuant en proportion limitee, generalement inferieure à 20~, par exemple 0,5 a 20~ en poids du melange. Pour que la pro-portion dudit second constituant reste faible, il est necessaire que sa temperature cri.tique soit très differente de la temperature critique du constituant de base, l'ecart entre les temperatures critiques devant etre au moins égal ! 2 par exemple à 20C.
En particulier, la présente invention propose un procédé de chauffage d'un local au moyen d'une pompe à
chaleur à compression fonctionnant en prélevant de la chaleur à l'extérieur du local à chauffer sur un fluide dont la température est comprise entre 0 et 20C et en fournissant, au local à chauEfer, de la chaleur à un niveau thermique plus élevé, ladi-te pompe à chaleur fonc-tionnant avec un mélange de fluides ne formant pas d'azéo-trope, ledit mélange comprenant au moins deux constituants dont un consti-tuant majoritaire dit constituant de base et au moins un second constituant, caractérisé en ce que l'on opère avec un second constituant dont la température critique est supérieure a la température critique du constituant de base, l'écart entre la température critique du constituant de base et la température critique du second constituant étant au moins de 20C e-t la concen-tration molaire du second constituant dans le mélange étant comprise entre 0,5 et 20%.
Selon l'invention, le mélange utilisé peut être un mélange d'hydrocarbures halogénés.
Selon l'invention, le constituant de base peut être l'un des constituants suivants: monochloro-difluorométhane, dichlorodifluorométhane, bromotrifluoro-méthane, difluoroéthane, chloropentafluoroéthane, un mélange de 48,8% en poids de chlorodifluorométhane et 52,2% en poids de chloropentafluoroéthane et un mélange de 73,8% en poids de dichlorofluorométhane et de 26,2%
en poids de difluoroéthane et le second constituant peut être l'un des constituants suivants: trichlorofluoromethane, dichlorotétrafluoroéthane, dichlorohexafluoropropane, dichlorofluorométhane, octafluorocyclobutane, et un mélange de 55,L% en poids de monochloromonofluorométhane et de 44,9% en poids de dichlorotétrafluoroéthane.
_ . . - 2a. -......
7(~(3~i7 Selon l'in.vention le melange utilise peut comprendre au moins un troisième constituant dont la temperature cri-tique est inferieure à la temperature critique du constituant de base, l'ecart entre les tempera-tures critiques du troisième constituant et du constituant de base etant compris entre 20 et 100C; la concentration molaire du troisième constituant dans le melange peut être compris en-tre 5 et 20%. Dans ce cas, le melange utilise peut , par exemple, comprendre du monochlorodifluoromethane comme constituant de base, du trichlorofluoromethane comme second constituant et du chlorotrifluoromethane comme troisième constituant.
Selon l'invention, la chaleur peut etre prelevee sur le fluide exterieur en laissant la temperature de celui-ci evoluer sur un intervalle de temperature in-ferieur à 15C.
Selon l'invention, la temperature du me-lange à la sortie du condenseur peut etre comprise entre 0 et 100C.
L'echange de chaleur entre le melange de fluides et le fluide exterieur ou le fluide à chauffer peut etre effectue selon un mode d'echange à contre-courant.
Selon l'invention, la chaleur peut etre delivree à un fluide dont la temperature est comprise entre 20 et 40C.
Selon l'invention la chaleur peut etre prelevee sur le fluide exterieur en laissant la temperature de celui-ci evoluer sur un intervalle de temperature inferieur a 15C~
Le melange peut ëtre qualifie de dissymetrique~>, les constituants du melange etant en proportio~.tres différente.
Le second con.stituant du mélange dissymetri-que peut être soit un composant dont la temperature critique est plus basse que la température c~itique du constituant de base, soit, selon la présente invention, un constituant dont la température critique est plus élevée que la tempéra-ture critique du constituant de base.
On a découvert que dans le premier cas le gain resultant de l'utilisation d'un mélange est très inférieur au gain que l'on obtient dans i,~, .,i, ~
- 2c -.
~17~
le second cas, comme le montre l'exemple suivant :
- Exemple 1 On considère la pompe à chaleur eau-eau schématisée sur la figure ., - 1., Cette pompe à chaleur comprend un évaporateur B1 dans lequel le mé-lange est introduit par le conduit 1 et d'où il ressort entièrement va-porisé par le conduit 2, un compresseur K1 dans lequel le mélange vapeur est comprimé et d'où il ressort par le conduit 3 pour être envoyé dans le condenseur ~2f d'ou il ressort entièrement condensé par le conduit lo 4, puis est détendu dans la vanne de détente D1 et est recyclé à l'éva-porateur. L'évaporateux et le condenseur sont constitués pa~ des échan-geurg double-tube dans lesquels les fluides entre lesquels s'effectuent les échanges thermiques circulent à contre-courant.
Par le conduit 5 arrive un débit de 1 m3/h d'eau prélevé~ sur une nappe phréatique. Cette eau arrive à 12 ~C et ressort par le condui'c 6 à 4 C. L'eau qui est chauffée dans le condenseur arrive par le conduit 7 à 20 C et repart par le conduit 8. Son débit est egalement de 1 m /h.
- On fait fonctionner tout d'abord la pompe à chaleur en utilisant un m~-lange ormé de R-22 comme constituant de base et de trichlorofluoro-méthane (R-11) dont la température critique est de 1g8 C com~e second constituant. En faisant varier la concentration de R-11 exprim~e en %
molaire du mélange, on obtient les résultats suivants en ce aui concerne le coefficient de performance ~CP? défini comme le rapport de la puis-sance thermique fournie par la pompe à chaleur sur 1~ puissance élec-trique dépensée dans le moteur d'entrainement du compressenr, et le dé-- bit à l'aspiration du compresseur (Va) exprimé en m /h.
R-ll O _ 5 6 8 ~ _ COP 3,87 3,97 5,01 5,07 4,60 (m3/h) 9,09 9,16 9,46 9,74 10,68 On observe donc que la composition du mélange passe par un optimum pour une concentration de 6 ~ de R-11 correspondant à une économie d'énergie de 23 à 24 ~ par rappoxt au cas de base et celà sans modifi--cation des équipements et des surfaces d'éc~anae.
On utilise ensuite un m~lange formé de R-22 co~me constituant de base et de chlorotrifluorométhane (R-13) dont la température critique est de 29C comme second constituant. En faisant varier la concentration de R-13 exprimée en % molaire du melange, on obtient les resultats suivants en ce qui concerne le coefficient de performance (COP) e-t le debit à l'aspiration du compresseur (Va) exprime en m3/h.
-R~lm3ole 1 ___~ __ 4 ____~ __ 12 22 COP 3,87 3,95 4,00 4,04 4,02 ~ /bl 9,09 9,57 6,12 7,71 6,92 La composition du mélange passe par un optimum pour une concentration de 12 % de R-13 correspondant à un gain de consommation de 4 % par rapport au cas de base.
On constate sur cet exemple qu'un melange comportant comme constituant de base le R-22 (tc = 96 C) et comme second constituant le R-ll (tc = 198 C) dont la temperature critique - est superieure à la temperature critique du R-22 conduit à une économie d'énergie beaucoup plus importante qu'un melange compor-tant comme constituant de base le R-22 e-t comme second constituant le R-13 (tc = 29C) dont la temperature critique est inferieure à la temperature critique du R 22. L'ecart entre les temperatures critiques qui est au moins de 20 C ne doit pas e~re excessif et sera generalement inferieur à 150 C.
Des melanges utilisables selon l'invention peuvent être formes a partir d'un constituant de base qui est par exemple le chlorodifluorométhane (R~-22, tc = 96 C), le dichlorodifluoro-méthane (R-12, tc ~ 112 C), le bromotrifluoromethane (R-13 Bl, tc = 67 C), le chloropentafluoroéthane (R-115, tc - 80 C), 12 difluoroethane (R-152 a, tc = 113,5 C), ou encore un azeo-30 trope tel que le R-502 (tc = 82 C), azeotrope de R-22 et de R-115 (48,8/52,2 ~ en poids), le R-500 (tc = 105,5 C) azeotrope de R-12 1~7V~)~7 et R-152 a (73,8/26.2 ~ en poids) et d'un second constituant dont la temperature critique est superieure d'au moins 20C
à la temperature critique du constituant de base et qui est par exemple le trichlorofluorométhane (R-ll, tc = 198C), le dichlorotetraEluoroethane (R-114, tc = 146C), le dichlorohexa-fluoropropane ~R-216, tc = 180C?, le dichlorofluoromethane (R-21, tc = 178,5C), l'octafluorocyclobutane (c-318, tc - 115C) ou encore un azeotrope tel que le R-506 (tc = 142C), azeotrope de R-31 ~R-31 = monochloromonofluoromethane) et de R-114 (55,1/44,9 ~ en poids). r $F
~ ~7(~31~
Des exeLples spécifiques sont les suivants :
R 22 ;~ R-11 P~-22 ~ R-~19 R-115 ~ R-114 R 12 ~ R-11 ~-12 1 ~-216 R-502 t R-114 Co3me il est apparu dans 1'exemple, dans chaque cas d'application, la valeur optinale de la concentration molaire du second constituant dans le ~élan~e doit etre recherchee à l'intérieur de la fourchette 0,5 à 20 ~ et.ne doit pas etre fixée arbitrairement faute de bénéficier pleinement des avantages que procure l'invention.
Un mélange du type précèdent présente l'inconvénient de conduire pour un débit massique ou molaire donné, à un débit à l'aspiration gené-ralement un peu.plus élevé que dans le cas de base d'une po~.pe à chaleur fonctionr.ant avec un corps pux. Toutefois le taux de compression étan-t plus faible il sera généralement possible soit d'utiliser le même corn-presseur que dans le cas du corps pur, soit même un compresseur corres-pondant à un investissement plus faible. Par consequent la pompe à cha-leur fonctionnant avec un mélange du type précédent reste beaucoup p].us avantageuse que la pompe à chaleur fo~ctionnant avec un corps pur. Néan- :-moins on peut chercher ~ réduire la taille du compresseur et donc à ré~
duire le de~it voli~ique correspondant à rm débit massique donné
Il a été également découvert et c'est là un autre objet de la pré-;sente invention, qu'il est posslble de conserver les avantages d'un gain élevé sur le eoefficient de performance, tout en di.minuant le débii volu-mique à l'aspiration du compresseur pour un débit massique ou Molaire donné, en réa1isant un melange comprenant au moins trois const~tuants . dont un constituant de base, par exemple le R 12 ou le R-22, un second constituant dont la temperature critique est superieure d'au moins 20 C
a la tem?érature critique du constituant de base, par exemple le R-11, le R-113 ou le R-114 et un troisième consti~uant dont la température cxitique est inférieure à la température criti~ue du constituant de base, par exeL~le le monochloxotrifluorométhane (R-13).
L'exemple suivant permet de préciser la manière dont la sélection du ~élange peut etre opérée.
Exemple 2 On considere la meme pompe à chaleur ~e cel~e qui a été decrite k ~ .
- ; .
dans l'exemple 1 et qui est schematisee sur la figure 1. On opere avec les mêmes debits d'eau à l'evaporateur et au condenseur que ~ans l'exemple 1, l'eau qui cède de la chaleur à l'evaporateur arrivant à
12 C et repar-tant à ~ C et l'eau qui est chauffee dans le condenseur arrivant à 20 C.
On utilise un mélange forme de R--22 comme constituant de base, de R-11 coMme second constituant et de R-13 comrne troisième constituant.
On realise un melange contenant 10 % de R-13 et on fait varier la con-centration de R-11. On obtient les resultats suivants, en ce qui con-cerne le coefficient de perforMance (COP) et le debit à l'aspiration ~ucompresseur (Va) exprime en m th.
r~L0 :~ 2 ,L~
COP 4,03 ~,9S 4,12 4,10 ~,03 3,93 _ _ __ __ __ (m3/h) 7,91 7,65 9,lS 6,36 9,67 9,OS
On observe donc clue pour un melange. dont la composition est la sui-vante (en fractlons molaires) :
R-22 : 0,89 R~ 0,01 R-13 : 0,10 on r~alise un gain de 22 % par rapport au ~or.ctionnement avec le ~-22 utilise en corps pur.
Ce gain est donc proche de celui que l'on obtient dans le cas op-timal du premier exemple avec un me].ange de 94 % de R-22 et de 6 % de R-11. En outre, pour un même debit Molaire de melange, on realise un gain de 21 ~ sur le debit a l'aspiration avec le melange forme de 89 %
de R-22, de 1 ~ de R-11 et de 10 % de R-l3 par rapport au debit à l'as-piration obtenu avec un melange de 9~ % de R-22 et de 6 % de R-11.
L'exemple précèdent est donne a titre illustratir et des ~.elanges de composition et de nature differentes peuvent etre utilises. Pour - qu'un melange de trois constituants puisse convenir, il faut qu'il com-prenne un constituant de base dont la concentration est de preference égale a au moins 80 ~, en moles, tel ~ue le R-22 (tc = 96 C), le ~-12 (tc = 112 C), le R-13 B1 (t = 67 C), le R-115 (tc = 80 ~), le R-152a (t = 113,5 C) ou encore un azeotrope tel que le R-502 (t = 82 C) ou 3~
.
le R-500 ~t = 105,5 C), un second consti.tuant dont la température critiquc est supérieure d'au moins 20 C à la température critique du consti.t~lant de basc t:el quc ]e n-11 (t = t98 C), le R-11~ (t = 1~6C;), le R-21G (t - lB0 C), le 1~-21 (t - 17~,5 C), le C-31~ (t = 115 C
ou encore un a~éotropc tel que le R-506 (t = 1~2C) et un trolsi~me constituant dont la température critique est inférieure de préferellce d'au moins 20C à ~.a température critique du constitu~nt de base, tel que par exemple le chlorotrifluorométhane (~-13 t = 29 C) ou le tri-fluoromcthane (R-23 t = 25,9 C). Lorsque le constituant de base est le R-~2, le troisi~me constituant peut etre egaleLlent, par exemple, le bromotrifluoromé-thane (R-13 B1 t = 67 C) ou l'a~éotrope R-50~ t 66 C). La concentration molaire du troisièr~e constituant dans ~.e mé- .
lange est comprise entre 5 et 20 ~. Cette p~oportion ne doit pas etre trop faible pour tirer un avantage si.gr.ifica~if de l'introduction de ce troisième constituant e-t de ce fait l'écart entre les températures cri-tiques du constituant de base et du troisie~.e constit.uant sera de pre-ference inférieur à 100 C.
Les condi.tiol~s de fonctionnement sont choisies en génera]. de ma-nière à ce que la pression du mélange cans l'évaporateur soit supé-rieure à la pression atmosphérique et cue la pression du melange dansle condenseur n'atteigne pas des valeurs exc2ssi.ves, par exemple sup~-rieures à 30 bars.
La température du mélange à la sortie du condenseur est génerale-ment comprisc entre 0 et 100 C.
Les pornpes à ch~leur dans lesquel].es oa utilise les mélan~es qui ont étc définis précédemment peuvent etre d'un type quelconaue.
Le csmprcsse-lr peut etre par exerple ua compresseux c~ piston 11l-bri~ié ou à piston sec, un compresseur à vis ou un compresseur centri-fuge. Les échangeurs peuvent être par ~xernple des echangeurs double-tube, des échangeurs a tubes et calandre ou dcs échanyeurs à plaques.
La puissance thermique peut aller par cxemple de quelques Wattspour des pompes à chaleur utilisées en chauffage indi.viduel à plusieurs Megawatts pour des pompes à chaleur utilisées en chauffage collectif.
Le présent procédé, basé sur l'emploi de mélanges spécifiques, est particulièrement avantageux quand on prél~ve la chaleur en laissant évoluer la température du fluide extérieur sur un intervalle relativement étroit, de préférence inférieur à 15C, par exemple de 5 c~ 13~C (écart en-tre les températures d'entrée et de sortie du fluide extérieur).
..
7, . ~;
,
Les mélan~es utilisés ont été définis dans le brevet N 4089186 comme des mélanges d'au moins deux constituants utilisés ~ une composi-tion pour laquelle le mélange résultant n'est pas azéotropique.
Les applications qui ont été décrites dans le brevet N ~089186 concernent des cas pour lesquels la chaleur est récupérée sur un large intervalle de température. Pour cette raison, il a été décrit dans ]e brevet N 4089186 un schéma de fonctionnement préféré consistant a con-denser le mélancle circulant dans ia po~pe a chaleur en deux étages de manière à fournir la chaleur sur un intervalle de température plus res-treint que l'intervalle de température suivant lequel la chaleur est récupérée.
D'autre part, dans les cas d'application ainsi décrits, le mélange est condensé dans un intervalle de température situé au moins en partie au dessus de 40 C.
Dans le cas ou la chaleur est récupérée sur un large intervalle de température, si le mélange utilisé est un mélanse binaire, les propor-tions des deux constituants formant le mélange doivent être voi_ines.
Ainsi,dans les deux exemples cités dans le brevet ~ ~0891~,dans un cas le mélange est formé de ~0 ~ de chloro-difluorométhan2 (R-22) et de 60 ~ de trichloro -1,1,2 - trifluoro -1,2,2 éthane (X-113) et dans i'autre cas le r~-~lange est formé de 38 % de propane et de 62 ~ de pen-tane normal.
- De nombreuses pompes à chaleur utilisées en particulier en chauf-fage de locaux requierent des conditions de fonctionnement différentes.
En effet dans de nombreux cas, la chaleur est récupérée sur un inter-- vallA de température relativement étroit, pouvant être par exemple de S
a 15 C.
De telles pompes a c~.aleur fonctionnent souvent en récupérant de la chaleur sur un fluide, qui eeut être de l'eau ou de l'air, dont la température est relativement basse, par exemple comprise entre 0 et 20~C
et en fournissant c1e la chaleur d un fluide, qui peut être de l'eau ou de l'air, dont la temperature est écJalement relativement basse, ~ar , ,,, . . : ,, ~ i . .
~7( ~
exemple comprise entre 20.et 40C.
Dans le cas de telles pompes a chaleur, le fluide de travail généralement employé est soit le mono-chlorodifluorométhane ~R-22) soit le dichlorodifluorométhane (R-12); la température critique qui sera désignee dans la suite par la notation tc est de 96C pour le R-22 et de 112C pour le R-12.
De manière generale, une temperature d'ebul-lition et une tempera-ture critique plus.élevees sont favo-rables en ce qui concerne le coefficient de performance, mais conduisent à un debit à l'aspiration eleve ,donc a une capacite thermique reduite pour un compresseur donne.
Le choix du R-22 et du R-12 résuIte d'un compromis entre ces deux contraintes pour les temperatures d'utilisation courantes en chauffage de locaux, l'emploi du R-12 etant plus particulièrement destine a des niveaux de température relativement eleves, par exemple superieure à 50C.
De telles pompes à chaleur requièrent en general pour des raisons de securite l'utilisation de fluides halogenes du type Freon en evitant les produits inflam-mables tels que les hydrocarbures ou les produits toxiques tels que l'ammoniaque.
Il est avantageux, pour reduire les problemes d'adaptation et utiliser dans une large mesure le meme materiel que lorsque la pompe a chaleur fonctionne avec un corps pur, d'employer des melanges comprenant un constituant majoritaire, dit constituant de base, qui est celui qui est utilise lorsque la pompe a chaleur fonctionne avec un corps pur, par exemple le R-22 ou le R-12, et un second consti-tuant en proportion limitee, generalement inferieure à 20~, par exemple 0,5 a 20~ en poids du melange. Pour que la pro-portion dudit second constituant reste faible, il est necessaire que sa temperature cri.tique soit très differente de la temperature critique du constituant de base, l'ecart entre les temperatures critiques devant etre au moins égal ! 2 par exemple à 20C.
En particulier, la présente invention propose un procédé de chauffage d'un local au moyen d'une pompe à
chaleur à compression fonctionnant en prélevant de la chaleur à l'extérieur du local à chauffer sur un fluide dont la température est comprise entre 0 et 20C et en fournissant, au local à chauEfer, de la chaleur à un niveau thermique plus élevé, ladi-te pompe à chaleur fonc-tionnant avec un mélange de fluides ne formant pas d'azéo-trope, ledit mélange comprenant au moins deux constituants dont un consti-tuant majoritaire dit constituant de base et au moins un second constituant, caractérisé en ce que l'on opère avec un second constituant dont la température critique est supérieure a la température critique du constituant de base, l'écart entre la température critique du constituant de base et la température critique du second constituant étant au moins de 20C e-t la concen-tration molaire du second constituant dans le mélange étant comprise entre 0,5 et 20%.
Selon l'invention, le mélange utilisé peut être un mélange d'hydrocarbures halogénés.
Selon l'invention, le constituant de base peut être l'un des constituants suivants: monochloro-difluorométhane, dichlorodifluorométhane, bromotrifluoro-méthane, difluoroéthane, chloropentafluoroéthane, un mélange de 48,8% en poids de chlorodifluorométhane et 52,2% en poids de chloropentafluoroéthane et un mélange de 73,8% en poids de dichlorofluorométhane et de 26,2%
en poids de difluoroéthane et le second constituant peut être l'un des constituants suivants: trichlorofluoromethane, dichlorotétrafluoroéthane, dichlorohexafluoropropane, dichlorofluorométhane, octafluorocyclobutane, et un mélange de 55,L% en poids de monochloromonofluorométhane et de 44,9% en poids de dichlorotétrafluoroéthane.
_ . . - 2a. -......
7(~(3~i7 Selon l'in.vention le melange utilise peut comprendre au moins un troisième constituant dont la temperature cri-tique est inferieure à la temperature critique du constituant de base, l'ecart entre les tempera-tures critiques du troisième constituant et du constituant de base etant compris entre 20 et 100C; la concentration molaire du troisième constituant dans le melange peut être compris en-tre 5 et 20%. Dans ce cas, le melange utilise peut , par exemple, comprendre du monochlorodifluoromethane comme constituant de base, du trichlorofluoromethane comme second constituant et du chlorotrifluoromethane comme troisième constituant.
Selon l'invention, la chaleur peut etre prelevee sur le fluide exterieur en laissant la temperature de celui-ci evoluer sur un intervalle de temperature in-ferieur à 15C.
Selon l'invention, la temperature du me-lange à la sortie du condenseur peut etre comprise entre 0 et 100C.
L'echange de chaleur entre le melange de fluides et le fluide exterieur ou le fluide à chauffer peut etre effectue selon un mode d'echange à contre-courant.
Selon l'invention, la chaleur peut etre delivree à un fluide dont la temperature est comprise entre 20 et 40C.
Selon l'invention la chaleur peut etre prelevee sur le fluide exterieur en laissant la temperature de celui-ci evoluer sur un intervalle de temperature inferieur a 15C~
Le melange peut ëtre qualifie de dissymetrique~>, les constituants du melange etant en proportio~.tres différente.
Le second con.stituant du mélange dissymetri-que peut être soit un composant dont la temperature critique est plus basse que la température c~itique du constituant de base, soit, selon la présente invention, un constituant dont la température critique est plus élevée que la tempéra-ture critique du constituant de base.
On a découvert que dans le premier cas le gain resultant de l'utilisation d'un mélange est très inférieur au gain que l'on obtient dans i,~, .,i, ~
- 2c -.
~17~
le second cas, comme le montre l'exemple suivant :
- Exemple 1 On considère la pompe à chaleur eau-eau schématisée sur la figure ., - 1., Cette pompe à chaleur comprend un évaporateur B1 dans lequel le mé-lange est introduit par le conduit 1 et d'où il ressort entièrement va-porisé par le conduit 2, un compresseur K1 dans lequel le mélange vapeur est comprimé et d'où il ressort par le conduit 3 pour être envoyé dans le condenseur ~2f d'ou il ressort entièrement condensé par le conduit lo 4, puis est détendu dans la vanne de détente D1 et est recyclé à l'éva-porateur. L'évaporateux et le condenseur sont constitués pa~ des échan-geurg double-tube dans lesquels les fluides entre lesquels s'effectuent les échanges thermiques circulent à contre-courant.
Par le conduit 5 arrive un débit de 1 m3/h d'eau prélevé~ sur une nappe phréatique. Cette eau arrive à 12 ~C et ressort par le condui'c 6 à 4 C. L'eau qui est chauffée dans le condenseur arrive par le conduit 7 à 20 C et repart par le conduit 8. Son débit est egalement de 1 m /h.
- On fait fonctionner tout d'abord la pompe à chaleur en utilisant un m~-lange ormé de R-22 comme constituant de base et de trichlorofluoro-méthane (R-11) dont la température critique est de 1g8 C com~e second constituant. En faisant varier la concentration de R-11 exprim~e en %
molaire du mélange, on obtient les résultats suivants en ce aui concerne le coefficient de performance ~CP? défini comme le rapport de la puis-sance thermique fournie par la pompe à chaleur sur 1~ puissance élec-trique dépensée dans le moteur d'entrainement du compressenr, et le dé-- bit à l'aspiration du compresseur (Va) exprimé en m /h.
R-ll O _ 5 6 8 ~ _ COP 3,87 3,97 5,01 5,07 4,60 (m3/h) 9,09 9,16 9,46 9,74 10,68 On observe donc que la composition du mélange passe par un optimum pour une concentration de 6 ~ de R-11 correspondant à une économie d'énergie de 23 à 24 ~ par rappoxt au cas de base et celà sans modifi--cation des équipements et des surfaces d'éc~anae.
On utilise ensuite un m~lange formé de R-22 co~me constituant de base et de chlorotrifluorométhane (R-13) dont la température critique est de 29C comme second constituant. En faisant varier la concentration de R-13 exprimée en % molaire du melange, on obtient les resultats suivants en ce qui concerne le coefficient de performance (COP) e-t le debit à l'aspiration du compresseur (Va) exprime en m3/h.
-R~lm3ole 1 ___~ __ 4 ____~ __ 12 22 COP 3,87 3,95 4,00 4,04 4,02 ~ /bl 9,09 9,57 6,12 7,71 6,92 La composition du mélange passe par un optimum pour une concentration de 12 % de R-13 correspondant à un gain de consommation de 4 % par rapport au cas de base.
On constate sur cet exemple qu'un melange comportant comme constituant de base le R-22 (tc = 96 C) et comme second constituant le R-ll (tc = 198 C) dont la temperature critique - est superieure à la temperature critique du R-22 conduit à une économie d'énergie beaucoup plus importante qu'un melange compor-tant comme constituant de base le R-22 e-t comme second constituant le R-13 (tc = 29C) dont la temperature critique est inferieure à la temperature critique du R 22. L'ecart entre les temperatures critiques qui est au moins de 20 C ne doit pas e~re excessif et sera generalement inferieur à 150 C.
Des melanges utilisables selon l'invention peuvent être formes a partir d'un constituant de base qui est par exemple le chlorodifluorométhane (R~-22, tc = 96 C), le dichlorodifluoro-méthane (R-12, tc ~ 112 C), le bromotrifluoromethane (R-13 Bl, tc = 67 C), le chloropentafluoroéthane (R-115, tc - 80 C), 12 difluoroethane (R-152 a, tc = 113,5 C), ou encore un azeo-30 trope tel que le R-502 (tc = 82 C), azeotrope de R-22 et de R-115 (48,8/52,2 ~ en poids), le R-500 (tc = 105,5 C) azeotrope de R-12 1~7V~)~7 et R-152 a (73,8/26.2 ~ en poids) et d'un second constituant dont la temperature critique est superieure d'au moins 20C
à la temperature critique du constituant de base et qui est par exemple le trichlorofluorométhane (R-ll, tc = 198C), le dichlorotetraEluoroethane (R-114, tc = 146C), le dichlorohexa-fluoropropane ~R-216, tc = 180C?, le dichlorofluoromethane (R-21, tc = 178,5C), l'octafluorocyclobutane (c-318, tc - 115C) ou encore un azeotrope tel que le R-506 (tc = 142C), azeotrope de R-31 ~R-31 = monochloromonofluoromethane) et de R-114 (55,1/44,9 ~ en poids). r $F
~ ~7(~31~
Des exeLples spécifiques sont les suivants :
R 22 ;~ R-11 P~-22 ~ R-~19 R-115 ~ R-114 R 12 ~ R-11 ~-12 1 ~-216 R-502 t R-114 Co3me il est apparu dans 1'exemple, dans chaque cas d'application, la valeur optinale de la concentration molaire du second constituant dans le ~élan~e doit etre recherchee à l'intérieur de la fourchette 0,5 à 20 ~ et.ne doit pas etre fixée arbitrairement faute de bénéficier pleinement des avantages que procure l'invention.
Un mélange du type précèdent présente l'inconvénient de conduire pour un débit massique ou molaire donné, à un débit à l'aspiration gené-ralement un peu.plus élevé que dans le cas de base d'une po~.pe à chaleur fonctionr.ant avec un corps pux. Toutefois le taux de compression étan-t plus faible il sera généralement possible soit d'utiliser le même corn-presseur que dans le cas du corps pur, soit même un compresseur corres-pondant à un investissement plus faible. Par consequent la pompe à cha-leur fonctionnant avec un mélange du type précédent reste beaucoup p].us avantageuse que la pompe à chaleur fo~ctionnant avec un corps pur. Néan- :-moins on peut chercher ~ réduire la taille du compresseur et donc à ré~
duire le de~it voli~ique correspondant à rm débit massique donné
Il a été également découvert et c'est là un autre objet de la pré-;sente invention, qu'il est posslble de conserver les avantages d'un gain élevé sur le eoefficient de performance, tout en di.minuant le débii volu-mique à l'aspiration du compresseur pour un débit massique ou Molaire donné, en réa1isant un melange comprenant au moins trois const~tuants . dont un constituant de base, par exemple le R 12 ou le R-22, un second constituant dont la temperature critique est superieure d'au moins 20 C
a la tem?érature critique du constituant de base, par exemple le R-11, le R-113 ou le R-114 et un troisième consti~uant dont la température cxitique est inférieure à la température criti~ue du constituant de base, par exeL~le le monochloxotrifluorométhane (R-13).
L'exemple suivant permet de préciser la manière dont la sélection du ~élange peut etre opérée.
Exemple 2 On considere la meme pompe à chaleur ~e cel~e qui a été decrite k ~ .
- ; .
dans l'exemple 1 et qui est schematisee sur la figure 1. On opere avec les mêmes debits d'eau à l'evaporateur et au condenseur que ~ans l'exemple 1, l'eau qui cède de la chaleur à l'evaporateur arrivant à
12 C et repar-tant à ~ C et l'eau qui est chauffee dans le condenseur arrivant à 20 C.
On utilise un mélange forme de R--22 comme constituant de base, de R-11 coMme second constituant et de R-13 comrne troisième constituant.
On realise un melange contenant 10 % de R-13 et on fait varier la con-centration de R-11. On obtient les resultats suivants, en ce qui con-cerne le coefficient de perforMance (COP) et le debit à l'aspiration ~ucompresseur (Va) exprime en m th.
r~L0 :~ 2 ,L~
COP 4,03 ~,9S 4,12 4,10 ~,03 3,93 _ _ __ __ __ (m3/h) 7,91 7,65 9,lS 6,36 9,67 9,OS
On observe donc clue pour un melange. dont la composition est la sui-vante (en fractlons molaires) :
R-22 : 0,89 R~ 0,01 R-13 : 0,10 on r~alise un gain de 22 % par rapport au ~or.ctionnement avec le ~-22 utilise en corps pur.
Ce gain est donc proche de celui que l'on obtient dans le cas op-timal du premier exemple avec un me].ange de 94 % de R-22 et de 6 % de R-11. En outre, pour un même debit Molaire de melange, on realise un gain de 21 ~ sur le debit a l'aspiration avec le melange forme de 89 %
de R-22, de 1 ~ de R-11 et de 10 % de R-l3 par rapport au debit à l'as-piration obtenu avec un melange de 9~ % de R-22 et de 6 % de R-11.
L'exemple précèdent est donne a titre illustratir et des ~.elanges de composition et de nature differentes peuvent etre utilises. Pour - qu'un melange de trois constituants puisse convenir, il faut qu'il com-prenne un constituant de base dont la concentration est de preference égale a au moins 80 ~, en moles, tel ~ue le R-22 (tc = 96 C), le ~-12 (tc = 112 C), le R-13 B1 (t = 67 C), le R-115 (tc = 80 ~), le R-152a (t = 113,5 C) ou encore un azeotrope tel que le R-502 (t = 82 C) ou 3~
.
le R-500 ~t = 105,5 C), un second consti.tuant dont la température critiquc est supérieure d'au moins 20 C à la température critique du consti.t~lant de basc t:el quc ]e n-11 (t = t98 C), le R-11~ (t = 1~6C;), le R-21G (t - lB0 C), le 1~-21 (t - 17~,5 C), le C-31~ (t = 115 C
ou encore un a~éotropc tel que le R-506 (t = 1~2C) et un trolsi~me constituant dont la température critique est inférieure de préferellce d'au moins 20C à ~.a température critique du constitu~nt de base, tel que par exemple le chlorotrifluorométhane (~-13 t = 29 C) ou le tri-fluoromcthane (R-23 t = 25,9 C). Lorsque le constituant de base est le R-~2, le troisi~me constituant peut etre egaleLlent, par exemple, le bromotrifluoromé-thane (R-13 B1 t = 67 C) ou l'a~éotrope R-50~ t 66 C). La concentration molaire du troisièr~e constituant dans ~.e mé- .
lange est comprise entre 5 et 20 ~. Cette p~oportion ne doit pas etre trop faible pour tirer un avantage si.gr.ifica~if de l'introduction de ce troisième constituant e-t de ce fait l'écart entre les températures cri-tiques du constituant de base et du troisie~.e constit.uant sera de pre-ference inférieur à 100 C.
Les condi.tiol~s de fonctionnement sont choisies en génera]. de ma-nière à ce que la pression du mélange cans l'évaporateur soit supé-rieure à la pression atmosphérique et cue la pression du melange dansle condenseur n'atteigne pas des valeurs exc2ssi.ves, par exemple sup~-rieures à 30 bars.
La température du mélange à la sortie du condenseur est génerale-ment comprisc entre 0 et 100 C.
Les pornpes à ch~leur dans lesquel].es oa utilise les mélan~es qui ont étc définis précédemment peuvent etre d'un type quelconaue.
Le csmprcsse-lr peut etre par exerple ua compresseux c~ piston 11l-bri~ié ou à piston sec, un compresseur à vis ou un compresseur centri-fuge. Les échangeurs peuvent être par ~xernple des echangeurs double-tube, des échangeurs a tubes et calandre ou dcs échanyeurs à plaques.
La puissance thermique peut aller par cxemple de quelques Wattspour des pompes à chaleur utilisées en chauffage indi.viduel à plusieurs Megawatts pour des pompes à chaleur utilisées en chauffage collectif.
Le présent procédé, basé sur l'emploi de mélanges spécifiques, est particulièrement avantageux quand on prél~ve la chaleur en laissant évoluer la température du fluide extérieur sur un intervalle relativement étroit, de préférence inférieur à 15C, par exemple de 5 c~ 13~C (écart en-tre les températures d'entrée et de sortie du fluide extérieur).
..
7, . ~;
,
Claims (21)
1. Procédé de chauffage d'un local au moyen d'une pompe à chaleur à compression fonctionnant en prélevant de la chaleur à
l'extérieur du local à chauffer sur un fluide dont la tempé-rature est comprise entre 0 et 20°C et en fournissant, au local à chauffer, de la chaleur à un niveau thermique plus élevé, ladite pompe à chaleur fonctionnant avec un mélange de fluides ne formant pas d'azéotrope, ledit mélange compre-nant au moins deux constituants dont un constituant majoritaire dit constituant de base et au moins un second constituant, caractérisé en ce que l'on opère avec un second constituant dont la température critique est supérieure à la température critique du constituant de base, l'écart entre la température critique du constituant de base et la température critique du second constituant étant au moins de 20°C et la concentration molaire du second constituant dans le mélange étant comprise entre 0,5 et 20%.
l'extérieur du local à chauffer sur un fluide dont la tempé-rature est comprise entre 0 et 20°C et en fournissant, au local à chauffer, de la chaleur à un niveau thermique plus élevé, ladite pompe à chaleur fonctionnant avec un mélange de fluides ne formant pas d'azéotrope, ledit mélange compre-nant au moins deux constituants dont un constituant majoritaire dit constituant de base et au moins un second constituant, caractérisé en ce que l'on opère avec un second constituant dont la température critique est supérieure à la température critique du constituant de base, l'écart entre la température critique du constituant de base et la température critique du second constituant étant au moins de 20°C et la concentration molaire du second constituant dans le mélange étant comprise entre 0,5 et 20%.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que le mélange utilisé est un mélange d'hydrocarbures halogénés.
en ce que le mélange utilisé est un mélange d'hydrocarbures halogénés.
3. Procédé selon la revendication 1, carac-térisé en ce que le constituant de base est l'un des consti-tuants suivants: monochlorodifluorométhane, dichlorodifluoro-méthane, bromotrifluorométhane, difluoroéthane, chloropenta-fluoroéthane, un mélange de 48,8% en poids de chlorodifluoro-méthane et 52,2% en poids de chloropentafluoroéthane et un mélange de 73,8% en poids de dichlorodifluorométhane et de 26,2% en poids de difluoroéthane et le second constituant est l'un des constituants suivants: trichlorofluorométhane, dichlorotétrafluoroéthane, dichlorohexafluoropropane, dichloro-fluorométhane, octafluorocyclobutane, et un mélange de 55,1%
en poids de monochloromonofluorométhane et 44,9% en poids de dichlorotétrafluoroéthane.
en poids de monochloromonofluorométhane et 44,9% en poids de dichlorotétrafluoroéthane.
4. Procédé selon la revendication 1, carac-térisé en ce que le mélange utilise comprend du monochlorodi-fluorométhane comme constituant de base et du trichlorofluoro-méthane comme second constituant.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange utilisé comprend au moins un troisième constituant dont la température critique est inférieure à la température critique du constituant de base, l'écart entre les température critiques du troisième constituant et du constituant de base étant compris entre 20 et 100°C.
6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé
en ce que le mélange utilisé comprend au moins un troisième constituant dont la température critique est inférieure à la température critique du constituant de base, l'écart entre les température critiques du troisième constituant et du constituant de base étant compris entre 20 et 100°C.
en ce que le mélange utilisé comprend au moins un troisième constituant dont la température critique est inférieure à la température critique du constituant de base, l'écart entre les température critiques du troisième constituant et du constituant de base étant compris entre 20 et 100°C.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé
en ce que le mélange utilisé comprend du monochlorodifluoro-méthane comme constituant de base, du trichlorofluorométhane comme second constituant et du chlorotrifluorométhane comme troisième constituant.
en ce que le mélange utilisé comprend du monochlorodifluoro-méthane comme constituant de base, du trichlorofluorométhane comme second constituant et du chlorotrifluorométhane comme troisième constituant.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange utilisé comprend au moins un troisième constituant dont la température critique est inférieure à la température critique du constituant de base, l'écart entre les température critiques du troisième consti-tuant et du constituant de base étant compris entre 20 et 100°C
et la concentration molaire du troisième constituant dans le mélange étant compris entre 5 et 20%.
et la concentration molaire du troisième constituant dans le mélange étant compris entre 5 et 20%.
9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé
en ce que le mélange utilisé comprend au moins un troisième constituant dont la température critique est inférieure à la température critique du constituant de base, l'écart entre les température critiques du troisième constituant et du consti-tuant de base étant compris entre 20 et 100°C et la concentration molaire du troisième constituant dans le mélange étant compris entre 5 et 20%.
en ce que le mélange utilisé comprend au moins un troisième constituant dont la température critique est inférieure à la température critique du constituant de base, l'écart entre les température critiques du troisième constituant et du consti-tuant de base étant compris entre 20 et 100°C et la concentration molaire du troisième constituant dans le mélange étant compris entre 5 et 20%.
10. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la concentration molaire du troisième constituant dans le mélange est comprise entre 5 et 20%.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la chaleur est prélevée sur le fluide extérieur en laissant la température celui-ci évoluer sur un intervalle de température inférieur à 15°C.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la température du mélange à la sortie du condenseur est comprise entre 0 et 100°C.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'échange de chaleur entre le mélange de fluides et le fluide extérieur est effectué selon un mode d'échange à contre-courant.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'échange de chaleur entre le mélange de fluides et le fluide à chauffer est effectué selon un mode d'échange à contre-courant.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la chaleur est délivrée à un fluide dont la température est comprise entre 20 et 40°C.
16. Procédé selon la revendication 10, caractérisé
en ce que la chaleur est prélevée sur le fluide extérieur en laissant la température de celui-ci évoluer sur un inter-valle de température inférieur à 15°C.
en ce que la chaleur est prélevée sur le fluide extérieur en laissant la température de celui-ci évoluer sur un inter-valle de température inférieur à 15°C.
17. Procédé selon la revendication 10, caractérisé
en ce que la température du mélange à la sortie du condenseur est comprise entre 0 et 100°C.
en ce que la température du mélange à la sortie du condenseur est comprise entre 0 et 100°C.
18. Procédé selon la revendication 10, caractérisé
en ce que l'échange de chaleur entre le mélange de fluides et le fluide extérieur est effectué selon un mode d'échange à contre-courant.
en ce que l'échange de chaleur entre le mélange de fluides et le fluide extérieur est effectué selon un mode d'échange à contre-courant.
19. Procédé selon la revendication 10, caractérisé
en ce que l'échange de chaleur entre le mélange de fluides et le fluide à chauffer est effectué selon un mode d'échange à contre-courant.
en ce que l'échange de chaleur entre le mélange de fluides et le fluide à chauffer est effectué selon un mode d'échange à contre-courant.
20. Procédé selon la revnedication 10, caractérisé
en ce que la chaleur est délivrée à un fluide dont la tempé-rature est comprise entre 20 et 40°C.
en ce que la chaleur est délivrée à un fluide dont la tempé-rature est comprise entre 20 et 40°C.
21. Pompe à chaleur fonctionnant selon le procédé
de l'une quelconque des revendications 1 à 3.
de l'une quelconque des revendications 1 à 3.
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