FR2561363A1

FR2561363A1 - Method for implementing a heat pump and/or a compression refrigeration machine comprising periodic defrosting by the inversion of the cycle

Info

Publication number: FR2561363A1
Application number: FR8403920A
Authority: FR
Inventors: Claude Ramet
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1984-03-14
Filing date: 1984-03-14
Publication date: 1985-09-20
Also published as: FR2561363B1

Abstract

The invention relates to a method for defrosting a heat pump and/or a refrigeration machine with compression using air as the cold source. The invention is characterised in that there is inserted, between the condensation zone and the evaporation zone, a thermal storage zone containing a heat-bearing agent such as, for example, water, which is heated during the direct cycle by virtue of the supercooling of the working fluid and which in the inverse cycle releases heat to the working fluid flowing overall in the opposite direction.

Description

La présente invention concerne un procéde amélioré de dégivrage, par inversion de cycle, des pompes à chaleur et/ou des machines frigorifiques à compression utilisant l'air comme source froide.The present invention relates to an improved defrosting process, by cycle inversion, of heat pumps and / or compression refrigeration machines using air as a cold source.

Un système de dégivrage intermittent est souvent necessaire pour les pompes à chaleur et machines frigorifiques prélevant des calories sur de l'air humide à basse -temperature. En effet, le refroidissement de l'air dans l'évaporateur entraÇne la condensation de l'eau qu'il contient, lorsque la température est inférieure au point de rosée, et la formation de givre, si la température des condensats devient inférieure à Od C Le givre ainsi formé, crée une résistance au transfert thermique qui altère rapidement les performances de l'installation ; en effet, la dégradation du transfert thermique et la réduction du débit d'air du à une perte de charge accrue conduisent à une baisse de la pression d'évaporation, ce qui provoque une diminution de la capacité thermique et du coefficient de performance (ou de l'efficacité frigorifique) de l'installation.An intermittent defrosting system is often necessary for heat pumps and refrigeration machines taking calories from humid air at low temperature. Indeed, the cooling of the air in the evaporator causes the condensation of the water it contains, when the temperature is below the dew point, and the formation of frost, if the temperature of the condensates becomes lower than Od C The frost thus formed creates resistance to heat transfer which rapidly deteriorates the performance of the installation; indeed, the degradation of the heat transfer and the reduction of the air flow due to an increased pressure drop lead to a drop in the evaporation pressure, which causes a decrease in the thermal capacity and the coefficient of performance (or of the cooling efficiency) of the installation.

Différents proceae sont utilisables pour éliminer le givre formé sur l'évaporateur circulation d'air chaud pulvérisation d'eau emploi de résistances électriques Qudégivrage par gaz chauds. Cette derniers méthode est généralement employée, couplée à l'inversion du cycle de fonctionnement. Dans ces conditions, une vanne quatre-voies commande l'inversion du cycle, pendant laquelle le fluide de travail se condense dans la batterie extérieure et s'évapore généralement en prelevant de la chaleur au condenseur. Les brevets US 4167622 et
US 4197716 décrivent la mise en oeuvre d'échangeurs auxiliaires au sein du circuit interne afin de faciliter le dégivrage, mais prévoient la réfrigération du milieu à chauffer pendant l'inversion de cycle.Le brevet US 3959986 décrit une pompe à chaleur dont le condenseur alimente un ballon d'eau chaude, qui est refroidie dans un évaporateur auxiliaire pendant le dégivrage. Selon le brevet
US 4246956, la source froide pour le dégivrage est un réservoir d'eau chaude, extérieur, intégré dans un système de récupération d'énergie solaire. Le principal inconvénient de ces procédés réside dans le fait que ,lors du dégivrage, on provoque un refroidissement du milieu à chauffer ou d'une source de chaleur externe à l'installation. L'objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient lors du dégivrage par inversion de cycle, en particulier dans les pompes à chaleur à compression. Le principe consiste à utiliser comme source froide, pendant le dégivrage un stockage thermique interne à l'installation et alimenté en cycle normal de fonctionnement.En cycle direct de fonctionnement, le réfrigérant est sous-refroidi dans un ballon de stockage thermique contenant un agent caloporteur ; pendant l'inversion de cycle, le réfrigérant est condensé dans la batterie extérieure givrée, puis est vaporisé dans le ballon de stockage, celui-ci est donc périodiquement réchauffé en fonctionnement direct et refroidi en cycle inverse de dégivrage. Le schéma simplifié d'une pompe a chaleur ou d'une machine frigorifigMel P nctionnant selon l'invention est représente par les figures lA pareîl mettant en oeuvre le procédé peut être réalisé en utilisant différents équipements pour chacun des composants.Different procedures can be used to remove the frost formed on the evaporator circulation of hot air spraying water use of electrical resistances Defrosting by hot gases. This latter method is generally used, coupled with the inversion of the operating cycle. Under these conditions, a four-way valve controls the reversal of the cycle, during which the working fluid condenses in the external battery and generally evaporates by taking heat from the condenser. US patents 4,167,622 and
US 4,197,716 describe the use of auxiliary exchangers within the internal circuit in order to facilitate defrosting, but provide for the refrigeration of the medium to be heated during the cycle reversal. US Pat. No. 3,959,986 describes a heat pump whose condenser supplies a hot water tank, which is cooled in an auxiliary evaporator during defrosting. According to the patent
US 4246956, the cold source for defrosting is an external hot water tank, integrated in a solar energy recovery system. The main drawback of these methods lies in the fact that, during defrosting, the medium to be heated or a heat source external to the installation is caused to cool. The object of the present invention is to remedy this drawback during defrosting by cycle inversion, in particular in compression heat pumps. The principle consists in using as a cold source, during defrosting thermal storage internal to the installation and supplied with normal operating cycle. In direct operating cycle, the refrigerant is sub-cooled in a thermal storage tank containing a heat transfer agent ; during the cycle reversal, the refrigerant is condensed in the frosted external coil, then is vaporized in the storage tank, which is therefore periodically reheated in direct operation and cooled in the reverse defrost cycle. The simplified diagram of a heat pump or a refrigerating machine according to the invention is represented by the figures lA similar implementing the method can be achieved by using different equipment for each of the components.

En cycle direct (mode de chauffage dans le cas d'une pompe å chaleur) le fluide de travail ou réfrigérant est vaporisé dans l'échangeur El (évaporateur). Les vapeurs sortant de l'échangeur El par le conduit 9 passent dans la vanne quatre voies V2, puis
arrivent dans un accumulateur ou une bouteille anti-coup de Liquide
AC3 par le tuyau 10, le fluide de travail est aspiré par le
compresseur K4 par le tuyau 11 et est refoulé sous pression par Te
tuyau 12, il traverse la vanne quatre voies V2 puis arrive par le
tuyau 13 dans l'échangeur C5 (condenseur) d'où il ressort, au moins
en partie à l'état liquide, par le tuyau 14 (après avoir chauffé un
fluide extérieur qui arrive par le conduit 28 et ressort par le
conduit 29) et pénètre dans un bac de réserve B6.Le fluide de
travail ressort du bac B6 par le tuyau 15 et passe dans le tube
d'échange 8, situé à l'intérieur du ballon de stockage thermique BT7
isolé de l'extérieur. Le fluide- de travail est sous-refroidi par
échange thermique avec un agent caloporteur (agent de stockage)
contenu dans le ballon BT7. A la sortie du ballon BT7 le fluide de
travail sous-refroidi passe par les tuyaux 16 et 17, puis par le
clapet de retenue ou clapet anti-retour 18 et le tuyau 19, dans un
organe de détente 20 et retourne par les tuyaux 21 et 27 dans
l'échangeur El. Le cycle direct est représenté sur la Figure 1A.In direct cycle (heating mode in the case of a heat pump) the working fluid or refrigerant is vaporized in the exchanger El (evaporator). The vapors exiting the exchanger El via the conduit 9 pass through the four-way valve V2, then
arrive in an accumulator or an anti-blow bottle of Liquid
AC3 through hose 10, the working fluid is sucked in by the
compressor K4 via pipe 11 and is discharged under pressure by Te
pipe 12, it passes through the four-way valve V2 then arrives via the
pipe 13 in exchanger C5 (condenser) from which it emerges, at least
partly in the liquid state, through the pipe 14 (after having heated a
external fluid which arrives through the conduit 28 and exits through the
line 29) and enters a reserve tank B6.
work comes out of tank B6 through pipe 15 and passes through the tube
8, located inside the BT7 thermal storage tank
isolated from the outside. The working fluid is sub-cooled by
heat exchange with a heat transfer agent (storage agent)
contained in the BT7 balloon. At the outlet of the BT7 balloon the
sub-cooled work goes through pipes 16 and 17, then through the
check valve or non-return valve 18 and the pipe 19, in a
expansion member 20 and returns via pipes 21 and 27 in
the exchanger El. The direct cycle is shown in Figure 1A.

En cycle inverse (mode de dégivrage) représenté sur la Figure 1B le cycle fonctionne globalement en sens inverse selon la procédure suivante : le fluide de travail est condensé dans l'échangeur El
(condenseur) ; le liquide sortant de l'échangeur El par le tuyau 27 passe par le tuyau 22 à travers le clapet de retenue 23 puis est amené par le tuyau 24 dans l'organe de détente 25, il ressort par le tuyau 26 et pénètre par le tuyau 16 dans le tube d'échange 8 à
l'intérieur du ballon de stockage thermique BT7 ou il se vaporise au moins en partie par refroidissement de l'agent caloporteur contenu
dans le ballon BT7.Le fluide de travail ressort du ballon BT7 par
le conduit 15 et pénètre dans le bac de réserve B6 puis arrive ds
l'échangeur C5 (évaporateur) par le tuyau 14, où il termine
éventuellement sa vaporisation ; il ressort de l'échangeur Cl par le
tuyau 13, traverse la vanne quatre voies V2 et est aspiré par le
tuyau 10, le bac d'accumulation AC3 et le tuyau Il par le
compresseur K4, il ressort par le tuyau 12, traverse la vanne quatre
voies V2 et pénètre dans l'échangeur El par le tuyau 9.Les schémas des figures TA et lB. comportent deux organes de detente 20 et 25 utilisés respectivement en cycle direct (chauffage) et en cycle inverse (dégivrage) précédés de deux clapets de retenue ou clapets anti-retour ou vannes unidirectionnelles 18 et 23 qui n'autorisent qu'un sens de passage du fluide. L'ordre de ces organes n'est pas déterminant et ils peuvent, par ailleurs, être remplacés par un système unique assurant un passage unidirectionnel et la détente simultanée du fluide. L'expression "organe de détente unidirectionnel" utilisé par la suite désignera l'une ou l'autre des solutions envisagées ci-dessus. Le dédoublement de l'organe de détente est généralement utilisé dans les pompes à chaleur mais n'est nullement nécessaire à l'invention.Par ailleurs, les accessoires comme l'accumulateur AC3 et la bouteille de réserve B6 sont facultatifs et ne sont donc pas spécifiques de l'invention.In reverse cycle (defrosting mode) shown in Figure 1B the cycle operates generally in the opposite direction according to the following procedure: the working fluid is condensed in the exchanger El
(condenser); the liquid leaving the exchanger El by the pipe 27 passes through the pipe 22 through the check valve 23 then is brought by the pipe 24 into the expansion member 25, it comes out through the pipe 26 and enters through the pipe 16 in the exchange tube 8 to
inside the thermal storage tank BT7 where it vaporizes at least in part by cooling the heat transfer agent contained
in the BT7 flask. The working fluid leaves the BT7 flask through
the conduit 15 and enters the reserve tank B6 then arrives ds
exchanger C5 (evaporator) via pipe 14, where it ends
possibly its vaporization; it emerges from the heat exchanger Cl by the
pipe 13, passes through the four-way valve V2 and is sucked in by the
pipe 10, the accumulation tank AC3 and pipe II through the
compressor K4, it comes out through the pipe 12, crosses the valve four
tracks V2 and enters the exchanger El by the pipe 9. The diagrams of figures TA and lB. comprise two expansion members 20 and 25 used respectively in direct cycle (heating) and in reverse cycle (defrost) preceded by two check valves or non-return valves or one-way valves 18 and 23 which allow only one direction of passage fluid. The order of these members is not decisive and they can, moreover, be replaced by a single system ensuring a unidirectional passage and the simultaneous expansion of the fluid. The expression “unidirectional expansion member” used subsequently will designate one or the other of the solutions envisaged above. Duplication of the expansion device is generally used in heat pumps but is not at all necessary for the invention. Furthermore, accessories such as the accumulator AC3 and the reserve bottle B6 are optional and are therefore not specific to the invention.

La mise en oeuvre de l'invention est possible pour toute pompe à chaleur utilisant un dégivrage de l'évaporateur par inversion de cycle. Elle consiste à intégrer, entre le condenseur et l'organe de détente de l'installation utilisé en mode chauffage, un ballon de stockage contenant un agent caloporteur et un tube d'échange dans lequel circule le réfrigérant. En mode chauffage, le réfrigérant cède la chaleur utile dans le condenseur, puis est refroidi dans le ballon de stockage, par transfert thermique avec l'agent caloporteur, initialement plus froid. Au cours du cycle de chauffage, l'agent caloporteur contenu dans le ballon tampon est ainsi progressivement réchauffé jusqu'à une température inférieure à la température de condensation, mais nettement supérieure à celle d'évaporation. Lors de l'inversion du cycle, le dégivrage est assuré par la condensation du fluide de travail dans l'évaporateur selon la technique conventionnelle, mais la vaporisation du fluide est réalisée dans le ballon de stockage par refroidissement de l'agent caloporteur. Si la capacité thermique du stockage et suffisante, le réfrigérant s'évapore totalement dans le ballon de stockage, ce qui évite le refroidissement du milieu à chauffer par la pompe à chaleur. En pratique, la dure du dégivrage est relativement Faible par rapport au fonctionnement de la pompe à chaleur, ce qui conduit à un volume limité de stockage comme le montrera l'exemple. A la fin du cycle de dégivrage, le stockage thermique est à sa température minimale puis il est progressivement réchauffé pendant le cycle suivant de chauffage.The implementation of the invention is possible for any heat pump using defrosting of the evaporator by reverse cycle. It consists of integrating, between the condenser and the expansion device of the installation used in heating mode, a storage tank containing a heat transfer agent and an exchange tube in which the refrigerant circulates. In heating mode, the refrigerant transfers useful heat to the condenser, then is cooled in the storage tank, by thermal transfer with the coolant, initially cooler. During the heating cycle, the heat transfer agent contained in the buffer tank is thus gradually reheated to a temperature below the condensation temperature, but clearly higher than that of evaporation. During the reversal of the cycle, defrosting is ensured by the condensation of the working fluid in the evaporator according to the conventional technique, but the vaporization of the fluid is carried out in the storage tank by cooling of the heat-transfer agent. If the thermal capacity of the storage is sufficient, the refrigerant evaporates completely in the storage tank, which avoids the cooling of the medium to be heated by the heat pump. In practice, the duration of defrosting is relatively low compared to the operation of the heat pump, which leads to a limited volume of storage as will be shown in the example. At the end of the defrosting cycle, the thermal storage is at its minimum temperature then it is gradually reheated during the next heating cycle.

Le stockage thermique est assuré par un matériau liquide et/ou solide, sous forme de chaleur sensible et/ou de chaleur latente de changement d'état physique. Le stockage thermique sera de préférence assuré par variation de chaleur sensible d'un agent caloporteur. Cet agent de stockage sera généralement un liquide caractérisé par une chaleur spécifique élevée, par exemple supérieure à environ 2092
J/kg.K (joule par kilogramme Kelvin) et de préférence comprise entre environ 2500 et environ 5000 J/kg.K. Cet agent caloporteur pourra être de l'eau ; si la pompe à chaleur est située à l'extérieur, ou dans un local pouvant etre à une température inférieure au point de congelation du liqude, l'addition d'un antigel, par exemple un glycol est souhaitable.The thermal storage is ensured by a liquid and / or solid material, in the form of sensible heat and / or latent heat of change of physical state. The thermal storage will preferably be provided by variation of sensible heat of a heat transfer agent. This storage agent will generally be a liquid characterized by high specific heat, for example greater than about 2092
J / kg.K (joule per kilogram Kelvin) and preferably between approximately 2500 and approximately 5000 J / kg.K. This heat transfer agent may be water; if the heat pump is located outside, or in a room which may be at a temperature below the freezing point of the liquid, the addition of an antifreeze, for example a glycol is desirable.

de preference/
La disposition du tube d'échange interne sera / telle que la circulation du réfrigérant est descendante en cycle direct (chauffage) et ascendante en cycle inverse (dégivrage) ; dans ces conditions, le sous-refroidissement du réfrigérant pendant le fonctionnement en chauffage provoquera la stratification de l'agent de stockage contenu dans le ballon de stockage et évitera des mouvements de convection naturelle.preferably /
The arrangement of the internal exchange tube will be / such that the circulation of the refrigerant is descending in the direct cycle (heating) and ascending in the reverse cycle (defrosting); under these conditions, the sub-cooling of the refrigerant during the heating operation will cause the stratification of the storage agent contained in the storage tank and will avoid natural convection movements.

Pendant le dégivrage, le fluide thermodynamique traversant le tube d'échange est vaporisé partiellement ou totalement et dans ce dernier cas. éventuellement surchauffé ; une mise en oeuvre préférée de l'invention consiste à employer dans la pompe à chaleur un mélange non-azéotropriuue de réfrigérants qui se vaporise et se condense selon un gradient de températures ; en effet pendant l'inversion du cycle, le mélange non-azéotropique aura une er'pérature croissante de bas en haut du ballon de stockage, comme agent caloporteur préseden~nent cité.Une telle utilisation favorise la stratificatIon dans le ballon et permet une meilleure reversibilité du transfert thermique par rapport à l'usage d'un fluide pur ou d'un mélange azéotropique vaporisé à température constante ; ainsi la température en fin d'ébullition d'un mélange non-azéotropique sera supérieure à celle obtenue avec un fluide pur qui est limitée par la température minimale du stockage. La mise en oeuvre de mélanges non-azéotroplques dans des pompes à chaleur à compression est connue et à déjà fait l'objet de plusieurs brevets
US 4406135, US 4350020, US 4344292.During defrosting, the thermodynamic fluid passing through the exchange tube is partially or totally vaporized and in the latter case. possibly overheated; a preferred implementation of the invention consists in using in the heat pump a non-azeotropriuue mixture of refrigerants which vaporizes and condenses according to a temperature gradient; in fact, during the inversion of the cycle, the non-azeotropic mixture will have an increasing temperature from the bottom to the top of the storage flask, as a heat transfer agent preseden ~ quoted. Such use promotes stratification in the flask and allows better reversibility of heat transfer compared to the use of a pure fluid or an azeotropic mixture vaporized at constant temperature; thus the temperature at the end of boiling of a non-azeotropic mixture will be higher than that obtained with a pure fluid which is limited by the minimum storage temperature. The use of non-azeotropic mixtures in compression heat pumps is known and has already been the subject of several patents
US 4406135, US 4350020, US 4344292.

Elle ne constitue ici qu'une application privilégiée de la présente invention. En pratique, le tube d'échange (8) dans lequel circule le réfrigérant aura de préfntreence7 une surface externe développée par rapport à une surface nisse en effet, la résistance au transfert thermique sera localisée du côté de l'agent caloporteur qui est en principe statique dans le ballon.L'échangeur sera équipé, par exemple, d'ailettes, de corrugations ou bien aura un traitement de surface externe, afin d'accroître sensiblement l'aire d'échange entre l'agent caloporteur et le tube ; selon l'invention, le tube d'échange du réfrigérant n'est pas nécessairement unique, mais pourra être décomposé en plusieurs tubes disposés en parallèle, afin de limiter la perte de charge du réfrigérant ou d'accroître la surface d'échange en contact avec l'agent caloporteur. La pression d'épreuve du ballon de stockage est imposée par le(s) tube(s) d'échange, soumis à la pression du réfrigérant ; celle-ci sera de préférence inférieure à 30 bars.It constitutes here only a privileged application of the present invention. In practice, the exchange tube (8) in which the refrigerant circulates will preferably have an external surface developed relative to a smooth surface, in fact, the resistance to thermal transfer will be located on the side of the heat-transfer agent which is in principle static in the balloon. The exchanger will be equipped, for example, with fins, corrugations or will have an external surface treatment, in order to significantly increase the exchange area between the heat transfer agent and the tube; according to the invention, the refrigerant exchange tube is not necessarily unique, but may be broken down into several tubes arranged in parallel, in order to limit the pressure drop of the refrigerant or to increase the exchange surface in contact with the heat transfer agent. The storage tank test pressure is imposed by the exchange tube (s), subjected to the pressure of the refrigerant; this will preferably be less than 30 bars.

Une variante du schéma de fonctionnement de la Figure 1 (A et B) est représentée par la Figure 2 (A et B). Les différents symboles représentent les mêmes éléments que sur la Figure 1A.Selon le schéma de lA ou lB décrit plus haut,l'echangeur (C5), le ballon de réserve (B6) et le ballon de stockage (BT7) sont disposés en série pour les deux modes de fonctionnement ; pendant l'inversion du cycle, le réfrigérant est partiellement ou totalement vaporisé dans la ballon de stockage, puis passe dans l'échangeur (C5) avant son retour au compresseur tK4) Un tel dispositif impose au réfrigérant, en cycle inverse, une perte de charge supplémentaire dans l'échangeur C5, susceptible de pénaliser l'efficacité du cycle en dégivrage par abaissement de la pression d'aspiration ; la mise en oeuvre du procédé est d'autant plus avantageuse que la vaporisation du réfrigérant dans le stockage est importante ; or, la perte de charge dans l'échangeur C5 est d'autant plus forte que le titre de vapeur à l'entrée est grand.Un dispositif préféré consistera à permettre au fluide de travail de ne pas circuler dans l'échangeur
C5 pendant le cycle de dégivrage (déviation de la circulation du fluide avant l'échangeur C5 ou "by-pass" de l'échangeur C5), comme le montre, par exemple, la Figure 2B. Le schéma est identique à celui de la Figure 1, mais comporte une électrovanne (34), un clapet de retenue (30) ainsi qu'une liaison frigorifique supplémentaire (33,35) utilisée par le réfrigérant seulement en cycle inverse.A variant of the operating diagram of Figure 1 (A and B) is shown in Figure 2 (A and B). The different symbols represent the same elements as in Figure 1A. According to the diagram of IA or IB described above, the exchanger (C5), the storage tank (B6) and the storage tank (BT7) are arranged in series for both operating modes; during the cycle reversal, the refrigerant is partially or totally vaporized in the storage tank, then passes through the exchanger (C5) before its return to the compressor tK4) Such a device imposes on the refrigerant, in reverse cycle, a loss of additional charge in the exchanger C5, liable to penalize the efficiency of the defrosting cycle by lowering the suction pressure; the implementation of the process is all the more advantageous the greater the vaporization of the refrigerant in the storage; However, the pressure drop in the C5 exchanger is higher the higher the vapor titer at the inlet. A preferred device will consist in allowing the working fluid not to circulate in the exchanger
C5 during the defrosting cycle (deflection of the circulation of the fluid before the exchanger C5 or "by-pass" of the exchanger C5), as shown, for example, in Figure 2B. The diagram is identical to that of Figure 1, but includes a solenoid valve (34), a check valve (30) and an additional refrigerant connection (33,35) used by the refrigerant only in reverse cycle.

Le clapet de retenue (30) permet le passage du fluide uniquement dans le sens ballon de réserve (B6) par les conduits 15, 31 et 32 ballon de stockage (BT7) en cycle de chauffage (Figure 2A) et empêche donc le retour du réfrigérant par le condenseur en cycle de dégivrage (Figure 2B) ; dans ce dernier cas, le réfrigérant passe par les conduits 32 et 33 puis par l'électrovanne (34), ouverte seulement pendant le dégivrage L'électrovanne 34 est reliée par le conduit 35 sur la Figure 28 à l'aspiration du compresseur par l'-intermédiaire de l'accumulateur AC3 mais peut aussi bien déboucher avant la vanne quatre voies V2 ou directement à l'aspiration du compresseur.La configuration ainsi décrite suppose la vaporisati-on- totale du réfrigérant dans le ballon de stockage (BT7) en cycle inverse, -mais ne constitue qu'un exemple d'agencement. Plus généralement, tout dispositif permettant un "by-pass" de l'échangeur (C5) de la pompe à chaleur pendant l'inversion de cycle pourra être employé.The check valve (30) allows the passage of the fluid only in the reserve tank direction (B6) through the conduits 15, 31 and 32 storage tank (BT7) in the heating cycle (Figure 2A) and therefore prevents the return of the refrigerant through the condenser during the defrost cycle (Figure 2B); in the latter case, the refrigerant passes through the conduits 32 and 33 then through the solenoid valve (34), open only during defrosting The solenoid valve 34 is connected by the conduit 35 in Figure 28 to the compressor suction by l '-intermediate of the accumulator AC3 but can also lead to the four-way valve V2 or directly to the compressor suction. The configuration thus described supposes the total vaporization of the refrigerant in the storage tank (BT7) in reverse cycle, but is only an example of an arrangement. More generally, any device allowing a "bypass" of the heat pump exchanger (C5) during the cycle reversal can be used.

Dans le cas général, au sein du ballon de stockage, tQ refrigérant est partiellement ou totalement vaporisé au cours deWS dégivrage,
alors qu'il est essentiellement sous-refroidi en fonctionnement de chauffage. Notons que selon la présence ow non QLun ballon de
réserve à la sortie de l'échangeur (C5) en cycle direct,
réfrigérant issu de l'échangeur (C5) est totalement ou incomplètement condensé, ou bien-déjà sous-refroidi.In the general case, within the storage tank, tQ refrigerant is partially or totally vaporized during WS defrosting,
while it is essentially sub-cooled in heating operation. Note that depending on the presence ow no QLun
reserve at the output of the exchanger (C5) in direct cycle,
refrigerant from the exchanger (C5) is totally or incompletely condensed, or already sub-cooled.

Or, la capacité thermique du stockage est d'autant plus importante, que la température d'arrivée du réfrigérant est élevée en chauffage ; par conséquent, un faible sous - refroidissement du réfrigérant issu de l'échangeur C5 est souhaitable, il sera inférieur à îD0C entre de préférence inférieur à 50 C. However, the thermal capacity of the storage is all the more important, the higher the temperature of arrival of the refrigerant in heating; therefore, a slight sub-cooling of the refrigerant from the exchanger C5 is desirable, it will be less than îD0C preferably between less than 50 C.

L'exemple ci-dessous décrit une application selon l'invention dans le cas d'une pompe à chaleur destinée au chauffage d'une habitation.The example below describes an application according to the invention in the case of a heat pump intended for heating a home.

EXEMPLE
Soit une pompe à chaleur du type Air Extérieur/Eau équipée d'un mode de dégivrage classique fonctionnant par inversion de cycle, commandée par une vanne quatre voies. Lorsque la pression d'évaporation est inférieure à une valeur de consigne imposée, un pressostat commande une horloge qui déclenche un cycle de dégivrage, après une certaine durée, par exemple, 60 minutes environ. Le cycle de dégivrage est terminé, lorsque la température mesurée dans un point froid de la batterie devient supérieure à une certaine consigne, par exemple, 250 C environ.La batterie extérieure est traversée par un débit d'air total de 6000 m3/haspiré par deux ventilateurs hélicoides. Les conditions de fonctionnement correspondent à une température d'air de 0 C, pour une humidité relative de 95 X ; l'eau passant dans l'échangeur C5 (condenseur) est chauffée de 420 C à 500 C.EXAMPLE
Or a heat pump of the Outdoor Air / Water type equipped with a classic defrosting mode operating by reverse cycle, controlled by a four-way valve. When the evaporation pressure is lower than an imposed set value, a pressure switch controls a clock which starts a defrosting cycle, after a certain duration, for example, approximately 60 minutes. The defrosting cycle is finished, when the temperature measured in a cold point of the battery becomes higher than a certain setpoint, for example, about 250 C. The external battery is crossed by a total air flow of 6000 m3 / drawn by two axial fans. The operating conditions correspond to an air temperature of 0 C, for a relative humidity of 95 X; the water passing through exchanger C5 (condenser) is heated from 420 C to 500 C.

En régime nominal, la pompe à chaleur délivre une puissance thermique Q et absorbe une puissance totale W incluant les consommations du compresseur et des ventilateurs, le coefficient de performance COP en mode chauffage est défini alors par C0P =
W
Les valeurs mesurées expérimentalement sont
Q = 8115 watts W = 3525 watts COP = 2,30
Durant le dégivrage, sont mesurées la -puissance frigorifique Q' prélevée sur le circuit de chauffage et la puissance W' absorbée par le compresseur, le ventilateur étant arrêté ; la durée du dégivrage pour le régime de fonctionnement considéré est : t' = 152 secondes.In nominal mode, the heat pump delivers a thermal power Q and absorbs a total power W including the consumptions of the compressor and the fans, the coefficient of performance COP in heating mode is then defined by C0P =
W
The values measured experimentally are
Q = 8115 watts W = 3525 watts COP = 2.30
During the defrosting, the cooling capacity Q 'taken from the heating circuit and the power W' absorbed by the compressor are measured, the fan being stopped; the duration of the defrost for the operating mode considered is: t '= 152 seconds.

Les performances intégrées de la pompe à chaleur sur un cycle complet de chauffage et dégivrage sont definies par
Q =
t + t' t est le temps de fonctionnement en chauffage t' est la durée du dégivrage.The integrated performance of the heat pump over a complete heating and defrosting cycle is defined by
Q =
t + t 't is the heating operation time t' is the duration of the defrost.

W = tW + t'W'
t + t'
Q est la puissance thermique intégrée délivrée par l'installation
W est la puissance intégrée absorbée par ltinstallation
COP = Q = tQ - t'Q'
W tW + t'W' COP est le coefficient de performance intégré de l'installation
Les puissances moyennes relevées pendant le dégivrage sont
Q' = 13 190 watts W' = 2605 watts d'où les performances intégrées de liinstallation
Q = 7252 watts W = 3488 watts COP = 2,08
Par conse.luent, le dégivrage pratiqué selon la technique existante entraXne une dégradation ifnporiante des performances, à savoir une réduction de T0,6 % de la puissance de chauffage et une baisse de 9,6 % du coefficient de performance. W = tW + t'W '
t + t '
Q is the integrated thermal power delivered by the installation
W is the integrated power absorbed by the installation
COP = Q = tQ - t'Q '
W tW + t'W 'COP is the integrated coefficient of performance of the installation
The average powers recorded during defrosting are
Q '= 13 190 watts W' = 2605 watts hence the integrated performance of the installation
Q = 7252 watts W = 3488 watts COP = 2.08
By conse.luent, defrosting practiced according to the existing technique causes an ifnporiant degradation of the performances, namely a reduction of T0,6% of the heating power and a reduction of 9,6% of the coefficient of performance.

La même pompe à chialeur, fonctionnant dans les mêmes conditions est maintenant équipée diun ballon de stockage contenant 25 litres d'eau et situé dans le circuit entre l'échangeur C5 et l'organe de détente (20). Pendant le cycle de chauffage, le réfrigérant qui est, par exemple, le monochlorodifluorométhane (R22) traverse le ballon d'eau par l'intermédiaire d'un serpentin aileté ; il rentre dans le serpentin sous forme de liquide saturé à 520 C, circule dans des spires de haut en bas, et est sous-refroidi en moyenne jusqu'à 400 C ; la quantité de chaleur ainsi stockée pendant le cycle de chauffage représente 2300 kilojoules et accroît progressivement la température d'eau de 22 C, à partir d'une température initiale comprise par exemple entre 50 C et 150 C.Pendant l'inversion de cycle intervenant après une heure de marche en mode de chauffage le réfrigérant se vaporise totalement par échange avec l'eau de stockage, qui est progressivement refroidie de 200 C.The same whining pump, operating under the same conditions is now equipped with a storage tank containing 25 liters of water and located in the circuit between the exchanger C5 and the expansion member (20). During the heating cycle, the refrigerant which is, for example, monochlorodifluoromethane (R22) passes through the water tank via a finned coil; it enters the coil in the form of a liquid saturated at 520 C, circulates in turns from top to bottom, and is sub-cooled on average to 400 C; the amount of heat thus stored during the heating cycle represents 2300 kilojoules and gradually increases the water temperature by 22 C, starting from an initial temperature of, for example, between 50 C and 150 C. During the cycle inversion occurring after one hour of operation in heating mode the refrigerant vaporizes completely by exchange with the storage water, which is gradually cooled by 200 C.

Les performances de la pompe à chaleur en chauffage sont supposées inchangées, de même que la durée et la puissance consommée pendant le dégivrage ; dans ces conditions, les performances intégrées de l'installation pendant un cycle complet deviennent
Q = tQ , = 7786 watts
t+t
W = tW + t'W' = 3488 watts
t + t'
COR = 2,23
Donc, pour cet exemple de fonctionnement, le procédé selon l'invention accroît par rapport aux performances antérieures, la puissance thermique et le coefficient de performance intégrés de 7,4 X. The performance of the heat pump in heating is assumed to be unchanged, as well as the duration and the power consumed during defrosting; under these conditions, the integrated performance of the installation during a complete cycle becomes
Q = tQ, = 7786 watts
t + t
W = tW + t'W '= 3488 watts
t + t '
COR = 2.23
Therefore, for this example of operation, the method according to the invention increases, compared to previous performances, the integrated thermal power and the coefficient of performance by 7.4 X.

Dans l'exemple décrit précédemment, le ballon de stockage a pour fonction unique la fourniture de chaleur pour l'évaporation du fluide de travail durant l'inversion de cycle. Selon une variante de l'invention le ballon de stockage peut avoir une autre fonction, par exemple, le préchauffage de l'eau chaude sanitaire en dehors des périodes de dégivrage.Pratiquement, le ballon serait intégré dans un circuit ouvert, dans lequel il serait alimenté, par exemple, par l'eau du réseau et où il délivrerait l'eau préchauffée, destinee à recevoir un complément de chauffage avant utilisation ; selon cette conception, pour les températures extérieures modérées pour lesquelles le givre ne se forme pas sur la batterie de la pompe à chaleur, le dispositif assure uniquement le préchauffage de l'eau chaude sanitaire ; pour des températures plus froides le ballon couvre, en priorité, les besoins de chaleur nécessaires au dégivrage et continue de préchauffer l'eau chaude sanitaire en dehors des cycles de dégivrage. Pendant les périodes de dégivrage la circulation de l'eau sanitaire est arrêtée ; ceci peut être obtenu par tous moyens classiques, par exemple par arrêt de la pompe de circulation de l'eau chaude sanitaire commandé par le pressostat qui déclenche le cycle de dégivrage. In the example described above, the storage tank has the sole function of supplying heat for the evaporation of the working fluid during the cycle reversal. According to a variant of the invention, the storage tank can have another function, for example, preheating domestic hot water outside the defrosting periods. In practice, the tank would be integrated into an open circuit, in which it would be supplied, for example, by mains water and where it would deliver preheated water, intended to receive additional heating before use; according to this design, for moderate outside temperatures for which frost does not form on the heat pump battery, the device only provides preheating of domestic hot water; for colder temperatures, the tank covers, as a priority, the heat needs necessary for defrosting and continues to preheat domestic hot water outside the defrost cycles. During the defrosting periods the circulation of sanitary water is stopped; this can be obtained by any conventional means, for example by stopping the domestic hot water circulation pump controlled by the pressure switch which initiates the defrost cycle.

Claims

REVENDICATIONS

1 - Procédé de mise en oeuvre d'une pompe à chaleur et/ou d'une machine frigorifique à compression utilisant l'air comme source froide et comportant un dégivrage périodique par inversion de cycle, caractérisé en ce que durant la période de fonctionnement en cycle direct, le fluide de travail sortant de la zone de compression traverse successivement une zone d'échange de chaleur (C5) dans laquelle il se condense, au moins en partie, une zone de stockage thermique (BT7) contenant un agent de stockage initialement relativement froid auquel il cède de la chaleur en se refroidissant, un organe de détente unidirectionnel, une zone d'échange de chaleur (El) dans laquelle il se vaporise, puis retourne à la zone de compression, et en ce que ledit fluide de travail, décrivant lors du dégivrage un cycle inverse, passe à la sortie de la zone de compression, dans une zone d'échange de chaleur (El) dans laquelle il se condense, dans un organe de détente unidirectionnel, traverse la zone de stockage thermique dans laquelle il se vaporise au moins en partie en prenant de la chaleur à l'agent de stockage contenu dans cette zone et en le refroidissant, puis éventuellement la zone d'échange de chaleur (C5) ou il termine éventuellement sa vaporisation, puis retourne à la zone de compression.1 - Method for implementing a heat pump and / or a compression refrigeration machine using air as a cold source and comprising a periodic defrosting by cycle inversion, characterized in that during the operating period in direct cycle, the working fluid leaving the compression zone successively passes through a heat exchange zone (C5) in which it condenses, at least in part, a thermal storage zone (BT7) containing a storage agent initially relatively cold to which it gives up heat as it cools, a unidirectional expansion member, a heat exchange zone (El) in which it vaporizes, then returns to the compression zone, and in that said working fluid , describing during the defrosting a reverse cycle, passes at the outlet of the compression zone, in a heat exchange zone (El) in which it condenses, in a unidirectional expansion member, crosses the storage zone thermal in which it vaporizes at least in part by taking heat from the storage agent contained in this zone and by cooling it, then optionally the heat exchange zone (C5) or it eventually ends its vaporization, then returns to the compression zone.

2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la circulation du fluide de travail dans le ballon de stockage thermique (BT7) est globalement descendante pendant la période de fonctionnement en cycle direct et est globalement ascendante pendant la période de fonctionnement en cycle inverse (dégivrage).2 - Method according to claim 1 characterized in that the circulation of the working fluid in the thermal storage tank (BT7) is generally downward during the period of operation in direct cycle and is generally upward during the period of operation in reverse cycle ( defrost).

3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'une vanne unidirectionnelle est insérée entre l'échangeur de chaleur (C5) et le ballon de stockage thermique (BT7) ne permettant le passage du fluide de travail que dans le sens échangeur (C5) vers le ballon de stockage (BT7), ledit fluide de travail allant lors du cycle inverse (dégivrage) directement de la sortie du ballon de stockage vers la zone de compression par une conduite de déviation 3 - Method according to one of claims 1 or 2 characterized in that a one-way valve is inserted between the heat exchanger (C5) and the thermal storage tank (BT7) allowing the passage of the working fluid only in the exchanger direction (C5) to the storage tank (BT7), said working fluid going during the reverse cycle (defrosting) directly from the outlet of the storage tank to the compression zone by a deflection pipe

ne laissant passer ledit fluide que lors du cycle inverse. letting said fluid pass only during the reverse cycle.

4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce 4 - Method according to one of claims 1 to 3 characterized in that

que le fluide de travail est un mélange d'au moins deux constituants that the working fluid is a mixture of at least two constituents

ne formant pas d'azéotrope entre eux. not forming an azeotrope between them.

5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce 5 - Method according to one of claims 1 to 4 characterized in that

que l'agent de stockage est un fluide ayant une chaleur spécifique comprise entre environ 2500 et environ 5000 joules par kilogramme that the storage agent is a fluid with a specific heat of between about 2,500 and about 5,000 joules per kilogram

Kelvin. Kelvin.

6 - Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le fluide 6 - Method according to claim 5 characterized in that the fluid

de stockage est de l'eau ou un mélange eau-antioel, storage is water or a water-antioel mixture,

7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce 7 - Method according to one of claims 1 to 6 characterized in that

que , lors du cycle direct , le réfrigérant sortant de la zone de that, during the direct cycle, the refrigerant leaving the zone of

compression passe dans une zone d'échange de chaleur (C5) dans compression passes through a heat exchange zone (C5) in

laquelle il se condense et subit un sous-refroidissement inférieur à which it condenses and undergoes subcooling less than

100 C. 100 C.

8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce 8 - Method according to one of claims 1 to 7 characterized in that

que le ballon de stockage thermique (BT7) est intégré dans un that the thermal storage tank (BT7) is integrated in a

circuit d'eau chaude sanitaire, ladite eau chaude étant préchauffée domestic hot water circuit, said hot water being preheated

dans le ballon en cycle direct, et en ce que la circulation d'eau in the balloon in direct cycle, and in that the water circulation

chaude sanitaire est interrompue pendant le cycle inverse domestic hot water is interrupted during the reverse cycle

(dégivrage) , ledit ballon étant alors utilisé conme source de (defrosting), said balloon then being used as a source of

chaleur. heat.

9 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une 9 - Apparatus for implementing the method according to one

quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte any one of claims 1 to 8 characterized in that it comprises

des moyens pour comprimer et faire circuler alternativement dans un means for compressing and circulating alternately in a

sens puis dans le sens opposé, un fluide de travail à tr-avers un direction then in the opposite direction, a working fluid across a

circuit comprenant en série des premiers moyens d'échange de chaleur circuit comprising in series first heat exchange means

(El), des moyens de compression (K4), des seconds moyens d'échange (El), compression means (K4), second exchange means

d chaleur (C5), des moyens de stockage thermique (BT7) et des d heat (C5), thermal storage means (BT7) and

moyens de détente. means of relaxation.

10 - Appareil selon la revendication 9 caractérisé en ce qutil comporte en série un échangeur de chaleur (El), une vanne quatre voies (V2) ,un compresseur (K4), un échangeur de chaleur (C5), un ballon de stockage thermique (BT7) et des moyens de détente unidirectionnels permettant le passage du fluide de travail alternativement dans un sens et dans l'autre. 10 - Apparatus according to claim 9 characterized in that it comprises in series a heat exchanger (El), a four-way valve (V2), a compressor (K4), a heat exchanger (C5), a thermal storage tank ( BT7) and unidirectional expansion means allowing the passage of the working fluid alternately in one direction and in the other.