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Molecule
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water
(16)
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monochlorodifluoromethane
(10)
[8][_]
trifluoromethane
(6)
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dichlorodifluoromethane
(5)
[10][_]
methane
(2)
[11][_]
chlorotrifluoromethane
(1)
[12][_]
fluoromethane
(1)
[13][_]
Physical
(20/ 26)
[14][_]
85 %
(3)
[15][_]
15 %
(3)
[16][_]
30 %
(2)
[17][_]
20 %
(2)
[18][_]
1 %
(1)
[19][_]
30 bar
(1)
[20][_]
de 20 %
(1)
[21][_]
de 24 %
(1)
[22][_]
de 6 %
(1)
[23][_]
87,5 %
(1)
[24][_]
12,5 %
(1)
[25][_]
de 26 %
(1)
[26][_]
17 bars
(1)
[27][_]
de 28 %
(1)
[28][_]
de 30 %
(1)
[29][_]
de 2,8 %
(1)
[30][_]
de 5,2 %
(1)
[31][_]
de 0,25 m
(1)
[32][_]
70 %
(1)
[33][_]
80 %
(1)
[34][_]
Gene Or Protein
(4/ 14)
[35][_]
Etre
(8)
[36][_]
Fic
(3)
[37][_]
DANS
(2)
[38][_]
Fre
(1)
[39][_]
Substituent
(2/ 2)
[40][_]
chlorodifluoro
(1)
[41][_]
dichlorodifluoro
(1)
[42][_]
Generic
(1/ 1)
[43][_]
halogens
(1)
[44][_]
Disease
(1/ 1)
[45][_]
Tic
(1)
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2514875A1
Family ID 3507170
Probable Assignee Ifp Energies Nouvelles
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title PROCEDE DE CHAUFFAGE ET/OU DE CONDITIONNEMENT THERMIQUE D'UN
LOCAL AU MOYEN D'UNE POMPE A CHALEUR A COMPRESSION UTILISANT UN
MELANGE SPECIFIQUE DE FLUIDES DE TRAVAIL
Abstract
_________________________________________________________________
<P>UTILISATION D'UNE POMPE A CHALEUR DONT LE FLUIDE DE TRAVAIL EST UN
MELANGE D'UN PREMIER CONSTITUANT, LE R12 OU LE R22, ET D'UN SECOND
CONSTITUANT, LE R23, CE DERNIER ETANT EN CONCENTRATION MOLAIRE DE 1 A
30 DANS LE MELANGE.</P><P>CE FLUIDE CIRCULE DANS UN EVAPORATEUR E1, UN
COMPRESSEUR K1, UN CONDENSEUR E2 ET UN DETENDEUR D1. LES ECHANGES
THERMIQUES SE FONT AVEC LES FLUIDES EXTERIEURS 5, 6 ET 7, 8
RESPECTIVEMENT.</P>
Description
_________________________________________________________________
25148 5
L'utilisation de melanges de fluides non azeotropiques dans une pompe
a chaleur, en vue de l'amelioration du coefficient de performance de
ladite pompe a chaleur, a fait l'objet de brevets et demandes de
brevets francais anterieurs (publications NI 2 337 855, 2 474 151 et 2
474 666; demande NM 81/00 847). En particulier, la demande de brevet
publiee NI 2 474 151 decrit des melanges non azeotropiques de deux
constituants permettant d'augmenter les performances d'une pompe a
chaleur et donc de reduire les couts
d'exploitation de ladite pompe a chaleur Les melanges a deux consti-
tuants ainsi decrits ne permettent toutefois pas d'accroitre la puis-
sance thermique pour un compresseur donne.
Le but de la presente invention est de montrer que des melanges speci-
fic de fluides permettent d'augmenter la puissance thermique delivree
par une pompe a chaleur par rapport au cas o la meme pompe a chaleur
fonctionne avec un fluide pur En employant dans une pompe a chaleur
les melanges de fluides proposes par l'invention il est ainsi possible
de reduire le cout d'investissement En effet, les fluides mixtes de
travail selon l'invention autorisent un accroissement
de la capacite thermique d'une pompe a chaleur donnee, sans modifica-
tion des composants de ladite pompe a chaleur, en particulier sans mo-
dification du compresseur.
Il existe deux moyens classiques d'accroitre la puissance thermique
de-
livree par une pompe a chaleur; un premier moyen est d'equiper celle-
ci d'un compresseur de plus grande capacite, qui permet d'aspirer un
debit volumique plus important, mais cette solution conduit a un
surin-
vestissement L'autre moyen d'augmenter la capacite thermique d'une
pompe a chaleur consiste a utiliser un fluide de travail dont le point
d'ebullition est plus bas que celui du fluide usuel En tout etat de
cause, une telle substitution conduit a une degradation du coefficient
de performance et aussi a une gamme plus restreinte des applications
de la machine, etant donne que la temperature critique du fluide a
point d'ebullition plus bas est generalement plus faible.
14875
L'invention proposee concerne les applications classiques des pompes a
chaleur, plus particulierement celles pour lesquelles le fluide de
travail utilise habituellement est le monochlorodifluoromethane (R 22
temperature d'ebullition 40,8 'C) ou le dichlorodifluoromethane (R 12
temperature d'ebullition 29,8 OC).
Ces deux fluides halogens sont employes couramment dans les installa-
tions de pompes a chaleur destinees au chauffage et/ou conditionnement
des locaux, au chauffage urbain et aux applications industrielles a
basse temperature, telles certaines operations de sechage ou de con-
centration L'usage du monochlorodifluoromethane (R 22) est tres fre-
quent dans les pompes a chaleur qui assurent le chauffage des locaux
et qui utilisent, comme source froide, l'water de nappe phreatique, de
puits ou de riviere, l'air exterieur ou encore l'air extrait et, comme
source chaude, l'water de chauffage ou l'air interieur, pour des
temperatures pouvant atteindre 55 O C a la source chaude L'emploi du
R 12 est particulierement adapte a des niveaux de temperature relati-
vement eleves, par exemple, superieurs a 50 O C et inferieurs a 80 O
C.
Le principe de l'invention consiste a selectionner un melange speci-
fic de fluides, caracterise par le fait qu'il est compose d'un cons-
tituant majoritaire pouvant etre le monochlorodifluoromethane (R 22)
ou le dichlorodifluoromethane (R 12) et d'un constituant minoritaire a
point d'ebullition plus bas qui est le trifluoromethane (R 23 tempe-
rature d'ebullition 82,1 O C), Dans le cycle d'une pompe a chaleur
donnee, pour des conditions de fonctionnement identiques, la pression
d'evaporation d'un melange du type precedent est superieure, toutes
choses egales par ailleurs, a la pression d'evaporation du constituant
majoritaire, qui serait
utilise a l'etat pur.
En consequence, le volume molaire des vapeurs aspirees au compresseur
est plus faible, ce qui, pour un compresseur de cylindree donnee,
augmente le debit molaire de fluide et donc la capacite thermique de
la pompe a chaleur Par ailleurs, l'utilisation d'un fluide mixte de
14875
travail comprenant un constituant majoritaire (R 22 ou R 12) et un
cons-
tituant minoritaire (R 23) dont la temperature d'ebullition est plus
basse conduit en general a une reduction du taux de compression Cela
augmente le rendement volumetrique dans le cas des compresseurs alter-
natifs a pistons et est donc favorable egalement a une augmentation de
la capacite thermique Celle-ci est d'autant plus elevee que la concen-
tration molaire du trifluoromethane est importante La fraction molaire
du constituant minoritaire (R 23) devra etre comprise entre 1 % et 30
%
(de preference entre 5 et 20 %); en effet, une proportion trop impor-
tante de trifluoromethane entraine une degradation du coefficient de
performance et une pression de condensation excessive En effet, les
compresseurs ont un domaine d'application limite par certains para-
metres de fonctionnement (temperature de refoulement et difference de
pression maximales) et, en particulier, par la pression maximale de
refoulement La pression de condensation d'un melange selon l'inven-
tion sera de preference inferieure a 30 bar.
Les melanges de fluides proposes par l'invention sont plus particu-
lierement utilisables lorsque la temperature de la source chaude est
comprise, de preference, entre 15 O C et 70 OC et celle de la source
froide, de preference entre 10 O C et + 40 OC.
Les pompes a chaleur, dans lesquelles les melanges definis precedem-
ment sont utilisables, peuvent etre d'un type quelconque Le compres-
seur peut etre, par exemple, un compresseur a pistons lubrifies ou a
pistons secs, un compresseur a vis ou un compresseur centrifuge Les
echangeurs peuvent etre,par exemple, des echangeurs double-tube, des
echangeurs a tube et calandre, des echangeurs a plaques ou des echan-
geurs a lamelles On prefere un mode d'echange a contre-courant La
puissance thermique delivree peut varier, par exemple, entre quelques
kilowatts pour des pompes a chaleur utilisees en chauffage domestique
a plusieurs megawatts pour des pompes a chaleur destinees au chauffage
collectif. 1- Un mode operatoire prefere est celui decrit dans la
demande 81/00847
et qui fait l'objet de la revendication 5 de la presente demande.
14875
Les exemples suivants illustrent la mise en oeuvre des melanges speci-
fic de fluides selon l'invention.
Exemple 1
On considere la pompe a chaleur water/water schematisee sur la figure
1. Cette pompe a chaleur comprend un evaporateur El dans lequel le
melange
est introduit par le conduit 1 et d'o il ressort vaporise par le con-
duit 2, un compresseur K 1 dans lequel le melange vapeur est comprime
et d'o il ressort par le conduit 3 pour etre envoye dans le condenseur
E 2, d'o il ressort condense par le conduit 4 puis est detendu dans la
vanne de detente Dl et est recycle a l'evaporateur L'evaporateur et le
condenseur sont constitues par des echangeurs double-tube dans lequels
les fluides entre lesquels s'effectuent les echanges thermiquescircu-
lent a contre-courant.
La source froide est constituee par l'water extraite d'une nappe
phrea-
tic Cette water penetre dans l'evaporateur El par le conduit 5 a une
temperature de 12 O C et ressort de l'evaporateur El par le conduit 6
a une temperature de 5 O C. L'water qui est chauffee par le condenseur
E 2 arrive par le conduit 7 et
est evacuee par le conduit 8.
Deux cas de fonctionnement sont consideres selon la nature du systeme
de chauffage et la temperature de retour de l'water.
A Chauffage par radiateurs: temperature de retour de l'water au con-
denseur 42 OC (ligne 7), temperature de chauffage de l'water: 50 O C
(ligne 8).
B Chauffage par planchers chauffants: temperature de retour de l'water
au condenseur: 20,5 OC, temperature de chauffage de l'water 34 O C.
Les debits d'water dans l'evaporateur et dans le condenseur sont
fonction de la capacite de la pompe a chaleur correspondant au fluide
de travail employe.
14875
Le tableau I ci-dessous indique les resultats compares dans chacun des
cas A et B entre:
le fonctionnement de la pompe and chaleur utilisant du chlorodifluoro-
methane pur (R 22). le fonctionnement de la pompe a chaleur utilisant
un melange non azeotropique comprenant: 85 % en mole de
chlorodifluoromethane (R 22)
et 15 % en mole de trifluoromethane (R 23).
Le COP represente le rapport de la puissance thermique delivree a la
puissance de compression transmise au fluide.
TABLEAU I
Le melange propose, compare au R 22 pur tures identiques a ia source
chaude et pour des conditions a la source froide,
de tempera-
permet un gain en capacite thermique de 20 % dans le cas A et de 24 %
dans le
cas B, le COP etant pratiquement conserve dans chacun des cas.
Compare au melange comprenant du chlorodifluoromethane (R 22) et du
chlorotrifluoromethane (R 13; temperature d'ebullition: 81,4 C), le
melange propose dans l'exemple est plus performant, a la fois, sur le
plan du COP et sur le plan de la capacite thermique Ainsi un Cas de
fonctionnement A B Fluide R 22 melange R 22 melange
R 22/R 23 R 22/R 23
Puissance thermique (W) 14260 17101 14820 18376
COP 3,52 3,48 4,56 4,63
Pression d'aspiration (bars) 4,65 5,72 4,50 5,62 Pression de
refoulement (bars) 20,64 25,13 15,15 18,42 aux de compression 4,44
4,39 3,37 3,28 melange comportant 15 % en fraction molaire de R 13 et
85 % en fraction molaire de R 22 conduit a une capacite thermique
inferieure de 6 % par
rapport au melange cite precedemment, dans chacun des cas de fonction-
nement A et B.
Si l'water chauffee par la pompe a chaleur doit atteindre des tempera-
tures elevees, par exemple, superieures a 60 OC, le dichlorodifluoro-
methane (R 12) peut etre substitue au chlorodifluoromethane (R 22),
afin
de diminuer la pression haute du circuit Ainsi un melange selon l'in-
vention comprenant du dichlorodifluoromethane (R 12) associe a du tri-
fluoromethane (R 23) permet d'obtenir, pour des conditions de
fonction-
nement donnees, une capacite thermique superieure a celle obtenue avec
le R 12 pur Ainsi un melange comprenant 87,5 % en fraction molaire de
R 12 et 12,5 % en fraction molaire de R 23 autorise une augmentation
de la capacite thermique de 26 % dans le cas A, la pression atteinte
au
refoulement du compresseur etant inferieure a 17 bars.
Le schema de fonctionnement decrit dans la demande de brevet 81/00847
apporte un avantage supplementaire sur le plan de la capacite ther-
mique pour un melange non azeotropique de fluides donne Cela consti-
tue l'objet de l'exemple N 02.
Exemple 2
Le schema de fonctionnement de la pompe a chaleur est represente par
la figure 2.
Le fluide mixte de travail, issu du detendeur par le conduit 9, est
partiellement vaporise dans l'evaporateur E 3 par le refroidissement
de l'water de la source froide qui circule a contre-courant du fluide
de travail et qui entre dans l'evaporateur E 3 par le conduit 11 et en
ressort par le conduit 12 Issu de l'evaporateur E 3 par le conduit 10,
le melange de travail est entierement vaporise et eventuellement sur-
chauffe dans l'echangeur E 4, par echange a contre-courant avec le
con-
densat sous refroidi qui penetre dans E 4 par le tuyau 18 et qui est
evacue par le tuyau 19.
Le fluide mixte de travail a l'etat gazeux est aspire dans le compres-
seur KI par le tuyau 13 et est refoule a haute pression par le tuyau
14 Ensuite, il est sous refroidi et totalement condense dans le con-
denseur E 5 dans lequel il penetre par le conduit 14 et d'o il ressort
a l'etat de liquide sature par le conduit 15 Au cours de la condensa-
tion dans E 5, le melange cede la puissance thermique utile a l'water
de chauffage qui, entre le tuyau d'arrivee 16 et le tuyau de sortie
17, circule a contre-courant du fluide de travail Le melange, une fois
condense dans E 5, penetre par la conduite 15 dans le ballon de
recette Bl et ressort par la conduite 18; il est ensuite sous refroidi
dans
l'echangeur E 4 et accede au detendeur VI par le tuyau 19.
Sur le plan de la capacite, ce schema apporte une amelioration lorsque
le fluide de travail est un melange de fluides non azeotropique, car
l'echangeur E 4 o se realise la fin de la vaporisation permet d'at-
teindre pour le melange une temperature en fin d'ebullition plus
elevee, donc une pression d'aspiration plus forte Ce procede permet a
la fois une reduction du volume molaire a l'aspiration et une baisse
du taux de compression.
Le tableau II exprime les resultats obtenus avec le meme melange et
les memes conditions de fonctionnement que dans l'exemple 1 Les re-
sultats obtenus avec le 5 hloi-odifluoromethane pur (R 22) dans
l'exemple 1 sont mentionnes, a titre de reference Le schema de
fonctionnement de la figure 2, en effet, ne modifie pas les
performances de la pompe a chaleur fonctionnant avec un fluide pur Le
melange, specifie dans l'exemple 1, a la composition molaire suivante:
chlorodifluoromethane
(R 22): 85 % et trifluoromethane (R 23): 15 % Les cas de fonctionne-
ment A et B ont ete explicites dans l'exemple 1.
Selon le schema de fonctionnement represente par la figure 1, le me-
lange choisi augmente la capacite thermique de l'installation fonc-
tionnant avec le R 22 de 28 % dans le cas A et de 30 % dans le cas B.
Par ailleurs, l'emploi du melange ameliore le COP obtenu avec le
chlorodifluoromethane de 2,8 % dans le cas A et de 5,2 % dans le cas
B. Le schema de la figure 2 necessite un surinvestissement, represente
par l'echangeur E 4; mais il est generalement faible.
Dans l'exemple traite, cet echangeur peut etre constitue de deux tubes
lisses concentriques ayant une surface de contact de 0,25 m
TABLEAU II
Cas de fonctionnement A B Fluide R 22 melange R 22 melange Puissance
thermique (W) 14260 18324 14820 19268
OP 3,52 3,62 4,56 4,80
Pression d'aspiration (b) 4,65 6,10 5,72 5,88 ression de refoulement
(b) 20,64 25,09 15,15 18,37 aux de compression 4,44 4,11 3,37 3,13
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONSl. Composition constituee par un melange de fluides et
caracterisee en ce qu'elle renferme:a) 99 a 70 % en mole de
dichlorodifluoromethane (R 12) ou de mono-chlorodifluoromethane (R 22)
et b) I a 30 % en mole de trifluoromethane (R 23).2. Composition selon
la revendication I caracterisee en ce que la con-centration molaire du
constituant (a) est comprise entra 95 et 80 % etcelle du constituant
(b) est comprise entre 5 et 20 %.3. Composition selon la revendication
I ou 2, caracterisee en ce quele constituant (a) est le
monochlorodifluoromethane (R 22).4. Composition selon la revendication
1 ou 2 caracterisee en ce que leconstituant (a) est le
dichlorodifluoromethane (RI 2).5. Procede de chauffage et/ou de
conditionnement thermique d'un local au moyen d'une pompe a chaleur a
compression caracterise en ce qu'on utilise, comme agent de travail,
un melange de fluides tel que definidans l'une des revendications I a
4.6. Procede selon la revendication 5 caracterise en ce que la pompe a
chaleur opere dans des conditions telles que (a) on comprime le
melange de fluides en phase vapeur, (b) on met en contact d'echange
thermique le melange de fluides comprime provenant de l'etape (a) avec
un fluideexterieur relativement froid, et l'on maintient ce contact
jusqu'a con-densation sensiblement complete dudit melange de fluides,
(C) on met encontact d'echange thermique le melange de fluides
sensiblement complete-ment condense provenant de l'etape (b) avec un
fluide de refroidisse-ment defini a l'etape (f), de maniere a
refroidir davantage ledit me-lange de fluides, (d) on detend le
melange de fluides refroidi prove-nant de l'etape (c), (e) on met le
melange de fluides detendu, provenant de l'etape (d), en contact
d'echange thermique avec un fluide exterieurqui constitue une source
de chaleur, les conditions de contact permet-tant la vaporisation
partielle dudit melange de fluides detendu, (f) on met le melange de
fluides partiellement vaporise, provenant de l'etape(e), en contact
d'echange thermique avec le melange de fluides sensi-blement
completement condense envoye a l'etape (c), ledit melange de fluides
partiellement vaporise constituant le fluide de refroidissement de
ladite etape (c), les conditions de contact permettant de poursuivre
la vaporisation commencee a l'etape (e), et (g) on renvoie le
melangede fluides vaporise, provenant de l'etape (f), a l'etape (a).7.
Procede selon l'une des revendications 5 et 6 caracterise en ce quela
chaleur delivr 4 e par la pompe a chaleur est fournie a un premier
fluide exterieur dont la temperature est comprise entre 15 C et 70
C,ledit fluide exterieur etant l'air du local a chauffer ou un fluide
au-xiliaire utilise pour le chauffage de ce local, et la chaleur
absorbeeest prelevee sur un second fluide exterieur dont la
temperature est com-prise entre 10 C et + 40 C, la temperature moyenne
du second fluide exterieur etant plus basse que la temperature moyenne
du premier fluide exterieur.
8. Pompe a chaleur a compression fonctionnant selon le procede del'une
quelconque des revendications 5 a 7.
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