Brevet FR2451558A1 — publié le 19801010

L'lnvention concerne un échangeur thermique pour une pompe a chaleur, une pompe à chaleur équipez d'un tel capteur. Elle concerne également une installation de chauffage fonetiounant au moyen d'une telle pompe à chaleur. Un des problèmes qui se posé dans les installatSons de chauffage dans lesquelles le générateur d'eau chaude est une pompe à chaleur, est le fonctionnement correcte de celle-ci lorsque la différence entre la tempe rature de la source froide qui fournit les calories, est très éloignée de la température d'utilisation à la sortie d cette pompe. C'est le cas lorsque les calories sont prélevées dans l'air ambiant et que la température de-celui.-ci descend très en dessous de zéro degré centesimal. La présente invention a pour but de résoudre ce problème et concerne un échangeur thermique dont la conception nouvelle lui permet d'accomplir des fonctions multiples, il permet à la fois le transfert des calories, l'évaporation d'un fluide frigorigène ainsi que la circulation d'un fluide de dégivrage. Elle concerne également une pompe à chaleur destinée a' assurer le chauffage d'un local ainsi que celuI de l'eau sanitaire comportant un tel échangeur thermique capable de fonctionner avec un rendement acceptable quelque soient les différences de température entre la source froide et la source chaude. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles - la figure 1 représente schématiquement un échangeur thermique conforme à l'invention ; - la figure 2 représente un générateur d'eau chaude du type "pompe à chaleur'11 destiné à remplacer la chaudière d'une installation de chauffage central. La figure 1 représente, vue en coupe, un échangeur thermique l conforme à l'invention, cet échangeur présente la caractéristique essentielle de comporter une combinaison de moyens intégrés dans un élément unique. Ces moyens sont destinés à coopérer entre eux pour réaliser, au moins deux fonctions essentielles, l'une étant notamment d'assurer un transfert de calories à partir d'un fluide caloporteur tel que de l'eau glycolée par exemple ; 11 autre d'assurer l'évaporation d'un fluide frigorigène avec fabrication de glace suivant le niveau de température. Cet échangeur peut éventuellement accomplir également, au moins une troisième fonction, celle d'assurer le décollage de la glace précédemment fabriquée et accrochée à l'échangeur.Pour-obtenir ces trois fonctions dans l'état actuel de la technique, on doit avoir recours à des agencements compliqués de circuit de circulation de fluide, difficiLes à mettre en oeuvre, encombrants et relativement couteux. Un échangeur 1 selon l'invention comprend un tube de section circulaire comportant une partie creuse centrale 3 destinée à la circulation d'un premier fluide frigorigène, autour de laquelle sont disposés concentriquement et diamétralement opposés deux par deux, une série de paire d'alvéoles annulaires. Dans l'exemple décrit sont prévues deux alvéoles 4 et 5 destinées à la circulation d'un fluide caloporteur tel que de l'eau glycolée,par exemple, et deux alvéoles 6 et 7 destinées à la circulation d'un troisième fluide dit de dégivrage dont la fonction sera précisée plus loin.Le nombre et la répartition des alvéoles à la périphérie de la partie centrale 3 ne sont pas limitatifs. La surface de cette partie centrale peut comporter certaines zones 20 striées qui ont pour objet d'augmenter la surface de contact, donc la surface d'échange thermique à ce niveau. Ce tube 2 est équipé également d'au moins deux ailettes 8 et 9 solidaires du tube 2, diamétralement opposees et dans le prolongement l'une de l'autre. Un tel échangeur peut être réalisé sous la forme d'un profilé par exemple en aluminium, obtenu par la technique connue du filage, ce qui conduit à une souplesse et à un coût de fabrication extrémement intéressants. Ce tube est ensuite cintré et conformé en serpentin déterminant un chemin optimal pour chacun des fluides, compte tenu de l'échange thermique désiré. Une application plus particulièrement intéressante d'un tel échangeur est son utilisation dans un générateur d'eau chaude du type "pompe à chaleur" destinée par exemple au transfert de calories extraites à partir d'une source dite froide vers une source chaude qui peut être constituée, par exemple par des convecteurs eau-air. La figure 2 représente une installation de chauffage destinée à équiper un local d'habitation et à assurer à la fois la fourniture d'eau chaude sanitaire et/où le chauffage des lieux au moyen de convecteurs eau-air (non représenté sur la figure 2 et du type de ceux que l'on rencontre dans les installaion de chauffage central classiques). Les calories sont prlQ- vées au niveau d'un capteur 21. I1 peut s'agir par exemple d'un réservoir métallique de faible épaisseur dans lequel circule un fluide caloporteur, ce réservoir étant placé dans une zone d'ensoleillement maximum. Ces calories sont transférées au moyen de ce fluide caloporteur vers un échangeur thermique 1 conforme à l'invention, placé à l'intérieur d'un réservoir d'eau 22.La circulation entre le capteur 21 et l'échangeur l-est créée ou interrompue par un système de pompe 23 et de vannes telles que 24 et 25. Un vase d'expansion 30 est également prévu. Les fléches 26 et 27 indiquent le sens de circulation du fluide caloporteur. Celui-ci circule dans les alvéoles 4 et 5 telles que décrites au moyen de la figure I de l'échangeur 1 immergé dans le réservoir 22 contenant de l'eau 31 qui constitue une inertie thermique important. Dans le circuit frigorifique de la pompe à chaleur on retrouve : d'une part, le circuit basse pression 49 comportant l'évaporation au niveau de l'échangeur thermique 1 conforme à l'invention et l'aspiration (circuit 43) ;d'autre part, le circuit haute pression comportant le refoulement (circuit 54), la condensation (condenseur 35) et la ligne liquide 43. Le fluide frigorigène circule dans ce circuit 43 (symbolisé en traits interrompus) depuis le condenseur 35 jusqu'à la partie centrale 3 de l'échangeur 1 à travers,notamment,un filtre deshydrateur 44, une vanne magnétique 45, un voyant de circulation 46, une zone 47 dite de sous refroidissement et un détendeur thermostatique 48. Dans l'exemple décrit deux motocompresseurs 32 et 33 sont prévus. Ils sont montés en parallèle et équipés de leurs présostats 40 et 41. Le premier circuit de l'eau de chauffage 56 comprend notamment un serpentin de chauffage 57 relié à un ballon tampon 60 de grande capacité (par exemple de l'ordre de 200 litres) équipé de son vase d'expansion 70. Ce ballon 60 sert de réservoir d'eau chaude et il est relié au reste de l'installation de chauffage, non représentée sur la figure, par les circuits aller et retour référencés 65 et 66. La circulation de l'eau de chauffage se fait au moyen d'une pompe 80. Une vanne 68 du type vanne à trois voies permet de choisir le fonctionnement dit "d'hiver ou d'été" selon que l'on utilise à la fois la pompe à chaleur pour le chauffage des locaux et pour le chauffage de l'eau sanitaire ou seulement pour cette dernière application. Le circuit d'eau sanitaire comprend le ballon d'eau sanitaire 74 rempli au moyen d'un circuit indépendant alimenté en 72 par l'eau du réseau qui se réchauffe au contact d'un serpentin 73 situé dans le ballon tampon 60 avant d'atteindre le ballon sanitaire 74.Un second circuit de chauffage indépendant du premier est prévu pour réchauffer l'eau du ballon sanitaire 74 : il comprend un serpentin de chauffage 81 situé à l'intérieur du ballon relié à un petit serpentin 82 dit de "désurchauffage" situé dans la partie haute du condensateur 35. La flèche 84 montre le sens de circulation du fluide de chauffage de ce second circuit. La circulation est assurée au moyen d'une pompe 86. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens sont prévus assurant l'adaptation de la pompe à chaleur, équipé d'un échangeur conforme à l'invention, à l'installation générale de chauffage décrite ci-dessus. Ces moyens permettent la mise en place d'un circuit de dérivation du circuit de chauffage de l'eau sanitaire entre le ballon sanitaire, l'échangeur et le serpentin de désurchauffage 82 qui comprend une vanne 90 (comportant trois voies a, b, c) et un clapet de retenu 91. La fonction accomplie par ce circuit de dérivation sera expliquée au cours de la description du fonctionnement de l'installation qui est donnée ci-dessous. Si la température du fluide caloporteur est supérieure à zéro, tous les fluides, caloporteur, frigorigène, de dégivrage, circulant dans les alvéoles et la partie centrale creuse de l'échangeur 1 sont à une température supérieure à zéro. Le transfert des calories peut alors s'effectuer dans de bonnes conditions. C'est le premier cycle de fonctionnement de l'installation. On sait que plus la différence de température entre la température de la source froide fournissant les calories et la température de l'eau chaude obtenue à la sortie de la pompe à chaleur est faible, meilleur est le rendement. Si la température re extérieure descend, la température du fluide caloporteur descend également, ainsi que celle du fluide frigorigène grâce aux qualités de l'échangeur conforme à l'invention.A partir d'une certaine température, la glace va commencer à se former sur la périphérie du tube 3 de l'échangeur et sur ses ailettes. Les dimensions de celles-ci ont été choisies pour qu'elles supportent la formation d'une couche de glace d'une épaisseur déterminée, la glace ne recouvrant néanmoins pas les extrémités des ailettes ce qui risquerait de poser ensuite des problèmes de séparation de cette glace ainsi formée de son support. On arrête le transfert entre le capteur et l'échangeur dès que la puissance échangée devient insuffisante, ce qui correspond à la température limite de fonctionnement du capteur. On change alors de source froide, le capteur étant remplacé par l'inertie thermique du réservoir. Ensuite vient le deuxième cycle de fonctionnement dit "avec formation de glace".L'échangeur a accompli ses deux premières fonctions : celle de transfert de calories au fluide frigorigène et celle d'évaporateur de ce même fluide frigorigène. Pendant ce deuxième cycle de fonctionnement, cet échangeur va accomplir une troisième fonction : à savoir celle de permettre, dès que la couche de glace a atteint une épaisseur critique qu'il est souhaitable de ne pas dépasser, la séparation de cette couche de son support pour pouvoir en redéposer une suivante, la redécoller à son tour et ainsi de suite. L'expérience montre que les températures les plus basses interviennent très généralement la nuit et qu'elles coïncident précisément avec des heures creuses de consommation d'eau chaude sanitaire. Le circuit de dérivation de l'eau de chauffage dû. circuit de chauffage du ballon sanitaire tel que décrit au moyen de la figure 2 est alors mis en action, pendant le dégivrage.Les voies a et b de la vanne trois voies 90 sont en communication durant le premier cycle de fonctionnement ne comportant pas de fabrication de glace, mais durant le second cycle,. ce sont les voies a et c qui communiquent entre elles. De cette façon l'eau de réchauffage de ce circuit jouant alors la fonction de i1u16.e de dégivrage circule dans les alvéoles de l'échangeur I prévues à cet effet en amenant des calories au niveau de l'échangeur. Cet apport de calories réchauffe l'échangeur et provoque le décollage de la couche de glace qui s'échappe de la surface extérieure de l'échangeur pour monter à la surface du réservoir d'eau. Le fonctionnement du dégivrage peut être commandé automatiquement à partir d'un organe de détection déterminant par exemple l'épaisseur de la glace formée et non représentée sur la figure.Dès que la température au niveau du capteur devient supérieure à celle qui correspond à la limite de fonctionnement de celui-ci, ce cycle de fonctionnement avec glace est interrompu et le premier cycle reprend. Lorsque le fluide caloporteur atteint une température supérieure à zéro degré, la glace accumulée dans le réservoir commence à fondre. En cas de non fonctionnement des capteurs une circulation d'eau du réseau arrivant en 100 et sortant en 102 peut être prévu pour réchauffer l'eau du réservoir 22 et contribuer à faire fondre la glace contenue dans ce réservoir. La mise en oeuvre d'un échangeur conforme à l'invention présente de nombreux avantages. Tout d'abord, sa fabrication est simple. Dès que la filière a été fabriquée, le coût du tube avec ses différentes alvéoles et ses ailettes est principalement et presque uniquement lié au prix de la matière première mise en jeu. Ensuite la conception intégrée des circuits de circulation des trois fluides, caloporteur, frigorigène coopérant avec l'eau du réservoir et de dégivrage assure un échange thermique optimal. Enfin, les fonctions accomplies par cet élément, permettent sa mise en oeuvre dans une pompe à chaleur à fonctionnement continu avec un rendement acceptable. L'invention s'applique notamment aux installations de chauffage pour locaux commerciaux ou d'habitation. REVENDICATIONS 1) Echangeur thermique pour pompe à chaleur, caractérisé en ce qu'il est constitué par un profilé d'un matériau bon conducteur de la chaleur1 comportant un tube cylindrique de section circulaire, portant sur sa périphérie au moins deux ailettes diamétralement opposées et situées dans le prolongement l'une de l'autre, ce tube comprenant d'une part, une partie creuse centrale destinée a' la circulation d'un fluide frigorigène et d'autre part, réparties entre cette partie creuse et la périphérie du tube, au moins deux paires d'alvéoles, disposées concentriquement, les alvéoles de chaque paire étant opposées l'une à l'autre, l'une de ces paires d'alvéoles étant destinées à la circulation d'un fluide caloporteur et l'autre paire à la circulation d'un fluide dit de dégivrage ; le tube, les ailettes, la partie creuse et les alvéoles étant réalisés en une seule pièce ce qui assure un échange thermique optimal entre les différents fluides. 2) Echangeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface délimitant la partie creuse est striée, présentant ainsi une surface d'échange accrue. 3) Echangeur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est réalisé en aluminium et obtenu par filage. 4) Pompe à chaleur comportant dans son circuit frigorifique, un échangeur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'échangeur étant placé à l'intérieur d'un réservoir d'eau, lorsque le fluide caloporteur circulant dans l'échangeur atteint une température suffisamment basse, l'évaporation du fluide frigorigène provoque la formation de glace sur la surface extérieure du tube et des ailettes de l'échangeur. 5) Pompe à chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fluide de dégivrage durant un cycle de fonctionnement dit "avec fabrication de glace" apporte des calories qui, par conduction,réchauffe la surface extérieure du tube et des ailettes provoquant ainsi le décollage de la glace ainsi formée. 6) Installation de chauffage d'une réserve d'eau au moyen d'une pompe à chaleur selon l'une des revendications 4 et 5 dont la source froide est un capteur fournissant les calories au fluide frigorigène, caractérisé en ce que l'échangeur est placé à l'intérieur d'un réservoir d'eau de telle sorte que lorsque la température limite de fonctionnement du capteur est atteinte, le transfert entre le capteur et l'échangeur est arrêté, la source froide étant alors remplacée par l'inertie thermique de l'eau contenue dans le réservoir. 7) Installation de chauffage selon la revendication 6 dans laquelle la réserve d'eau est constituée par un premier circuit de rechauffement de l'eau destiné à alimenter des convecteurs eauair et un second circuit de réchauffement de l'eau sanitaire, caractérisée en ce que la source froide fournissant les calories à la pompe est constituée par le fluide caloporteur qui capte les calories au niveau d'un capteur, tant que la température de celui-ci est égal ou supérieure, à la température limite de fonctionnement du capteur. 8) Installation de chauffage selon la revendication 7, caractérisée en ce que,dès que la température du fluide frigorigène ne est inférieure à une température déterminée, l'évaporation du fluide frigorigène provoque la formation d'une couche de glace sur la surface externe de l'échangeur. 9) Installation de chauffage selon la revendication 8, caractérisé en ce que dès que la couche de glace formée sur la surface externe de l'échangeur atteint une épaisseur critique, un circuit de dérivation est mis en place, à partir du circuit de de chauffage de l'eau sanitaire, dans les alvéoles destinées à la circulation du fluide de dégivrage, assurant la circulation d'un fluide apportant à l'échangeur pendant un temps déterminé une quantité de calories suffisante pour assurer le décollage de cette couche de glace. 10) Installation de chauffage selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que, à un cycle de formation d'une couche de glace succède un cycle de décollage de cette couche et ceci tant que la température de fonctionnement du capteur est inférieure à cette température limite.