Brevet FR2460466A1 — publié le 19810123

Installation de transmission de chaleur de sécurité La présente invention concerne une installation de transmission de chaleur permettant la transmission de chaleur entre un fluide frigorigène et un liquide qui en est séparé, en particulier pour le chauffage d'eau potable ou d'eau industrielle, dans laquelle un dispositif de transmission de chaleur couplé à un réservoir à liquide est introduit dans le réservoir à liquide. Pour récupérer de la chaleur d'installations frigorifiques ou de circuits de refroidissement (sensiblement selon la demande de brevet allemand publiée sous le numéro 2.530.994), on fait passer le fluide frigorigène dans un dispositif de transmission de chaleur (un condenseur par exemple) qui est incorporé à un réservoir à liquide. Le fluide frigorigène cède son énergie thermique au liquide (l'eau), par exemple par condensation dans le tube du condenseur. pilais cette installation de transmission de chaleur nécessite pour la transmission de la chaleur de grandes surfaces d'échange, et donc de grandes longueurs de tube. Cela entraîne une très importante perte de charge, bien entendu indésirable, du côte du fluide frigorigène. Outre ces inconvénients, cette installation laisse à désirer sur un point, à savoir que, depuis quelque temps, il est de plus en plus exigé une meilleure sécurité pour le traitement de l'eau potable. I1 faut notamment éviter le chauffage direct de l'eau potable ou industrielle, alors que dans les installations existantes le fluide frigorigène et l'eau potable ne sont séparés que par une paroi et, par conséquent, il y a un risque de rupture, et donc de passage du fluide frigorigène dans l'eau potable. L'invention a donc pour objet de procurer une installation de transmission de chaleur qui réponde parfaitement à cette condition de sécurité par séparation plus complète du liquide et du fluide frigorigène, avec transmission de chaleur optimale. Cet objectif est atteint, selon l'invention, grâce au fait que le dispositif de transmission de chaleur est formé par au moins un tube chauffant dont l'extrémité qui se trouve à l'extérieur du réservoir à liquide est disposée dans un réservoir à fluide frigorigène parcouru par un fluide frigorigène, qui est relié au réservoir à liquide par une double paroi traversée par le ou les tubes chauffants. L'invention procure ainsi un dispositif de transmission de chaleur de sécurité qui assure la séparation du fluide frigorigène et du liquide (eau potable ou industrielle) et empêche tout passage du fluide frigorigène dans le liquide (eau potable ou industrielle), et qui, en même temps, signale indirectement une fuite éventuelle en faisant apparaitre une diminution de puissance. En utilisant des tubes chauffants comme dispositif de transmission de chaleur, on fait passer la chaleur du côté qui doit céder la chaleur au côté qui doit l'évacuer, très vite et avec un haut rendement énergétique. Les tubes chauffants sont pour cela disposés d'une manière nabituelle, comme par exemple dans les échangeurs à faisceau de tubes. Monté entre le fluide frigorigène et le liquide (eau potable), le circuit de tubes chauffants refermé sur lui-même forme un circuit intermédiaire extrêmement bon conducteur. Pour qu'une séparation sûre des espaces situés respectivement du côté du fluide frigorigène et du côté de l'eau soit alors réalisée, l'invention prévoit une double paroi. I1 en résulte qu'en cas de fuite, que ce soit du côté du fluide frigorigène ou du côté du liquide (eau), l'un des fluides ne passe pas dans l'autre, mais s'échappe à l'air livre. La défaillance d'un tube quelconque, par exemple du fait de la corrosion, se manifeste du côte du liquide (eau) par une baisse de puissance, par exemple dans le chauffage de l'eau potable. L'agencement selon l'invention implique un autre avantage important par rapport aux dispositifs de transmission de chaleur utilisés jusqu'à présent. En cas de défaillance d'un ou de plusieurs tubes chauffants, le dispositif de transmission de chaleur reste en état de marche, quoique avec une puissance moindre, si bien que la durée de non-fonctionnement, de l'installation frigorifique par exemple, se réduit purement et simplement à celle de la réparation. Compte tenu de l'aspect sécurité susmentionné, une forme de réalisation particulière de l'invention se caractérise en ce que le tube chauffant est empli d'un fluide neutre ou sans danger vis-à-vis du liquide (eau potable ou industrielle). Pour qu'il n'y ait pas de renvoi de chaleur, les tubes chauffants sont de préférence inclinés 5 en effet, les tubes chauffants ne travaillent habituellement pas contre la pesanteur. Les tubes chauffants pourraient certes avoir également une structure capillaire interne, mais cette structure devrait être construite de manière qu'il n'y ait pas de renvoi de chaleur. Pour que l'installation de transmission de chaleur soit utilisée comme condenseur, le tube chauffant est incliné du côte du fluide frigorigène. Dans ce cas, il est préférable que le tube chauffant, placé dans un réservoir à liquide plein d'eau, soit lui aussi plein d'eau. Dans une utilisation recommandée de l'installation de transmission de chaleur comme évaporateur (donc quand, par exemple, la chaleur du réservoir à liquide doit être prélevée), le tube chauffant est incliné du côté du liquide. Pour emplir le tube chauffant, il est recommandé d'utiliser des alcools inoffensifs, de préférence l'éthanol, c'est-àdire des alcools qui ne sont pas nocifs pour les consommateurs d'eau. Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, la double paroi est ouverte, au moins en partie, pour qu'en cas de fuite le fluide frigorigène ou le liquide puisse s'échapper à l'air libre. Une signalisation directe des fuites est de préféren- ce rendue possible grâce au fait que l'espace compris entre les deux parois est relié à un dispositif indicateur, si bien qu'une fuite peut être décelée par des moyens autres que visuels. I1 est préférable que, dans une telle installation de transmission de chaleur, au moins une partie de la double paroi forme une bride. Cela apporte des avantages particuliers quand une unité composée d'un réservoir à fluide frigorigène, d'un tube chauffant et d'une double paroi, peut être raccordée par une bride au réservoir à liquide, à volonté dans une position d'évaporateur ou de condenseur. Une telle unité peut alors être installée comme évaporateur ou comme condenseur, suivant le côté vers lequel les tubes chauffants sont inclinées. Une telle possibilité d'emploi est, par exemple, avantageuse pour le fonctionnement dans les deux sens des climatiseurs (emploi comme installation de refroidissement ou comme pompe à chaleur). La construction du réservoir à liquide se fait de prference comme celle d'un réservoirà eau chaude ou d'un réservoir à circulation forcée. Une autre forme de réalisation préférée de l'invention se caractérise en ce que, dans une installation de transmission de chaleur se composant d'au moins un tubenoyau et d'un tube-enveloppe glissé par dessus celui-ci, le tube chauffant est formé par le tube-noyau fermé à ses extrémités, et les réservoirs à fluide frigorigène et à liquide, à double paroi, sont formés par des parties du tubeenveloppe, séparé en son milieu, qui sont reliées chacune au tube chauffant, des ouvertures pour les deux parties du tubeenveloppe étant prévues près du milieu. Les évaporateurs et condenseurs sont de préférence agencés sous une forme coaxiale. L'installation de transmission de chaleur est avantageusement allongée ou incurve, en particulier elle peut être réalisée sous une forme enroulée en spirale ou en hélice. Pour l'utilisation d'une installation de transmission de chaleur enroulée en tant que condenseur, le fluide frigorigène se trouve dans la partie inférieure du tube enveloppe, tandis que pour-l'utilisation en tant qu'évaporateur, c'est le liquide qui se trouve dans la partie inférieure. Pour l'emploi préféré de l'installation de transmission de chaleur de sécurité en tant que refroidisseur d'huile, l'huile à refroidir se trouve dans la partie inférieure du tube-enveloppe, et l'eau, en tant que fluide frigorigène, se trouve dans sa partie supérieure. Grâce au dispositif de transmission de chaleur de sécurité, on évite donc en particulier que l'eau passe dans le circuit d'huile d'une machine, ce qui pourrait éventuellement avoir des effets néfastes pour la machine. De préférence, les parties du tube-enveloppe sont reliées chacune, au milieu, au tube chauffant par des pièces intercalaires. Pour améliorer encore la transmission de chaleur, les extrémités du tube chauffant présentent des nervures extérieures, dans une forme d'exécution particulière de l'invention. L'invention va être décrite plus en détail, au moyen des exemples de réalisation suivants, représentés sur les dessins ci-joints La Figure 1 représente une installation de transmission de chaleur de sécurité selon l'invention, dans un montage en condenseur pour le chauffage d'eau industrielle, La Figure 2 est une coupe longitudinale de l'installation de transmission de chaleur, La Figure 3 est une coupe transversale de la double paroi suivant la ligne A-A de la Figure 2, La Figure 4 représente une installation de transmission de chaleur dans un montage en évaporateur, La Figure 5 représente le principe d'une installation de transmission de chaleur dans une forme de réalisation allongée, La Figure 6 est une vue de côté d'une installation de transmission de chaleur coaxiale, dans une réalisation en forme d'hélice, et La Figure 7 représente l'installation de la Figure 6 rabattue vers le haut. Dans le montage destiné au chauffage d'eau industrielle selon la Figure 1, l'installation 1 de transmission de chaleur de sécurité est utilise dans un cycle habituel de r frigera- tion avec une soupape de détente 2, un évaporateur 3, un compresseur 4, un condenseur 5 refroidi à l'air, un accumulateur 6 et un fluide frigorigène 7. L'installation 1 de transmission de chaleur se compose d'un réservoir 8 à fluide frigorigène, dans lequel sont placés des tubes chauffants 9 pleins d'eau (un seul tube chauffant 9 est représente sur la Figure 2). Les tubes chauffants 9 y traversent une double paroi 11. La fixation de l'ensemble ainsi construit sur le réservoir 10 à liquide, qui est plein d'eau, se fait par une bride 11' (suivant les dimensions du réservoir 8 à fluide frigorigène, il est prévu d'autres supports non représentés). Sur la coupe de la Figure 3, on reconnatt par exemple, dans la moitié supérieure, comme forme de réalisation possible, la disposition alignée des tubes chauffants 9, et leur dispcsition décalée dans la moitié inférieure. Les tubes chauffants 9 sont, de manière connue, des tubes fermés mis sous vide et étanches au vide à leurs deux extrémités 9' et 9", qui sont nervurées extérieurement, les tubes chauffants 9 étant inclinés du coté du fluide frigorigène pour que le condensat puisse refluer au fur et à mesure. Les tubes chauffants 9 sont maintenus dans le réservoir 8 à fluide frigorigène au moyen d'un écran perforé 12 et d'une moitié de la double paroi 11. Le fonctionnement de l'installation 1 d'échange de chaleur est tel que le fluide frigorigène 7 qui traverse le réservoir 8 à fluide frigorigène dans le sens de la flèche, cède son énergie calorifique aux tubes chauffants 9, qui de leur côté réchauffent l'eau froide entrant dans le réservoir à eau 10. I1 peut être prévu en outre une commutation qui assure que, après échauffement de-l'eau à la température voulue, la condensation totale a lieu dans le condenseur 5 refroidi à l'air. Si une fuite survient dans un ou plusieurs tubes chauffants 9, elle est rendue perceptible par une baisse de puissance dans l'échauffement de l'eau industrielle. En cas de fuite dans la double paroi 11, le fluide frigorigène 7 ou l'eau s'échappe à l'air libre, c'est pourquoi il est bon que l'espace libre 13, entre les deux parois 11, soit relié à un détecteur de fuites (non représenté). La Figure 4 représente une installation 1 de transmission de chaleur dans un montage en évaporateur. A la différence de la Figure 1, l'installation 1 de transmission de chaleur est disposée ici en tant qu'évaporateur avant le compresseur 4 (par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène 7), les tubes chauffants 9 etant inclinés du côté du liquide. Le réservoir 10 à liquide peut être construit soit sous la forme-d'un "réservoir d'accumulation" pour l'eau résiduelle qui est soutirée pour récupération de chaleur, soit sous la forme d'un réservoir à circulation forcée, dans lequel, par exemple, des eaux souterraines sont pompées comme source d'énergie pour une pompe à chaleur. Dans ces deux cas, le condenseur 5 refroidi à l'air doit le plus souvent être remplacé par un condenseur refroidi à l'eau. Le montage selon la Figure 4 avec l'installation 1 de transmission de chaleur peut également être utilisé pour une masse d'eau froide en vue du refroidissement d'eau en circulation. Pour les présentes fins d'application industrielle, on a obtenu de bons résultats avec une installation 1 de transmission de chaleur de sécurité à faisceau de tubes dont le réservoir 8 à fluide frigorigène avait une longueur de 350 mm et un diamètre de 90 x 3 mm, et dans lequel 12 ou 13 tubes chauffants 9 étaient disposés comme .dans la moitié supérieure de la Figure 3, à une distance de 18 mm l'un de 1' autre. Les tubes chauffants 9 à nervures longitudinales intérieures, en cuivre exempt d'oxygène, avaient les dimensions suivantes Longueur : 750 mm Diamètre extérieur : 16 mm Diamètre du noyau : 9 mm Nombre des nervures intérieures : 25 Hauteur libre des nervures extérieures: : 1,55 mm L'eau de remplissage pesait 6 grammes. Avec la longueur ci-dessus de 750 mm des tubes chauffants 9 et une largeur de 20 mm de l'espace 13 entre les deux parois 11, la profondeur d'immersion des tubes chauffants 9 dans le réservoir 10 à liquide était de 400 mm environ. Dans l'installation 1 de transmission de chaleur sous la forme de réalisation allongée de la Figure 5, les tubes chauffants 9 sont disposés dans les parties 14' et 14" d'un tube-enveloppe 14 ; ici, le'réservoir à liquide 10 est formé par la partie 14' et le réservoir 8 à fluide frigorigène par la partie 14". La double paroi 11 disposée au milieu 17 résulte de la liaison des parties respectives 14' et 14" avec les tubes chauffants 9. Près de la double paroi 11 sont prévues des ouvertures 15 pour le fluide frigorigène 7 et pour le liquide. Sur les Figures 6 et 7, est représentée une installation 1 de transmission de chaleur, à structure coaxiale, dans une forme de réalisation en hélice. Dans les parties 14' et 14" du tube-enveloppe 14, un seul tube chauffant 9 est disposé. Les parties 14' et 14" sont reliées, au milieu 17, au tube chauffant 9, par des pièces intercalaires 16. Les pièces intercalaires 16 présentent des ouvertures correspondantes 15. L'utilisation comme condenseur est évidente : le réservoir 8 à fluide frigorigène est formé par la partie inférieure 14", le réservoir 10 à liquide par la partie supérieure 14'. Pour une utilisation de l'installation 1 de transmission de chaleur selon les Figures 6 et 7 en tant que refroidisseur d'huile, l'huile se trouve dans la partie inférieure 14" et l'eau dans la partie supérieure 14'. Avec une installation 1 de transmission de chaleur coaxiale enroulée en hélice (4,5 spires, diamètre de l'enroulement: : 260 mm), on a obtenu de bons résultats. Le tube-enveloppe 14 en cuivre exempt d'oxygène avait une longueur de 3700 mm et un diamètre de 25 x 1 mm le tube chauffant 9 était réalisé d'une façon analogue à l'exemple précédent et avait une longueur de 3900 mm environ. L'eau de remplissage pesait 35 grammes. REVE DICATIONS 1. Installation de transmission de chaleur permettant la transmission de chaleur entre un fluide frigorigène et un liquide qui en est séparé, en particulier pour le chauffage d'eau potable ou d'eau industrielle, dans laquelle un dispositif de transmission de chaleur couplé à un réservoir à liquide est introduit dans le réservoir à liquide, caractérisée en ce que le dispositif de transmission de chaleur est formé pr au moins un tube chauffant (9) dont l'extrémité (9') qui se trouve à l'extérieur du réservoir à liquide (10) est disposée dans un réservoir à fluide frigorigène (8) parcouru par un fluide frigorigène (7), qui est relié au réservoir à liquide (10) par une double paroi (11) traversée par le ou les tubes chauffants (9). 2. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube chauffant (9) est empli d'un fluide neutre vis-à-vis du liquide. 3. Installation de transmission. de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le tube chauffant (9) est incliné. 4. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 3, caractérisée en ce que le tube chauffant (9) est incliné du côté du fluide frigorigène. 5. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 4, caractérisée en ce que, lorsque le réservoir à liquide (10) est empli d'eau, le tube chauffant (9) est lui aussi empli d'eau. 6. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 3, caractérisée en ce que le tube chauffant (9) est incliné du côte du liquide. 7. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 6, caractérisée en ce que le tube chauffant (9) est empli d'un alcool inoffensif. 8. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 7, caractérisée en ce que le tube chauffant (9) est empli d'éthanol. 9. Installation de transmission de chaleur selonl'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la double paroi (11) est ouverte au moins en partie. 10. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'au moins une partie (11') de la double paroi (11) forme une bride. 11. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 4, 6 ou 10, caractérisée en ce qu'une unité composée du réservoir à fluide frigorigène (8), du tube chauffant (9) et de la double paroi (11) peut être reliée par une bride au réservoir à liquide (10), à volonté en position d'évaporateur ou de condenseur. 12. Installation de transmission de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'un détecteur de fuites est disposé dans l'espace libre (13) compris entre les deux parois (11). 13. Installation de transmission de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le réservoir à liquide (10) est construit comme un réservoir à eau chaude. 14. Installation de transmission de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le réservoir à liquide (10) est construit comme un réservoir à circulation forcée. 15. Installation de transmission de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 et 12, caractérisée en ce que dans une installation de transmission de chaleur se composant d'au moins un tube-noyau et d'un tubeenveloppe (14) glissé par dessus celui-ci, le tube chauffant (9) est formé par le tube-noyau fermé à ses extrémités, et les réservoirs à fluide frigorigène (8) et à liquide (10), à double paroi (11), sont formés par des parties (14', 14") du tube-enveloppe (14) séparé en son milieu (17), qui sont reliées chacune au tube chauffant (9), des ouvertures (15) pour les deux parties (14', 14") du tube-enveloppe étant prévues près du milieu (17). 16. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle a une construction coaxiale. 17. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 15 ou 16, caractérisée en ce qu'elle a une construction allongée. 18. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 15 ou 16, caractérisée en ce qu'elle a une construction incurvée. 19. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 18, caractérisée en ce qu'elle est enroulee en spirale ou en hélice. 20. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 19, caractérisée en ce que le fluide frigorigène (7) se trouve dans la partie inférieure (14") du tubeenveloppe (14). 21. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 19, caractérisée en ce que le liquide se trouve dans la partie inférieure (14") du tube-enveloppe (14). 22. Installation de transmission de chaleur selon la revendication 21, caractérisée en ce qu'il y a de l'huile dans la partie inférieure (14") du tube-enveloppe (14) et de l'eau dans sa partie supérieure (14'). 23. Installation de transmission de chaleur selon l'une quelconque des revendications 15 à 22, caractérisée en ce que les parties (14', 14") du tube-enveloppe sont reliées chacune au tube chauffant (9), au milieu (17), par des pièces intercalaires (16). 24. Installation de transmission de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisée en ce qu'au moins une extrémité (9',9"i- du tube chauffant (9) pressente des nervures extérieures.