Brevet FR2485169A1 — publié le 19811224

Perfectionnements aux installations de fourniture d'eau chaude comprenant un système thermodynamique. La présente invention, due à Monsieur Jules Antoine CHAPELLE, Agent d'ELECTRICITE DE FRANCE, en collaboration avec Messieurs Jean Pierre LEVACHER et Monsieur Emile SANZEY de la Société FROID SATAM BRANDT et Monsieur Pierre VIRONNEAU de la Société de Construction de systèmes d'Eco- nomie d'Energie (S.C.S.E.E.) a pour objet une installation de fourniture d'eau chaude comprenant un système thermo- dynamique dont le circuit, parcouru par un fluide en phases liquide et vapeur, comporte successivement un groupe com- presseur, un condenseur (source chaude) comportant un échan- geur de translert de chaleur à un circuit d'eau chaude, un détendeu: u. l de- déchange t!icrmique avec le flui- de non so..id-eFiable d'une source froide. On conảlt déj3A de nombreuses instal]ations de ce type destinées -cn prodlcction d'eau chaude pour des besoins in- dustriej.3 -ii r p.-ar des bescins doEiestiques {fournitare d'eau sanitai-u %u ciuu2fage notamment). Los. es besoins de chauffage sont les plus impor- tants, c s,- l-dI.1e iorsque la tempéerature ambiante est la plus basi:e coeffiient de perfo -ance de la pompe à chas leur balisse et se rapproche de 1 pour les températures des sources froides habituellement disponibles. On sait qu'on appelle "coefficient de performance", le rapport.entre l'éner- gie électrique thermique fournie à la source chaude et l'ê- nergie électrique fournie à l'ensemble de l'installation et notamment à son compresseur. On a également propose, pour la fourniture d'eau chau- de, des générateurs solaires utilisant l'effet de serre pour chauffer l'eau qui circule dans des échangeurs. Mais l'éner- gie solaire a un double inconvénient: elle n'est pas dispo- nible de nuit; de jour elle est aléatoire. La présente invention vise à fournir une installation de fourniture d'eau chaude répondant mieux que celles anté- rieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet tout à la fois de maintenir un coeffi- cient de performance nettement supérieur à l'unité et d'évi-- Z485169 ter les aléas du chauffage solaire. Dans ce but, l'invention propose notrment une in-Ital- lation du genre ci-dessus défini, dont la source froide com- porte un échangeur solaire de chauffage du fluide non solidi- fiable et une masse d'eau dont la chaleur latente de solidi- fication constitue un volant thermique, des moyens étant prévus pour ramener la glace constituée à partir de ladite masse à l'état liquide, par apport d'éneri.e tbe%-7ique lî pa!- tir de l'installation; cette énergie sera clle ceptée p'i l'échangeur solaire; C4néralerent l'installation est avantcgeusitunt prévue pour que cet apport puisse être fourni exeeptionnel lement par l'eau des réseaux'de distribution, L'invention sera mieux comprise à la lecture T la cription qui suit d'installations qui en co titx e st des modes particuliers de réalisation. données 2 t.!/c-1 d':;:xem- ples non limitatifs. La description se réfre, ux deskns q2li l'accompagnent, dans lesquels c - la figure 1 est un schéma de principe nrsnt! es c-mle sants principaux d'une installation; -la figure 2 est un schéma, plus détaillé que celui de la figure 1, montrant une réalisation réelle possible del'in$- tallation schématisée en figure 1 dans]a cQ!fic:3rtior f _ brication de glace - la figure 3, similaire à la fiçnu'- 2: xnt:: une var-.'e,-k -25 de réalisation qui porte pour l'essen-e a:-: la concept de l'échangeur évaporateur; - la figure 4 est une demi-vue en élévation simplifiée de l'échangeur évaporateur d'une installation conçue suivant la configuration stockage de -glace sur liéchangeur évFpora- teur immergé dans le bac contenant la masse d'eau formanet volant thermique; - la figure 5 est une vue en coupe partielle suivant lT ligne 5-5 de la figure 4; - la figure 6 est une vue en coupe partielle suivant la li- gne 6-6 de la-figure 4, - la figure 7 est une vue de dessus schématique de la figure 4; - la figure 8 est une vue de détail à grande échelle montrant, en élévation, un fragment de l'échangeur évaporateur de la figure 4, - les figures 9 et 10 sont des vues en coupe suivant les li- gnes IX-IX et X-X de la figure 8. Pour plus de clarté, les différents circuits de liins - tallation montrés en figure 1 sont représentés par des traits d'épaisseur différentes. Ces trois circuits, qu'on peut qua- lifier de circuit thermodynamique A, circuit solaire B et circuit hydraulique intermédiaire C, seront successivement décrits. Le circuit thermodynamique A comprend, dans le sens de circulation du fluide thermodynamique qui sera-généralement constitué par un fluide fluoré du genre connu sous la marque "FREON", un groupe compresseur 10, un échangeur désurchauf- feur 11, le faisceau 12 d'un condenseur 13, un détendeur 14 et un échangeur évaporateur 15. Le condenseur 13 et l'échan- geur évaporateur 15 fonctionnent Dar échange thermique, res- pectivement avec une source chaude et une source froide. Dans le mode de réalisation illustré, la source chaude peut être constituée soit par un circuit D d'eau de chauffa- ge, soit par un faisceau 16 de chauffage d'un ballon 17 ap- partenant à un circuit E d'eau chaude sanitaire. Une vanne à trois voies 18 permet de brancher le condenseur 13 soit sur le circuit D d'eau de chauffage (fonctionnement d'hiver), soit- sur le faisceau 16 de production d'eau chaude sanitaire (fonc- tionnement d'été). Dans tous les cas, une boucle intermédiaire 19 munie d'un circulateur 20 permet de transférer les calo- ries du désurchauffeur 11 à un serpentin 21 immergé dans le ballon 17 du circuit d'eau chaude, suivant une variante, le ballon 17 peut être,à volume égal,de faible diamètre et grande hauteur de manière à réaliser une ségré- gation thermique qui permet de faire fonctionner en thermo- siphon la boucle 19, donc de supprimer le circulateur 20. L'installation montrée sur la figure 1 comporte de plus un échangeur à ailettes 22 associé à un ventilateur 23 de circulation d'air et interposé entre le condenseur 13 et le détendeur 14. Il permet de fournir de l'air chaud de ventila- tion de locaux à partir d'air froid prélevé à l'extérieur, du moins lors du fonctionnement d'hiver. Le circuit solaire B comprend un échangeur 25 ou, plus généralement, une batterie d'échangeurs munis chacun de van- nes d'isolement 26, un circulateur 27 et un échangeur intégré à l'évaporateur 15. L'échangeur solairequi n'est pas un capteur solaire à effet de serrene comporte aucun vitrage ou isolation. Il récupère l'énergie du rayonnement solaire, et la chaleur sensible de l'air ambiant lorsqu'il fonction- ne au-dessous de la température ambiante. Le circuit solai- re B est rempli d'un fluide-choisi pour rester en phase liquide dans toutes les conditions de fonctionnement. En règle générale, on utilisera un mélange d'eau et d'un anti- gel tel que l'éthylène-glycol. Un vase d'expansion 28 est prévu sur le circuit, étant donné que le liquide fonction- nera dans une gamme de températures importante. L'installation dont le schéma est donné en figure 1 peut être exploitée de deux manières suivant que l'échangeur éva- porateur 15 est disposé au-dessus du bac de stockage 29 ou dans l'eau de ce bac de stockage; dans le premier cas, l'installation fabrique de la glace, dans le deuxième cas, de la glace est stockée sur l'échangeur évaporateur 15 Suivant la configuration "fabrication de glace", le circuit hydraulique intermédiaire C est parcouru par de l'eau et permet d'accumuler de l'énergie solaire en utilisant la chaleur latente du changement d'état eau-glace. Le circuit C comprend une pompe 32 qui puise l'eau dans un bac de récep- tion 29 et l'envoie vers une rampe d'arrosage 31 d'o l'eau ruisselle et retombe vers le bac. Les pompes, circulateurs et électrovannes du circuit sont associés à un système de commande (non représenté) de façon que le fonctionnement s'effectue comme suit: Lorsque la température du fluide caloporteur qui parcourt le circuit B est supérieure à 0C, la pompe 27 fonctionne en permanence. La pompe 32 amène de l'eau du bac 29 à la rampe 31 d'o elle ruisselle sur l'échangeur évaporateur 15 et revient à l'échangeur. La pompe 32 fonctionne pour autant que la température de l'eau du bac 29 est au-dessous de celle du fluide caloporteur, il y a donc accumulation d'ânergie solai- re sous forme d'échauffement de la masse d'eau dans le bac 29. Dès que le fluide caloporteur qui parcourt le circuit B atteint une température de 0 C, la pompe 32 s'arrête au- tomatiquement. La marche de la pompe 27 est asservioe à la marche du compresseur 10, aussi longtemps que la température du fluide caloporteur du circuit B correspond à un coeffi- cient de performance supérieur à un seuil predeéteraminé, égal à 2,5 par exemple. Dès que la température du fluide dans le circuit B des- cend au-dessous de ce seuil, la pompe 27 est arrêteée. La o10 pompe 32 est par contre mise en marche et son fonctionnement est asservi celui du eomresseur IOo LCeau deversee par la rampe 31 se transfoún,ïs alors partiellemllent en glace. Enfii. lorsqcue la pression d'évaporation du circuit thermodynam que A atteint la valeur minimale correspondant au coefficient de performance minimale ch!oisi à ' naveance, un système y c.ivLaq6e cciiqe est mies en act'îuni. Ce système pcut uti- sr p!.isieurs.ce. -es par exemple le viiant thermiaue constia tue 9ar l 'u dul ballon 17. SE;.:,: un dégivrage ia devien.n circue:,: u d u XcalUpot- ô 'une tempéra- ture supe i-lire m O C par s5nte.'un re:OP.Te.'. ceno!eil lemen'L: Ah f ic'lo n.nent n:Rcrimal repi>end Eh piovoque, sans opération:articulière de dégivrage, la fusion de la glace au coD'tack. Ée 'échangeur évaporateur, le film d'eau ainsi forme =nt..ainant la chute de celle-ci dansle bac 29. A titre d'exemple, on peut indiquer que les valeurs numériques suivantes ont été choisies pour une installation d.omestique de chauffage et de production d'eau chaude. - Le circuit thermodynamique A est prévu de façon que les températures limites du fluide fluore soient les suivan- tes: température de vapeur saturante à l'évaporateur 15, de _10 C à +100 C; température de vapeur saturante à la conden- sation, de +250C à +550C. - Le circuit solaire est prévu pour que la température de son fluide caloporteur, constitué par de l'eau glycolée, puisse varier de -20 C à +600C. - La température de l'eau de chauffage disponible dans le circuit D doit être comprise entre 20OC et 50 C. - La température de l'eau sanitaire dans le circuit E doit être maintenue à 50 C à la sortie du ballon 17 dans les limites d'un tirage de 100 litres à un débit de 100 litres/ mn, compatible pratiquement avec une température d'eau de ville comprise entre +5 C et +15 C. Le système de commande non représente or:.'ndera gcn.- ralement de plus le circuit D d'eau de c.aur-Äe e regu!e la température de distribution de cette e-a% .ct-ion de a température extérieure, généralement suivinir ure loi ll.no- ree Une telle installation s'est révélée de à-tu: fai" nir dans tous les cas un coefficient de performanc ae' moin égal à 2,5. La figure 2 montre, toujours de faç.o. li_-.... = -':; cc.nstitution complète d'une installation du e c' d en faisant référence à la figure I et moirt- B -t!a i c: - figuration "fabrication de glace". Les o:q;nre% f].a:g%.:.- correspondant à ceux de la figure 1 sont d...:. par]- me numéro de référence; ils ne seront pe-s deri: de n?>-,-?i-t Le circuit thermodynamique A présente une constitutic- similaire à celle montrée en figure 1, mais comporte piusieudús échangeurs évaporateurs 15 constitués par des tubes concer,.- triques montés en parallèle et placés au-desss aïu Da 2 -_ fagon a ne pas plonger dans e as-;:i.:m.a - avantageusement constitué de plusi,-.rn tés sur des circuits thermodynamiqtiues J.' e-:s a/ant 3' m-me puissance ou mieux, s'ils sont au nchmibre de ux, afin- respectivement des puissances égales à 1/3 et 2/. de I... sance totale. On peut ainsi adapter la pilssance le-tecus fournie aux besoins du chauffage. Les con -sseurs son- d/i type dont le moteur électrique.d'. i- s:t rer:.s' par les gaz aspires. L'échangeur dIsulufeir Il peut 5tre de constitution classique. Le condensmur pourra etre du tir multitubulaire hélicoïdal, imposant au fluide thermodynamiq e une perte de charge inférieure à 0,15 bars. Ce condenseur devra être isolé pour limiter les pertes thermiques. Le dé- tendeur 14 sera du type thermostatique, avec limitation de pression correspondant à la température d'évaporation la plus élevée (une plage représentative de températures d'évaporation étant -150C à +120C). Les échangeurs évaporateurs 15 pourront être construits en tubes de cuivre et prévus pour imposer au fluide frigorigène du circuit thermodynamique A une perte de charge très faible, typiquement inférieure à 0,08 bar, et une perte de charge sur les circuits hydrauliques inférieure à 2 m de colonne d'eau. La boucle intermédiaire 19, qui permet d'éviter l'échan- ge direct entre fluide frigorigène du circuit A et eau sani- taire du circuit E, pourra être parcouruepar le même liquide que celui qui constitue le caloporteur dans le circuit solai- re B. La figure 2 montre encore un circuit d'eau d'appoint F à partir du réseau R d'eau de ville, comportant une vanne 35 qui amène de l'eau de ville supplémentaire dans le bac 29 dès que la capacité maximale de stockage de glace est atteinte. L'ouverture de cette vanne 35 est commandée par un système de détection du volume de glace, non représenté. La figure 2 montre encore l'un des modes de réalisation possibles du système de dégivrage dont doit être équipée. l'installation. Ce système comprend une vanne à trois voies 36 permettant de dériver le liquide qui parcourt la boucle intermédiaire 19 vers les échangeurs évaporateurs 15. Lorsque la vanne 36 est amenée dans la position de dégivrage, le li- quide qui a parcouru le ballon 17 ne traverse plus l'échan- geur désurchauffeur 11, mais suit un circuit comprenant la vanne 36, une conduite de dérivation 37, le circuit de liqui- de caloporteur des échangeurs évaporateurs 15 et une seconde conduite de dérivation 38.-Un clapet anti-retour 39 empêche le liquide de revenir vers le circuit B. L'installation montrée schématiquement en figure 3 (o les organes correspondant à ceux déjà décrits sont désignés par le même numéro de référence) se différencie essentielle- ment de la précédente en ce que les échangeurs évaporateurs montés en parallèle sont plans et fabriqués suivant la tech- nique "Roll-Bond" consistant à laminer quatre feuilles d'alu- minium ensemble de manière à imbriquer les circuits thermo- dynamiques A et solaire B. Le circuit B. amène les calories recueillies par les échangeurs solaires 25 a un échangeur -. '- - 2485169 intégré à l'évaporateur 15 disposé au-dessus du bac de stocka- ge d'eau 29. Le circuit C comporte une pompe 32 de relevage qui alimente une rampe de ruissellement 31 disposée à la par- tie supérieure des éléments constituant l'échangeur évapora- teur 15. La figure 3 correspond à un montage tel que plusieurs compresseurs peuvent être montés sur le même circuit thermo- dynamique. On retrouve, sur le schéma de la figure 3, un circuit de dégivrage permettant de faire circuler du fluide chaud prove- nant du circuit de chauffage de l'eau chaude sanitaire 17 dans l'échangeur évaporateur 15, par l'intermédiaire de conduites 37 et 38 et d'une vanne à trois voies 36. Enfin, l'installation comporte un ballon-tampon 40 de stockage de l'eau de chauffage. Le fonctionnement -de cette installation est similaire à celui décrit en faisant référeqnce aux figures 1 et 2. A la sortie du compresseur 10, les gaz chauds traversent successi- vement un échangeur désurchauffeur de réchauffage d'un cir- cuit intermédiaire, puis un condenseur 13 o ils se condensent. Le liquide chaud sortant du condenseur 13 est refroidi avant détente dans le détendeur 14., dans un échangeur 22 qui ré- chauffe l'air de renouvellement-des locaux, par-exemple depuis -7 C jusqu'à une température supérieure à +300C. Grâce à ce refroidissement du liquide frigorigène chaud à la sortie du condenseur, on peut amener le coefficient de performance mini- male à une valeur de 2,5, et souvent même de 3. Suivant une variante, les éléments plans de l'échangeur évaporateur peuvent être cintrés suivant des cylindres; dans ce cas, ces moyens peuvent comprendre un système mécanique par fraise tournante. L'installation peut être réalisée sous forme d'un ensem- ble monobloc de production de chaleur, comprenant l'ensemble du circuit thermodynamique, auquel se raccorde simplement les ballons et les échangeurs solaires. Dans la configuration "stockage de glace", l'échangeur évaporateur 15 est immergé dans le bac contenant l'eau desti- née à former la glace. Les figures 4 à 7 montrent la consti- tution que peut prendre alors l'ensemble regroupant-le-s com- tution que peut prendre alors l'ensemble egropantIes com-_. - - - -4.85169 posants du circuit thermodynamique A. Les figures 8 à o10 montrent une constitution possible de l'échangeur évapora- teur de cet ensemble lorsqu'il est réalisé par la technique "Roll-Bond", déjà évoquée plus haut. Dans ce cas, le circuit C comprenant la pompe de rele- vage 32 et le système de ruissellement 31 est supprimé. L'ensemble 41 comprend une charpente en profilés métal- liques 42 qui s'appuie sur le fond du bac 29 de réception de la masse d'eau dont la surface libre est indiquée par N. La charpente porte, audessus du niveau de l'eau, le-ou les compresseurs 10o Les échangeurs évaporateurs 15 sont groupés en deux rangees, de part et d'autre du oudes compresseurs, chacun d'eux se présente sous forme d'un panneau muni à sa partie haute de raccords 43 de jonction avec le reste du cir- cuit thermodynamique A et de raccords 44 de jonction avec le-, reste du circuit solaire B. Chacun des panneaux est constitué par un élément évaporateur 45 entouré latéralement et vers le bas par un cadre 46 maintenu par cornières, destiné à facili- ter le déco-llement de la plaque de glace lois du dégivrage si celui-ci s3avere nécessaire. Les eélments échangeurs évaporateurs peuvent avoir la constitutit:. aontée à grande échelle sur les figures 8 à 10.o La figure 8 montre, en élévation, un fragment d'un élément évaporateur 45. Cet élément est constitué de quatre. feuilles d'aluminium ou d'alliage léger laminées ensemble et formant trois circuits. Les feuilles extérieures 48, 49 sont déformées de façon à présenter, vers l'extérieur, des bossages approxi- mativement circulaires 47, en quinconce. Les feuilles inté- rieures 50 et 51 présentent de leur côté des bossages moins marqués 52 suivant un réseau triangulaire qui s'imbrique dans celui des bossages 47. La profondeur des bossages et leur ré- partition sont telles que les feuilles internes et externes viennent en contact localement, comme indiqué en 53 sur la figure 9. L'espace délimité par les feuilles internes constitue le trajet du fluide frigorigène dans l'évaporateur. Les deux espaces délimités chacun par une feuille-interne 50 ou 51 et par une feuille externe 48 ou 49 constituent le trajet 'de cir- culation du caloporteur du circuit B (mélange d'eau et d'éthy- lène-glycol en général). La l3r.sence des points de contact 53 oblige le caloporteur à suivre un trajet sinueux qui augmente les transferts thermiques. La technique "Roll-Bond" permet de réaliser pour les circuits intégrés A et B d'autres conceptions avant le meme but. Le bloc compresseur peut également ccnteair l échangeur de chauffage de l'air et être muni à cet effet d'une manche d'entrée 54 et d'une manche de sortie 53. Les organes de commande peuvent être portés par un tableau 55 situé sur l'une des faces du bloc 10 (figure 7). 2485 16 9 REVENDICATIONS 1. Installation de fourniture d'eau chaude-comprenant un circuit thermodynamique parcouru par un fluide f rigorigène en phases liquide et vapeur, comportant successivement un groupe compresseur, un condenseur d'échange de chaleur avec une source chaude de transfert de chaleur à un circuit d'eau chaude, un détendeur et un échangeur évaporateur d'échange thermique avec le fluide non solidifiable d'une source-froide, caractérisée en ce que la source froide comporte un échangeur solaire 25 de chauffage du fluide caloporte ur non solidifia- ble et une masse d'eau dont la chaleur latente-de.,solidifi-. cation constitue volant thermique, des moyens étant prévus pour ramener la glace constituée à partir de la dite masse à l'état liquide, par apport d'énergie thermique à partir de l'installation. 2. Installation suivant la revendication 1,- caractéri- sée en ce que l'échangeur évaporateur est placé au-dessus d'un bac de s-tockage de la masse d'eau, une pompe étant pré- vue pour prélever de l'eaudans la dite masse et l'envoyer à une rampe d'aspersion de l'échangeur évaporateur, l'installa- tion constituant une fabrique de glace quand l'apport d'éner- gie solaire devient insuffisant. 3. Installation suivant la revendication 2, caracté- risée en ce que-les éléments de l'échangeur évapor'ateur'sont constitués de cylindres concentriques. 25.4. Installation suivant la revendication 1,-caracté- risée en ce que il'-échangeur évaporateur est placé dans un bac de stockage de la masse d'eau et immergé -dans celle-ci de manière à réaliser sur l'échangeur évaporateur-un sto- ckage de glace. 5. installation suivant les revendications 2 et 4, caractérisée en ce que les éléments de l'échangeur évapora- teur.sohnt constitués par un module-formé d'au moins quatre feuilles d'aluminium ou d'alliage léger laminées ensemble, munies de bossages de contact.et formant au moins un circuit de circulation du fluide frigorigène et au moins un circuit dé circulation du fluide caloporteur. 6. Installation suivant la revendication 5, caracté- risée en ce que chaque module est obtenu par la technique de laminage et de fixation dite "Roll-Bond". 7. Installation suivant la revendication 5 caractéri- sée en ce que les modules sont plans ou cintrés suivant les cylindres. 8. Installation suivant les revendications 2 et 4 ca- ractérisée en ce qu'elle comporte un système de dégivrage cyclique mis en action à la demande et puisant de la chaleur à la source chaude. 9. Installation suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un désurchauffeur 11 placé sur le circuit du fluide frigori- gène en aval du groupe compresseur 10, le dit désurchauf- feur étant associé à une boucle hydraulique intermédiaire (19) de réchauffage de-l'eau. 10. Installation suivant la revendication 9, caracté- risée en ce que la dite boucle intermédiaire contient un flui- de de même nature que le fluide caloporteur qui parcourt l'échangeur solaire, tel qu'un mélange d'eau et d'antigel. 11. Installation suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce qu'un échangeur 22 de chauffage d'air est placé sur le circuit du fluide frigo- rigène, immédiatement en amont du détendeur 14. 12. Installation suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que le groupe com- presseur comprend plusieurs compresseurs associés chacun à un circuit thermodynamiqueJdistinct ou commun, la puissance cumulée des compresseurs correspondant à la puissance maxi- male à fournir par l'installation. -? - >f