Brevet FR2481788A1 — publié le 19811106

1. La présente invention concerne généralement des systèmes de conservation d'énergie et, plus particulièrement, un système de condensation de fluide réfrigérant qui est re- lié à une cuve de stockage d'eau classique comportant un élé- ment de chauffage de l'eau de la cuve.' Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2.544.408 aux noms de L. F. Whitney et autres du 6 mars 1951, on décrit un système d'eau chaude qui comprend un robinet à deux voies actionné électriquement et commandé thermostati- quement. Lorsque sa température se trouve au-dessus d'une va- leur prédéterminée, l'eau est fournie à un orifice d'admis- sion situé dans la partie supérieure d'une cuve de stockage, et lorsque cette température se trouve au-dessous de la va- leur prédéterminée, le robinet est actionné de façon à per- mettre le passage de l'eau dans une conduite conduisant à la partie inférieure de la cuve. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2.660.163 aux noms de L. F. Whitney et autres du 24 novem- bre 1953, on décrit un générateur d'eau chaude et un systè- me de stockage qui comprend un clapet de commutation pour per- mettre le passage d'eau chaude entre un générateur et une conduite à haute température de la cuve et simultanément le passage d'eau froide entre la cuve et une conduite de vidan- 2481 7 8 8 ge par l'intermédiaire d'une conduite à basse température. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.301.002 au nom de W. L. McGrath du 31 janvier 1967, on dé- crit un système de réfrigération à cycle inverse comprenant un second compresseur et un serpentin d'échange de chaleur relié au précédent de façon à constituer un second système de réfrigération prévu pour le chauffage de l'eau. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4.103.509 au nom de E. W. Bottum du 1er août 1978 décrit une pompe à chaleur avec combinaison "élément chauffant d'eau-déshumi- dificateur" qui comprend un évaporateur fonctionnant en dé- shumidificateur et un condenseur disposés de façon à procé- der à un échange de chaleur avec l'eau d'une cuve-d'eau chaude afin de chauffer celle-ci. - Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4.141.222 au nom de D. A. Richie du 27 février 1979 décrit un système de récupération d'énergie pour le chauffage d'eau dans lequel un clapet de dérivation, détectant une température, provoque le contournement par l'eau pompée de l'échangeur de chaleur lorsque la température de l'eau à l'intérieur de la cuve at- teint une valeur maximum prédéterminée. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4.142.379 au nom de H. W. Kuklinski du 6 mars 1979 décrit un dispositif d'économie d'énergie utilisant un commutateur de détection de pression pour couper l'organe de commande d'un élément - chauffant primaire dans une cuve de stockage chaque fois que. le compresseur de climatisation d 'air fonctionne. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4.146.089 aux noms de Mueller et autres du 27 mars 1979 décrit un sys- tème d'eau chaude comportant un condenseur à conception spé- ciale qui produit de grandes quantités d'eau chaude. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4.148.355 au nom de K. C. Gehring du 10 avril 1979 décrit un système de chauffage d'eau comportant une cuve de stockage avec des canaux spéciaux et des barrières de chaleur pour permettre la venue en contact directe du gaz réfrigérant de condensa- tion avec les parois latérales de la cuve de stockage de fa- 2 de8 1 7 88 çon à chauffer un volume relativement petit de liquide à une vitesse relativement rapide. Par suite du coût croissant du fonctionnement des éléments de chauffage électriques utilisés en liaison avec une cuve d'eau chaude, tel qu'on les rencontre typiquement dans des bâtiments résidentiels, il est devenu nécessaire de disposer d'un système de chauffage de l'eau de la cuve ayant de meilleures performances pour un coût donné de fonctionne- ment de ces éléments chauffants. On connaît dans l'art anté- rieur de nombreux dispositifs qui essaient de conserver l'éner- gie en utilisant l'énergie calorifique d'échappement d'un cli- matiseur d'air pour le chauffage d'eau chaude,mais aucun d'eux ne comporte un clapet de dérivation pour permettre à- l'eau chauffée provenant du condensateur de s'écouler jus- qu'au fond de la cuve d'eau après remplissage de la partie supérieure de cette cuve avec de l'eau à une température d'ap- proximativement 600C, ce qui a pour effet d'augmenter le ren- dement et la capacité de chauffage du système de compression. La présente invention prévoit un système de condensation de fluide réfrigérant comportant un clapet de dérivation de cet- te nature, lequel est disposé dans une unité compacte et placé en un endroit relativement proche d'une cuve classique de stockage d'eau. En outre, l'unité compacte peut être fa- cilement fixée à une cuve d'eau existante. L'unité est de préférence enfermée dans un-logement contenant-tous les com- posants. En conséquence, un objet général de la présente in- vention est un système perfectionné de condensation de fluide réfrigérant qui est relié à une cuve de stockage d'eau clas- sique comportant un élément chauffant afin de chauffer l'eau de la cuve. Un autre objet de la présente invention est un sys- tème de condensation de fluide réfrigérant pour chauffage d'eau qui comprend un clapet de dérivation permettant à l'eau chauffée de s'êcouler du condenseur jusqu'au fond de la cuve d'eau après remplissage de la partie supérieure de la cuve avec une eau ayant une température d'approximativement 600C, ú48 1788 4. ce qui permet d'augmenter le rendement et la capacité de chauffage du système de compression. Un autre objet de la présente invention est un sys- tème de condensation de fluide réfrigérant qui comprend un clapet de dérivation ayant un élément thermostatique disposé de manière à fonctionner avec la cuve de stockage en un point situé approximativement au tiers de la hauteur à partir du sommet dans le but de détecter la température de l'eau. Un autre objet de la présente invention est un sys- tème de condensation de fluide réfrigérant pour le chauffage d'eau qui puisse être facilement relié à une cuve classique de stockage d'eau comportant un élément chauffant d'une ma- nière relativement simple et peu coûteuse et sans nécessiter des modifications de la cuve existante. Selon la présente invention, on prévoit un système de condensation de fluide réfrigérant pour le chauffage d'eau qui comprend un compresseur, un condenseur, un tube capillai- re, et un serpentin d'évaporateur, tous ces éléments étant re- liés les uns aux autres de façon à former un circuit réfrigé- rant fermé. Le condenseur du système comporte une chambre dans laquelle est disposé un serpentin pour un échange de chaleur. Une cuve de stockage comporte un orifice d'entrée à haute température qui est relié à sa partie supérieure et un orifi- ce d'entrée à basse température qui est relié à sa partie in- férieure. Une pompe de circulation a son orifice d'admission relié à l'orifice de vidange de la cuve de stockage de façon à fournir de l'eau à réchauffer à l'orifice d'admission d'eau du serpentin.Un clapet normalement fermé, actionné thermosta- tiquement, est relié à l'orifice de sortie d'eau du serpen- tin de façon à permettre la circulation d'eau dans la partie supérieure de la cuve en réponse à une température présélec- tionnée. Un clapet de dérivation est également relié à l'ori- fice de sortie d'eau du serpentin pour provoquer une dériva- tion directe de l'eau entre l'orifice d'admission à haute - température de la cuve et l'orifice d'admission à basse tempé- rature lorsque la partie supérieure de le crve est remplie d'ea'j ayant le température présélerçtinnnée. 5. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec le dessin ci- joint dans lequel: La figure unique représente un diagramme schémati- que du circuit d'un système de condensation de fluide réfri- gérant relié à une cuve classique de stockage d'eau pour en chauffer le contenu selon la présente invention. En liaison avec cette figure, on a représenté un schéma du circuit d'un système de condensation d'un fluide réfrigérant selon la présente invention, qui comprend un compresseur 10, un condenseur 12 à refroidissement par eau, un dispoitif d'expansion tel qu'un tube capillaire 14 et un serpentin d'évaporateur 18, tous ces éléments étant reliés les uns aux autres de façon à former un circuit de réfrigé- ration fermé. L'air à climatiser procède à un échange de cha- leur avec le serpentin de l'évaporateur par un ventilateur d'évaporateur 20 entraîné par un moteur électrique 21. Le condenseur 12 comprend une chambre fermée 22 dont l'orifi- ce d'entrée est relié au compresseur 10 par une conduite 24 et dont l'orifice de sortie est relié-au tube capillai- re 14 par une conduite 26. Un serpentin d'échangeur de cha- leur 28 placé à l'intérieur de la chambre 22 reçoit l'eau au moyen d'une pompe de circulation-32 en provenance d'une cu- ve de stockage d'eau 30 renfermant un élément chauffant. L'orifice de refoulement de la pompe est relié à l'orifice d'entrée du serpentin 28 par une conduite 34. Après chauf- fage, l'eau est renvoyée à la cuve 30 par une conduite 36. La cuve de stockage 30 comporte une conduite d'ad- mission 38 à haute température qui est branchée à sa par- tie supérieure et une conduite 40 qui achemine l'eau jusqu'à un orifice d'admission 39 à basse température placé à sa par- tie inférieure. La conduite 38 est relié par un T à une con- duite de refoulement d'eau chaude 42 et à une conduite d'ali- mentatioh en eau chaude 44. La conduite 40 est reliée par un T à une conduite d'appoint en eau froide 46 et à une tubu- lure 48 contenant l'eau normalement chauffée à une tempéra- ture plus basse. Des clapets d'arrêt à commande manuelle 45 et 47 placés à la partie supérieure de la cuve 30 ont pour 6. fonction de faciliter l'installation et/ou l'entretien de la cuve. La cuve est également munie d'un orifice de vidan- ge 50 placé à sa partie inférieure qui communique avec une conduite 52 par l'intermédiaire d'un robinet 54 actionné ma- nuellement. Le volume d'eau à chauffer est commandé par la pompe de circulation à commande électrique 32 dont l'orifice d'admission communique avec la conduite 52 par l'intermé- diaire d'une conduite 56. La conduite 52 est reliée par un T à une conduite d'eau de rejet 58 par un robinet de vidange à commande manuelle 60. Un clapet 62 normalement fermé et actionné thermos- tatiquement est relié par un T à la conduite de retour 36. Ce clapet comprend un élément sensible à la température tel qu'une boule 64 disposée dans le canal 36 ou à proximité de celui-ci de façon à détecter la température de l'eau chauffée. Le clapet 62 reste fermé et évite le passage d'eau dans la conduite 44 de fourniture d'eau chaude tant que la température de l'eau n'a pas atteint la valeur présélection- née, qui est généralement de l'ordre de 601C pour un loge- ment. On comprendra que la température présélectionnée à la- quelle le clapet s'ouvre est réglable et peut être comprise entre 50 et 600C ou être réglée à une toute autre valeur. La conduite de retour 36 est également reliée à un clapet de dérivation 66,normalement fermé, actionné par solénoïde et commandé thermostatiquement. Ce clapet est ac-* tionné électriquement par une source pouvant être connectée à des conducteurs 16 et est associé à un élément thermique 68 disposé en un point situé sensiblement au tiers de la cu- ve 30 à partir du haut et à l'intérieur de celle-ci. La com- mande du clapet 66 estréglée de façon qu'il s'ouvre pour pro- voquer la dérivation d'eau chaude s'écoulant jusqu'au sommet de la cuve après que sa partie supérieure, c'est-à-dire le tiers de la cuve, ait été remplie avec de l'eau ayant appro- ximativement une température de 600C. Typiquement, la comman- de du clapet 66 est réglée pour que celui-ci s'ouvre lorsque la température s'élève à une valeur supérieure à 570C. Un com- mutateur électrique de détection de température 70 est placé e,4 8 41 788 7. au fond de la cuve 30 et est en série avec des lignes 72, 73 et 74 alimentant à partir de conducteurs 75 la pompe 32, le moteur électrique 21 et le compresseur 10, respectivement. Le commutateur 70 comprend un élément thermique 76 qui est placé au fond de la cuve et qui ferme ses contacts lorsque la température de l'eau se trouve au-dessous d'une tempéra- ture prédéterminée, par exemple au-dessous de 600C. Lorsque cela se produit, la pompe et le compresseur se trouvent mis simultanément en marche. Les éléments thermiques 68 et 76 peuvent, en variante, être disposés de façon à être en con- tact avec la surface extérieure de la cuve. En marche, le compresseur 10 reçoit des gaz réfrigé- rants détendus en provenance de l'orifice de sortie du ser- pentin 18 de l'évaporateur et comprime ces gaz. Les gaz chauds comprimés provenant du compresseur 10 sont fournis à l'orifice d'admission du condenseur 12. Ces gaz chauds pen- dant leur traversée de la chambre 22 se condensent dans le réfrigérant liquide en abandonnant leur chaleur à l'eau cir- culant dans le serpentin 28, de sorte que l'eau est chauffée. Le réfrigérant liquide passe de l'orifice de sortie du con- denseur à l'orifice d'entrée du serpentin d'évaporateur 18 par l'intermédiaire du tube capillaire 14. Leréfrigérant liquide circulant dans le serpentin 18 s'évapore, ce qui a pour effet d'abaisser la température du serpentin. Une par- tie de l'eau de l'air circulant dans le serpentin de l'éva- porateur grâce au ventilateur 20 peut se condenser. Si l'on suppose que la cuve d'eau a été totalement remplie d'eau d'appoint froide, à une température d'environ C, et qu'il n'y a aucune demande d'eau chaude dans la conduite 42, le clapet 62 et le clapet de dérivation 66 sont tous deux fermés. Le commutateur 70 se ferme immédiatement de façon à démarrer le moteur électrique 21, le compresseur et la pompe 32. Lors de la mise en marche du compresseur , le gaz réfrigérant chaud provenant du compresseur circu- le dans le condenseur 12. Simultanément, la mise en marche de la pompe 32 provoque le passage d'eau froide de l'orifice de la cuve 30 aux conduites 52,56. De plus, le moteur dé- 248' 78a R. marre le vpntilateur 20 de façnn à provnquer la circulation d'air ambiant sur le qerpentin 18. Alors que le elapet 62 res- te fermé jusqu'à ce que la température de l'eau dans la con- duite 56 s'élève au-dessus de 60 C, le clapet comporte une petite ouverture intérieure d'évacuation (non représentée) qui permet le passage de petites quantités d'eau dans la par- tie supérieure de la cuve par.l'intermédiaire des conduites 42 et 38 de façon à constituer un trajet de circulation lors- que la température de l'eau passe par chauffage de 15 à 60 C. Quelques minutes après le démarrage du compresseur, une quanti- té suffisante d'eau chaude à une température de 60 C est dis- ponible dans la conduite 36 de façon à ouvrir le clapet 62, ce qui permet d'avoir un débit limité d'eau chaude dans la partie supérieure de la cuve 30 par l'intermédiaire des condui- tes 42 et 38 et d'éviter ainsi que la température de l'eau provenant de l'orifice de sortie du serpentin 28 ne tombe au- dessous de 60 C. Pendant la circulation de l'eau chaude dans la cuve, l'eau commence à se stratifier avec l'eau chaude située à la partie supérieure de la cuve et avec l'eau froide située à sa partie inférieure. Alors qu'il y a chauffage de plus en plus d'eau dans le condenseur et que cette eau passe dans la partie supérieure de la cuve, la ligne marginale de strati- fication dans la cuve s'abaisse progressivement jusqu'à ce que le tiers supérieur de la cuve soit rempli d'eau à 60 C. A ce point, l'élément sensible à la température 68 provoque l'ouverture du clapet 66, shuntant le clapet 62, de façon à permettre à l'eau chauffée de s'écouler jusqu'au fond de la cuve par l'intermédiaire des conduites 48,40 et 39. Simul- tanément, le clapet 62 se ferme par suite de la température de condensation plus basse,d'environ 28 C, qui assure une température de l'eau de la conduite de retour 36 d'environ 23 C. Cette température de condensation plus basse est due au courant non limité permis par l'ouverture du clapet 66,ce qui augmente beaucoup les performances et la capacité de chauffage du système réfrigérant. Il en résulte que les besoins en éner- gie et les coûts de fonctionnement du chauffage d'eau chaude 9. sont suffisamment réduits. L'eau chauffée se trouvant dans les deux tiers de la partie inférieure de la cuve est continuellement mise en circulation par la pompe 32 de façon à réchauffer l'eau se trouvant à l'orifice de sortie 50 jusqu'à ce que la tempéra- ture de l'eau dans ces deux tiers de la cuve soit égale- ment de 60 C. Lorsque les deux tiers de lapartie inférieure de la cuve sont totalement remplis d'eau à 601C, le compres- seur 10,le moteur électrique 21 et la pompe 32 sont coupés. Lorsque l'eau est soutirée de la conduite d'alimentation 44, une quantité correpondante d'eau froide d'appoint provenant de la conduite 46 entre dans la partie inférieure de la cuve par l'intermédiaire de l'orifice d'entrée 39 et est mise en circulation par la pompe dans le serpentin 28 pour chauffage, par conséquent pour assurer un fonctionnement efficace du système de réfrigération. Lorsqu'il y a une demande d'eau chaude dans la conduite d'alimentation 44,I'eau chaude provenant du serpen- tin est transmise par le clapet 62,la conduite de refoule- ment 42,directement à la conduite 44 tant que la température de l'eau se trouve à la valeur présélectionnée mentionnée précédemment ou au-dessus de cette valeur. Si l'eau chaude est extraite de la cuve à une vitesse suffisante, elle peut êtrefournie simultanément par le serpentin 28 et la cuve de stockage.D'autre part,lleau chaude ne sera fournie que par la cuve lorsque le clapet 62 est fermé. En variante, une vanne à solénoïde à trois voies peut être utilisée à la place du clapet 66. Deux raccords seraient faits avec la conduite 36 et une troisième liaison serait assurée avec la conduite 48. Lorsque la vanne n'est pas excitée,la circulation de fluide se fait par la conduite 64 entre le serpentin 28 et la vanne 62. Lorsque celle-ci est excitée, le courant d'eau contourne la vanne 62, et la condui- te 36 est reliée à la conduite 48. D'après la description détaillée précédente, on peut voir que la présente invention permet d'obtenir un sys- tème de condensation de réfrigérant perfectionné qui peut 10. être relié à une cuve de stockage d'eau classique pour son chauffage. En outre, le système de condensation de réfrigé- rant comprend un clapet de dérivation qui permet à l'eau chauffée provenant du condenseur de s'écouler jusqu'au fond de la cuve après remplissage du tiers supérieur de celle-ci avec de l'eau à 600C, ce qui permet d'augmenter son rende- ment et sa capacité de chauffage. L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles pro- viennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. :11. REVENDICATIONS 1 - Système de condensation de réfrigérant pour le chauffage d'eau comprenant un compresseur (10), un conden- seur refroidi par eau (12), un dispositif d'expansion (14) et un serpentin d'évaporateur (18), tous ces éléments étant reliés ensemble de façon à former un circuit de réfrigéra- tion fermé, caractérisé en ce que: - le condenseur (12) comporte une chambre (22) avec un serpentin (28) en son intérieur pour un échange de chaleur, le serpentin comportant un orifice d'admission d'eau (34) et un orifice de sortie d'eau (36); et en ce que le système comprend en outre - une cuve de stockage (30) ayant un orifice d'ad- mission à haute température (38) à sa partie supérieure, un orifice d'admission à basse température (39) à sa partie in- férieure, une conduite d'alimentation en eau chaude (44) et un orifice de sortie (50); - un moyen (32) de circulation de l'eau à chauffer entre la cuve de stockage et l'orifice d'admission (34) du serpentin; - un moyen de clapet actionné thermostatiquement (62) relié à l'orifice de sortie d'eau du serpentin pour permettre la circulation d'eau dans la partie supérieure de la cuve en réponse à une température présélectionnée; et - un moyen de clapet de dérivation(66) relié à l'ori- fice de sortie d'eau du serpentin pour faire passer direc- tement le courant d'eau de l'orifice d'admission à haute tem- pérature de la cuve à l'orifice d'admission à basse tempéra- ture lorsque la partie supérieure de la cuve est remplie d'eau ayant la température présélectionnée, 2 - Système de condensation de réfrigérant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de clapet actionné thermostatiquement (62) comprend un clapet normale- ment fermé qui s'ouvre lorsque la température de l'eau à l'orifice de sortie du serpentin dépasse la température pré- sélectionpée. 3 - Système de condensation de réfrigérant selon la 12. revendication 4,caractérisé en ce que le moyen de clapet de dérivation (66) comprend un clapet actionné électriquement qui s'ouvre lorsque la température de l'eau dans la partie supérieure de la cuve s'élève au-dessus de la température pré- sélectionnée. 4 - Système de condensation de réfrigérant selon la revendication l,caractérisé en ce qu'il comprend en outre un commutateur sensible à une température (70) ayant des con- tacts qui se ferment lorsque la température de l'eau dans la partie inférieure de la cuve tombe au-dessous d'une secon- de température présélectionnée, ce commutateur mettant en mar- che le compresseur (10) et la pompe (32) en réponse à la température présélectionnée. - Système de condensation de réfrigérant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de circula- tion (32) comprend une pompe. 6 - Système de condensation de réfrigérant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le clapet (62) com- prend un élément thermostatique (64) disposé sur l'orifice de sortie d'eau (36) du serpentin pour détecter la température de l'eau. 7 - Système de condensation de réfrigérant selon la revendication 3, caractérisé en ce que le clapet (66) com- prend un élément thermostatique (68) disposé dans la cuve en un point sensiblement situé au tiers de la cuve à partir du sommet pour la-détection de la température de l'eau conte- nue dans la cuve.