Brevet FR2661979A1 — publié le 19911115

L'invention se rapporte à un échangeur-capteur thermique, destiné à améliorer le rendement des pompes à chaleur type air/eau et eau/eau lors des températures basses nocturnes, plus généralement lorsqu'elles sont inférieures à +2' C. II leur permet de fonctionner toute la nuit sans givrage à l'évaporateur, sans apport annexe de calories autres que celles fournies par l'échangeur. Lors de températures basses nocturnes on utilise la chaleur latente de cristallisation d'un mélange eau + glycol ( rapport 95% + 5% ) pour fournir des calories à un fluide caloporteur type eau + glycol rapport 65% + 35% ). Lors de températures hautes diurnes égales ou supérieures à +3' C environ, on capte des calories en faisant fondre la "glace" formée de nuit; ceci se fait grâce à un système efficace d'échange thermique, qui combine une grande surface développée de contact avec l'air pulsé d'un ventilateur et une différence de température de 5 à 6" C,la température de fusion du mélange eau + glycol étant de -2,5" C environ. DESCRIPTION GENERALE - PREAMBULE: Afin d'effacer l'idée qui consiste à croire que la transformation de l'eau en glace fait systématiquement éclater le réservoir, il est précisé ce qui suit: a) si l'on met un récipient (type bécher en verre ) contenant de l'eau dans un congélateur, on a bien en effet rupture du récipient. b) si l'on met le même récipient et son contenu sur une plaque réfrigérante, il n'y a alors plus rupture. Explication: en a), la glace commence à se former par le haut, puisque le contact air froid/eau se fait à ce niveau essentiellement. II se forme ainsi une calotte de glace dure se fixant sur les parois du verre et bloquant ainsi un volume formé par le bécher et elle-même. Or, en dessous, la majeure partie de l'eau n'est pas congelée et, en congelant, va augmenter de volume, d'ou la création de forces énormes provoquant la rupture des parois du bécher dont la résistance est moindre que celle de la calotte glaciaire plus épaisse que le verre. En b), I'augmentation de volume dûe à la transformation de l'eau en glace se fait au fur et à mesure vers le haut, jusqu'à glaciation totale, sans aucune pression exercée sur les parois. Dans l'échangeur thermique à mélange revendiqué, on formera la "glace" comme en b) mais latéralement, et on privilègera la glaciation par le bas, en faisant entrer le fluide caloporteur dans l'échangeur par le bas et en le faisant sortir par le haut. Celà permettra une augmentation du volume vers le haut ( réservoirs à mélange remplis aux 9/Ioèmes environ). II est précisé de plus que, si les essais réels mettaient en évidence le moindre risque, on mettrait alors un capteur de pression pour arrêter la pompe à chaleur avant la glaciation totale, par exemple à 90% de congélation. DESCRIPTION DE L'ECHANGEUR: C'est une batterie formée d'éléments métalliques autonomes de deux catégories, plus généralement en fer galvanisé, et comprenant environ 10 éléments de chaque pour une pompe à chaleur individuelle de capacité 3 tonnes ( capable de former 3 tonnes de glace en 24 h ). a) Elémenf comprenant 3 réservoirs: un mini réservoir pour fluide caloporteur "pris en sandwich" entre 2 plus grands à mélange eau + glycol. Ces 3 réservoirs forment un bloc soudé et ayant une paroi de côté commune pour l'échange thermique. Les dimensions d'un tel élément se décomposent ainsi: -mini réservoir: 1,5 m * 1,5 m i0,005 m, soit Il litres environ de capacité (fig. 1 :AA-2). -réservoirs à mélange: 1,5 m * 1,5 m *0,05 m, soit 112,5 litres chacun, soit 225 litres de capacité pour les 2. Cet élément est donc appelé "élément à mélange". b) Elémenf ne comprenanf qu'un mini réservoir décrit en a) et appelé "élément à fluide caloporteur'. la figure 1 :AA illustre ces 2 éléments mis en batterie: échelle: 1:1). FONCTIONNEMENT: Dans le mini réservoir de l'élément à mélange circule le fluide caloporteur actionné par une pompe à liquide. De nuit la température d'entrée dans l'échangeur du fluide caloporteur sera comprise environ entre -5' C et -7' C, et sa température de sortie entre -3 C et -5' C. Ces amplitudes de 2' C sont dûes à la formation de la couche de "glace" sur les parois d'échange thermique des réservoirs à mélange qui ralentit progressivement, en fonction de l'épaisseur, ledit échange, d'ou l'abaissement de la température du fluide caloporteur. Probléme de surfusion du mélange eau + glycol: quand il ne reste plus de "glace" dans les réservoirs à mélange, il y a un phénomène de surfusion qui permet au mélange de descendre à environ 7' C avant formation d'amorce. A ce moment là, la température du mélange remonte immédiatement à 2,5 C. Celà n'est nullement gênant, ni pour la pompe à chaleur ni pour l'échangeur.Notons qu'avec 10 éléments à mélange remplis aux 9/1 poèmes, on a 2 tonnes de mélange qui devront cèder environ 160000 KILOCALORIES pour se transformer totalement en "glace"; ces calories sont récupérées au niveau de l'évaporateur de la pompe à chaleur.Ces éléments sont munis à chacun de leurs angles (8) d'une oreillette soudée et perforée, permettant ainsi leur fixation sur quatre barres métalliques parallèles et horizontales ( fig.1 :AA-6 ), elles-mêmes fixées sur quatre piliers pour soutenir l'ensemble. Cette suspension se fera bien entendu dans le sens côté et non épaisseur. La "glace" se forme donc latéralement dans le sens:" MINI RESERVOIR/COTE EXTERIEUR DES 2 RESERVOIRS A MELANGE'. les éléments à fluide caloporteur n'ont aucune utilité de nuit mais n'apportent aucune gêne. A noter que l'échangeur est muni d'un capot isothermique ( fig.1 :AA-), le mettant à l'abri de l'air extérieur pour lui éviter le givrage (le ventilateur ne fonctionne plus en dessous de +3' C environ). COMPOSITION DE L'ECHANGEUR COMPLET: lig.1 :BB en vue de dessS, demi capot supérieur enlevé, à l'échelle de 1/10ème. On notera les 10 éléments à mélange (tig.1 :BB-i), et entre 2 éléments un espace pour permettre le passage de l'air pulsé. DETERMINATION DU VOLUME DE MELANGE A UTILISER, SELON LES CLIMATS: pour simplifier, nous prendrons un climat type Rhône-Alpes et une pompe à chaleur de capacité 3 tonnes. Si on admet qu'en moyenne, durant une période de chauffe, on a généralement une température positive maximale à partir de 10 h jusqu'à 18 h, il reste 16 h pour utiliser l'échangeur, soit, si la pompe à chaleur fonctionne constamment ( ce qui est peu probable ), une capacité de mélange de 2000 litres, ce qui fait donc 10 éléments à mélange. Par ailleurs, si l'on n'a que 8 heures pour fondre 2 tonnes de "glace" formée la nuit, compte tenu de la faible variation de température entre la température de l'air ( > ou = +3' C ) et la température du mélange fondant ( -2,5' C ), on a intérêt à avoir une grande surface d'échange thermique et une ventilation d'air puissante. D'ou l'idée de mettre une batterie d'éléments à fluide caloporteur permettant de porter rapidement sa température à +1' C environ, ce qui permet ainsi de faire fondre la "glace" par la paroi intérieure des réservoirs à mélange, tandis que l'air la fait fondre par la paroi extérieure. Ainsi, avec un très faible encombrement supplémentaire, on peut doubler voire tripler si besoin l'échange thermique entre l'air et les parois métalliques des éléments. Pour le passage de l'air pulsé, on laisse environ 1 cm entre chaque élément. On prend du fer galvanisé dont l'épaisseur de 1 mm doit être suffisante, ce qui nous donne les dimensions suivantes: -batterie de 10 éléments à mélange + 11 espaces: 121 cm. -batterie de 10 éléments à fluide caloporteur + 9 espaces: 15,3 cm. -total: 136,3 cm + capot, soit environ 140 cm. Comme on a pris des réservoirs de 1,5 m de côté, on a sensiblement, avec le capot, le ventilateur et la bouche de sortie d'air ( fig.1 :BB ) les côtes suivantes, hors tout: 1,4 m * 1,6 m * 2,1 m , ce qui parait tout à fait raisonnable. REGULATION DE L'ENSEMBLE: on utilisera de préférence des thermostats sensibles à +/- 0,5. C. Les règlages se feront sensiblement, pour un climat type Rhône-Alpes, selon: a) La température extérieure de l'air est inférieure à +3' C environ: on arrête le ventilateur à air. b) La température extérieure de l'air est supérieure à +3' C et la température du mélange est inférieure à O' C : le ventilateur se met en marche et déclenche aussi la pompe à liquide du fluide caloporteur. c) La température extérieure de l'air est supérieure à +10 C et celle du mélange inférieure à +2' C : le ventilateur se met en marche pour chauffer jusqu'à +8' C le mélange, de façon à ne pas pénaliser le rendement de la pompe à chaleur pour des températures dites hautes. d) La températeur du fluide caloporteur est inférieure à -10" C: on arrête la pompe à chaleur, donc l'ensemble. Celà signifie que tout le mélange a cristallisé; il n'y a donc plus de "source" à calories. La température du fluide atteindrait rapidement -20' C et bloquerait la pompe à liquide. De plus, le rendement de la pompe à chaleur tend vers 1, donc est sans intérêt. e) Enfin, de nuit, lorsque le ventilateur ne fonctionne plus, c'est la pompe à chaleur qui déclenche l'arrêt ou la marche de la pompe à liquide. FLUIDE CALOPORTEUR: Le mélange eau + glycol à 65% + 35% respectivement donne une température de cristallisation de -20' C. A noter qu'il faut environ 250 litres de fluide pour la batterie décrite précédemment. A noter aussi, que pour éviter toute corrosion dûe au glycol à long terme, on aura intérêt à tamponner le PH ( potentiel Hydrogène ) à environ 9 avec de la triéthanolamine à raison de 1/10000 environ, tant pour le fluide caloporteur que pour le mélange. On aura intérêt à calorifuger le circuit du fluide caloporteur pour éviter un givrage excessif. POMPE A LIQUIDE: Si on prend une variation de température de 3' C entre la température d'entrée et celle de sortie à l'échangeur du fluide caloporteur, il faut pour véhiculer 10000 kilocalories/heure un débit de 10000/3 = 33001itres/heure ( débit maximum, vraisembablement trop élevé ). A VANTAGES D'UN CHANGEUR THERMIQUE NOCTURNE: -Pas de givrage à l'évaporateur d'une pompe à chaleur type air/eau, d'ou suppression de l'inverseur pour dégivrage. -Rendement et temps de fonctionnement de la pompe à chaleur nettement améliorés, d'ou amortissement rapide. -Pas de calories quotidiennes annexes nécessaires tant que les températures extérieures diurnes sont supérieures à +3 C. A noter que l'on peut envisager une résistance électrique puissante, chauffant le fluide caloporteur, lorsque sa température est inférieure à -10' C, afin d'éviter un deuxième système de chauffage pour les rares jours de l'année ou les températures diurnes ne sont pas positives ( et ceci particulièrement pour des climats méditerranéens ). Précautions à prendre pour ne pas risquer la rupture de l'échangeur en dehors de son fonctionnement, par de très basses températures (de -3' à -20' C ). Comme il a été décrit en préambule, il est nécessaire de ne pas cristalliser le mélange par le haut. Ce qui pourrait être le cas lorsque la pompe à chaleur ne fonctionne pas ( arrêt pour raisons diverses ). Pour celà, deux solutions: a) On met à l'abri du gel la batterie (local, sous-sol, etc). b) L'isolation thermique du capot n'est pas faite sur la partie en dessous de l'échangeur, de façon à former la glaciation par le bas dans les radiateurs à mélange. REVENDICATIONS 1 .-Echangeur-capteur thermique pour pompe à chaleur basé sur la cristallisation d'un mélange eau + glycol ( ou eau seulement) pour libérer des calories durant les heures nocturnes à basse température de l'air extérieur ( inférieure à +2' C ) et caractérisé par le fait que le système devient capteur de calories par fusion de la "glace" grâce à un échange thermique rapide entre les éléments de l'échangeur et l'air pulsé dès que la température extérieure est supérieure à +3 C. 2.-Echangeur-capteur thermique, selon la revendication 1, caractérisé par sa conception pour capter des calories rapidement malgré une faible variation de température entre l'air et le mélange fondant ( variation très peu différente de 5 à 6' C lorsque la température extérieure est égale à + 3" C ), en utilisant non seulement la paroi extérieure de chaque réservoir à mélange ( eau + glycol ) mais aussi la paroi intérieure commune entre le réservoir du fluide caloporteur et celui du mélange, grâce à un système astucieux permettant le réchauffement rapide du fluide caloporteur ( voirfig.1 :bob). 3.-Echangeur-capteur thermique, selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il évite le givrage à l'évaporateur de la pompe à chaleur type air/eau. 4.-Echangeur-capteur thermique, selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il supprime l'apport annexe de calories la nuit tant que les températures diurnes sont supérieures à +3' C environ. 5.-Echangeurcapteur thermique, selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le fluide caloporteur diffuse dans les éléments à mélange par le bas, ce qui permet la glaciation par le bas et évite ainsi la rupture dûe à la dilatation lors de la formation de la "glace". 6.-Echangeur-capteur thermique, selon les revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le capot n'est pas isolé thermiquement dans sa partie se trouvant en dessous, permettant ainsi lors d'un arrêt éventuel de la pompe à chaleur pour raisons diverses de favoriser la glaciation par le bas du mélange en cas de gel évitant la rupture des éléments à mélange. 7.-Echangeur-capteur thermique, selon les revendications 1 à 6, caractérisé par sa conception globale suivante: -Batterie à éléments à mélange et à fluide caloporteur conçus pour optimiser l'échange thermique. -Capot permettant d'abriter la batterie à éléments, d'éviter le givrage des éléments la nuit et de forcer l'air pulsé à passer entre chaque élément. -Circuit de fluide caloporteur avec sa pompe à liquide pour la circulation. -Système de régulation permettant des échanges thermiques opportuns entre l'air pulsé et les éléments de la batterie.