Brevet FR2826436A1 — publié le 20021227

La présente invention concerne une installation comportant un échangeur de chaleur ou de froid, démontable, destiné à être installé dans une cuve et enroulé en serpentin en queue de cochon, l'échangeur ayant un diamètre externe supérieur au diamètre de l'orifice de la cuve. On connaît déjà des échangeurs de chaleur à simple paroi destinés au chauffage ou au refroidissement de liquides contenus dans un réservoir. Ces échangeurs ne sont pas conformes aux règlements sanitaires dans le cas où le fluide de transfert serait plus ou moins toxique. On connaît encore des échangeurs de chaleur destinés notamment aux installations de chauffage d'eau chaude sanitaire ou de liquides alimentaires réalisés à l'aide de tubes métalliques cuivre ou acier. Ils présentent un certain nombre d'inconvénients comme la non résistance à la corrosion. Certaines conceptions avec des tubes en titane permettent de résister à la corrosion, mais présentent l'inconvénient d'être très coûteux dans leur réalisation. Les échangeurs métalliques présentent par ailleurs l'inconvénient de conduire le courant et d'ioniser des particules métalliques, les rendant nocives. On connaît encore des échangeurs de chaleur à double enveloppe ne permettant pas de visualiser à l'extérieur l'existence d'un percement de l'une des deux parois, ce qui ne permet pas de les utiliser comme échangeurs anti-pollution entre deux fluides. On connaît également des échangeurs de chaleur destinés à la production d'eau sanitaire installés sur une bride, ceux ci ont toujours un diamètre supérieur à l'orifice d'accès (ou au trou d'homme) afin de permettre l'introduction de l'échangeur dans la cuve ; cette conception impose soit de limiter la taille de l'échangeur, soit de prévoir une bride de grande taille, ce qui pénalise fortement le coût de la cuve ou qui limite la puissance calorifique transmise au liquide contenu dans la cuve. On connaît également des échangeurs dits de sécurité à double paroi comportant une enveloppe externe en plastique et un anneau liquide entre les deux parois comme par exemple celui décrit dans le brevet français ? 9808115 de Jacques BERNIER du 26 juin 1998. Ce concept intéressant ne permet cependant pas d'obtenir des coefficients d'échange thermiques importants. C'est d'une manière générale un but de l'invention de fournir un échangeur de chaleur ne présentant pas les défauts des installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir un échangeur à double paroi constitué d'un tube externe en matériau plastique de type polymère polyéthylène, polypropylène, polychlorure de vinyle ou autre, en contact avec le fluide secondaire à réchauffer ou à refroidir, assurant ainsi une protection totale contre la corrosion et une discontinuité électrique. La surface externe du tube extérieur sera lisse de préférence afin de ne pas permettre l'accrochage du tartre. L'échange thermique s'effectue du fluide primaire vers la paroi du tube interne puis à travers la paroi du tube externe et enfin du tube externe vers le fluide secondaire à réchauffer ou à refroidir. L'intérêt du procédé permet en outre : - D'être particulièrement adapté au chauffage de l'eau sanitaire par accumulation - D'être particulièrement adapté au chauffage et refroidissement de liquides alimentaires - D'être adapté au chauffage de l'eau des piscines - De ne pas être coûteux dans sa réalisation. C'est encore un but de l'invention de fournir un échangeur comportant deux tubes en épingle enroulés en double serpentin sur un cylindre afin de permettre la pénétration en tournant l'échangeur dans l'orifice d'une bride d'une cuve permettant ainsi d'installer dans la cuve un échangeur de diamètre beaucoup plus grand que le trou de pénétration. C'est toujours un but de l'invention de fournir un échangeur dont la double enveloppe est constituée par un tube métallique (en cuivre par exemple) sur lequel est extrudée une enveloppe plastique dissymétrique comportant longitudinalement un espace vide ou un drain (comme une ficelle par exemple). Cet espace ou ce drain a pour rôle d'évacuer aux extrémités du tube le fluide circulant à l'extérieur de l'échangeur si la paroi extérieure est endommagée ou le fluide circulant à l'intérieur de l'échangeur si la paroi intérieure est endommagée. En cas de corrosion et de percement d'un des tubes, l'espace à pression atmosphérique compris entre les deux parois va se remplir du fluide circulant dans le tube percé le mettant en relation avec l'extérieur, avisant ainsi les utilisateurs du problème sans conduire au mélange des deux fluides primaire et secondaire. C'est encore un but de l'invention de fournir un dispositif de traversée de paroi permettant une étanchéité de l'enveloppe extérieure de l'échangeur sur la bride de la cuve tout en laissant passer à l'extérieur de la cuve le système de drainage et le circuit interne. L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : * La figure 1 est un schéma de l'installation selon l'invention. * La figure 2 représente la vue en coupe de l'un des tubes de l'échangeur, d'une installation selon l'invention. . La figure 3 est un exemple d'installation utilisant un dispositif d'échange thermique selon l'invention. . La figure 4 est une variante de la figure 2 avec la présence d'un espace entre tubes. La figure 5 est une variante de la figure 2 avec la présence d'un drain entre tubes. La figure 6 représente l'intégration du système de drainage de la figure 5, à la traversée de paroi de la cuve. . La figure 7 représente la situation d'évacuation à l'extérieur du fluide interne suite au percement de la paroi du tube interne (version drain). La figure 8 représente la situation d'évacuation à l'extérieur du fluide externe suite au percement de la paroi du tube externe (version espace). Une installation selon l'invention figure 1, comporte un tube creux formant échangeur (10) enroulé en forme de serpentin et traversant à ses deux extrémités (13) et (14) une paroi (17). Le tube est recouvert d'une enveloppe plastique (11) L'étanchéité de la traversée de cloison (18) étant assurée par collage, soudage, sertissage ou mécaniquement de la paroi externe (11) sur la bride (17). A l'intérieur de l'échangeur (10), circule un fluide thermique pénétrant par l'entrée (13) et sortant après échange thermique, par la sortie (14). L'échangeur (10) baigne dans un liquide (B) avec lequel il est en relation d'échange thermique. La bride (17) forme cloison étanche permettant au liquide de la cuve de ne pas s'écouler vers l'extérieur (A). La couverture externe (11) du tube formant échangeur (10) sera réalisée de préférence en matériau polymère, comme du polyéthylène haute densité par exemple, la bride (17) sera réalisée de préférence dans le même matériau afin de permettre le soudage des entrées et sorties. Un doigt de gant étanche non représenté sera fixé sur la bride (17) ; il est destiné à recevoir la sonde de régulation qui sera glissée à l'intérieur et dont le rôle est de réguler la température du liquide (B). Lorsque l'échangeur est installé horizontalement comme sur la figure 1, le doigt de gant sera placé au-dessus de l'échangeur pour l'application du dispositif au chauffage du liquide (B), mais il sera placé en dessous dans le cas de l'application au refroidissement du liquide (B). Le tube intérieur de l'échangeur sera réalisé de préférence en métal, tel du cuivre par exemple. Dans ce tube circule le fluide chauffant ou refroidissant, tel un fluide frigorigène à changement de phase comme du R-134a par exemple ou un liquide thermique. Dans une version préférée de la réalisation du serpentin, tel représenté figure 1, le tube est tout d'abord cintré en épingle à cheveu en (12) puis enroulé de manière à former plusieurs doubles spires (151, 161), (152, 162)--- (15n, 16n), chaque double spire se trouvant sur un même plan parallèle à la bride (17). Dans cette configuration, le serpentin est enroulé en forme de double queue de cochon. Le revêtement (11) du tube est arrêté avant les extrémités (13) et (14) afin de faciliter le raccordement de l'échangeur à l'extérieur. La figure 2 représente la vue en coupe de la version la plus simple du tube formant l'échangeur. Le tube métallique (21) est revêtu d'une enveloppe plastique (11) extrudée de préférence sur le tube (21) afin de faciliter le contact thermique. La figure 3 représente l'échangeur (10), objet de l'invention, installé à l'intérieur d'une cuve (22). La cuve (22) est par exemple un ballon calorifugé qui comporte un orifice (27) de diamètre (d). L'échangeur (10) possède un diamètre (D) qui peut être supérieur à celui de l'orifice de la cuve ; il suffit de faire pénétrer l'échangeur dans la cuve par son extrémité (12) et de le tourner comme un tire-bouchon jusqu'à ce qu'il pénètre en totalité dans la cuve (22). Il ne reste alors qu'à fixer la bride (17) sur la cuve en interposant un joint d'étanchéité (28). Le doigt de gant (26) permettra de contrôler l'état de réchauffage ou de refroidissement du liquide (B) placé dans la cuve (22). De façon pratique et à titre d'exemple, il est ainsi possible de faire pénétrer un échangeur de 240 mm de diamètre dans une cuve ne possédant qu'un petit orifice de 100 mm ; notons que le diamètre du tube formant l'échangeur est dans ce cas de 12 mm. Cette conception autorise l'utilisation à d'autres fins de cuves conçues pour les chauffe eau électriques ; il est même possible de placer au milieu de la bride (17), au centre de l'échangeur (10), une résistance électrique d'appoint non représentée sur le dessin. Dans le cas d'une application au chauffage de l'eau sanitaire, l'eau froide pénètre en (E) dans la cuve et ressort chaude en (S). L'échangeur (10) assure le chauffage de l'eau et peut être le condenseur d'une pompe à chaleur dont le compresseur est commandé par un thermostat installé dans le doigt de gant (26). Le chauffage du liquide (B) s'effectue par convection naturelle, l'eau la plus chaude restant en partie haute par stratification. La tuyauterie (25) permet dans l'exemple de soutirer l'eau chaude en partie haute de la cuve (22). La longueur totale du tube formant l'échangeur (10) sera par exemple comprise entre 10 m et 40 m. La figure 4 représente la vue en coupe d'une autre version du tube formant l'échangeur. Le tube métallique (21) est revêtu d'une enveloppe plastique (30) extrudée de préférence sur le tube (21) afin de faciliter le contact thermique et d'un espace vide (31) aménagé sur la longueur du tube. Cet espace est destiné à canaliser à l'extérieur de la cuve, sur toute la longueur du tube, toute fuite de fluide occasionnée par une rupture accidentelle de l'une des parois de l'échangeur à l'intérieur de la cuve. La figure 5 représente la vue en coupe d'une autre version du tube formant l'échangeur. Le tube métallique (21) est revêtu d'une enveloppe plastique (30) extrudée de préférence sur le tube (21) afin de faciliter le contact thermique et d'un drain (32) placé sur la longueur du tube. Ce drain est destiné à canaliser à l'extérieur de la cuve, sur toute la longueur du tube, toute fuite de fluide occasionnée par une rupture accidentelle de l'une des parois de l'échangeur à l'intérieur de la cuve. La figure 6 représente le détail de la traversée de paroi d'un tube d'échangeur avec drain tel celui représenté en coupe sur la figure 5. Ce détail permet de visualiser le drain (32) qui pourra avantageusement être une ficelle de quelques millimètres de diamètre. Le système d'étanchéité représenté pour le passage de la paroi est à titre d'exemple du type mécanique avec joint torique (35). Le joint torique ne sera pas tout à fait cylindrique afin de tenir compte du passage du drain ; il devra épouser la forme extérieure du revêtement (30) représenté figure 5. Une rondelle (36) a pour rôle d'écraser le joint (35) après serrage de la douille (37) sur la paroi (33). Notons que la paroi (33) séparant l'intérieur (B) de la cuve et l'extérieur (A), peut être la bride (17) de la figure 3. La figure 7 représente la situation d'évacuation à l'extérieur du fluide interne suite au percement de la paroi du tube interne (version tube avec drain comme représenté figure 5). Ce scénario représente un percement (41) de la paroi du tube (21). Le fluide sous pression circulant dans le tube (21) passe en G par le trou et se trouve drainé à l'extérieur par le drain (32) ; il s'échappe en (F) ce qui est facilement visualisé de l'extérieur (A). La figure 8 représente la situation d'évacuation à l'extérieur du fluide externe contenu dans la cuve suite au percement de la paroi du tube externe (version tube avec espace comme représenté figure 4). Ce scénario représente un percement (42) de la paroi du revêtement (30) du tube (21). Le fluide (B) contenu dans la cuve passe en G par le trou, compte tenu de sa pression relative à la pression atmosphérique, il ne trouve aucun obstacle pour faire le tour du tube (21) et rejoindre le canal (31) qui le conduit à l'extérieur ; il s'échappe en (M) ce qui est facilement visualisé de l'extérieur (A). Tant sur la figure 7 que sur la figure 8, le fluide en contact avec la paroi détériorée se retrouve en liaison avec la pression atmosphérique, de telle manière que si soit le tube (21), soit le revêtement (30) arrivaient à percer, par corrosion ou autre, il n'y aurait pas mélange entre le liquide (B) et le fluide circulant dans le tube (21) permettant ainsi une bonne sécurité car l'écoulement s'effectuerait à l'extérieur en (A). La longueur des tubes de l'échangeur à double paroi placé dans le milieu (B), sera fonction des puissances calorifiques à transmettre. Le nombre de tubes échangeur pourra également être multiple pour les fortes puissances. A l'intérieur du tube (21) circule le fluide primaire, chauffant ou refroidissant, tel un fluide frigorigène à changement de phase comme du R-134a par exemple ou un liquide thermique. La présente invention est d'une manière générale applicable à tous les systèmes d'échange thermique entre deux fluides. Une application particulièrement intéressante est le chauffage de l'eau sanitaire, l'échangeur anti-pollution pouvant être utilisé aussi bien en condenseur de pompe à chaleur qu'en échangeur thermique avec un circuit de chaudière. La présence de plastique côté cuve peut permettre l'application aux fluides corrosifs, ce qui autorise de nombreuses autres applications tant dans le domaine de l'alimentaire que de l'aquaculture, les condenseurs à eau de mer ou le chauffage des piscines. L'invention s'applique partout où il y a des risques d'entartrage sur les échangeurs, le tartre se déposant difficilement sur les surfaces en plastique. Le dispositif trouve aussi son application dans le chauffage de l'eau solaire. D'une manière générale et non limitative, l'invention s'applique partout où des risques de corrosion permanentes ou temporaires sont à craindre ainsi que partout où la présence d'une double enveloppe anti-pollution est requise pour des raisons de sécurité avec visualisation externe des fuites éventuelles. Le dispositif trouve aussi son application dans l'industrie chimique. REVENDICATIONS 1. Installation comportant un échangeur de chaleur ou de froid démontable (10) baignant dans un liquide (B) constitué par au moins un tube (13, 14) formant épingle à cheveu enroulée en serpentin queue de cochon ayant un diamètre externe (D) supérieur au diamètre (d) de l'orifice (27) de la cuve (22). 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'au moins un échangeur (10) est fixé sur la bride (17). 3. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que, chaque double spire (151, 161), (152, 162) ----- (15n, 16n) se trouve sur un même plan parallèle à la bride (17). 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les doubles spires (151, 161), (152, 162)--- (15n, 16n) ne sont pas jointives afin de permettre l'introduction ou le démontage de l'échangeur (10) en le tournant comme un tire-bouchon dans la cuve (22). 5. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou les tubes (13, 14, 21) de l'échangeur sont revêtu d'une enveloppe plastique (30) laissant au moins un espace vide (31). 6. Installation selon la revendications 1 caractérisée en ce que le ou les tubes (13, 14, 21) de l'échangeur sont revêtu d'une enveloppe plastique (30) et comportent au moins un drain (32) sur la longueur du tube. 7. Installation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le ou les échangeurs (10) comportent une entrée et une sortie (13, 14) traversant une paroi ou bride (17, 33) de façon étanche par collage, sertissage, soudage, ou au moyen d'un raccord mécanique (18). 8. Installation selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au moins le revêtement extérieur (11, 30) est réalisé en matériau polymère ou plastique. 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte un doigt de gant (26) destiné à recevoir une sonde de régulation. 10. installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le fluide circulant à l'intérieur des tubes (21, 13, 14), est un fluide frigorigène à changement de phase. 11. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte une résistance électrique montée sur la même bride (17, 33).