Brevet FR2857085A1 — publié le 20050107

La présente invention concerne un échangeur de pompe à chaleur récupérateur de la chaleur d'un liquide comportant un ou plusieurs serpentins de tubes installés dans un bac. On connaît déjà des évaporateurs de pompe à chaleur constitués de tubes coaxiaux enroulés en serpentin, ces évaporateurs sont très sensibles au gel et ne permettent pas de fonctionner si l'eau d'entrée est à une température inférieure à 4 C. On connaît également des évaporateurs à plaques ou multitubulaires destinés à refroidir de l'eau. Ces systèmes présentent le défaut de se détériorer sous l'effet du gel et de s'encrasser très vite lorsque l'eau à refroidir est chargée d'impuretés, comme c'est le cas notamment pour l'eau en provenance de forages, la mise en place d'un filtre à l'entrée de l'échangeur a été une première solution à ce défaut mais a imposé le nettoyage trop fréquent de celui-ci ce qui n'est pas satisfaisant. C'est d'une manière générale un but de l'invention de proposer un dispositif échangeur permettant la récupération de la chaleur d'un liquide sans risquer de problèmes de gel ou d'encrassement. C'est en particulier un but de l'invention de fournir un évaporateur de pompe à chaleur constitué de plusieurs serpentins installés dans un bac dans lequel circule de l'eau de forage ou de rivière ou encore de l'eau glycolée en provenance d'un capteur enterré. C'est encore un but de l'invention de fournir un dispositif de vannes permettant de faire circuler en été directement dans un plancher rafraîchissant le liquide froid servant en hiver à l'alimentation du bac. C'est encore un but de l'invention de proposer un dispositif permettant de faire circuler l'eau en rotation dans le bac ou de prévoir des cloisons concentriques afin d'augmenter la vitesse de circulation de l'eau sur les tubes afin d'élever le coefficient d'échange thermique. L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels: É La figure 1 est un schéma d'une installation selon l'invention, É La figure 2 représente un exemple de réalisation du dispositif d'arrivée d'eau dans le bac, É La figure 3 représente le système selon l'invention utilisé en tant qu'évaporateur d'une pompe à chaleur, É La figure 4 est un schéma d'une installation selon l'invention comprenant des cloisons augmentant la vitesse moyenne de l'eau au passage des tubes, É La figure 5 est un dispositif de vannes permettant de faire circuler en été directement dans un plancher rafraîchissant le liquide froid servant en hiver à l'alimentation du bac. Une installation selon l'invention figure 1 comporte un bac (10) alimenté par la tuyauterie (11) en liquide à refroidir, l'eau ou le liquide à refroidir (13) est admis en partie basse du bac et ressort gravitairement après récupération de chaleur par la tuyauterie (12). Le bac pourra être équipé d'une vanne de vidange (16). Le système de refroidissement est constitué par un ou plusieurs serpentins de tubes (141, 142, ....14n) alimentés en parallèle en liquide réfrigérant par les tubulures (151, 152, ..15n) le fluide réfrigérant ressortant des serpentins par les tubes (171, 172, ....17n). Le liquide réfrigérant circulant dans les serpentins pourra être par exemple de l'eau glycolée ou mieux encore un fluide frigorigène se vaporisant dans les serpentins tel que représenté sur la figure 1, l'alimentation de l'évaporateur s'effectuant par l'intermédiaire de l'arrivée liquide (21), d'un détendeur (20) et d'un distributeur de liquide (19), les vapeurs formées ressortant de l'évaporateur par la tuyauterie (18). L'échangeur de chaleur formé par les serpentins (141, 142, ....14n) sera avantageusement l'évaporateur d'une pompe à chaleur assurant en hiver le chauffage d'un bâtiment. Un autre serpentin indépendant (22) peut être prévu comme évaporateur d'une pompe à chaleur assurant la production d'eau chaude sanitaire toute l'année. Les serpentins (141, 142, ....14n, 22) sont constitués par des tubes cuivre qualité frigorifique par exemple d'un diamètre de 3/8" et d'une longueur unitaire de 40 mètres; ces tubes refroidissent le liquide (13) et peuvent même le congeler à la surface externe des tubes sans aucun risque mécanique pour l'échangeur. De même les particules de sable ou de fer contenues dans l'eau de forage ne seront pas gênantes pour le système car elles tomberont au fond du bac, une vidange annuelle par la vanne (16) suffira généralement au nettoyage. Dans une autre version le sens de circulation de l'eau dans le bac (10) est inversé, celle-ci arrive en haut du bac et ressort en bas du bac aspirant par la même occasion les particules déposées dans le fond...DTD: La figure 2 représente le dispositif d'alimentation en liquide du bac (10) . Le liquide arrivant par la tuyauterie d'amenée (11) est distribué par un collecteur (34) vers une ou plusieurs buses ou orifices d'évacuation (351, 352...35n) déversant leur jets de liquide perpendiculairement au rayon du bac (10) de telle manière que cela entraîne le liquide en rotation dans le bac (10) tel représenté par les flèches de la figure 2; cette rotation de l'eau augmente la vitesse de circulation du liquide sur l'extérieur des serpentins (14), accroissant ainsi de façon sensible et homogène le coefficient externe d'échange thermique. La figure 3 représente l'invention avec l'échangeur (14) jouant le rôle d'évaporateur de la pompe à chaleur. Le compresseur (25) aspire le gaz sortant de l'échangeur (14) puis le comprime vers le condenseur (26) où il se condense à haute pression. Le liquide formé est ensuite détendu dans le détendeur (27) pour être ensuite injecté à basse pression dans l'évaporateur (14) où il va prélever la chaleur du liquide contenu en circulation dans le bac (10). La chaleur de condensation du condenseur (26) est distribuée par une pompe ou un ventilateur (28) vers l'utilisation du chauffage. La figure 4 représente une variante de l'invention dans laquelle une série de serpentins de tubes (141, 142, ....14n) prélevant la chaleur du liquide (13) sont séparés par des cloisons (30, 31...) dont le rôle est de faire serpenter le liquide arrivant dans le bac (10) par la tuyauterie (11) du serpentin de tubes (14n) au serpentin de tubes (14n0), etc... puis au serpentin de tubes (142) et enfin au serpentin de tubes (141). Les diverses cloisons (30, 31...) sont en fait des tubes plastique ronds posés au fond du bac et arrivant juste au dessus des tubes (14) comme les cloisons (30) ou des tubes (31) permettant un passage dans le fond du bac et arrivant plus haut que le niveau de liquide dans le bac (10). Cette configuration augmente la vitesse de circulation du liquide sur l'extérieur des serpentins (14), accroissant ainsi de façon sensible et homogène le coefficient externe d'échange thermique. 1. La figure 5 représente un dispositif de vannes (41, 42)permettant de faire circuler en été directement dans un plancher rafraîchissant le liquide froid servant en hiver à l'alimentation du bac (10). Le cycle représenté en trait plein sur la figure 5 est le cycle hiver permettant d'assurer le chauffage d'un bâtiment départ d'eau chaude par la tuyauterie (47) retour par la tuyauterie (49) puis (52) puis (48), le circulateur (28) assurant la circulation de l'eau entre le plancher chauffant (non représenté) et le condenseur (26) de chauffage de la pompe à chaleur. En cycle hiver la vanne trois voies (41) est en position de passage ouvert entre le circulateur (40) et la tuyauterie (51), la vanne (42) étant fermée, il n'y a pas de circulation d'eau dans les tuyauteries (44, 45, 46). En cycle été la vanne (41) est mise en position fermeture vers la tuyauterie (51) et ouverture vers la tuyauterie (44), parallèlement la vanne (42) est ouverte. Le fonctionnement du cycle été est alors le suivant: l'eau froide en provenance d'une nappe ou d'un capteur enterré pénètre dans le système par l'arrivée (43), passe dans le bac(10) (qui pourra jouer le rôle d'évaporateur d'une pompe à chaleur à capteurs enterrés), est aspirée par le circulateur (40), passe par la tuyauterie (44) puis (48), est aspirée par le circulateur (28), traverse l'échangeur (26) sans y recevoir d'échange car le compresseur de la pompe à chaleur est à l'arrêt, l'eau froide est ensuite distribuée vers le plancher rafraîchissant par la tuyauterie (47) ; l'eau va s'y réchauffer et revenir dans le système par la tuyauterie (45) , passe par la vanne (42), par la tuyauterie (46) puis par la tuyauterie (50) pour former un nouveau cycle en se refroidissant dans un capteur enterré par exemple; le système assure donc le refroidissement gratuit d'un bâtiment par la circulation dans les tubes noyés dans son plancher de l'eau de la source froide qui se trouve à une température comprise entre 10 C et 18 C. Une application particulièrement intéressante de l'invention est son utilisation dans 20 les installations de chauffage par pompe à chaleur dont la source froide est l'eau de nappe phréatique, de rivière, de mer ou glycolée de capteur enterré. Une autre application est le refroidissement gratuit en faisant circuler directement dans le plancher chauffant (ou autre tel ventilo-convecteur), l'eau de la source froide permettant un rafraîchissement gratuit en été. D'une manière générale et non limitative, l'invention s'applique dans tous systèmes de transfert énergétique requérant le refroidissement d'un liquide chargé de particules solides ou proche de son point de congélation. REVENDICATIONS 1. Echangeur de pompe à chaleur récupérateur de la chaleur d'un liquide comportant un bac (10) contenant un ou plusieurs serpentins de tubes (141, 142, ....14n) reliés en parallèle et alimentés en liquide réfrigérant. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les serpentins de tubes (141, 142, ....14n) constituent l'évaporateur de la pompe à chaleur. 3. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le système est équipé d'un second évaporateur de pompe à chaleur (22) destiné à assurer la production d'eau chaude sanitaire.. 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alimentation en liquide du bac (10) s'effectue par l'intermédiaire de buses ou orifices (351, 352, ....35n) entraînant en rotation le liquide contenu dans le bac. 5. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le liquide pénètre dans le bac par la tuyauterie (11) dans le fond du bac (10) et ressort par la tuyauterie (12) en haut du bac ou inversement. 6. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le bac (10) est équipé en partie basse d'un robinet de vidange (16). 7. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que des tubes cloisons (30, 31...) permettent au liquide de serpenter du serpentin de tubes (14n) au serpentin de tubes (14n_I), etc... puis au serpentin de tubes (142) et enfin au serpentin de tubes (141). Les diverses cloisons (30, 31...) étant des tubes plastiques ronds posés au fond du bac certaines arrivant juste au dessus du niveau haut des tubes (14) d'autres permettant un passage dans le fond du bac et arrivant plus haut que le niveau de liquide dans le bac (10). 8. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un dispositif de vannes (41, 42) permet de faire circuler en été directement dans un plancher rafraîchissant le liquide froid servant en hiver à l'alimentation du bac (10). 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le bac (10) joue le rôle d'évaporateur d'une pompe à chaleur à capteurs enterrés.