Brevet FR2910116A1 — publié le 20080620

REFROIDISSEUR DE GAZ POUR UN SYSTEME D'ALIMENTATION EN EAU CHAUDE ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Domaine de l'invention La présente invention concerne un refroidisseur de gaz pour un système d'alimentation en eau chaude avec une unité de pompe à chaleur. Description de l'art apparenté Un système d'alimentation en eau chaude de ce type a été encouragé dans le but d'économiser l'énergie et de réduire son poids sur l'environnement. La performance du système d'alimentation en eau chaude est évaluée au moyen d'un coefficient de performance (COP). Le coefficient de performance est fortement affecté par le rendement d'échange thermique du refroidisseur de gaz. Ceci est dû au fait que le refroidisseur de gaz est utilisé pour échanger de la chaleur entre un fluide frigorigène dans l'unité de pompe à chaleur et l'eau de réservoir dans une unité d'alimentation en eau chaude, et est l'un des facteurs clés qui déterminent la performance du système d'alimentation en eau chaude. En général, le refroidisseur de gaz a une structure à double tube. Un refroidisseur de gaz de ce type est décrit par exemple dans la publication de brevet japonais non examinée n 2005-9832. Le refroidisseur de gaz décrit dans cette publication comporte un tube interne destiné à transporter un fluide frigorigène et un tube externe destiné à laisser couler l'eau de réservoir. La publication décrit également un tube externe qui est formé de manière hélicoïdale et une séparation en spirale intercalée entre les tubes interne et externe. Le tube externe en spirale et la séparation en spirale non seulement prolongent un canal pour l'eau de réservoir coulant à l'extérieur du tube interne mais également créent une turbulence dans l'écoulement d'eau de réservoir coulant à travers le tube externe. On s'attend à ce que le long canal et la turbulence générée dans l'eau de réservoir améliorent le rendement de l'échange thermique entre le fluide frigorigène et l'eau de réservoir. 2910116 2 D'autre part, l'eau de réservoir du système d'alimentation d'eau chaude est habituellement de l'eau provenant du réseau de distribution d'eau. Lorsque l'eau de réservoir est chauffée jusqu'à une température élevée dans le refroidisseur de gaz, le chlore contenu dans l'eau de 5 réservoir forme du tartre, ce qui engorge le canal d'eau de réservoir, ou le tube externe. On peut empêcher cet engorgement provoqué par le tartre en augmentant la section transversale du canal d'eau de réservoir, c'est-à-dire, le diamètre interne du tube externe. Cependant, si le diamètre 10 interne du tube externe est augmenté, le débit de l'eau de réservoir est réduit. L'augmentation du diamètre interne fait également monter la proportion de l'eau de réservoir coulant dans une couche le long de la surface interne du tube externe parmi l'ensemble de l'eau de réservoir coulant à travers le tube externe. Ceci détériore un transfert thermique 15 depuis le fluide frigorigène jusqu'à l'eau de réservoir et fait finalement baisser le rendement d'échange thermique. Un objet de la présente invention consiste à mettre à disposition un refroidisseur de gaz pour un système d'alimentation en eau chaude capable d'améliorer le rendement d'échange thermique entre un fluide 20 frigorigène et l'eau de réservoir et d'assurer la large section transversale d'un canal d'eau de réservoir. RESUME DE L'INVENTION Afin d'atteindre l'objectif mentionné ci-dessus, un refroidisseur de 25 gaz pour un système d'alimentation en eau chaude selon la présente invention comprend un tube interne formant une partie d'un trajet de circulation de fluide frigorigène dans une unité de pompe à chaleur, le tube interne guidant un fluide frigorigène de l'unité de pompe à chaleur, et un tube externe formant une partie d'un trajet de circulation d'eau 30 chaude qui renferme le tube interne et fait circuler l'eau de réservoir dans un réservoir de stockage d'eau chaude entre le réservoir de stockage d'eau chaude et l'unité d'alimentation d'eau chaude et le refroidisseur de gaz, le tube externe guidant l'eau de réservoir, moyennant quoi le refroidisseur de gaz accomplit un échange thermique 35 entre le fluide frigorigène et l'eau de réservoir, et chauffant l'eau de réservoir jusqu'à une température donnée. Selon l'invention, le tube externe comporte une rainure en spirale s'étendant le long du tube 2910116 3 interne sur sa surface interne. La rainure en spirale est formée en une galerie en spirale dans une direction le long d'une direction d'écoulement de l'eau de réservoir dans le tube externe. Le tube interne comporte une pluralité de tuyaux internes destinés à transporter le 5 fluide frigorigène. Les tuyaux internes s'étendent de manière parallèle les uns par rapport aux autres. Plus précisément, les tuyaux internes sont séparés les uns des autres selon des intervalles qui permettent à l'eau de réservoir de passer à travers eux. 10 Dans le refroidisseur de gaz de l'invention, lorsqu'elle s'écoule à travers le tube externe, l'eau de réservoir coule le long de la rainure en spirale. Ceci crée un écoulement en spirale de l'eau de réservoir dans le tube externe. Cet écoulement en spirale de l'eau de réservoir tourbillonne autour du tube interne, et une portion de l'écoulement en 15 spirale passe entre les tuyaux internes et perturbe le reste de l'écoulement en spirale. Donc, l'eau de réservoir vient effectivement en contact avec les surfaces externes des tuyaux internes, et ceci améliore le rendement de transfert thermique d'une surface externe du tube interne. 20 Lorsque le rendement d'échange thermique du refroidisseur de gaz est maintenu constant, il est possible d'augmenter un diamètre interne du tube externe. Ceci empêche, de manière fiable, l'engorgement qui est provoqué par le tartre dans le tube externe. De préférence, le tube externe peut en outre comporter une 25 pluralité de régions qui sont différentes les unes des autres du point de vue du pas de spirale de la rainure en spirale, et chacun des tuyaux internes peut comporter une surface circonférentielle externe rugueuse. Les surfaces circonférentielles externes rugueuses sont représentées par une saillie hélicoïdale s'étendant le long des surfaces 30 circonférentielles externes des tuyaux internes. Dans ce cas, la direction de la spirale de la saillie hélicoïdale est de préférence différente de la direction de la spirale de la rainure en spirale. Les aspects décrits ci-dessus de la rainure en spirale et les surfaces circonférentielles externes des tuyaux internes perturbent en 35 outre l'écoulement d'eau de réservoir puis améliorent en outre le rendement de transfert thermique de la surface du tube interne par rapport à l'eau de réservoir. 4 2910116 La portée de l'applicabilité de la présente invention ressortira en outre de la description détaillée donnée ci-après. Cependant, on comprendrait que la description détaillée et les exemples spécifiques, bien qu'indiquant les modes de réalisation préférés de l'invention, sont 5 donnés à titre d'illustration uniquement, étant donné que divers changements et diverses modifications dans l'esprit et la portée de l'invention apparaîtront aux hommes du métier à la lecture de cette description détaillée. 10 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera comprise de manière plus complète à partir de la description détaillée donnée ci-dessous et des dessins annexés qui sont donnés à titre d'illustration uniquement, et ainsi, ne sont pas limitatifs de la présente invention, et sur lesquels : 15 la figure 1 est une vue de configuration simplifiée d'un système d'alimentation en eau chaude ; la figure 2 est une vue représentant une partie d'une structure interne d'un refroidisseur de gaz de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un tuyau interne 20 de la figure 2 ; et la figure 4 est une vue représentant les tubes externe et interne des exemples de modification. DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES 25 La figure 1 représente de manière simplifiée un système d'alimentation en eau chaude. Le système d'alimentation en eau chaude comporte une unité de pompe à chaleur 2 et une unité d'alimentation en eau chaude 4. Les unités 2 et 4 sont raccordées thermiquement l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un refroidisseur de gaz 6. 30 Plus précisément, l'unité de pompe à chaleur 2 possède un trajet de circulation de fluide frigorigène 8 pour un fluide frigorigène tel que du gaz CO2. Un échangeur thermique à air 10, un compresseur 12, le refroidisseur de gaz 6, une soupape de détente 14, etc., sont intercalés dans le trajet de circulation de fluide frigorigène 8. L'échangeur 35 thermique à air 10 échange de la chaleur entre l'air et le fluide frigorigène. 2910116 5 L'unité d'alimentation en eau chaude 4 possède un trajet de circulation d'eau chaude 16 à travers lequel s'écoule l'eau de réservoir. Le refroidisseur de gaz 6, un réservoir de stockage d'eau chaude 18, une pompe de circulation 20, etc., sont intercalés dans le trajet de 5 circulation d'eau chaude 16. L'unité d'alimentation en eau chaude 4 comporte en outre un trajet d'alimentation en eau 22 destiné à alimenter en eau le réservoir de stockage d'eau chaude 18 et un trajet d'amenée d'eau chaude 24 destiné à amener l'eau chaude jusque là où l'eau chaude est nécessaire depuis le réservoir de stockage d'eau 10 chaude 18. Le refroidisseur de gaz 6 a une structure à double tube. Pour être plus concret, tel qu'illustré sur la figure 2, le refroidisseur de gaz 6 comporte un tube externe 26 destiné à laisser couler l'eau de réservoir et un tube interne 28 qui s'étend à l'intérieur du tube externe et 15 transporte le fluide frigorigène. Le tube externe 26 forme une partie du trajet de circulation d'eau chaude 16, et le tube interne 28 une partie du trajet de circulation de fluide frigorigène 8. Une direction d'écoulement de l'eau de réservoir coulant à travers le tube externe 26 et celle du fluide frigorigène s'écoulant à travers le tube interne 28 sont 20 opposées l'une par rapport à l'autre. Selon un mode de réalisation, le tube externe 26 a une surface interne formée comme une rainure en spirale 30. La rainure en spirale 30 forme une spirale dans la même direction que la direction d'écoulement de l'eau de réservoir dans le tube externe 26. En d'autres 25 termes, lorsque le tube externe 26 est mis en rotation autour de son axe, une direction de spirale de la rainure en spirale 30 et la direction d'écoulement de l'eau de réservoir coïncident l'une avec l'autre. Tel que représenté par une flèche A sur la figure 2, l'eau de réservoir coulant à travers le tube externe 26 est guidée le long de la rainure en spirale 30 30 et devient un écoulement en spirale qui tourbillonne autour du tube interne 28. Dans le cas du présent mode de réalisation, le tube interne 28 possède une pluralité de tuyaux internes 32, ou plus précisément deux, en cuivre. Les tuyaux internes 32 s'étendent de manière parallèle les 35 uns par rapport aux autres à une distance donnée les uns des autres. Par conséquent, entre les tuyaux internes 32, il existe un espace pour que l'eau de réservoir s'écoule à travers eux, si bien que les tuyaux 2910116 6 internes 32 ne viennent pas en contact les uns avec les autres au niveau de leurs surfaces circonférentielles externes. Tel qu'illustré sur la figure 3, chacun des tuyaux internes 32 possède une double structure et comporte un conduit interne 34 à 5 travers lequel le fluide frigorigène s'écoule et un conduit externe 36 renfermant le conduit interne 34. Le conduit externe 36 est formé comme un conduit destiné à détecter une fuite du fluide frigorigène. Donc, dans le cas où le fluide frigorigène fuit hors du conduit interne 34, la fuite de fluide frigorigène est piégée à l'intérieur du conduit 10 externe 36 puis est empêchée de contaminer l'eau de réservoir dans le tube externe 26. Dans le refroidisseur de gaz 6, l'eau de réservoir dans le tube externe 26 s'écoule comme un écoulement en spirale qui tourbillonne autour du tube interne 28, c'est-à-dire les deux tuyaux internes 32. De 15 plus, une portion de l'écoulement en spirale passe à travers l'espace situé entre les tuyaux internes 32 et perturbe le reste de l'écoulement en spirale. L'écoulement d'eau de réservoir entre en collision avec les surfaces circonférentielles externes des tuyaux internes 32 selon des angles depuis l'extérieur des tuyaux internes 32 jusqu'aux tuyaux 20 internes 32. L'eau de réservoir offre alors un bon contact avec les surfaces externes des tuyaux internes 32, si bien que le rendement du transfert thermique de surface des tuyaux internes 32 par rapport à l'eau de réservoir est élevé. Ceci améliore le rendement d'échange thermique du refroidisseur 25 de gaz 6. Donc, si on augmente le diamètre interne du tube externe 26, le rendement d'échange thermique du refroidisseur de gaz 6 n'est pas détérioré. Il est alors possible de fixer suffisamment la section transversale d'un canal d'eau de réservoir dans le tube externe 26, de telle sorte que l'eau de réservoir dans le refroidisseur de gaz 6 soit 30 chauffée jusqu'à une température élevée à la suite d'un échange thermique entre l'eau de réservoir et le fluide frigorigène. Si du chlore contenu dans l'eau de réservoir forme du tartre dans le tube externe 26, aucun engorgement ne peut être attribué au tartre dans le tube externe 26. 35 L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation mentionné ci-dessus, et peut être modifiée de diverses façons. 2910116 7 La rainure en spirale 30 du tube externe 26 représenté sur la figure 2 a un pas de spirale constant. Tel qu'illustré sur la figure 4, la rainure en spirale 30 peut cependant comporter une pluralité de régions différentes les unes des autres du point de vue du pas de 5 spirale (Pl et P2) de la rainure en spirale. Une paire de tuyaux internes 40 comme le tube interne 28 représenté sur la figure 4 peuvent avoir une saillie hélicoïdale 38 qui s'étend de manière hélicoïdale le long de leurs surfaces circonférentielles externes. Dans ce cas, la direction de spirale de la saillie 38 est de 10 préférence différente de la direction de spirale de la rainure en spirale 30. De préférence, la saillie hélicoïdale 38 de l'un des tuyaux internes 40 est décalée par rapport à la saillie hélicoïdale 38 de l'autre tuyau interne 40 de la moitié du pas de spirale Q. Toutes les réalisations décrites ciùdessus ont rendu complexe la 15 configuration intérieure du tube externe 26 et ont en outre perturbé l'écoulement d'eau de réservoir. Donc, le transfert thermique de surface des tuyaux internes 32 ou 40 est davantage amélioré. Par conséquent, il est possible d'empêcher un engorgement attribuable au tartre formé dans le tube externe 26 et d'améliorer en outre le rendement d'échange 20 thermique du refroidisseur de gaz 6. Selon le mode de réalisation et les exemples de modification, le tube interne 28 est formé à partir des deux tuyaux internes, le tube interne 28 pouvant comporter trois tuyaux internes ou plus. REVENDICATIONS 1. Refroidisseur de gaz pour un système d'alimentation en eau chaude comportant une unité de pompe à chaleur (2) et une unité d'alimentation en eau chaude (4), comprenant un tube interne (28) formant une partie d'un trajet de circulation de fluide frigorigène (8) dans l'unité de pompe à chaleur (2), le tube interne (28) guidant un fluide frigorigène de l'unité de pompe à chaleur (2), et un tube externe (26) formant une partie d'un trajet de circulation d'eau chaude (16) qui renferme le tube interne (28) et fait circuler l'eau de réservoir dans un réservoir de stockage d'eau chaude (18) entre le réservoir de stockage d'eau chaude (18) de l'unité d'alimentation en eau chaude (4) et le refroidisseur de gaz (6), le tube externe guidant l'eau de réservoir de l'unité d'alimentation en eau chaude (4), moyennant quoi le refroidisseur de gaz (6) accomplit un échange thermique entre le fluide frigorigène et l'eau de réservoir, et chauffant l'eau de réservoir jusqu'à une température donnée, caractérisé en ce que : le tube externe (26) comporte une rainure en spirale (30) s'étendant le long du tube interne (28) sur sa surface interne, la rainure en spirale (30) étant formée en une galerie en spirale dans une direction le long d'une direction d'écoulement de l'eau de réservoir dans le tube externe (26) ; et le tube interne (28) comporte une pluralité de tuyaux internes (32) destinés à transporter le fluide frigorigène, les tuyaux internes (32) s'étendant de manière parallèle les uns par rapport aux autres. 2. Refroidisseur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyaux internes (32) sont séparés les uns des autres selon des intervalles qui permettent à l'eau de réservoir de passer à travers eux. 3. Refroidisseur de gaz selon la revendication 2, caractérisé en 30 ce que : le tube externe (26) comporte une pluralité de régions qui sont différentes les unes des autres du point de vue du pas de spirale de la rainure en spirale (30). 4. Refroidisseur de gaz selon l'une quelconque des 35 revendications 1 et 2, caractérisé en ce que : chacun des tuyaux internes (32) possède une surface circonférentielle externe rugueuse. 2910116 9 5. Refroidisseur de gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que: chacun des tuyaux internes (40) possède une saillie hélicoïdale (38) sur sa surface circonférentielle externe, la saillie hélicoïdale (38) 5 s'étendant le long de la surface circonférentielle externe du tuyau interne (40) correspondant. 6. Refroidisseur de gaz selon la revendication 5, caractérisé en ce que: la direction de spirale de la saillie hélicoïdale (38) est différente de 10 la direction de spirale de la rainure en spirale (30). 7. Refroidisseur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que: le fluide frigorigène est du gaz CO2. 8. Refroidisseur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en 15 ce que: l'eau de réservoir dans le tube externe (26) et le fluide frigorigène dans le tube interne (28) s'écoulent dans des directions opposées l'une par rapport à l'autre. 9. Refroidisseur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en 20 ce que : chacun des tuyaux internes (32) possède une double structure.