Brevet FR2913763A1 — publié le 20080919

CONDENSEUR PERFECTIONNE L'invention concerne le domaine des pompes à chaleur et plus particulièrement, la partie condenseur du système. Les pompes à chaleur fonctionnent selon un principe bien connu qui consiste, pour l'essentiel, à prélever des calories sur une source extérieure dans le but de les transférer à un fluide caloporteur venant réchauffer au sein d'un condenseur, de l'eau ou de l'air, circulant dans un circuit indépendant alimentant des radiateurs ou des ventiloconvecteurs. En version climatisation, la même pompe à chaleur prélève des calories, non pas sur une source extérieure, mais sur l'eau ou l'air circulant dans le circuit indépendant alimentant les radiateurs ou les ventiloconvecteurs. Dans ce cas, les calories prélevées sont rejetées à l'extérieur, le plus souvent par un système de ventilation. Comme source extérieure de calories, on utilise une source naturelle telle que de l'air ou une source dite "froide" du type eau de source, eau provenant d'un puits, nappe phréatique ou encore captage géothermique. On peut également utiliser des fluides frigorigènes tels que par exemple le R134A, le R407C, le R410A. Dans le cadre de la présente invention, le transfert de calories est effectué entre un fluide frigorigène et un fluide caloporteur, en particulier de l'eau. De manière classique, une pompe à chaleur se présente sous la forme d'un circuit fermé associant un condenseur, un compresseur, un détendeur et un évaporateur permettant de puiser des calories sur une source extérieure et de les restituer au fluide caloporteur ou inversement. Pour le chauffage, les calories sont prélevées par évaporation du fluide frigorigène dans l'évaporateur et ensuite restituées au fluide caloporteur, par condensation dudit fluide frigorigène dans le condenseur. Comme déjà dit, l'invention concerne plus spécifiquement la partie condenseur de la pompe à chaleur, c'est-à-dire la partie où le fluide frigorigène transfert les calories qu'il contient à l'eau circulant dans les radiateurs. Il existe trois grands types de condenseurs dénommés également "échangeurs". Il s'agit tout d'abord des échangeurs à serpentins, comprenant un cylindre dans lequel est agencé un serpentin monotubulaire. Il s'avère que ces échangeurs dénommés également "échangeurs annulaires", s'ils présentent une faible perte de charge, sont dotés en revanche, d'un mauvais échange dynamique. Par ailleurs, outre l'encombrement conséquent du système par rapport à la faible surface d'échange, l'échangeur requiert, pour être efficace, un volume de gaz important alors que les préoccupations actuelles sont au contraire de diminuer la quantité de fluide frigorigène nécessaire. Le second type d'échangeurs correspond aux échangeurs co-axiaux, c'est-à-dire aux échangeurs dans lesquels les surfaces d'échange sont composées de tubes concentriques. Le principal inconvénient de ce type d'échangeur reste celui de la perte de charge. La troisième catégorie d'échangeurs correspond aux échangeurs à plaques qui ont l'avantage de présenter une grande surface d'échange, mais en revanche requièrent un volume de gaz important. En outre, ce type de dispositif engendre une perte de charge élevée. En d'autres termes, le problème que se propose de résoudre l'invention est de développer un condenseur ou échangeur fluide frigorigène / eau ne présentant pas les inconvénients ci-dessus et remplissant au contraire les trois conditions cumulatives pour en faire un échangeur fiable et efficace, que sont : - une quantité de fluide frigorigène la plus faible possible, - une surface d'échange la plus élevée possible, - une perte de charge la plus faible possible. Le Demandeur a résolu ce problème en proposant un système dans lequel la surface d'échange se présente sous la forme d'une pluralité de tubes torsadés parcourus par le fluide frigorigène et entre lesquels circule, à contre-courant, le fluide caloporteur à réchauffer. Plus précisément, l'invention a pour objet un condenseur perfectionné destiné à assurer le transfert de calories entre un fluide frigorigène et un fluide caloporteur comprenant un cylindre externe enveloppant au moins deux tubes, dont les extrémités sont connectées à des conduites d'arrivée et de sortie de fluide frigorigène, les tubes étant enroulés autour d'un cylindre central dans lequel circule, à contre-courant par rapport au fluide 3 frigorigène, le fluide caloporteur. Ce condenseur se caractérise en ce que les tubes sont rendus solidaires les uns des autres pour former un faisceau de tubes enroulé en spirale autour du cylindre central, le faisceau de tubes étant torsadé. En d'autres termes, l'invention consiste à avoir mis au point une surface d'échange constituée d'une pluralité de tubes torsadés, ce qui permet au fluide caloporteur circulant d'être en contact avec la quasi-totalité de la surface des tubes, le système requérant, du fait du faible diamètre des tubes, une quantité limitée de fluide frigorigène n'engendrant pas de perte de charge. Comme indiqué, les tubes ne sont pas torsadés séparément, mais sont réunis sous forme d'un faisceau, lequel est lui-même torsadé. Cette caractéristique permet de disposer de tubes de longueur identique. Bien entendu, le nombre de tubes constitutifs du faisceau torsadé n'est pas limité et est déterminé en fonction de la perte de charge admise par le système. En pratique, le nombre de tubes est compris entre 2 et 10, avantageusement égal à 7. Pour rendre le système compatible avec les dimensions des échangeurs mis en oeuvre dans les pompes à chaleur, la torsade est de '4 de tour du faisceau de tubes par tour du cylindre central. S'agissant de la solidarisation des tubes entre-eux, celle-ci peut être effectuée par tout moyen connu. Pour permettre la circulation du fluide caloporteur au travers de l'ensemble des tubes constitutifs du faisceau, les tubes sont avantageusement solidarisés par le biais d'attaches ou par soudure ponctuelle. Selon une autre caractéristique, le diamètre des tubes représente entre 0,1 et 0,5 fois le diamètre de la conduite d'arrivée du fluide frigorigène. Par ailleurs, pour améliorer le coefficient d'échange, le cylindre central est muni d'une double paroi dans laquelle est stockée de l'air, ce qui permet d'éviter tout échange calorique entre l'eau réchauffée et le fluide frigorigène en cours de refroidissement. L'invention a également pour objet une pompe à chaleur équipée d'un condenseur ci-avant décrit. L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation suivant à l'appui des figures annexées. La figure 1 est un schéma de principe du condenseur de l'invention. La figure 2 est une représentation du faisceau de tubes torsadés caractéristique de l'échangeur enroulé autour du cylindre central. Selon l'invention, le condenseur se présente sous la forme d'une cuve cylindrique externe (1) renfermant deux tubes concentriques également cylindriques, respectivement un tube central (2) et un tube de diamètre supérieur (3). Dans l'espace séparant la paroi de la cuve externe (1) de celle du cylindre concentrique (3) est agencé le système d'échange, lequel se présente sous la forme d'une pluralité de tubes (4) réunis en un faisceau torsadé (5) tel qu'il apparaît sur la figure 2. En pratique, le cylindre externe (1) est connecté à une de ses extrémités à un tube (6) d'alimentation des tubes (4) en fluide frigorigène, lequel après avoir parcouru les tubes (4) est refoulé par la canalisation de sortie (7) située à l'autre extrémité du cylindre externe (1). S'agissant du fluide caloporteur, celui-ci alimente la cuve externe (1) par le biais d'une canalisation (8) positionnée à l'opposé de la canalisation d'arrivée de fluide frigorigène (6) de manière à disposer d'un système à contre-courant. La sortie de fluide caloporteur de l'échangeur est effectuée par le biais de la canalisation (9). Sur la figure 2 est représenté plus spécifiquement le système d'échange. Celui-ci se présente sous la forme d'une pluralité de tubes, en pratique 7 tubes (4) réunis en un faisceau (5) par le biais d'attaches (10). Le faisceau est torsadé tout en étant enroulé en spirale autour du cylindre (3). En pratique, le faisceau est torsadé d'un quart de tour tous les tours de cylindre. Cet échangeur est plus particulièrement destiné à être intégré dans des pompes à chaleur. Comme déjà dit, le principe de la pompe à chaleur est de prélever des calories sur une source extérieure, puis de les transférer au fluide caloporteur alimentant les radiateurs ou ventiloconvecteurs. L'échange de calories est effectué dans le condenseur. En pratique, le fluide frigorigène, par exemple le R410A, arrive à l'échangeur à l'état gazeux sous une forme comprimée, c'est-à-dire à température élevée. Au contact de l'eau froide parvenant dans le cylindre externe par la canalisation (8) se produit un échange thermique entre l'eau froide et le fluide frigorigène circulant à contre-courant dans les faisceaux de tubes torsadés. Le fluide frigorigène se transforme en liquide une fois ses calories transférées au fluide caloporteur, en pratique l'eau. L'eau chaude circule ensuite dans le tube central (2) à double paroi de sorte qu'il n'y a pas de perte d'échange thermique. L'invention et les avantages qui en découlent ressortent bien de la description précédente, on note en particulier la mise au point d'un condenseur perfectionné dans lequel perte de charge et quantité de fluide frigorigène sont particulièrement faibles, et ce malgré une surface d'échange optimisée. REVENDICATIONS 1/ Condenseur destiné à assurer le transfert de calories entre un fluide frigorigène et un fluide caloporteur comprenant un cylindre externe (1) enveloppant au moins deux tubes (4), dont les extrémités sont connectées à des conduites d'arrivée et de sortie de fluide frigorigène, les tubes étant enroulés autour d'un cylindre central (2) dans lequel circule le fluide caloporteur, à contre-courant par rapport au fluide frigorigène, caractérisé en ce que les tubes (4) sont rendus solidaires les uns des autres pour former un faisceau de tubes enroulé en spirale autour du cylindre central, le faisceau de tube étant torsadé. 2/ Condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de tubes (4) est compris entre 2 et 10. 3/ Condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de tubes (4) est de 7. 4/ Condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la torsade du faisceau est d'un quart de tour par tour du cylindre central. 5/ Condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes (4) sont rendus solidaires les uns des autres au moyen d'attaches (10). 6/ Condenseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre des tubes (4) représente entre 0,1 et 0,5 fois le diamètre de la conduite d'arrivée de fluide frigorigène. 7/ Condenseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cylindre central (2) est muni d'une double paroi dans laquelle est stockée de l'air. 8/ Condenseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide frigorigène est le R410A. 9/ Condenseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est de l'eau. 10/ Pompe à chaleur équipée d'un condenseur selon l'une des revendications 1 à 9.