Brevet FR2957410A1 — publié le 20110916

L'invention est conçue pour le transfert des calories d'un gaz chaud lors de sa condensation dans un conduit traversant une masse liquide. Sa première utilisation est pour une pompe à chaleur Air Eau à accumulation de conception simple, de fabrication et d'utilisation économique. Elle est conçue pour s'adapter aux installations existantes de chauffage central et 10 utilisable en relevage de chaudières à combustible fossile. Les pompes à chaleur Air Eau, produisent en fonction des besoins en chauffage. Il en découle cinq problèmes majeurs. -Premier problème : Les variations de demande en chauffage 15 augmentent les fréquences de fonctionnement de la pompe à chaleur. La pression du fluide caloriporteur ne permet pas des arrêts et des redémarrages fréquents du compresseur. Pour gérer les variations de la demande, les compresseurs sont équipés de moteur à vitesse variable. Des circuits électriques importants sont nécessaires pour la régulation et les 20 protections du moteur du compresseur, d'une part, ils représentent une part non négligeable de la consommation annuelle des pompes à chaleur, d'autres parts, ils sont sensibles à la foudre et en fonctionnement aux coupures intempestives de courant du réseau électrique. -Deuxième problème : Dans les condenseurs, la quantité d'eau est 25 limitée pour les rendre très réactif. Ils sont principalement constitués par des échangeurs à plaques qui présentent une grande surface d'échange thermique dans un petit volume. Dans tous les échangeurs, les faibles masses d'eau nécessitent des précautions rigopreuses contre la présence d'air, de sable, de boues et de retour d'eau chaude. Malgré la présence de 30 circuits de contrôle, toute anomalie dans les fluides perturbe l'échange thermique avec des risques de surchauffe qui peuvent provoquer de graves dommages au condenseur. -Troisième problème : La faible distance entre les points chauds et les points froids du condenseur rend très difficile la production d'eau chaude supérieure à soixante degrés Celsius. De plus une association avec une chaudière à énergie fossile s'avère délicate. En effet, la température de retour du fluide caloriporteur ne doit pas dépasser les cinquante cinq degrés Celsius au risque de surchauffe du compresseur. Les gaz en sortie du compresseur entrent en zone critique de pression et de température avec pour conséquence des risques de détérioration de la pompe à chaleur. -Quatrième problème : La faible masse d'eau des condenseurs limite la restitution maximum des calories. -Cinquième problème : Des contradictions apparaissent par grand froid. La demande en chauffage augmente, alors que les possibilités de la pompe à chaleur à récupérer des calories diminuent. La surpuissance demandée au compresseur entraîne un retour de forte masse de fluide sur l'évaporateur, déjà en baisse d'échange thermique à cause des faibles températures de l'air extérieur. Cette masse supplémentaire provoque une inertie importante de l'évaporateur. Elle aggrave la formation de givre sur celui-ci. Les solutions consistent, d'une part, par un apport de résistances électriques chauffantes pour les périodes de grand froid, alors que la capacité des réseaux de distributions d'électricité est au maximum. D'autres parts, des circuits d'eau indépendants avec une bouteille d'échange sont nécessaires pour s'adapter aux installations existantes de chauffage. Ils nécessitent une gestion plus complexe du chauffage. Pour toutes ces raisons, les pompes à chaleur se limitent principalement aux planchers chauffants des maisons neuves bien isolées. L'invention consiste à un condenseur constitué par un ballon de liquide, dans lequel le fluide caloriporteur circule à travers des serpentins. L'invention commence par un tuyau en cuivre isolé (3), transportant le fluide caloriporteur du compresseur (25) sous forme gazeuse. II entre dans la partie supérieure du ballon (18) de liquide (15), d'une contenance minimum de deux cents litres. Le volume du ballon de liquide et la taille du condenseur grandissent en fonction de la puissance du compresseur. Le tuyau en cuivre se développe en forme de serpentin vertical (1) qui tourne vers le bas au milieu du ballon. Il se divise en deux parties (2) dans sa zone basse. La première partie (1) est composée d'un tube en cuivre de section supérieure aux sections des tubes en cuivre de la deuxième partie du serpentin (2). Le fluide caloriporteur se condense dans les serpentins (1) (2). I1 s'écoule vers le bas aidé par la pesanteur. La colonne de liquide (21) au milieu du ballon effectue un échange thermique à contre courant naturel. Le liquide moins chaud (22) des parois alimente le bas de la colonne (23) .Des petites boucles de liquide (24) en strates sur l'extérieur des serpentins (1) (2) favorisent la circulation et l'échange thermique. La sortie des parties inférieures du serpentin est située dans la partie basse (17) du ballon de liquide. Le serpentin renvoie le fluide caloriporteur (4) sous forme liquide à la température du liquide du ballon en partie basse. Les calories s'accumulent par stratification thermique du liquide du ballon. Le liquide plus chaud s'accumule dans la partie supérieure du ballon où se trouvent la sortie du liquide chaud (6) et une entrée (9) pour un apport d'une autre source de liquide chaud. Dans sa partie inférieure se situent le retour (7) du liquide distribué et une sortie (8) vers l'autre source de liquide rapporté. La position des entrées et des sorties sur le ballon permet le mélange et la distribution du liquide. Dans la partie basse du ballon une sonde de température (5) va nous permettre de gérer la demande de fonctionnement de la pompe à chaleur. La sécurité est assurée par un purgeur de gaz (12) positionné sur la partie la plus haute du ballon, un capteur (11) de présence de liquide, une sonde de température (10) en partie haute et le fond du ballon (14) servant de récupération des sables et des boues contenus dans le liquide avec un bouchon (13) de vidange. L'ensemble de l'invention est recouvert d'isolant thermique (16). 10 Dans l'invention, la masse importante du liquide du ballon, la position et la forme verticale du condenseur apportent les solutions aux problèmes posés -La solution au premier problème : Le fonctionnement du 15 condenseur à accumulation n'est pas dépendant de la demande en chauffage. En conséquence, un compresseur équipé avec un moteur asynchrone à vitesse stable dépendant de la fréquence secteur suffit. Son couple moteur et sa demande en courant électrique progressent en fonction de la température de retour du fluide caloriporteur (35).La commande du 20 moteur du compresseur est simple. Un relais piloté par le module de gestion suffit. -La solution au deuxième problème : Le nouveau condenseur permet une très grande efficacité de l'échange de chaleur,grâce à une circulation des 2 fluides parfaitement à contre courant dans une masse d'eau 25 importante, avec une neutralisation automatique de l'air, des boues et des sables parasites. Les calories s'accumulent par stratification thermique du liquide. -La solution au troisième problème : La distance du point chaud au point froid du système diphasique des serpentins est grande. L'entrée haute 30 et la sortie basse des serpentins permettent au ballon une production d'eau très chaude avec une récupération maximum des calories. En sortie (17) du condenseur, la température du fluide caloriporteur est à la même température du liquide en partie basse du ballon. Elle aide au bon fonctionnement du détendeur. Elle permet d'optimiser le rendement de l'évaporateur (37). Elle protège le compresseur des surchauffes et évite les entrées en zone critique, du gaz en sortie de compresseur. -La solution au quatrième problème : Dans la partie supérieure (1) du condenseur, le ruissellement du condensat aidé par la pesanteur, permet à la chaleur latente du changement d'état du fluide caloriporteur de convecter plus rapidement. La masse d'eau favorise l'absorption des températures élevées, des pressions et des vibrations générées par le compresseur. De plus la progression régulière de la masse thermique du fluide caloriporteur dans la pompe à chaleur est propice au bon déroulement de la boucle diphasique. Elle permet une accumulation par stratification thermique du liquide du ballon, avec une récupération maximum des calories. -La solution au cinquième problème : La position des entrées et sorties sur le ballon permettent le rajout d'eau chaude par d'autres systèmes de production sans risque de perturbations pour le condenseur, mais aussi pour la pompe à chaleur. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure n° 1 représente le condenseur en coupe La figure n° 2 représente la circulation de l'eau dans le condenseur en coupe La figure n° 3 représente une unité de production d'eau chaude par la pompe à chaleur et le mélange avec une autre source de chaleur. Pour le chauffage, l'invention est utilisable avec la chaudière à énergie fossile de l'habitat existant. Avec cette autre source d'eau chaude, elle peut gérer les périodes de grand froid et les heures de pointe en fourniture d'électricité. Elle peut être couplée à un chauffage solaire. L'alimentation (3) en gaz du serpentin s'effectue par un compresseur (25) près du ballon (18) dans un caisson insonorisé (38) et isolé pour éviter les pertes de charge et de température. La sortie du condenseur (4) est reliée au détendeur (19) avec une liaison basse pression (34) vers l'évaporateur (37). Un ventilateur (20) fait circuler l'air de l'extérieur (33) sur les circuits (31) à (32) de l'évaporateur, qui renvoie le fluide caloriporteur par une liaison basse pression (35) au compresseur. Un module de commande (26) gère le fonctionnement de l'unité de production. Il reçoit l'alimentation électrique (30),il commande l'alimentation (39) du compresseur et l'alimentation (28) du ventilateur (20) de l'évaporateur. Dans l'évaporateur se trouve une sonde de température (29) et une résistance électrique (27) alimentée (36) par le module de commande pour le dégivrage. L'entrée (9) et la sortie (8) servent pour un apport d'eau chaude par une autre source de chaleur en période de grand froid. La sortie (6) et le retour (7) alimentent les différentes demandes de chauffages. Chaque demande ayant sa propre régulation en fonction de ses besoins. La mise en service de l'unité est facile. Son faible bruit permet une unité en bloc compact ou simplement avec l'évaporateur en extérieur et des liaisons uniquement basse pression et en simple isolation à rajouter. L'invention va permettre un fonctionnement souple et économique. La simplicité de l'unité facilite l'utilisation des régulations et des sécurités. L'expérimentation sur une installation de chauffage couplée, avec une chaudière gaz et la contrainte d'un tarif EDF EJP donne les résultats escomptés. Les mesures effectuées en situation réelle durant ces trois derniers hivers, permettent de diviser par trois la facture énergétique et de financer l'installation en quelques années. La production de gaz polluants Io est divisée par quatre. L'invention amène des économies d'énergie fossile, une diminution de la pollution, une gestion plus facile de la distribution des énergies. Dans le contexte économique et politique actuel, elle doit intéresser les 15 consommateurs et la communauté. L'évolution industrielle doit déboucher sur : - la fabrication de condenseurs pour les transferts thermiques de fluides caloriporteurs dans une masse liquide, ainsi que la fabrication 20 d'unités de pompe à chaleur air eau grand public pour le chauffage de l'habitat individuel et d'unités de puissance pour chauffer des immeubles. REVENDICATIONS1 Le condenseur pour le transfert thermique des changements d'état de fluide dans la pompe à chaleur est caractérisé en ce qu'il comprend un ballon (18) isolé (16) d'une contenance minimum de deux cents litres de 10 liquide. Le volume du ballon de liquide et la taille du condenseur grandissent en fonction de la puissance du compresseur. Un tuyau en cuivre isolé (3) transportant le fluide caloriporteur sous forme gazeuse du compresseur (25) entre dans la partie supérieure du ballon. Il se développe en forme de serpentin vertical (1) au milieu du ballon et se 15 divise en deux parties (2) dans sa zone basse. La sortie des serpentins s'effectue par la partie (17) basse du ballon. Les entrées (7) (9) et les sorties (6) (8) permettent l'apport d'une source extérieure de liquide chaud et la distribution pour les besoins. 20 2 Le condenseur selon la revendication 1 est caractérisé en ce que les serpentins (1) (2) tournent vers le bas au centre du ballon. Une très grande efficacité de l'échange de chaleur s'effectue grâce à une circulation des deux fluides parfaitement à contre courant, avec une accumulation par stratification thermique du liquide. 25 3 Le condenseur selon la revendication 2 est caractérisé en ce que la forme du serpentin aidé par l'effet de la pesanteur, favorise le ruissellement du condensat du fluide. Grâce à son dégagement, la chaleur latente du changement d'état convecte plus rapidement dans la 30 partie supérieure (1) du condenseur.5 REVENDICATION 4 Le condenseur selon la revendication 1 est caractérisé en ce que la première partie (1) du serpentin est composée d'un tube en cuivre de section supérieure aux sections des tubes de cuivre de la deuxième partie 10 du serpentin (2).Ce qui permet d'absorber par la masse d'eau, les températures élevées, les pressions et les vibrations générées par le compresseur. Le condenseur selon la revendication 1 est caractérisé en ce que la 15 distance du point chaud au point froid du système diphasique des serpentins est la plus éloignée. Elle permet une récupération maximum des calories et une production d'eau très chaude. 6 Le condenseur selon la revendication 1 est caractérisé en ce que la 20 sortie des parties inférieures des serpentins renvoie le fluide caloporteur (4) sous forme liquide à la température du liquide de la partie basse du ballon. Ce qui permet de gérer le risque d'entrée en zone critique des gaz en sortie du compresseur. 25 7 Le condenseur selon la revendication 1 est caractérisé en ce que la position des entrées (7) (9) et les sorties (6) (8) permettent un mélange des liquides sans risques pour le condenseur et la pompe à chaleur.