Brevet FR2963414A1 — publié le 20120203

Condenseur pour chauffe-eau thermodynamique La présente invention se rapporte à un condenseur et à un chauffe-eau thermodynamique muni d'un tel condenseur. Ledit chauffe-eau est notamment destiné au chauffage de l'eau sanitaire, ou encore à la production d'eau de chauffage. La présente invention se rapporte également à une installation de chauffage équipée d'un tel chauffe-eau. Dans le domaine du chauffage domestique, des recherches sont actuellement menées pour réduire les dépenses énergétiques. Les chauffe- eau thermodynamiques présentent notamment un bien meilleur rendement énergétique que les chauffe-eau électriques. Un chauffe-eau thermodynamique est un chauffe-eau muni d'une pompe à chaleur comme moyen de chauffage. Le principe d'une pompe à chaleur est de prélever des calories d'une source, par exemple l'air extérieur, pour les transférer à l'eau du chauffe-eau. Ce transfert de calories s'effectue même si la température de l'air est inférieure à celle de l'eau à chauffer. De manière classique, une pompe à chaleur comporte un circuit, parcouru par un fluide frigorigène. Un fluide frigorigène est une substance capable d'absorber et de restituer de la chaleur, par des changements d'état liquide/gaz ou gaz/liquide. De manière classique, le circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur forme une boucle passant par les éléments suivants : - un évaporateur, dans lequel le fluide prélève de la chaleur à une source, par exemple l'air extérieur. Le fluide frigorigène passe de l'état liquide à l'état gazeux ; - un compresseur : actionné par un moteur, il élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant ; - un condenseur, dans lequel le fluide frigorigène passe de l'état de vapeur à l'état liquide en cédant sa chaleur à l'eau à chauffer ; - un détendeur : il réduit la pression et la température du fluide frigorigène en phase liquide. Un type de condenseur très répandu consiste en un tuyau enroulé en forme d'hélice autour de la cuve du chauffe-eau. L'échange thermique s'effectue via la paroi du tuyau et celle de la cuve. Afin d'assurer une surface suffisante d'échange thermique, un tel condenseur nécessite un tuyau de longueur importante. Cette longueur de tuyau augmente la quantité de fluide frigorigène nécessaire dans le dispositif. Par exemple, pour un chauffe-eau de 200 L, un tel dispositif de chauffage nécessite environ 750 g de fluide frigorigène tel que le HFC-134a (1,1,1,2-tétrafluoroéthane). Or, les fluides frigorigènes fluorés, notamment de type hydrofluorocarbone, ont un impact environnemental important en cas de rejet dans l'atmosphère. Cet impact est mesuré par le potentiel de réchauffement global (PRG). Le PRG d'un composé correspond à une comparaison entre l'effet de serre généré par 1 Kg de ce composé et l'effet de serre équivalent généré par du CO2. Par exemple, le HFC-134a a un PRG égal à 1430 Kg équivalent CO2 sur une durée de 100 ans, ce qui correspond à un impact élevé sur l'effet de serre. Il est donc préférable de réduire l'utilisation industrielle de tels produits si leur recyclage n'est pas assuré. D'autres fluides frigorigènes ont un PRG beaucoup plus faible. En effet, des fluides non fluorés, comme l'isobutane ou le propane, ont un PRG égal à 20 sur une durée de 100 ans. L'isobutane est notamment utilisé de manière courante dans le domaine des réfrigérateurs. Cependant, ce type de composé est inflammable et ne peut être utilisé dans un circuit à grande capacité. La charge d'isobutane ou de propane autorisée dans un appareil domestique est en effet limitée à 150 g. Il serait donc avantageux de réduire la contenance en fluide frigorigène du condenseur sur un chauffe-eau thermodynamique. L'impact environnemental du fluide frigorigène serait également réduit. D'autre part, une réduction importante de contenance rendrait possible l'utilisation de fluides frigorigènes à faible potentiel de réchauffement global, mais inflammables. Une pompe à chaleur contenant une grande quantité de fluide frigorigène génère un autre inconvénient. En effet, elle impose d'utiliser un évaporateur volumineux. La taille de l'évaporateur est à considérer en fonction du volume de fluide frigorigène à l'état liquide susceptible de remplir ledit évaporateur lorsque le compresseur est à l'arrêt. Si l'évaporateur présente un volume trop faible, le fluide ne dispose pas d'un volume suffisant à son évaporation lors de la remise en route du compresseur. Du fluide frigorigène à l'état liquide passe alors dans ledit compresseur. Ce dernier peut en être sérieusement détérioré. En effet, le fluide frigorigène est miscible avec l'huile du compresseur, le mélange ayant pour effet de diminuer les propriétés lubrifiantes de l'huile. Un condenseur de faible contenance permettrait donc de limiter la charge en fluide frigorigène de la pompe à chaleur, tout en diminuant le risque de détérioration ou d'usure prématurée du compresseur. La présente invention apporte une solution à ces problèmes. Elle se rapporte en effet à un condenseur de faible contenance en fluide frigorigène, ainsi qu'à un chauffe-eau thermodynamique comportant un tel condenseur. La configuration de ce condenseur induit un excellent rapport entre la surface d'échange thermique et le volume de fluide frigorigène qu'il contient. Un objet de la présente invention est un chauffe-eau comportant une cuve, ledit chauffe-eau étant muni d'une pompe à chaleur, ladite pompe à chaleur comportant notamment un condenseur, le condenseur étant traversé par un circuit comportant une entrée et une sortie, ledit circuit étant parcouru par un fluide frigorigène, le chauffe-eau étant caractérisé en ce que le circuit comporte au moins trois canaux disposés en parallèle, chacun desdits canaux étant formé par un tube relié à l'entrée et à la sortie, une enveloppe desdits tube étant située à l'intérieur de la cuve. Selon l'invention, l'enveloppe du condenseur est directement au contact de l'eau de la cuve, de manière similaire aux thermoplongeurs des chauffe-eau électriques. Ce contact direct optimise l'échange thermique entre le fluide frigorigène et l'eau de la cuve Par ailleurs, selon l'invention, la multiplicité des tubes formant le condenseur permet d'augmenter le rapport surface d'échange thermique / volume de fluide frigorigène. En outre, le fait de placer le condenseur à l'intérieur de la cuve permet de simplifier la réalisation de ladite cuve, et donc de diminuer son coût. En effet, lorsque le condenseur est situé à l'extérieur de la cuve, la paroi extérieure de ladite cuve est en général spécifiquement conçue pour faciliter l'échange thermique. A titre indicatif, le coût de réalisation d'une cuve pour chauffe-eau thermodynamique est environ cinq fois supérieur au coût de réalisation d'une cuve pour chauffe-eau électrique. Le positionnement de l'enveloppe à l'intérieur de la cuve permet d'utiliser une cuve similaire à celle des chauffe-eau électriques. Selon une forme préférentielle de l'invention, les au moins trois canaux sont sensiblement de même longueur les uns par rapport aux autres entre l'entrée et la sortie. Selon une forme préférentielle de l'invention, le condenseur comporte un tube distributeur reliant l'entrée du circuit aux canaux, ainsi qu'un collecteur reliant les canaux à la sortie du circuit, une intersection des canaux avec le distributeur étant située plus haut, selon un axe vertical, qu'une intersection des canaux avec le collecteur. Plus préférentiellement, la trajectoire des canaux entre leur intersection avec le distributeur et leur intersection avec le collecteur s'effectue selon une pente descendante. Il est en effet préférable d'éviter qu'un fragment du circuit suive une pente montante entre l'entrée et la sortie. Un « point bas » dans le circuit provoquerait l'accumulation de fluide frigorigène à l'état liquide, ce qui diminuerait la surface d'échange thermique. Ainsi, au cours de la trajectoire du fluide frigorigène dans le condenseur, le liquide condensé sur les parois des tubes descend par gravité vers le collecteur. La surface des parois des tubes est donc disponible en permanence pour l'échange thermique entre le fluide frigorigène et l'eau de la cuve du chauffe-eau, ce qui améliore l'efficacité du condenseur. La forme et les positions respectives des tubes à l'intérieur de la cuve peuvent être choisies en fonction de contraintes de fabrication ou d'entretien. Il est préférable de ménager un espace suffisant entre les tubes pour permettre une circulation de l'eau de la cuve, afin d'améliorer l'échange thermique. De manière préférentielle, les au moins trois canaux sont disposés en hélices autour d'un même axe vertical. Cette disposition assure une meilleure circulation de l'eau dans la cuve, en raison de la montée de l'eau chaude vers le haut de la cuve. L'invention a également pour objet un condenseur pour pompe à chaleur, une enveloppe dudit condenseur comprenant un tube distributeur et un tube collecteur sensiblement rectilignes et parallèles, configurés de sorte qu'une circulation s'effectue en sens opposé dans ledit distributeur et dans ledit collecteur, ledit distributeur et ledit collecteur étant reliés à au moins trois canaux disposés parallèlement en hélices circulaires, selon un axe sensiblement parallèle au distributeur et au collecteur, un tube choisi parmi le distributeur et le collecteur étant disposé à l'intérieur des hélices. L'invention a également pour objet un chauffe-eau équipé d'un tel condenseur, l'enveloppe dudit condenseur étant positionné selon un axe vertical à l'intérieur de la cuve dudit chauffe-eau. Pour une utilisation en production d'eau chaude sanitaire, un condenseur de chauffe-eau selon l'invention peut être réalisé dans tout matériau compatible avec l'eau chaude sanitaire, comme le cuivre, l'aluminium ou l'acier inoxydable. Il est possible de revêtir le condenseur d'un revêtement compatible avec l'eau sanitaire, par exemple une peinture, un vernis ou un émail. Selon une forme préférentielle de l'invention, le fluide frigorigène du chauffe-eau est un fluide dont le PRG sur 100 ans est inférieur à 150. En effet, la présente invention permet de réduire considérablement la contenance du condenseur. Il est donc possible d'utiliser des fluides frigorigènes de type isobutane ou propane, dont la quantité maximale autorisée est limitée à 150 g par appareil mais dont la masse volumique est faible. Pour un chauffe-eau de 200 L selon l'invention, il est notamment possible de réaliser un système de pompe à chaleur nécessitant moins de 150 g de propane. La présente invention permet donc d'éviter l'utilisation de fluides frigorigènes de type hydrofluorocarbone, à effet de serre important. La présente invention se rapporte également à une installation de chauffage, notamment de chauffage domestique, comportant un chauffe-eau tel que décrit précédemment. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - Figure 1 : vue schématique en coupe d'un chauffe-eau selon un mode de réalisation de l'invention ; - Figure 2 : vue schématique partielle d'un chauffe-eau selon un autre mode de réalisation de l'invention La figure 1 représente une vue schématique, en coupe, d'un chauffe- eau 1 selon un premier exemple de réalisation de l'invention. Le chauffe-eau 1 comporte notamment une cuve 2. La cuve 2 est de forme sensiblement cylindrique, selon un axe vertical. La figure 1 montre une coupe du chauffe-eau 1 selon un plan vertical. La cuve 2 est reliée à un circuit d'eau sanitaire par une entrée 3 et une sortie 4. De manière préférentielle, l'entrée 3 et la sortie 4 sont respectivement situées en partie inférieure et en partie supérieure de la cuve 2. Le chauffe-eau 1 est relié à un système 5 de pompe à chaleur destiné à chauffer l'eau de la cuve 2. Ledit système comporte un circuit 6 parcouru par un fluide frigorigène. Le circuit 6 passe notamment par un condenseur 7, qui sert à l'échange thermique entre le fluide frigorigène et l'eau de la cuve 2. Dans le condenseur 7, le fluide circule entre une entrée 8 et une sortie 9. Le condenseur 7 est placé à l'intérieur de la cuve 2. Une enveloppe 17 dudit condenseur se trouve donc au contact de l'eau. Dans l'exemple représenté à la figure 1, le condenseur 7 est raccordé au reste du circuit 6 en partie supérieure de la cuve 2. L'entrée 8 et la sortie 9 se trouvent donc au niveau d'un plafond de la cuve. Au niveau de l'entrée 8, le circuit 6 de fluide frigorigène est formé par un unique tube 10 distributeur, disposé de manière sensiblement verticale. Le distributeur 10 se divise ensuite en au moins trois tubes 11, chacun desdits tubes étant disposé dans l'espace de manière à assurer un échange thermique efficace avec l'eau d'une cuve de chauffe-eau telle que la cuve 2. Les tubes 11 se rassemblent ensuite en un tube collecteur 12, disposé de manière sensiblement verticale. Ledit tube 12 est relié à la sortie 9. Dans ce mode de réalisation de l'invention, il est avantageux de prévoir que les intersections 13 des tubes 11 avec le distributeur 10 soient situées plus haut, selon un axe vertical, que les intersections 14 des tubes 11 avec le collecteur 12. Il est également préférable que la totalité de la trajectoire des tubes 11, entre les intersections 13 et 14, s'effectue selon une pente descendante. Ainsi, au cours de la trajectoire du fluide frigorigène dans le condenseur 7, le liquide condensé sur les parois des tubes 11 descend par gravité vers le collecteur 12. La surface des parois des tubes 11 est donc disponible en permanence pour l'échange thermique entre le fluide frigorigène et l'eau de la cuve du chauffe-eau. Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque tube 11 est disposé en hélice autour d'un axe sensiblement vertical. Plus préférentiellement, lesdites hélices sont coaxiales, d'axe 20. Encore plus préférentiellement, lesdites hélices sont des hélices circulaires, de même rayon et parallèles les unes aux autres. Préférentiellement, un espace est ménagé entre les spires des différentes hélices formées par les tubes 11, afin de faciliter la circulation de l'eau autour desdits tubes. La disposition en hélices selon un axe 20 vertical favorise une meilleure circulation de l'eau dans la cuve, selon un « effet cheminée » : l'eau chauffée au contact des tubes 11 monte vers le haut de la cuve 2. Une dépression se crée à l'intérieur de l'hélice, qui aspire de l'eau plus froide provenant du bas de la cuve. Ce phénomène de circulation d'eau à l'intérieur de la cuve améliore l'efficacité du condenseur 7. Préférentiellement, à proximité des intersections 14 des tubes 11 avec le collecteur 12, l'enroulement des hélices se rapproche localement de l'axe 20. Ainsi, le collecteur 12 est disposé verticalement à l'intérieur des hélices formées par les tubes 11. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 1, lors de la fabrication du chauffe-eau 1, le condenseur 7 est introduit dans la cuve 2 par l'intermédiaire d'une ouverture 15 située au bas de ladite cuve. Lorsque le chauffe-eau est en état de fonctionnement, l'ouverture 15 est fermée par une bride 16 ayant par exemple la forme d'un disque. La bride 16 est fixée à la cuve 2, par des moyens (non représentés) d'assemblage réversible, tels que des vis. La bride 16 peut être munie d'équipements classiques de chauffe-eau, comme une anode anticorrosion, des doigts de gant pour sondes thermiques ou un thermoplongeur de chauffage d'appoint. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 1, l'entrée 8 et la sortie 9 du condenseur 7 sont situées en partie supérieure de la cuve, le tube distributeur 10 étant plus court que le collecteur 12. Il est possible d'équiper la bride 16 d'un moyen pour stabiliser le condenseur 7 à l'intérieur de la cuve 2, comme par exemple un doigt de gant prenant place à l'intérieur des hélices, parallèlement à l'axe 20. Cependant, il est également envisageable de situer l'entrée 8 et la sortie 9 en partie inférieure d'une cuve, en prévoyant un distributeur 10 plus long que le collecteur 12. Pour ce faire, il est par exemple possible de retourner verticalement le condenseur 7 et d'inverser l'entrée 8 et la sortie 9. La figure 2 représente une vue schématique partielle, en coupe, d'un chauffe-eau 101 selon un deuxième exemple de réalisation de l'invention. Le chauffe-eau 101 comporte notamment une cuve 102. La cuve 102 est de forme sensiblement cylindrique, selon un axe vertical. La figure 2 montre une coupe du chauffe-eau 1 selon un plan vertical. La cuve 102 est reliée à un circuit d'eau sanitaire (non représenté). Le chauffe-eau 101 est relié à un système de pompe à chaleur destiné à chauffer l'eau de la cuve 102. Ledit système comporte un circuit 106 parcouru par un fluide frigorigène. Le circuit 106 passe notamment par un condenseur 107, qui sert à l'échange thermique entre le fluide frigorigène et l'eau de la cuve 102. Dans le condenseur 107, le fluide circule entre une entrée 108 et une sortie 109. Le condenseur 107 comporte un distributeur 110, disposé en entrée 108, et un collecteur 112, disposé en sortie 109. Le distributeur 110 a pour fonction de diviser le circuit 106 en au moins trois branches 113, lesdites branches 113 étant par exemple disposées en cône. Ces branches 113 sont reliées à une extrémité de tubes 111, disposés à l'intérieur de la cuve 102. Une enveloppe 117 des tubes 111 se trouve donc au contact de l'eau. Une autre extrémité desdits tubes 111 est reliée à une branche 114 du collecteur 109. Ledit collecteur 109 comporte au moins trois branches 114, qui sont rassemblées en un canal unique au niveau de la sortie 109 du condenseur. La multiplicité des tubes 111, dans lesquels circule le fluide frigorigène, permet d'augmenter la surface d'échange thermique entre ledit fluide frigorigène et l'eau de la cuve, sans augmenter le volume interne du condenseur. Les tubes 111 disposés en parallèle sont au moins au nombre de trois. Seuls deux tubes 111 sont visibles sur la vue en coupe de la figure 2. Avantageusement, les tubes 111 présentent une longueur identique entre le distributeur 110 et le collecteur 112. Ainsi, dans le collecteur 107, le circuit 106 est divisé en canaux de même longueur, disposés en parallèle, formés par les tubes 111. De manière préférentielle, les tubes 111 sont également de section identique. Les tubes 111 sont disposés dans l'espace de manière à favoriser l'échange thermique avec l'eau de la cuve. Comme indiqué dans l'exemple représenté à la figure 1, il est préférable que l'essentiel du circuit 106 au contact avec l'eau de la cuve 102 ait une pente inférieure ou égale à zéro entre l'entrée 108 et la sortie 109. En effet, une pente descendante permet au liquide frigorigène condensé de ruisseler en direction de la sortie, ce qui libère de la surface d'échange thermique fluide/cuve 102. La présence d'un fragment de circuit 106 suivant une pente montante entre l'entrée et la sortie crée un « point bas » dans ledit circuit 106. Au niveau de ce point bas peut s'accumuler du fluide frigorigène à l'état liquide. Le volume accumulé occupe une partie de la surface d'échange du condenseur, ce qui diminue son efficacité. Dans l'exemple représenté à la figure 2, les tubes 111 comportent une partie115 verticale montante à proximité de l'entrée 108, ainsi qu'une partie 116 qui descend vers la sortie 109 selon une forme de serpentin. La partie 116 aurait également pu être configurée en hélice descendante, comme dans l'exemple représenté à la figure 1. De préférence, la partie 115 représente une faible proportion de longueur d'un tube 111, de manière à limiter la surface d'échange pouvant être occupée par du fluide frigorigène à l'état liquide. Au niveau de l'entrée 108 et de la sortie 109, le distributeur 110 et le collecteur 112 sont fixés à un siège 118. La fixation est réalisée de manière à assurer l'étanchéité du circuit 106 par rapport à l'eau de la cuve 102. Le siège 118 se trouve au contact de l'eau de la cuve 102. Dans le siège 118 sont aménagés des collecteurs 119 d'entrée et 120 de sortie. Chacun de ces collecteurs est relié à un tuyau (121, 122). Les tuyaux (121, 122) assurent la liaison du condenseur 107 avec le reste du circuit 106 de la pompe à chaleur du chauffe-eau 101. Le siège 118 est fixé, par des moyens 123 d'assemblage réversible, à un support 124. Les moyens 123 sont par exemple des vis. Un joint torique 125, placé entre le siège 118 et le support 124, assure une étanchéité vis-à- vis de l'eau de la cuve 102. Selon une variante de l'invention, on peut réaliser le siège 118 et le support 124 de manière monobloc. Le support 124 a par exemple la forme d'un disque, disposé horizontalement, qui constitue une partie du fond de la cuve 102. Le support 124 est fixé à la cuve 102, par des moyens (non représentés) d'assemblage réversible. Ainsi, il est aisé de démonter de la cuve 102 l'ensemble formé par le support 124, le siège 118 et les tubes 111. Ce démontage facilite des opérations d'entretien sur le chauffe-eau 101. Outre le siège 118, le support 124 peut être muni d'autres équipements classiques de chauffe-eau, comme une anode anticorrosion, des doigts de gant pour sondes thermiques ou un thermoplongeur de chauffage d'appoint. Ainsi, tous ces équipements peuvent facilement être dissociés de la cuve 102 par démontage du support 124. Les condenseurs des chauffe-eau selon l'invention combinent efficacité et contenance réduite. Il est donc possible d'utiliser des fluides frigorigènes à faible PRG, de type isobutane ou propane. On peut également utiliser un fluide de type difluoro-1,1-éthane (R152a). REVENDICATIONS1.- Chauffe-eau (1, 101) comportant une cuve (2, 102), muni d'une pompe à chaleur, ladite pompe à chaleur comportant notamment un condenseur (7, 107), le condenseur étant traversé par un circuit (6, 106) comportant une entrée (8, 108) et une sortie (9, 109), ledit circuit étant parcouru par un fluide frigorigène, le chauffe-eau étant caractérisé en ce que le circuit comporte au moins trois canaux (11, 111) disposés en parallèle, chacun desdits canaux étant formé par un tube relié à l'entrée et à la sortie, une enveloppe (17, 117) desdits tubes étant située à l'intérieur de la cuve. 2.- Chauffe-eau selon la revendication 1, tel que les canaux (11, 111) sont sensiblement de même longueur entre l'entrée et la sortie. 3.- Chauffe-eau selon l'une des revendications 1 à 2, tel que le condenseur comporte un tube distributeur (10) reliant l'entrée (8) aux canaux (11), tel qu'il comporte en outre un collecteur (12) reliant les canaux (11) à la sortie (9), une intersection (13) des canaux avec le distributeur étant située plus haut, selon un axe (20) vertical, qu'une intersection (14) des canaux avec le collecteur. 4.- Chauffe-eau selon la revendication 3, tel que la trajectoire des canaux (11) entre leur intersection (13) avec le distributeur et leur 25 intersection (14) avec le collecteur s'effectue selon une pente descendante. 5.- Chauffe-eau selon l'une des revendications précédentes, tel que les canaux (11) sont disposés en hélices selon un même axe (20) vertical. 30 6.- Chauffe-eau selon l'une des revendications précédentes, tel que l'enveloppe (17) du condenseur comprend un tube (10) distributeur et un tube (12) collecteur sensiblement rectilignes et parallèles, configurés de sorte qu'une circulation s'effectue en sens opposé dans ledit distributeur et dans ledit collecteur, ledit distributeur et ledit collecteur étant reliés à au moins 35 trois canaux (11) disposés parallèlement en hélices circulaires, selon un axe(20) sensiblement parallèle au distributeur et au collecteur, un tube (12) choisi parmi le distributeur et le collecteur étant disposé à l'intérieur des hélices. 7.- Chauffe-eau selon la revendication 6, l'enveloppe du condenseur étant disposée selon un axe (20) vertical à l'intérieur de la cuve. 8.- Chauffe-eau selon l'une des revendications 1 à 7, tel que le fluide frigorigène est un fluide dont le potentiel de réchauffement global sur 100 ans 10 est inférieur à 150 Kg équivalent CO2. 9.- Installation de chauffage comportant un chauffe-eau selon l'une des revendications 1 à 8.