Brevet FR3079604A1 — publié le 20191004

ECHANGEUR HAUTE PERFORMANCE ANTI -GIVRE Domaine technique La présente invention se rapporte aux échangeurs de chaleurs, sa fabrication et son utilisation. Elle porte plus particulièrement sur ceux qui sont réversibles et disposés à l'extérieur notamment ceux utilisés dans les pompes à chaleur ou des climatisations. Etat de la technique Les échangeurs de chaleur peuvent givrer en condition critique de prise de glace, c'est-à-dire quand la température est entre -5°C et 2°C et que l'humidité atteint 85%, ceci entraîne une perte de performances, et peut provoquer l'arrêt complet de l'échangeur. Pour éviter la formation de givre il est connu d'arrêter au bout d'un certain temps le cycle thermodynamique de chaffage afin d'inverser l'évaporation et la condensation. Cela a pour effet de refroidir l'eau qui se trouve du côté chaud (les radiateurs), et de permettre ainsi à l'échangeur extérieur de se réchauffer et de faire fondre le givre. Cependant cela a un impact direct sur le chauffage et diminue la performance de la machine. De nombreuses variantes de géométrie sont également proposées en fonction des fabricants et des applications (froid commercial, climatisation...) pour limiter au maximum la création de givre. Les différentes variantes possibles sont d'agir sur: - le pas transversal: l'espace entre les tubes cuivre dans le sens transversal par rapport au sens de l'air, - le pas longitudinal: l'espace entre les tubes cuivre dans le sens longitudinal par rapport au sens de l'air, - le pas d'ailette: l'espace entre deux ailettes, - la forme des ailettes: lisse, ondulée, persienne... 2 L'augmentation importante d'un de ces trois facteurs crée un phénomène de perte d'échange (by-pass) qu'il faut éviter pour garder un ratio dimension/performance acceptable. Il est aussi important de limiter le coût, en limitant 5 la quantité de cuivre et/ou d'aluminium utilisé. Description de l'invention L'objet de l'invention est de proposer un échangeur de chaleur haute performance anti-givre qui permette une 10 utilisation plus longue dans les conditions critiques tout en maintenant une puissance et des dimensions équivalentes, tout gardant la même quantité de tubes et donc en n'augmentant pas le coût. L'échangeur de chaleur selon l'invention comprend des 15 ailettes poinçonnées de trous entourés de collerettes, n tubes traversant n trous et n collerettes, chaque trou et sa collerette ayant un diamètre di et une hauteur h, caractérisée en ce que le nombre de trous est supérieur à n et les n collerettes ont une hauteur hi comprise entre 1,8 et 4,2 mm. Il 20 y a donc des trous et des collerettes libres, c'est-à-dire non traversées par des tubes, ce qui augmente la surface d'échange vis-à-vis de l'air le traversant. Les collerettes libres constituent des obstacles supplémentaires à l'air, afin de provoquer des perturbations et ainso forcer l'echange thermique 25 entre l'ailette et l'air. Ces dernieres peuvent avoir des formes et des dimensions différentes des n collerettes traversées par les tubes. La hauteur hi des n collerettes va définir l'espace entre les ailettes. La combinaison des collerettes libres supplémentaires avec la distance plus grande entre les ailettes 30 permet de compenser la perte d'echange (by-pass) qui pourrait résulter de cette distance plus grande pour une puissance équivalente tout en limitant de façon importante le givre en situation critique. 3 Avantageusement, les trous et les collerettes ont tous le même diamètre. La fabrication et le poinçonnement des ailettes est ainsi plus aisée. Avantageusement, le nombre de trous est égal à 2n. Les 5 échanges sont ainsi doublés. Avantageusement, les trous sont alignés longitudinalement et les tubes traversent un trou sur deux par alignement. La répartition des tubes et des collerettes libres sont ainsi réparti uniformément. Les trous avec leur 10 collerettes pourront être distants les uns des autres d'un pas constant à la fois transversalement et/ou longitudinalement. Avantageusement, les collerettes sont de forme cylindrique. Cette forme présente la meilleure surface d'échange de chaleur avec l'air sans génèrer une perte de charge 15 sur l'air Avantageusement, les ailettes sont en aluminium. L'utilisation d'aluminium pour les ailettes est un bon compromis entre la conductivité thermique, la facilité de réalisation et le coût. L'utilisation d'ailettes en cuivre bien 20 que meilleur conducteur est possible, mais il est plus difficile à travailler et plus cher. Avantageusement, les tubes sont en cuivre. Le cuivre est un bon conducteur thermique. L'utilisation de l'aluminium est également possible. 25 Avantageusement, les trous d'une rangée sont décalés par rapport à ceux des rangées adjacentes. Cela permet une meilleure répartition de l'air autour des tubes et des collerettes. Le procédé de réalisation d'un échangeur de chaleur 30 selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - poinçonnage de trous et de collerettes de diamètre do, tel que do = dl - s, par emboutissage de chaque ailette d'une hauteur h, 4 - empilage des ailettes ainsi réalisées, - insertion de n tubes de diamètre do dans certains trous et collerettes, - insertion d'un second tube de diamètre di pour 5 expandage - retrait des seconds tubes des n tubes. Ce procédé présente l'avantage d'être sensiblement proche du procédé classique, sauf qu'on doit emboutir plus de trous et de collerettes. Ces trous et ses collerettes peuvent 10 être de forme différentes: circulaire et cylindrique de diamètre identique pour ceux qui recevrons les tubes et de diamètre et/ou de forme différent ou identique pour ceux destinés à rester vides. Le procédé de chauffage d'un local selon l'invention 15 met en oeuvre l'échangeur de chaleur avec au moins une des caractéristiques précédentes, il comprend deux modes de fonctionnement: - un premier mode de chauffage lorsque la température est supérieure à 2°C, un deuxième mode de chauffage lorsque 20 la température extérieure est comprise entre -5°C et 2°C et que l'humidité atteint 85%, où un dégivrage et un chauffage alternent avec un intervalle de temps Dt, le passage de l'un à l'autre étant automatiquement régulé, il est caractérisé en ce que l'intervalle de temps Dt 25 est tel que Dt = 119,91 + 9,36 tw + 10,4 tw2 + 0,074 tw3 où tw est la température humide de l'air extérieur en contact avec l'échangeur. Le pas des ailettes de l'échangeur selon l'invention permet d'augmenter de façon significative le 30 temps entre deux dégivrages par rapport à un échangeur de chaleur équivalent. On appelle échangeur de chaleur "équivalent", un échangeur de chaleur ayant le même nombre de tubes et qui, pour une température extérieure humide donnée, a 5 la même la température d'évaporation. Une humidité élevée supérieure à 85% est la plus défavorable pour l'échangeur. L'échangeur de chaleur est ainsi tel que le temps de fonctionnement en mode évaporateur, ou chauffage, sans 5 dégivrage est doublé par rapport à un échangeur classique de même puissance. Grace ses collerettes supplémentaires disposées sur le passage de l'air on peut obtenir une puissance équivalente avec une distance plus grande entre les ailettes tout en limitant le givre en conditions critiques, en évitant 10 toute perte d'échange. D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre d'exemple : - Les figures 1 et 2 sont des vues du montage de 15 l'échangeur selon l'invention, - La figure 3 est une vue de coté de l'échangeur des figures précédentes, - La figure 4 illustre la capacité de chauffage d'un échangeur de l'état de la technique, 20 - la figure 5 illustre la capacité de chauffage d'un échangeur selon l'invention, - la figure 6 est un échangeur de chaleur de l'état de la technique - la figure 7 est un graphique montrant l'intervalle 25 entre deux dégivrages par rapport à la température humide de l'air en contact avec l'échangeur. Dans la présente description, on considérera que le haut correspond au haut des figures et le bas au bas, la partie longitudinale est parallèle à l'axe z de la figure 6, la partie 30 transversale est parallèle à l'axe x de la figure 6. Un échangeur de chaleur 1 de l'état de la technique tel qu'illustré figure 6, comprend des tubes 2 et des ailettes 3. 6 Les tubes 2 sont le plus souvent en cuivre et pliés en épingle 22. Ils sont distants d'un pas transversal Pt. Les ailettes 3 peuvent être plates, lisses, ondulées ou en persienne et sont en général en aluminium. L'empilement des 5 ailettes 3 de l'échangeur 1 a une longueur L. Les ailettes 3 sont perforées de trous 30 afin de laisser passer les tubes 2. Ces trous 30 sont alignés selon plusieurs rangées 33 verticales espacées d'une distance, correspondant au pas longitudinal Pl d'espace entre les tubes 2. 10 L'air traverse l'échangeur 1 transversalement suivant le sens de la flèche A. Un fluide réfrigérant circule dans les tubes 2 à partir d'un tube d'entrée 20 et ressort par un tube de sortie 31 Ce fluide peut être par exemple de l'eau. Les tubes 2 et les ailettes 3 doivent être en contact 15 étroit afin de garantir une bonne conduction. Pour garantir ce contact, un tube d'expandage est introduit dans chaque tube 2 après que celui-ci ait été inséré dans les ailettes pour l'élargir et assurer un meilleur contact avec lesdites ailettes 3. 20 Les ailettes 3 doivent être espacées d'un pas Pa suffisant pour laisser circuler l'air mais pas trop important afin d'éviter une perte d'échange (phénomène de by-pass). Ce pas Pa doit être identique entre chaque ailette 3 afin d'avoir un échange uniforme. Afin d'avoir un pas identique entre chaque 25 ailette, une collerette 31 peut prolonger chaque trou 30 d'une hauteur h = Pa. Alors, l'ensemble des collerettes 31 d'une ailette 3 sert d'appui à l'ailette suivante et garantit un pas uniforme entre chacune. Le pas Pa des ailettes 3 de l'état de la technique est 30 tel que dans certaines conditions de température et d'humidité du givre peut se former être les ailettes 3, il est alors nécessaire d'inverser l'échangeur pour réchauffer les ailettes 3 et faire fondre le givre. Pendant ce temps-là, le local n'est plus chauffé ce qui entraîne des désagréments à l'utilisateur. 7 L'échangeur 1 selon l'invention illustré aux figures 1 à 3, a lui aussi des ailettes 3 et des tubes 2. Les ailettes 3 sont percées de trous 30 bordées de collerettes 31 et alignés selon plusieurs rangées 33. Ces collerettes 31 ont une hauteur 5 Pa' > Pa. Deux rangées 33 successives sont décalées verticalement l'une par rapport à l'autre ce qui donne des collerettes 31 en quinconce et qui permet une meilleure répartition de l'air. Les trous 30 et les collerettes 31 d'une rangée 33 sont régulièrement espacés. 10 Le nombre de trous 30 et de collerettes 31 sont supérieur au nombre de n tubes 2 de l'échangeur 1. Dans l'exemple illustré, les tubes 2 constituent ensembles une épingle 22 et sont insérés par deux. Ces deux tubes 2 sont insérés dans les trous principaux 300 d'une même rangée 33, 15 mais avec un trou libre 301 intermédiaire entre eux. Il y a donc des collerettes principales 310 traversées par un tube 2 et des collerettes libres 311 non traversées par un tube 3. Les tubes 2 sont par exemple distants de 50cm. On peut voir à la figure 3 que l'air va traverser 20 l'échangeur 1 et rencontrer les collerettes 310 qui vont permettre une conduction aves les ailettes 3 et les tubes 2 et les collerettes libres 311 qui vont permettre une conduction avec les ailettes 3. Comme les collerettes 31 sont plus nombreuses que le nombre de tubes 2, on peut avoir un espace 25 plus important entre les ailettes 3 que si on a un même nombre de tubes 2 et de trous 30. Nous allons maintenant décrire le fonctionnement de l'échangeur 1 pour chauffer un local. Un échangeur classique va fonctionner comme illustré à 30 la figure 4. Lorsque la température et l'humidité extérieures tombent à un certain niveau, par exemple, si la température est entre -5°C et 2°C et l'humidité à 85%, il va commencer à givrer, sa capacité de chauffage 4 diminue progressivement 40 au fur et à mesure que le givre s'installe, il faut donc enclencher 8 un mode dégivrage 5 pour faire fondre le givre. Ce mode dégivrage 5 consiste à inverser le mode de fonctionnement de l'échangeur 1 qui va alors chauffer les ailettes et ce fluide chaud va manquer au local qui sera alors refroidi. Ce mode 5 présente un inconvénient pour l'utilisateur, afin de le limiter, il est possible de prévoir un réservoir tampon d'environ 3001 qui permet le chauffage des ailettes. L'échangeur selon l'invention illustré à la figure 5, a une capacité de chauffage 4 qui diminue deux fois plus tard 10 que celui de la figure 4, ici le décalage est de 1 heure, le temps de fonctionnement est donc doublé par rapport l'échangeur de l'état de la technique et sans nécessiter de réservoir tampon. Dans l'exemple illustré, l'intervalle entre deux dégivrage est de 130mn au lieu d'un toute les 60mn. 15 Le tableau de la figure 7 illustre l'intervalle de temps Dt entre deux dégivrages en fonction de la température humide de l'air en contact avec l'échangeur. La courbe A montre cet intervalle avec un échangeur de chaleur de l'état de la technique et la courbe B celui de l'invention. Ces courbes 20 montrent que si l'humidité absolue de l'air augmente avec la température, le givre se forme autour de 0°C. Au-dessus de 2°C, la température est trop haute pour que l'eau givre et en dessous de -7°C, l'air devient trop sec. La zone critique se situe donc autour de 0°C. Les mesures ci-dessous montrent que l'invention 25 permet d'augmenter de façon significative le temps Dt entre deux dégivrages. 9 Twb Dt defrost A 17 [CC] Dt defrost B [min] EU: 432 33'J 13 Row 2 Row 3 Row 4 Row 5 1 140 Row 6 1 Row 7 -1 Row 8 133 Row 9 154 Row 10 Row 11 1 Row 12 Row 13 1 Row 14 ,r3 Row 15 3_15 Row 16 10 420 Row 17 -11 Row 18 -12 bLiU ,51:1 Il est possible d'utiliser des ailettes ondulées, en persiennes, etc. sans sortir du cadre de la présente invention. L'échangeur de chaleur pourra indifféremment être 5 utilisé sur un climatiseur ou une pompe à chaleur sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (1) comprenant des ailettes (3) poinçonnées de trous (30, 300, 301) entourés de collerettes (31, 310, 311) et n tubes (2) traversant n trous (300) et n collerettes (310), chaque trou (300) et sa collerette (310) ayant un diamètre dl et une hauteur h, caractérisée en ce que le nombre de trous (30) est supérieur à n et que les n collerettes (31) ont une hauteur hl comprise entre 1,08 et 4,2 mm. 2. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que les trous (30, 300, 301) et les collerettes (31, 310, 311) ont tous le même diamètre. 3. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 15 précédente, caractérisé en ce que le nombre de trous (30) est égal à 2n. 4. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les trous (30) sont alignés longitudinalement sur plusieurs rangées (33) et que les tubes 20 (2) traversent un trou (300) sur deux par rangée (33). 5. Echangeur de chaleur (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les collerettes (31, 310, 311) sont de forme cylindrique. 6. Echangeur de chaleur (1) selon une des 25 revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (3) sont en aluminium. 7. Echangeur de chaleur (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (2) sont en cuivre. 30 8. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les trous (30) d'une rangée (33) sont décalés par rapport à ceux des rangées adjacentes. 11 9. Procédé de réalisation d'un échangeur de chaleur (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - poinçonnage de trous (30) et de collerettes (31) de 5 diamètre do, tel que do = dl - e, par emboutissage de chaque ailette (3) d'une hauteur h, - empilage des ailettes (3) ainsi réalisées, - insertion de n tubes (2) de diamètre do dans certains trous (300) et collerettes (310), 10 - insertion d'un second tube de diamètre dl pour expandage des n tubes (2), - retrait des seconds tubes des n tubes (2). 10. Procédé de chauffage d'un local mettant en oeuvre 15 l'échangeur de chaleur (1) tel que définit selon une des revendications 1 à 8, comprenant deux modes de fonctionnement: - un premier mode de chauffage lorsque la température est supérieure à 2°C, - un deuxième mode de chauffage lorsque la température 20 extérieure est comprise entre -5 et 2°C et que l'humidité atteint 85%, où un dégivrage et un chauffage alternent avec un intervalle de temps Dt, le passage de l'un à l'autre étant automatiquement régulé, caractérisé en ce que l'intervalle de temps Dt est tel 25 que Dt = 119,91 + 9,36 tw + 10,4 tw2 + 0,074 tw3 où tw est la température humide de l'air extérieur en contact avec l'échangeur.