EP2505942B1 - Pompe à chaleur pour une installation de chauffage et un échangeur de type batterie à ailettes - Google Patents

Pompe à chaleur pour une installation de chauffage et un échangeur de type batterie à ailettes Download PDF

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EP2505942B1
EP2505942B1 EP12305313.4A EP12305313A EP2505942B1 EP 2505942 B1 EP2505942 B1 EP 2505942B1 EP 12305313 A EP12305313 A EP 12305313A EP 2505942 B1 EP2505942 B1 EP 2505942B1
Authority
EP
European Patent Office
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evaporator
exchanger
heat pump
tubes
predefined
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP12305313.4A
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German (de)
English (en)
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EP2505942A1 (fr
Inventor
Bernard Hildenbrand
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Geopowair Sa
Original Assignee
Geopowair S A
Geopowair SA
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Publication date
Application filed by Geopowair S A, Geopowair SA filed Critical Geopowair S A
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D21/00—Defrosting; Preventing frosting; Removing condensed or defrost water
    • F25D21/06—Removing frost
    • F25D21/08—Removing frost by electric heating

Definitions

  • the invention relates to a fin-coil type heat exchanger for a heat pump for a heating installation, said exchanger comprising in a predefined volume a plurality of fins mounted transversely along a plurality of straight tubes oriented in parallel with each other. the others, at least some tubes being interconnected by connecting bridges to form a circulation circuit of a fluid.
  • the invention also relates to a heat pump comprising such an evaporator, heat pump used for example in a heating installation.
  • Such a heat pump is air / water or air / air type. It allows to take energy from a primary cold source to heat a secondary fluid such as the air inside a building, the water of a heating system of a building, the water of a balloon hot water, etc.
  • the evaporator of such a heat pump is generally positioned outside the building, the cold source being the ambient ambient air.
  • the frost has the effect of producing a thermal insulation of the evaporator leading to a fall in the heat exchange coefficient. It also contributes to the reduction of the air passage, leading to an increase in the pressure drop on the air side and consequently to a decrease in the air flow, or even a total stop of the air circulation.
  • De-icing means must therefore be provided and this de-icing means must be activated regularly, every 6 to 12 hours to allow operation of the heat pump below 2 to 5 ° C.
  • a commonly used technique in the field of heat pumps is to invert the operating cycle of the heat pump to use the energy of the secondary fluid to melt the frost present in the evaporator. The implementation of this technique assumes that the heat pump is reversible, which complicates its implementation.
  • the compressor of the heat pump undergoes significant pressure variations, so it is highly stressed; Without being dimensioned accordingly, the compressor is generally the weak element of heat pumps marketed today.
  • the energy required for defrost is taken from the secondary source that the heat pump is intended to heat outside the defrost cycles. This results in a decrease in the temperature of the secondary source, unwanted, and it is necessary after each defrost cycle to offset the energy taken at the secondary source; the heat pump must therefore be dimensioned accordingly.
  • the time of a defrosting cycle is relatively long because, because of the inversion of the operating mode, it is necessary to heat the entire fluid circulation circuit before heating the battery at the beginning of the cycle. defrosting, and then cool the entire fluid circulation circuit at the end of the defrost cycle before returning to normal heat pump operation.
  • Another technique is to circulate a hot gas (temperature above 2 to 5 ° C) inside the evaporator, but this assumes to have a heating means of the gas and a channeling and directing means gas, which is complex to achieve.
  • this technique involves providing, during the defrosting phase, an amount of energy sufficient to fully melt the ice formed on the tubes and fins.
  • the document FR 2,376,379 describes for example a defrost heating element placed below the upstream end of the exchanger. The heating element heats the ambient air that rises by convection, passes through the evaporator and defrosts it.
  • the invention proposes a new solution for de-icing fin-type heat exchangers in heat pumps.
  • the invention proposes a new finned coil type exchanger adapted for a heat pump, exchanger comprising in a predefined volume a plurality of fins (60) mounted transversely along a plurality of straight tubes (70). parallel to each other, at least some tubes being interconnected by connecting bridges (80) for forming a circulation circuit of a fluid.
  • the exchanger also comprises at least one electrical resistance positioned inside the predefined volume of the exchanger, and control means for supplying an electric current to the electrical resistance for heating the internal volume of the heat exchanger. exchanger.
  • the invention proposes to de-ice the fin exchanger using the heat dissipated by electrical resistors in the predefined volume of the exchanger.
  • a heat pump comprising an exchanger according to the invention thus does not need to be reversible and no heat is taken in the secondary network of the heat pump during the defrosting cycles.
  • the compressor, unsolicited by cycle inversions, has a longer life.
  • the electrical resistors being positioned in the heart of the predefined internal volume of the exchanger, the realization of the heat pump is facilitated.
  • the electrical resistors providing heat to the heart of the predefined internal volume of the exchanger, defrosting is faster and more efficient.
  • the evaporator according to the invention may comprise a plurality of electrical resistances, preferably distributed within the volume of the evaporator so as to uniformly heat the volume of the evaporator, the control means being adapted to simultaneously supply an electric current. to all resistance.
  • Each electrical resistor is positioned within a tube (70) not connected to the other tubes of the plurality of tubes. They are thus protected and do not generate pressure drop in the evaporator.
  • the tubes of the evaporator are heated from the inside, so that the frost formed on the surface of the tubes and fins comes off and falls by gravity. Thus, it is not necessary to completely melt the frost to eliminate it.
  • the invention also relates to a heat pump comprising a finned coil type heat exchanger, for example in accordance with the exchanger described above.
  • the evaporator of substantially parallelepipedal predefined volume is positioned in a substantially horizontal plane so that the fins are substantially vertical and a flow of air circulates by natural convection vertically in the evaporator from top to bottom.
  • the frost can fall by the simple effect of gravity then nothing stops its fall; it can thus be evacuated directly outside the heat pump, in that it is necessary to completely melt the frost or provide a means to recover water or frost.
  • the pump is thus simpler to perform.
  • the pump may further comprise a fan positioned physically above the evaporator, upstream in the air flow passing through the evaporator.
  • the fan is here blowing type, to push the air through the exchanger located in the airstream downstream of the fan.
  • the heat pump preferably comprises a control means for stopping the fan during a defrosting phase of the exchanger.
  • the heat pump according to the invention may also comprise a compressor (20) for compressing the fluid in the fluid circulation circuit of the exchanger.
  • the control means of the exchanger can be adapted to inhibit the operation of the compressor and / or the fan when an electric current is supplied to the electrical resistance or resistors of the evaporator. The energy consumption of the heat pump is thus reduced during the defrosting phase, whatever the means used for this.
  • Stopping the compressor and / or the fan during the defrosting of the evaporator makes it possible not to simultaneously heat and cool the evaporator during a defrosting cycle, thus limiting the energy consumption of the heat pump during a defrosting cycle.
  • the compressor does not undergo the high pressure variations experienced by the compressors of heat pumps whose defrost is provided by cycle inversion.
  • the electrical energy consumption of the electrical resistors is of the same order of magnitude as the power consumption of the compressor, the overall power consumption of the complete heat pump is substantially the same during normal operation of the pump and in defrost mode. it is not increased. Finally, no energy is taken in the secondary network to defrost the evaporator.
  • the overall coefficient of efficiency of the heat pump according to the invention is greater than that of a conventional heat pump of the same power, the coefficient of efficiency being the ratio between the thermal power. and the power consumption of a heat pump, and the overall efficiency coefficient being the average value of the instantaneous efficiency coefficient over a given period, for example a year.
  • the invention also relates to a heating installation of a building, comprising a heat exchanger as described above and / or a heat pump as described above.
  • a known heat pump comprises a finned coil type exchanger (or evaporator), a compressor 20, a heat exchanger and a expander 40; the compressor and the fan are powered by a network power supply.
  • a refrigerant circuit in which a refrigerant circulates, connects in series the different members of the heat pump.
  • the evaporator draws energy from a flow of ambient air flowing through the evaporator and transmits the collected energy to the refrigerant.
  • the compressor compresses the refrigerant leaving the evaporator and thus raises its temperature and pressure.
  • the refrigerant releases its heat to a secondary fluid by passing from the gaseous state to the liquid state.
  • the regulator reduces the pressure of the refrigerant before it returns to the evaporator.
  • the exchanger 10, of the finned battery type ( figure 2 ) is of substantially parallelepipedal shape, it comprises a plurality of fins 60 mounted transversely along a plurality of straight tubes 70 oriented parallel to each other. Most of the tubes are connected to each other, in series and / or in parallel, by connecting bridges 80 attached to the ends of the tubes to form a portion of the refrigerant circulation circuit.
  • the exchanger also comprises at least one electrical resistance positioned inside the predefined volume of the exchanger, and a control means for supplying an electric current to the electrical resistance.
  • the electrical resistance in return provides heat to defrost the evaporator.
  • the fins are preferably more than 3 mm apart. Such a distance between the fins is much greater than the distance between fins of evaporators currently commercially (about 1 to 2 mm); but it makes it possible to limit the number of defrost cycles, without the risk of an increase in the pressure drop on the air side due to a decrease in the flow of air flowing in the evaporator. In practice, a distance between fins of the order of 5 mm gives good results: a defrost only every 6 to 12 hours, depending on the temperature and the humidity level of the outside ambient air.
  • the evaporator comprises about 200 planar aluminum fins, mounted vertically and parallel to each other to provide a maximum contact area with the ambient air flow entering the evaporator.
  • the evaporator also comprises 120 parallel copper tubes, extending in a direction perpendicular to the planes of the fins. The fins are pierced and the tubes pass through the fins; the contact between a fin and a tube ensures a perfect heat exchange between the fin and the tube.
  • 111 tubes are interconnected by connecting bridges 80 to form a portion of the refrigerant circulation circuit.
  • the evaporator also comprises 9 electrical resistors, each positioned inside a tube not connected to the neighboring tubes.
  • the electrical resistors are in the example connected in parallel and are connected to the power supply network by the control means comprising in particular a controlled switch.
  • the evaporator thus produced has a power of approximately 12 KW.
  • the number and the shape of the fins and tubes, the number and the position of the resistors are to be adapted according to the desired power for the evaporator and the desired efficiency for the deicing means.
  • defrost cycles at predefined instants, for example every 6 to 12 hours.
  • provision may be made to trigger a defrost cycle when the temperature on the outer surface of the evaporator or the temperature inside the evaporator has remained below a minimum temperature for a predefined time corresponding to one time required to form an acceptable maximum amount of ice on the fins.
  • provision may be made to trigger a defrost cycle when the difference between the outside ambient air temperature and the temperature inside the evaporator is greater than a predefined value, for example greater than one. value 8 to 12 ° C.
  • a predefined value for example greater than one. value 8 to 12 ° C.
  • the temperature difference between the temperature of the evaporator and the ambient air temperature is of the order of 3 to 6 ° C.
  • the frost that forms and accumulates on the fins and evaporator tubes forms a thicker insulation that thermally isolates more and more fins and tubes from the ambient air circulating inside. of the evaporator.
  • the efficiency of the exchanger gradually decreases, as well as the temperature on the exchanger, the temperature of the ambient air remaining constant.
  • the difference between the ambient air temperature and the temperature of the exchanger reaches 8 to 12 ° C, the evaporator is no longer effective enough and defrosting is necessary.
  • the duration of a defrost cycle can also be chosen in different ways.
  • the duration of a defrost cycle can be preset, for example of the order of 3 to 9 minutes, constant or not (variable depending on the ambient temperature measured before defrost for example).
  • a defrost cycle is stopped as soon as the temperature on the outer surface or inside the evaporator reaches a predefined value.
  • control means is adapted to inhibit the operation of the compressor when the electrical resistance or resistors are controlled. In other words, during defrost, the compressor is stopped. This limits the power consumption of the heat pump.
  • the evaporator (or exchanger) has a substantially parallelepipedal shape and is positioned in a substantially horizontal plane, the fins being flat and substantially vertical and the tubes extending horizontally in a transverse direction of the fins.
  • Such positioning of the evaporator makes it possible to use natural vertical convection and from top to bottom of a cold air flow (this is particularly true for an evaporator positioned outside a building), and avoids the air recycling.
  • the frost starting to melt comes off and falls naturally outside the evaporator and outside the heat pump, without being disturbed in its fall, so to defrost, it is sufficient to provide adequate energy to take off the ice from the fins and tubes, it is not necessary to provide energy to completely melt the frost. This is particularly true if the distance between the fins is important (upper at 3 mm).
  • a blower 50 positioned physically above the evaporator, upstream in the air flow through the battery.
  • the fan makes it possible to have forced air circulation from top to bottom and of a substantially constant flow rate on the evaporator, while benefiting from the natural convection of the airflow.
  • the fan is upstream of the evaporator, it pushes the air towards the evaporator, resulting in less fatigue of the fan, compared to a positioning downstream of the fan. Also, the energy dissipated by the fan Joule losses is pushed with the flow of air to the evaporator that recovers this additional energy.
  • a control means is provided for stopping the fan during the defrosting of the exchanger. This limits the power consumption of the heat pump.
  • the fan and the evaporator are positioned in an upper housing 120 closed on the top by a grid allowing the entry of the air flow and open below the evaporator. All the control elements of the heat pump, in particular the defrost control means, are positioned inside the upper housing 120, and adjustment and control knobs are accessible to the user on a front face 130 of the housing 120.
  • the compressor 20, the heat exchanger 30, the expander 40 and a buffer tank 45 are grouped at the bottom of the heat pump, below the evaporator, in a lower housing 110 closed on the top by a hood 115. inclined to allow gravity evacuation of ice residues or water falling from the evaporator.
  • Cheeks 140 positioned on either side of the housings 110, 120 solidarize the housings 110, 120 and form the side walls of said housings.
  • the figure 1 shows a monobloc heat pump intended to be installed outside a building to be heated. All elements are grouped together in the same box. But the invention can be applied more generally to all types of heat pumps, for example two-part heat pumps, a part comprising the evaporator and positioned outside the building to be heated, and a part including all the other elements (compressor, expansion valve, exchanger, etc.) and positioned inside the building to be heated.

Description

    Domaine technique et état de l'art
  • L'invention concerne un échangeur de type batterie à ailette pour une pompe à chaleur pour une installation de chauffage, le dit échangeur comprenant dans un volume prédéfini une pluralité d'ailettes montées transversalement le long d'une pluralité de tubes rectilignes orientés parallèlement les uns aux autres, au moins certains tubes étant reliés entre eux par des pontets de raccordement pour former un circuit de circulation d'un fluide. L'invention concerne également une pompe à chaleur comprenant un tel évaporateur, pompe à chaleur utilisée par exemple dans une installation de chauffage.
  • Une telle pompe à chaleur est de type air/ eau ou air/ air. Elle permet de prélever de l'énergie à une source froide primaire pour chauffer un fluide secondaire tel que l'air intérieur d'un bâtiment, l'eau d'un système de chauffage d'un bâtiment, l'eau d'un ballon d'eau chaude sanitaire, etc. L'évaporateur d'une telle pompe à chaleur est généralement positionné à l'extérieur du bâtiment, la source froide étant l'air ambiant extérieur.
  • Lorsque la température des parois extérieures de l'évaporateur devient inférieure à la température de rosée de l'air, il se produit un phénomène de condensation ou de givrage sur l'évaporateur, condensation si la température de paroi est supérieure à 2 à 5 °C et givrage si la température est inférieure. Au fur et à mesure qu'il se forme, le givre a pour effet de produire une isolation thermique de l'évaporateur conduisant à une chute du coefficient d'échange thermique. Il contribue également à la diminution du passage d'air, conduisant à une augmentation de la perte de charge côté air et par suite à une diminution du débit d'air, voire un arrêt total de la circulation d'air.
  • Un moyen de dégivrage doit donc être prévu et ce moyen de dégivrage doit être activé régulièrement, toutes les 6 à 12H pour permettre un fonctionnement de la pompe à chaleur en dessous de 2 à 5°C. Une technique couramment utilisée dans le domaine des pompes à chaleur consiste à inverser le cycle de fonctionnement de la pompe à chaleur pour utiliser l'énergie du fluide secondaire pour faire fondre le givre présent dans l'évaporateur. La mise en oeuvre de cette technique suppose que la pompe à chaleur soit réversible, ce qui complexifie sa réalisation. De plus, à chaque démarrage et arrêt d'un cycle de dégivrage, le compresseur de la pompe à chaleur subit des variations de pression importantes, il est ainsi fortement sollicité ; faute d'être dimensionné en conséquence, le compresseur est généralement le l'élément faible des pompes à chaleur commercialisées aujourd'hui. Egalement, l'énergie nécessaire au dégivrage est prélevée à la source secondaire que la pompe à chaleur vise à réchauffer en dehors des cycles de dégivrage. Il s'ensuit une baisse de la température de la source secondaire, non souhaitée, et il faut après chaque cycle de dégivrage compenser l'énergie prise à la source secondaire ; la pompe à chaleur doit donc être dimensionnée en conséquence. Enfin, le temps d'un cycle de dégivrage est relativement long car, du fait de l'inversion du mode de fonctionnement, il est nécessaire de réchauffer l'ensemble du circuit de circulation de fluide avant de chauffer la batterie en début de cycle de dégivrage, et de refroidir ensuite l'ensemble du circuit de circulation de fluide à la fin du cycle de dégivrage avant de revenir à un fonctionnement normal de pompe à chaleur. Une autre technique consiste à faire circuler un gaz chaud (température supérieure à 2 à 5°C) à l'intérieur de l'évaporateur, mais cela suppose de disposer un moyen de chauffage du gaz et d'un moyen de canalisation et de direction du gaz, ce qui est complexe à réaliser. De plus, cette technique suppose de fournir, pendant la phase de dégivrage, une quantité d'énergie suffisante pour faire fondre entièrement la glace formée sur les tubes et les ailettes. Le document FR 2 376 379 décrit par exemple un élément chauffant de dégivrage placé en dessous de l'extrémité amont de l'échangeur. L'élément chauffant chauffe l'air ambiant qui monte par convection, traverse l'évaporateur et le dégivre.
  • Le document WO 2007/045677 A1 décrit un échangeur selon le préambule de la revendication 1.
    • Description de l'invention
  • L'invention propose une nouvelle solution pour le dégivrage des échangeurs de type batteries à ailettes dans les pompes à chaleur.
  • Plus précisément, l'invention propose un nouvel échangeur de type batterie à ailettes adapté pour une pompe à chaleur, échangeur comprenant dans un volume prédéfini une pluralité d'ailettes (60) montées transversalement le long d'une pluralité de tubes (70) rectilignes orientés parallèlement les uns aux autres, au moins certains tubes étant reliés entre eux par des pontets (80) de raccordement pour former un circuit de circulation d'un fluide.
  • Selon l'invention, l'échangeur comprend également au moins une résistance électrique positionnée à l'intérieur du volume prédéfini de l'échangeur, et un moyen de commande pour fournir un courant électrique à la résistance électrique pour chauffer le volume intérieur de l'échangeur. Dit autrement, l'invention propose de dégivrer l'échangeur à ailette en utilisant la chaleur dissipée par des résistances électriques dans le volume prédéfini de l'échangeur.
  • Une pompe à chaleur comprenant un échangeur selon l'invention n'a ainsi pas besoin d'être réversible et aucune chaleur n'est prise dans le réseau secondaire de la pompe à chaleur pendant les cycles de dégivrage. Le compresseur, non sollicité par des inversions de cycle a une durée de vie plus longue. Egalement, les résistances électriques étant positionnées au coeur du volume intérieur prédéfini de l'échangeur, la réalisation de la pompe à chaleur est facilitée. Enfin, les résistances électriques fournissant de la chaleur au coeur du volume intérieur prédéfini de l'échangeur, le dégivrage est plus rapide et plus efficace.
  • L'évaporateur selon l'invention peut comprendre plusieurs résistances électriques, de préférence réparties à l'intérieur du volume de l'évaporateur de sorte à chauffer uniformément le volume de l'évaporateur, le moyen de commande étant adapté pour fournir simultanément un courant électrique à toutes les résistances. Chaque résistance électrique est positionnée à l'intérieur d'un tube (70) non raccordé aux autres tubes de la pluralité de tubes. Elles sont ainsi protégées et ne génèrent pas de perte de charge dans l'évaporateur. Egalement, les tubes de l'évaporateur sont chauffés par l'intérieur, de sorte que le givre formé en surface des tubes et des ailettes se décolle et tombe par gravité. Ainsi, il n'est pas nécessaire de faire fondre entièrement le givre pour l'éliminer.
  • L'invention concerne également une pompe à chaleur comprenant un échangeur de chaleur de type batterie à ailettes, par exemple conforme à l'échangeur décrit ci-dessus. L'évaporateur, de volume prédéfini sensiblement parallélépipédique est positionné dans un plan sensiblement horizontal de sorte que les ailettes soient sensiblement verticales et qu'un flux d'air circule par convection naturelle verticalement dans l'évaporateur du haut vers le bas. Ainsi, pendant la phase de dégivrage de l'évaporateur, quel que soit le moyen utilisé pour cela, le givre peut tomber par le simple effet de la gravité puis que rien n'arrête sa chute ; il peut ainsi être évacué directement à l'extérieur de la pompe à chaleur, dans qu'il soit nécessaire de faire fondre entièrement le givre ou de prévoir un moyen pour récupérer l'eau ou le givre. La pompe est ainsi plus simple à réaliser.
  • La pompe peut encore comprendre un ventilateur positionné physiquement au dessus de l'évaporateur, en amont dans le flux d'air traversant l'évaporateur. Le ventilateur est ici de type soufflant, pour pousser l'air à travers l'échangeur situé dans le flux d'air en aval du ventilateur. La pompe à chaleur comprend dans ce cas de préférence un moyen de commande pour arrêter le ventilateur lors d'une phase de dégivrage de l'échangeur. La pompe à chaleur selon l'invention peut comprendre également un compresseur (20) pour comprimer le fluide dans le circuit de circulation du fluide de l'échangeur. Selon un mode de réalisation, le moyen de commande de l'échangeur peut être adapté pour inhiber le fonctionnement du compresseur et / ou du ventilateur lorsqu'un courant électrique est fourni à la ou les résistances électriques de l'évaporateur. La consommation énergétique de la pompe à chaleur est ainsi réduite pendant la phase de dégivrage, quel que soit le moyen utilisé pour cela.
  • Arrêter le compresseur et / ou le ventilateur lors du dégivrage de l'évaporateur permet de ne pas chauffer et refroidir simultanément l'évaporateur pendant un cycle de dégivrage, donc de limiter la consommation énergétique de la pompe à chaleur pendant un cycle de dégivrage. De plus, le compresseur ne subit pas les fortes variations de pression que subissent les compresseurs des pompes à chaleur dont le dégivrage est assuré par inversion de cycle. Egalement, comme la consommation d'énergie électrique des résistances électriques est du même ordre de grandeur que la consommation électrique du compresseur, la consommation électrique globale de la pompe à chaleur complète est sensiblement la même en fonctionnement normal de la pompe et en mode de dégivrage, elle n'est pas augmentée. Enfin, aucune énergie n'est prise dans le réseau secondaire pour dégivrer l'évaporateur. Pour corroborer ceci, des essais montrent que le coefficient d'efficacité global de la pompe à chaleur selon l'invention est supérieur à celui d'une pompe à chaleur classique de même puissance, le coefficient d'efficacité étant le rapport entre la puissance thermique et la consommation électrique d'une pompe à chaleur, et le coefficient d'efficacité global étant la valeur moyenne du coefficient d'efficacité instantané sur une période donnée, par exemple une année.
  • L'invention concerne également une installation de chauffage d'un bâtiment, comprenant un échangeur à chaleur tel que décrit ci-dessus et / ou une pompe à chaleur telle que décrite ci-dessus.
    • Brève description des figures
  • L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'un exemple de réalisation d'une pompe à chaleur selon l'invention. Cet exemple est donné à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels
    • la figure 1 est une vue d'ensemble d'une pompe à chaleur selon l'invention,
    • la figure 2 est une vue de profil d'une batterie à ailette selon l'invention
    • la figure 3 est un agrandissement du détail A de la batterie de la figure 2, vue de face.
    Description d'un mode de réalisation de l'invention
  • Une pompe à chaleur connue comprend un échangeur (ou évaporateur) 10 de type batterie à ailettes, un compresseur 20, un échangeur 30 de chaleur et un détendeur 40 ; le compresseur et le ventilateur sont alimentés par un réseau d'alimentation en énergie électrique. Un circuit frigorifique, dans lequel circule un fluide frigorigène, relie en série les différents organes de la pompe à chaleur.
  • L'évaporateur prélève de l'énergie à un flux d'air ambiant circulant à travers l'évaporateur et transmet l'énergie prélevée au fluide frigorigène. Le compresseur comprime le fluide frigorigène sortant de l'évaporateur et élève ainsi sa température et sa pression. Dans l'échangeur de chaleur 30, le fluide frigorigène libère sa chaleur à un fluide secondaire en passant de l'état gazeux à l'état liquide. Le détendeur réduit la pression du fluide frigorigène avant son retour vers l'évaporateur.
  • L'échangeur 10, de type batterie à ailettes (figure 2) est de forme sensiblement parallélépipédique, il comprend une pluralité d'ailettes 60 montées transversalement le long d'une pluralité de tubes 70 rectilignes orientés parallèlement les uns aux autres. La plupart des tubes sont reliés les uns aux autres, en série et / ou en parallèle, par des pontets 80 de raccordement fixés aux extrémités des tubes pour former une partie du circuit de circulation du fluide frigorigène.
  • Selon l'invention, l'échangeur comprend également au moins une résistance électrique positionnée à l'intérieur du volume prédéfini de l'échangeur, et un moyen de commande pour fournir un courant électrique à la résistance électrique. La résistance électrique fournit en retour de la chaleur pour dégivrer l'évaporateur.
  • Les ailettes sont distantes de préférence de plus de 3 mm. Une telle distance entre les ailettes est très supérieure à la distance entre ailettes des évaporateurs actuellement dans le commerce (environ 1 à 2 mm) ; mais elle permet de limiter le nombre de cycles de dégivrage, sans risque d'une augmentation de la perte de charge côté air due à une diminution du flux d'air circulant dans l'évaporateur. Dans la pratique, une distance entre ailettes de l'ordre de 5 mm donne de bons résultats : un dégivrage seulement toutes les 6 à 12 heures, selon la température et le taux d'humidité de l'air ambiant extérieur.
  • Dans un exemple pratique (figure 2), l'évaporateur comprend environ 200 ailettes planes en aluminium, montées verticales et parallèles les unes aux autres pour assurer une surface de contact maximale avec le flux d'air ambiant entrant dans l'évaporateur. L'évaporateur comprend également 120 tubes en cuivre parallèles, s'étendant selon une direction perpendiculaire aux plans des ailettes. Les ailettes sont percées et les tubes traversent les ailettes ; le contact entre une ailette et un tube assure un échange thermique parfait entre l'ailette et le tube. 111 tubes sont reliés entre eux par des pontets de raccordement 80 pour former une partie du circuit de circulation du fluide frigorigène. L'évaporateur comprend également 9 résistances électriques, chacune positionnée à l'intérieur d'un tube non raccordé aux tubes voisins. Les résistances électriques sont dans l'exemple montées en parallèle et sont reliées au réseau d'alimentation électrique par le moyen de commande comprenant notamment un interrupteur commandé. L'évaporateur ainsi réalisé a une puissance d'environ 12 KW. Bien sûr, le nombre le nombre et la forme des ailettes et des tubes, le nombre et la position des résistances sont à adapter en fonction de la puissance souhaitée pour l'évaporateur et de l'efficacité recherchée pour le moyen de dégivrage.
  • Le moyen de commande peut également comprendre, selon des variantes :
    • un relai temporisé, pour déclencher le début d'un cycle de dégivrage, et / ou
    • un relai temporisé, pour déclencher la fin d'un cycle de dégivrage, et / ou
    • une sonde de température à l'intérieur de l'évaporateur et / ou
    • une sonde de température sur une paroi externe de l'évaporateur
  • Le moyen de commande peut être adapté pour commander les résistances électriques :
    • en fonction d'un temps prédéfini et / ou
    • en fonction d'une température prédéfinie à l'intérieur de l'évaporateur et / ou
    • en fonction d'une température prédéfinie sur une surface externe de l'évaporateur et / ou
    • en fonction d'une différence de température entre la température de l'air ambiant extérieur et la température à l'intérieur de l'évaporateur.
  • Ainsi, dans une variante, on peut prévoir de déclencher des cycles de dégivrage à des instants prédéfinis, par exemple toutes les 6 à 12 heures. Dans une autre variante, on peut prévoir de déclencher un cycle de dégivrage lorsque la température sur la surface externe de l'évaporateur ou la température à l'intérieur de l'évaporateur est restée inférieure à une température minimale pendant un temps prédéfinie correspondant à un temps nécessaire à la formation d'une quantité de givre maximale acceptable sur les ailettes.
  • Dans une autre variante encore, on peut prévoir de déclencher un cycle de dégivrage lorsque la différence entre la température de l'air ambiant extérieur et la température à l'intérieur de l'évaporateur est supérieur à une valeur prédéfinie, par exemple supérieure à une valeur comprise 8 à 12°C. On déclenche ainsi un cycle de dégivrage uniquement lorsque cela est nécessaire. En effet, en l'absence de givre, la différence de température entre la température de l'évaporateur et la température de l'air ambiant est de l'ordre de 3 à 6°C. Le givre qui se forme et s'accumule sur les ailettes et les tubes de l'évaporateur forme un isolant de plus en plus épais qui isole thermiquement de plus en plus les ailettes et les tubes de l'air ambiant qui circule à l'intérieur de l'évaporateur. L'efficacité de l'échangeur diminue progressivement, de même que la température sur l'échangeur, la température de l'air ambiant restant par ailleurs constante. L'expérience montre que lorsque la différence entre la température de l'air ambiant et la température de l'échangeur atteint 8 à 12°C, l'évaporateur n'est plus assez efficace et un dégivrage est nécessaire.
  • La durée d'un cycle de dégivrage peut également être choisie de différentes manières. Dans une variante, la durée d'un cycle de dégivrage peut être prédéfinie, par exemple de l'ordre de 3 à 9 minutes, constante ou non (variable en fonction de la température ambiante mesurée avant dégivrage par exemple). Dans une autre variante, un cycle de dégivrage est stoppé dès que la température sur la surface extérieure ou à l'intérieur de l'évaporateur atteint une valeur prédéfinie.
  • De préférence, le moyen de commande est adapté pour inhiber le fonctionnement du compresseur lorsque la ou les résistances électriques sont commandées. Dit autrement, pendant le dégivrage, le compresseur est arrêté. On limite ainsi la consommation électrique de la pompe à chaleur.
  • Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'évaporateur (ou échangeur) a une forme sensiblement parallélépipédique et il est positionné dans un plan sensiblement horizontal, les ailettes étant planes et sensiblement verticales et les tubes s'étendant horizontalement dans une direction transversale des ailettes. Un tel positionnement de l'évaporateur permet d'utiliser la convection naturelle verticale et de haut en bas d'un flux d'air froid (ceci est particulièrement vrai pour un évaporateur positionné à l'extérieur d'un bâtiment), et évite le recyclage de l'air. De plus, lors d"un cycle de dégivrage, le givre commençant à fondre se décolle et tombe naturellement à l'extérieur de l'évaporateur et à l'extérieur de la pompe à chaleur, sans être gêné dans sa chute ; ainsi pour dégivrer, il est suffisant de fournir une énergie adaptée pour décoller le givre des ailettes et des tubes, il n'est pas nécessaire de fournir de l'énergie pour fondre totalement le givre. Ceci est particulièrement vrai si la distance entre les ailettes est importante (supérieure à 3 mm).
  • Dans le mode de réalisation de la figure 1 également, un ventilateur soufflant 50 positionné physiquement au dessus de l'évaporateur, en amont dans le flux d'air traversant la batterie. Le ventilateur permet d'avoir une circulation d'air forcée du haut vers le bas et de débit sensiblement constant sur l'évaporateur, tout en bénéficiant de la convection naturelle du flux d'air. Le ventilateur étant en amont de l'évaporateur, il pousse l'air en direction de l'évaporateur, ce qui entraîne une moindre fatigue du ventilateur, par rapport à un positionnement en aval du ventilateur. Egalement, l'énergie dissipée par le ventilateur par pertes Joule est poussée avec le flux d'air vers l'évaporateur qui récupère cette énergie supplémentaire.
  • De préférence, on prévoit un moyen de commande pour arrêter le ventilateur pendant le dégivrage de l'échangeur. On limite ainsi la consommation électrique de la pompe à chaleur.
  • A noter que le positionnement horizontal de l'échangeur (ailettes verticales) et le positionnement du ventilateur au dessus de l'échangeur en amont du flux d'air traversant l'échangeur peuvent être envisagés quel que soit l"échangeur à ailettes utilisé et quel que soit le mode de dégivrage utilisé, et notamment y compris dans une pompe à chaleur à inversion de cycle.
  • Le ventilateur et l'évaporateur sont positionnés dans un boîtier supérieur 120 fermé sur le dessus par une grille permettant l'entrée du flux d'air et ouvert en dessous de l'évaporateur. Tous les éléments de commande de la pompe à chaleur, notamment le moyen de commande de dégivrage, sont positionnés à l'intérieur du boîtier supérieur 120, et des boutons de réglage et de commande sont accessibles à l'utilisateur sur une face avant 130 du boîtier 120.
  • Le compresseur 20, l'échangeur 30 de chaleur, le détendeur 40 et un ballon tampon 45 sont regroupés dans le bas de la pompe à chaleur, en dessous de l'évaporateur, dans un boîtier inférieur 110 fermé sur le dessus par un capot 115 incliné pour permettre une évacuation par gravité des résidus de glace ou d'eau tombant de l'évaporateur.
  • Des joues 140 positionnées de part et d'autre des boîtiers 110, 120 solidarisent les boîtiers 110, 120 et forment les parois latérales des dits boîtiers.
  • La figure 1 montre ne pompe à chaleur monobloc, destinée à être installée à l'extérieur d'un bâtiment à chauffer. Tous les éléments sont regroupés dans un même boîtier. Mais l'invention peut s'appliquer plus généralement à tous types de pompes à chaleur, par exemple des pompes à chaleur en deux parties, une parties comprenant l'évaporateur et positionnée à l'extérieur du bâtiment à chauffer, et une partie comprenant tous les autres éléments (compresseur, détendeur, échangeur, etc.) et positionnée à l'intérieur du bâtiment à chauffer.
    • Nomenclature
    • 10
    évaporateur
    20
    compresseur
    30
    échangeur
    40
    détendeur
    45
    ballon tampon
    50
    ventilateur
    60
    ailettes
    70
    tubes
    80
    pontets de raccordement
    110
    boîtier inférieur
    115
    capot
    120
    boîtier supérieur
    130
    face avant du boîtier supérieur
    140
    joues

Claims (10)

  1. Echangeur (10) de type batterie à ailettes adapté pour une pompe à chaleur, échangeur comprenant dans un volume prédéfini une pluralité d'ailettes (60) montées transversalement le long d'une pluralité de tubes (70) rectilignes orientés parallèlement les uns aux autres, où la plupart des tubes sont reliés entre eux par des portions (80) de raccordement fixés aux extrémités des tubes pour former un circuit de circulation d'un fluide, échangeur caractérisé en ce qu'il comprend également :
    • au moins une résistance électrique positionnée à l'intérieur d'un desdits tubes (70) non raccordé aux autres tubes de la pluralité de tubes, et
    • un moyen de commande pour fournir un courant électrique à la résistance électrique.
  2. Echangeur selon la revendication 1, comprenant plusieurs résistances électriques réparties dans le volume prédéfini de l'échangeur de sorte à chauffer uniformément le volume prédéfini de l'échangeur, le moyen de commande étant adapté pour fournir simultanément un courant électrique à toutes les résistances.
  3. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen de commande est adapté pour fournir un courant électrique aux résistances électriques :
    • à des instants prédéfinis, et / ou
    • lorsqu'une différence de température entre une température de l'air ambiant et une température à l'intérieur de l'évaporateur est supérieure à une valeur prédéfinie.
  4. Pompe à chaleur adaptée pour une installation de chauffage, comprenant un évaporateur de type échangeur selon l'une des revendications précédentes.
  5. Pompe à chaleur selon la revendication précédente, dans laquelle le moyen de commande est adapté pour commander les résistances électriques :
    • pendant un temps prédéfini et / ou
    • jusqu'à ce qu'une température prédéfinie soit atteinte à l'intérieur de l'évaporateur et / ou
    • jusqu'à ce qu'une température prédéfinie soit atteinte sur une surface externe de l'évaporateur.
  6. Pompe à chaleur selon la revendication 5, dans laquelle l'évaporateur (10), de volume prédéfini sensiblement parallélépipédique, est positionné dans un plan sensiblement horizontal de sorte que les ailettes soient sensiblement verticales et qu'un flux d'air circule par convection naturelle verticalement dans l'évaporateur du haut vers le bas.
  7. Pompe à chaleur selon la revendication 6, comprenant également un ventilateur (50) positionné physiquement au dessus de l'évaporateur, en amont dans le flux d'air traversant l'évaporateur.
  8. Pompe à chaleur selon l'une des revendications 5 à 7, comprenant également un compresseur (20) pour comprimer le fluide circulant dans le circuit de circulation du fluide de l'évaporateur.
  9. Pompe à chaleur selon la revendication 8, dans laquelle le moyen de commande de l'évaporateur est adapté pour inhiber le fonctionnement du compresseur et / ou du ventilateur lorsqu'un courant électrique est fourni à la ou les résistances électriques de l'évaporateur.
  10. Installation de chauffage d'un bâtiment, comprenant :
    • un échangeur selon l'une des revendications 1 à 4 ou
    • une pompe à chaleur selon l'une des revendications 5 à 9.
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