FR2549585A1 - Evaporator for an installation with a closed thermodynamic loop for the flow of a working fluid, and installation incorporating this evaporator - Google Patents

Evaporator for an installation with a closed thermodynamic loop for the flow of a working fluid, and installation incorporating this evaporator Download PDF

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Abstract

L'INVENTION COMPREND UN EVAPORATEUR POUR UNE INSTALLATION A BOUCLE THERMODYNAMIQUE FERMEE DE CIRCULATION D'UN FLUIDE DE TRAVAIL, TELLE QU'UNE INSTALLATION DE CHAUFFAGE A POMPE A CHALEUR OU UNE INSTALLATION A CYCLE DE RANKINE POUR LA PRODUCTION D'ENERGIE MECANIQUE. L'EVAPORATEUR 36 DE CETTE INSTALLATION EST UN PANNEAU DANS L'EPAISSEUR DUQUEL SONT FORMES LES CANAUX 66, 68 DE CIRCULATION DU FLUIDE DE TRAVAIL, CES CANAUX 66 ETANT RELIES PAR DES ETRANGLEMENTS 64 A UN COLLECTEUR D'ALIMENTATION 52 ASSURANT UNE REPARTITION REGULIERE ET HOMOGENE DU FLUIDE DE TRAVAIL DANS LES DIFFERENTS CANAUX. LE PANNEAU EVAPORATEUR 36 PEUT ETRE PEINT DANS DES COULEURS AUTRES QUE LE NOIR, POUR SERVIR DE CLOTURE, DE SUPPORT PUBLICITAIRE OU DECORATIF.

Description

L'invention concerne un évaporateur pour une installation à boucle thermodynamique fermée dans laquelle circule un fluide de travail qui est successivement comprimé, condensé et détendu, puis vaporisé,soit pour produire une énergie thermique par exemple dans une installation de chauffage à pompe à chaleur, soit pour produire une énergie mécanique, par exemple dans une installation à cycle de Rankine où la vapeur du fluide de travail alimente une turbine ou analogue.
Une installation de ce type comprend donc un compresseur, un ou plusieurs échangeurs de chaleur formant condenseur, un organe de détente qui est du type statique dans une installation de chauffage à pompe à chaleur, et du type dynamique (turbine ou analogue) dans le cas d'une installation à cycle de Rankine, et au moins un évaporateur qui est de préférence constitué, pour des raisons d'économie d'énergie, par un capteur de chaleur placé à l'extérieur et captant la chaleur par convection et/ou par rayonnement, selon les cas.
Ce capteur-évaporateur est avantageusement un panneau formé de deux feuilles métalliques, de préférence en aluminium, accolées et fixées l'une à l'autre et limitant entre elles des canaux de circulation du fluide de travail, selon un pro cédé classique de fabrication.
L'utilisation d'un tel capteur pose un certain nombre de problèmes techniques liés, d'une part1 à la nature du fluide de travail et, dtautre part, à la configuration même du capteur.
Le fluide de travail est, très souvent, un mélange d'un fluide du type frigorigène et d'une huile soluble dans ce fluide et destinée en particulier à la lubrification du compresseur.
Onaconstaté en pratique que les capteurs-évaporateurs du type précité forment un piège à huile, l'huile contenue dans le fluide de travail se séparant du fluide frigorigène à la vaporisation de ce dernier et s'accumulant dans les canaux du capteur où la vitesse de circulation est la plus faible. Il en résulte, d'une part, une quasi-obstruction de certains canaux, et donc une diminution (qui peut atteindre 50%) du rendement thermique de l'évaporateur et, d'autre part, un défaut de lubrification du compresseur et un risque de destruction rapide de ce dernier.
De plus, les capteurs-évaporateurs de ce type connus actuellement présentent d'autres inconvénients - la répartition du fluide frigorigène entre les canaux d'un capteur-évaporateur est irrégulière; - lorsque l'évaporateur est formé de plusieurs capteurs du type précité montés en parallèle, la répartition régulière du fluide frigorigène entre les différents capteurs est très difficile; - le mélange correct du liquide et de la vapeur du fluide frigorigène à l'intérieur des canaux d'un capteur ntest pas toujours assuré; - la perte de charge du fluide de travail est souvent élevée - la température de paroi externe du capteur-évaporateur est loin d'être uniforme, ce qui conduit à une diminution du coefficient d'échange thermique;; - la réémission thermique du capteur-évaporateur vers la voûte céleste est élevée, notamment lorsque celui-ci est peint extérieurement en noir pour améliorer le coefficient d'absorption du rayonnement solaire; - l'aspect extérieur du capteur-évaporateur n'est pas du tout esthétique et son intégration à l'environnement est difficile.
L'invention a précisément pour objet un évaporateur du type précité, qui ne présente pas les inconvénients ci-dessus mentionnés et qui offre en outre d'autres avantages techniques extrêmement intéressants.
L'évaporateur selon l'invention, qui est destiné à une installation à boucle thermodynamique fermée de circulation d'un fluide de travail comprenant au moins un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur reliés en série, et qui forme capteur de chaleur par convection et/ou par rayonnement et se présente sous la forme d'un panneau dans l'épaisseur duquel sont prévus des canaux de circulation du fluide de travail, est caractérisé en ce qu'il comprend, formé dans l'épaisseur du panneau, un collecteur d'alimentation entre un conduit unique d'entrée de fluide dans l'évaporateur et les canaux précités, ce collecteur comprenant un premier conduit se partageant en un certain nombre de conduits parallèles qui sont reliés, d'une part, transversalement entre eux et, d'autre part, chacun à un canal correspondant de circulation du fluide dans l'évaporateur, en assurant une répartition sensiblement homogène et optimale du fluide de travail dans les différents canaux.
Avantageusement, ce collecteur d'alimentation est à disposition générale verticale et le fluide de travail y circule principalement du haut vers le bas entre le conduit d'entrée dans l'évaporateur et les différents canaux formés dans l'évaporateur. On obtient ainsi un mélange correct vapeur-liquide du fluide de travail dans les différents canaux de l'évaporateur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les conduits parallèles précités du collecteur d'admission sont reliés aux canaux de l'évaporateur par des étranglements.
Chaque canal de l t évaporateur réçoit ainsi une même quantité de fluide de travail riche en liquide.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, chaque canal de l'évaporateur est dédoublé en deux canaux parallèles et identiques, en aval de l'étranglement précité.
En effet, au fur et à mesure de l'échange thermique à l'intérieur de l'évaporateur, il se produit une ébullition du liquide et la création de vapeur augmente la vitesse de circulation du fluide de travail. Le dédoublement de chaque canal permet de réduire la perte de charge à une valeur optimale
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les canaux de l'évaporateur ont des longueurs sensiblement égales, la différence de longueur entre deux canaux quelconques étant inférieure à 0,2 fois la longueur de l'un ou de l'autre canal.
On obtient ainsi sensiblement la même perte de charge dans chacun des canaux.
De façon générale, l'agencement des canaux et leur configuration permettent d'uniformiser la température superficielle extérieure du capteur-évaporateur, ce qui conduit à un coefficient global d'échange thermique maximum du capteur, et donc àun rendement thermique maximum.
Lorsque le capteur-évaporateur est destiné à une installation à cycle de Rankine, il est placé entre une plaque de matière thermiquement isolante et un vitrage, de façon à capter-uniquement la chaleur du rayonnement solaire.
Avantageusement, le capteur-évaporateur est peint extéricurement dans une ou dans des couleurs autres que le noir, ce qui permet d'une part de limiter la réémission thermique vers la voûte céleste et, d'autre part, d'améliorer l'aspect esthétique du capteur et de favoriser son intégration dans l'environnement, le capteur pouvant servir de clôture, ou encore de support publicitaire ou décoratif.
L'invention concerne également une installation à cycle de
Rankine, comprenant un capteur-évaporateur du type décrit ci-dessus, ainsi qu'une installation à pompe à chaleur pour le chauffage de locaux, dans laquelle l'évaporateur est disposé à l'extérieur des locaux et forme capteur de chaleur par rayonnement ct par convection, l'installation de chauffage comprenant avantageusement deux condenseurs montés en série, l'un pour le chauffage de l'eau sanitaire, l'autre pour le chauffage des locaux.
Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réforme aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente schématiquement une installation de chauffage à pompe à chaleur selon l'invention; la figure 2 représente schématiquement la configuraticn d'un capteur-évaporatcur selon ''invention.
L'installation de chauffage à pompe à chaleur représentée en figure 1 comprend un comprsseur 10, entraîné de façon classique par un moteur électrique non représenté. La sortie de fluide du compresseur 10 est reliée par un conduit 12 à un condenseur 14, du type à simple ou à double enveloppe, situé en partie inférieure d'un ballon 16 d'eau chaude sanitaire. Un thermostat 18, sensible à la température de l'eau contenue dans le ballon 16, est branché sur ce ballon et est-connecté par une ligne 20 au moteur électrique d'entraînement du compresseur 10, pour l'arrêt et la mise en marche de celui-ci. La sortie du condenseur 14 est reliée par un conduit 22 à un serpentin 24 logé dans le carter d'huile du compresseur 10 et baigné par l'huile de lubrification de celui-ci.La sortie du serpentin 24 est reliée par un conduit 26 à l'entrée d'un échangeur de chaleur 28 formant également condenseur, dont la sortie est reliée par un conduit 30 et un détendeur statique 32 à l'entrée 34 d'un capteur-évaporateur 36 situé à l'extérieur des locaux. La sortie 38 du capteur-évaporateur 36 est reliée à l'entrée de fluide du compresseur 10.
L'échangeur de chaleur 28 est traversé également par un circuit d'eau 40, comportant une pompe de circulation 42, pour assurer le chauffage des locaux.
De façon classique, un thermostat d'ambiance peut être prévu à l'intérieur des locaux pour commander l'arrêt et la mise en marche du compresseur 10 d'une part et de la pompe 42 d'autre part.
De façon classique également, le détendeur 32 est piloté par un capteur de température 44 monté sur la sortie 38 du capteur-évaporateur 36.
On se réfère maintenant à la figure 2 représentant de façon détaillée la strîicture de ce capteur-évaporateur.
Dans cet exemple de réalisation, le capteur-évaporateur 36 est un panneau plan de forme rectangulaire formé de deux feuilles métalliques, de préference en aluminium, placées et fixées l'une sur l'autre et déterminant entre elles des canaux de circulation du fluide de travail.
Le procédé de fabrication d'un tel panneau est bien connu et consiste à former, sur la face interne d'une des feuilles d'aluminium 48, le dessin des canaux par impression par sérigraphie au moyen d'une encre contenant -par exemple du graphite. La seconde feuille d'aluminium est placée ensuite sur la première et l'ensemble passe au laminoir. Ce laminoir soude les feuilles d'aluminium entre elles sauf aux endroits où l'encre sérigraphique est dépose, L'ensemble subit ensuite un laminage à froid pour stabiliser le panneau, qui est ensuite placé entre deux plateaux de presse espacés d1une distance faible, par exemple de 5 mm.Un gaz inerte sous pression élevée est ensuite;injecté entre les deux feuilles ou plaques d'aluminium et les déforme à l'endroit Ot'. l'encre sérigraphique est déposée, pour former les canaux de circulation du fluide de travail.
Pour faciliter-la compréhension, on a représenté en figure 2 la face interne d'une des deux feuilles ou plaques 48 d'aluminium, avec le dessin des canaux qui y sont formés.
Le conduit 34 d'entrée de fluide dans le capteur est monté à étanchéité dans un premier conduit 50 formé en creux dans les plaques d'aluminium par le procédé précité, et qui mène à un collecteur d'admission 52. Ce collecteur 52 est formé par des dédoublements successifs du conduit 50, qui se partage donc en deux conduits verticaux 5 ayant une section identique à celle du conduit 50, les deux conduits 54 étant raccordés horizontalement à trois conduits verticaux 56, eux-mêmes raccordés horizontalement à quatre conduits verticaux 58 qui sont finalement raccordés horizontalement à cinq conduits verticaux 60, coudés à angle droit pour former des conduits horizontaux 62. Ces conduits 56, 58, 60 et 62 ont une section transversale identique à celle du conduit d'alimentation 50.
L'extrémité de chaque conduit horizontal 62 est reliée par un étranglement 64, formé par une partie de conduit ayant une section transversale plus faible, à l'entrée d'un canal 66 de circulation dufluide de travail dans l'évaporateur.
L'étranglement 64 a, par exemple, une section de passage de fluide égale à environ 50% de celle du conduit 62 ou du canal 66. Chaque canal 66 s'étend horizontalement vers, le bord vertical droit du panneau et, à distance relativement faible de ce bord vertical, se dédouble en deux canaux 68 ayant chacun une section identique à' celle du canal 66 et comprenant chacun une première partie horizontale, puis une seconde partie verticale s'étendant vers le bord supérieur du panneau, puis une troisième partie horizontale s'étendant direction du bord vertical gauche du panneau1 puis, éventuellement, une quatrième partie verticale en direction du bord supérieur du panneau et une cinquième partie horizontale en direction du bord vertical droit du panneau, pour être relié à un ensemble 70 de parties de canaux horizontaux et verticaux se croisant et communiquant les uns avec les autres.
Cet ensemble 70 est relié à un collecteur de sortie 72 par deux canaux horizontaux 74 eux-mêmes reliés entre eux par une série de canaux verticaux 76.
Le collecteur de sortie 72 est formé par un ensemble rectangulaire de canaux horizontaux et verticaux se croisant et communiquant les uns avec les autres. Le conduit 38 de sortie de l'évaporateur est monté à étanchéité dans un conduit 78 formé dans le panneau et débouchant dans un conduit vertical d collecteur de sortie 72.
Les divers canaux et conduits formés à l'intérieur du panneau, entre les deux plaques 48 d'aluminium, ont une section transversale constante et identique. Le pas, ou distance entre deux canaux horizontaux, est choisi à une valeur comprise entre 20 et 100 mm, et est de préférence de l'ordre de 55 mm. Le pas ou la distance entre deux canaux verticaux peut avoir la même valeur, mais est légèrement plus faible dans l'exemple représenté et est de l'ordre de 40 mm.
Les longueurs des différents canaux de circulation de fluide de travail dans l'évaporateur sont sensiblement égales, la différence de longueur entre deux canaux quelconques ne devant pas dépasser 0,2 fois la longueur d'un canal.
De façon générale, le nombre de canaux 66 est déterminé de manière à co quo la quantité de chaleur à capter par canai, et donc la quantité de fluide à y faire circuler, permette d'obtenir une perte de charge globale inférieure à 10 000 ou 15 000 Pa entre l'entrée 34 et la sortie 38 du capteurévaporateur. Cette valeur maximale de la perte de charqe globale détermine la valeur optimale du pas entre deux canaux qui est de l'ordre de 55 mm, comme indiqué plus haut.
La disposition des canaux et la conception générale du capteur-évaporateur permettent d'uniformiser à moins de 2"C (à 0,20C en pratique) la température superficielle extérieure du panneau. On obtient ainsi un coefficient global d'échange thermique qui est maximum.
Pour fixer les idées, on indiquera à titre d'exemple que le capteur-évaporateur représenté en figure 2 a une longueur de 3,8 mètres et une laraeur de 0,9 mètre environ.
Le fonctionnement de ce capteur-évaporateur est le suivant le fluide de travail, qui est un mélange de fluide frigorigène essentiellement en phase liquide et d'huile de lubrification soluble dans ce fluide frigorigène. est amené dans le capteur-évaporateur par le conduit 34. Le collecteur d'admission 52 et les étranglements 64 permettent d'obtenir, d'une part, des débits sensiblement identiques de Fluide de travail dans les différents canaux 66 et, d'autre part.
d'avoir sensiblement le même mélange liquide-vapeur-huile dans chacun des canaux 66. La disposition verticale du collecteur d'admission 52 est à cet égard importante. On évite ainsi l'inconvénient des capteurs connus de ce type, qui est que l'huile ait tendance à rester dans les canaux inférieurs du capteur.
L'ébullition du liquide frigorigène commence à se produire léqèrement en aval des étranglements 64. La production de vapeur augmente la vitesse de circulatiop de fluide, et le dédoublement de chaque canal 66 eii deux canaux 68 permet de réduire la parte de charge.
On notera à cet égard que la perte de charge provoquée par les étranglements 64 est pratiquement sans influence, car elle se produit en amont de la zone d'ébullition du fluide de travail.
L'ensemble 70 et le collecteur de sortie 72 assurent un mélange homogène des débits de vapeur de fluide-frigorigène et d'huile provenant des différents canaux 68.
Le conduit de sortie 38 est situé sur le même bord vertical du panneau que le conduit d'entrée 34, ce qui simplifie le raccordement du capteur-évaporateur de l'installation.
De préférence, le capteur-évaporateur 36 est peint extérieurement en une ou en des couleurs autres que le noir, ce qui permet de réduire la ré émission thermique vers la voûte céleste. En outre, ces capteurs ainsi peints en couleurs peuvent être utilisés comme clôtures. comme panneaux décoratifs ou comme panneaux publicitaires. Le capteur s'intègre plus facilement à son environnement que s'il était peint en noir.
Bien entendu. une installation à boucle thermodvnamique peut comprendre plusieurs capteurs-évaporateurs 36 tels que celui représenté en figure 2, et ces capteurs sont alors alimentés en parallèle en fluide de travail.
Lorsque le capteur-évaporateur selon l'invention est destiné à faire partie d'une installation de chauffage à pompe à chaleur, il est placé tel quel à l'extérieur, dans une zone ensoleillée, de façon à capter de la chaleur à la fois par ravonnement et par convection.
Lorsque le capteur-évaporateur selon l'invention est destiné à faire partie d'une installation à cycle de Rankine produisant une énergie mécanique par l'intermédiaire d'une turbine ou analogue servant d'organe de détente du fluide de travail1 le capteur-évaporateur est placé entre une couche de matière thermiquement isolante et un vitrage, la captation de chaleur s'effectuant uniquement sur le rayonnement.

Claims (1)

    Revendications. -1. Evaporateur pour installation à boucle thermodynamique fermée de circulation d'un fluide de travail comprenant au moins un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur reliés en série, l'évaporateur formant capteur de chaleur par convection et/ou par ravonnement et se présen- tant sous la forme d'un panneau dans l'épaisseur duquel sont formés des canaux de circulation du fluide de travail, caractérisé en ce qu'il comprend un collecteur d'alimentation (52) formé dans l'épaisseur du panneau entre un conduit unique (34) d'entrée de fluide dans l'évaporateur (36) et lesdits canaux (66, 68), ce col-lecteur (52) comprenant un premier conduit (50) se partageant un certain nombre de conduits parallèles (54, 56, 58,
  1. 60) qui sont reliés transversalement entre eux et qui sont chacun reliés à un canal (66) corresPondant de circulation du fluide dans l'évaporateur (36), en assurant une répartition sensiblement homogène et optimale du fluide de travail-dans les différents canaux (66, 68).
    2. Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur d'alimentation (52) est à disposition générale verticale, lesdits conduits parallèles (54, 56, 58, 60) étant verticaux.
    3. Evaporateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits conduits parallèles (60, 62) du collecteur (52) sont reliés aux canaux (66) de l'évaporateur par des étranglements (64).
    4. Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque canal (66) est dédoublé en aval de l'étrangle- ment (64) en deux canaux (68) parallèles et identiaues, qui ont chacun la même section transversale que le canal (66).
    5. Evaporateur selon l'une des revendications 1 à 4, carac térisé en ce que lesdits canaux (66, 68) ont des longueurs sensiblement éaales, la différence de longueur entre deux canaux quelconques étant inférieure à 0,2 fois la longueur de l'un ou l'autre canal.
    6. Evaporateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la perte de charge totale du fluide entre l'entrée et la sortie de l'évaporateur est inférieure à 15 000 Pa.
    7. Evaporateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pas ou distance entre deux canaux (66, 68) voisins est compris entre 25 et 100 mm et est, de préférence, égal à 55 mm environ.
    8. Evaporateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit (38) de sortie de fluide, raccordé auxdits canaux (66,68) Par un collecteur de sortie (72) formé dans l'épaisseur du panneau et composé d'un certain nombre de canaux reliés transversalement entre eux et se raccordant en un conduit unique (78) relié au conduit de sortie (38), les conduits d'entrée (34) et de sortie (38) étant prévus sur le même bord du panneau.
    9. Evaporateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le panneau est peint dans une ou des couleurs autres que le noir et forme par exemple une clôture, un support publicitaire ou décoratif.
    10. Evaporateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de travail est un mélanqe d'un fluide du type friqorigène et dlune huile soluble dans le fluide frigoriaène, cette huile étant en particulier destinée à la lubrification du compresseur (10).
    11. Evaporateur selon l'une des revendications 1 à 8. caractérisé en ce que le panneau est placé entre une plaque de matière thermiquement isolante et un vitrage, et forme l'évaporateur d'un circuit à cycle de Rankine.
    12. Installation à pompe à chaleur pour le chauffage de locaux, comprenant au moins un évaporateur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce crue ledit évaporateur (36) est disposé à l'extérieur des locaux et forme capteur de chaleur par ravonnement et par convection et en ce que l'installation comprend deux condenseurs (14, 28) montés en série l'un pour le chauffage de l'eau sanitaire, l'autre pour le chauffage des locaux, un serpentin (24) formant refroidisseur de l'huile contenue dans le carter du comDresseur (10) étant éventuellement interposé entre les deux condenseurs (14, 28).
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