FR2871559A1 - Coeur de pompe a chaleur compact de type eau/eau - Google Patents

Abstract

L'ensemble comprend un bloc compresseur (10), des prises d'entrée (23) et de sortie (24) vers un réseau de captage de chaleur, des prises d'entrée (33) et de sortie (34) vers un réseau de restitution de chaleur, et deux échangeurs de chaleur (20, 30), couplés au bloc compresseur et aux prises d'entré et de sortie. Les liaisons (21, 22, 31, 32) entre les échangeurs de chaleur et le bloc compresseur, et/ou les liaisons (25, 26, 35, 36) entre les échangeurs de chaleur et les prises des réseaux de captage et de restitution de chaleur sont des liaisons non brasées, formées par des tubes en acier inoxydable soudés, notamment par soudage TIG orbital. Le tout est enfermé dans une enceinte étanche isolante de confinement (40) comprenant une base support (41) et un capot (42) soudés entre eux.

Description

L'invention concerne les pompes à chaleur de type eau/eau.

Ces équipements permettent de capter l'énergie thermique disponible dans l'air, dans les couches supérieures de la terre ou encore dans de l'eau libre, de concentrer cette énergie et de la restituer sous cette forme concentrée (à température plus élevée) pour alimenter un circuit de chauffage à eau chaude.

Par eau/eau on entendra un type de pompe à chaleur dans lequel le circuit de captage de chaleur et le circuit de restitution de chaleur (chauffage) sont tous deux des circuits où circule un liquide, par opposition aux systèmes eau/air ou air/air , étant bien entendu qu'en fonction des besoins l'eau peut être remplacée ou complétée par un autre liquide. En particulier, dans le circuit de captage de chaleur l'eau est souvent additionnée d'éthylène-glycol faisant fonction d'antigel.

L'intérêt d'une pompe à chaleur réside dans le fait que l'énergie nécessafre pour son alimentation est inférieure à l'énergie restituée dans le circuit de chauffage. On désigne par coefficient de performance (COP) le ratio entre l'énergie restituée et l'énergie consommée par le système, ratio qui peut atteindre typiquement une valeur de 5 avec les meilleurs systèmes actuellement disponibles sur le marché.

Plus précisément, une pompe à chaleur comporte un bloc compresseur et deux échangeurs de chaleur reliés respectivement aux réseaux de captage et de restitution de chaleur. Les échangeurs de chaleur sont par ail- leurs couplés au compresseur et au circuit frigorigène associé à ce der- nier, comprenant un condenseur, un détendeur et un évaporateur. Le compresseur concentre côté condenseur l'énergie captée et restitue côté évaporateur l'énergie à restituer au circuit de chauffage.

La performance globale de la pompe à chaleur est d'autant meilleure que l'échange thermique est complet et que l'ensemble des actions du compresseur et des échangeurs s'opèrent avec la meilleure isolation thermi- que possible vis-à-vis de l'environnement extérieur.

Le compresseur, son circuit de fluide frigorigène associé ainsi que les deux échangeurs de chaleur sont regroupés en un même bloc fonctionnel, ciaprès désigné coeur de pompe à chaleur , qui constitue un ensemble intégré destiné à être par ailleurs associé aux différents éléments des cir- cuits de captage et de restitution de chaleur (tuyauterie, pompes de circu- lation, capteur thermostatique, etc.) ainsi qu'aux équipements d'alimentation et de régulation du système.

Dans les coeurs de pompe à chaleur proposés jusqu'à présent, les différents éléments sont reliés entre eux par des tubes assemblés selon les techniques usuelles bien connues des chauffagistes et frigoristes.

Plus précisément, les liaisons entre compresseur et échangeurs, et entre échangeurs et prises d'entrée/sortie des réseaux de captage et de restitution de chaleur, y sont réalisées au moyen de tubes métalliques en cuivre, assemblés par brasage.

Toutefois, dans l'application aux pompes à chaleur, l'utilisation de tubes en cuivre, et l'assemblage des tubes par brasage, n'est pas sans présenter certains inconvénients.

En premier lieu, le cuivre se caractérise par une grande conductibilité thermique, qui n'est pas recherchée dans cette application puisqu'elle est gé- nératrice de pertes par échanges thermiques avec l'environnement.

En second lieu, les assemblages' réalisés par brasage, s'ils garantissent une bonne étanchéité, ne sont pas d'une résistance mécanique et à la corrosion très élevée. En effet, comme on le sait, le brasage consiste à assembler des métaux différents par apport d'un métal tiers (brasure à l'argent, dans le cas d'un brasage fort) porté à une température supérieure à son point de fusion. Du fait que les éléments du compresseur sont généralement en acier noir et les échangeurs en acier noir ou acier inoxydable, et que ces éléments sont reliés entre eux par des tubes en cuivre, on va se trouver à l'endroit des liaisons brasées en présence de solutions de continuité acier/cuivre ou acier inox/cuivre, avec en outre interposition du métal d'apport.

Or ces liaisons sont sujettes en provenance du compresseur à des vibrations qui conduiraient rapidement à des fuites ou même des détériorations dans le cas d'un assemblage trop rigide.

Pour éviter cet écueil, les liaisons en cuivre sont généralement réalisées de manière à procurer à l'ensemble une certaine souplesse, grâce à des liaisons assez longues et/ou une géométrie particulière (lyres, serpentins, etc.) permettant de mieux disperser les contraintes résultant notamment de la propagation des vibrations dans les canalisations en cuivre.

L'augmentation des longueurs de tubes a cependant pour effet d'augmenter la surface d'échange avec l'atmosphère ambiante, donc les pertes, et aussi d'augmenter inutilement le volume de gaz frigorigène du circuit du compresseur.

La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients, en proposant un coeur de pompe à chaleur optimisé tant du point de vue du rendement que de la compacité et de la fiabilité de fonctionnement.

Le coeur de pompe à chaleur de l'invention est un coeur de pompe de type eau/eau tel que décrit plus haut, c'est-à-dire comprenant, plus précisément et de manière en elle-même connue: un bloc compresseur, comprenant un circuit fermé chargé de fluide frigorigène avec compresseur, condenseur, détendeur et évaporateur; une prise d'entrée et une prise de sortie vers un réseau de captage de chaleur; une prise d'entrée et une prise de sortie vers un réseau de restitution de chaleur; un premier é- changeur de chaleur, couplé côté primaire à l'évaporateur du bloc compresseur et côté secondaire aux prises du réseau de captage de chaleur; et un second échangeur de chaleur, couplé côté primaire au condenseur du bloc compresseur et côté secondaire aux prises du réseau de restitution de chaleur.

De façon caractéristique de l'invention, les liaisons entre les échangeurs de chaleur et le bloc compresseur, et/ou les liaisons entre les échangeurs de chaleur et les prises des réseaux de captage et de restitution de chaleur sont des liaisons non brasées, formées par des tubes en acier inoxydable soudés.

En remplaçant les tubes en cuivre utilisés jusqu'à présent par des tubes en acier, et en remplaçant les assemblages brasés par des assemblages soudés, les diverses liaisons ainsi réalisées au sein du coeur de pompe à chaleur ne présentent plus de solution de continuité, ce qui leur procure une qualité de résistance mécanique notamment aux vibrations et une qualité de résistance à la corrosion incomparablement supérieures à ce qu'elles étaient avec des assemblages brasés.

En effet, dans le cas d'un soudage, si celui-ci est bien réalisé, en termes de tenue mécanique et d'étanchéité le résultat est équivalent à celui du tube d'origine.

En particulier, les vibrations engendrées par le compresseur ne peuvent pas entraîner de détérioration de ces assemblages, et la tenue mécanique, la géométrie et la souplesse des tubes et des échangeurs en acier inoxydable peuvent être définies de façon à absorber sans rupture ces vibrations par des liaisons courtes et de faible diamètre, à l'opposé des liaisons en cuivre utilisées jusqu'à présent.

Cette réduction dimensionnelle permet d'abaisser d'autant les échanges thermiques du fluide avec l'environnement, donc les pertes, ainsi que le volume de fluide frigorigène nécessaire. De plus, outre la moindre surface exposée, les échanges thermiques seront également réduits par le fait que l'acier est bien moins bon conducteur de chaleur que le cuivre et qu'aucune patte de fixation au châssis n'est plus nécessaire pour le main-tien des échangeurs (suppression des ponts thermiques lorsque les échangeurs de chaleur sont essentiellement dépourvus de telles pattes).

II est ainsi possible d'augmenter notablement le coefficient de performance de la pompe à chaleur, typiquement de 1 à 2 points, c'est-àdire qu'il devient possible d'atteindre des valeurs de COP de l'ordre de 6 à 7, performances bien au-dessus des meilleurs systèmes proposés jusqu'à pré-sent.

Le soudage est avantageusement réalisé par soudage TIG orbital, qui est une technique parfaitement maîtrisée pouvant être mise en oeuvre de façon automatique, donc avec un contrôle précis des différents paramètres et une excellente reproductibilité, conduisant ici encore à un accroisse- ment de la fiabilité d'ensemble de l'appareil. De plus, le soudage automa- tique TIG orbital permet de limiter au minimum l'élévation de température du corps de compresseur, évitant ainsi toute fragilisation de celui-ci.

De préférence, les échangeurs de chaleur sont des échangeurs coaxiaux multitubulaires en acier inoxydable.

Ce type d'échangeur, qui convient parfaitement à une pompe à chaleur selon l'invention où les différentes liaisons sont des liaisons soudées, rem-place avantageusement les échangeurs à plaques jusqu'à présent généralement utilisés dans le domaine des pompes à chaleur. Même s'ils assurent un bon échange thermique, les échangeurs à plaques sont en effet fragiles et ne supportent pas longtemps une eau chargée en sels minéraux, qui peut provoquer un bouchage par accumulation de dépôts ou d'impuretés solides. Enfin, leur tenue en présence de vibrations continues reste limitée.

Du fait de l'accroissement considérable de fiabilité, il devient inutile de ménager une possibilité d'accès aux différents éléments internes du coeur de pompe après fabrication. Ces différents éléments (bloc compresseur, é-changeurs de chaleur, liaisons entre échangeurs et bloc compresseur, et liaisons entre échangeurs et prises des réseaux de captage et de restitution de chaleur) peuvent donc être confinés dans une enceinte formant un unique bloc fonctionnel étanche et isotherme.

Cette enceinte étanche de confinement peut en particulier comprendre une base support, supportant le bloc compresseur et les échangeurs de chaleur, et un capot rapporté sur cette base support, la base support et le capot étant solidarisés entre eux de manière permanente, par exemple par soudage s'ils sont en métal.

L'espace libre résiduel de l'enceinte de confinement peut être rempli d'un matériau isolant, la base support comportant alors un orifice occultable d'introduction de ce matériau isolant.

L'atmosphère interne de l'enceinte de confinement peut être sous vide, ou remplie d'un gaz sec isolant, la base support comportant alors un orifice occultable, en communication avec ladite atmosphère, pour l'application du vide ou l'introduction du gaz.

De préférence, les prises du réseau de captage de chaleur, les prises du réseau de restitution de chaleur, et le(s)dit(s) orifice(s) occultable(s) sont regroupés sur la base support.

On va maintenant décrire un exemple de pompe à chaleur réalisée selon les enseignements de l'invention, en référence à la figure unique annexée qui est une vue schématique, en perspective cavalière, des différents éléments constituant ce coeur de pompe.

Sur la figure, la référence 10 désigne le bloc compresseur, qui est un ensemble avec un circuit fermé, chargé en fluide frigorigène, comprenant un compresseur 11, un évaporateur 12, un condenseur 13 et un détendeur 14. Le moteur du compresseur est par exemple un moteur électrique ali- menté de l'extérieur par le secteur.

Un premier échangeur de chaleur 20 est couplé côté primaire à l'évaporateur 12 du bloc compresseur 10 via deux liaisons 21 et 22. Côté secondaire, il est relié à des prises 23, 24 d'entrée et de sortie de fluide destinées à être reliées à un réseau de captage de chaleur; les liaisons aux prises 23, 24 sont réalisées par des tubulures 25, 26.

Un second échangeur de chaleur 30 est couplé côté primaire au condenseur 13 du bloc compresseur 10 via deux liaisons 31 et 32. Côté secondaire, il est relié à des prises 33, 34 d'entrée et de sortie de fluide destinées à être reliées à un réseau de restitution de chaleur (réseau de chauf- fage) ; les liaisons aux prises 33, 34 sont réalisées par des tubulures 35, 36.

Les échangeurs 20 et 30 sont de préférence des échangeurs coaxiaux multitubulaires torsadés en acier inoxydable soudé, dont la taille est adaptée à la puissance du compresseur pour garantir un échange optimum tant vers le circuit de chauffage que depuis le circuit de captage de chaleur.

De façon caractéristique de l'invention, les liaisons 21, 22, 31, 32 entre le compresseur 10 et les échangeurs de chaleur 20 et 30, ainsi que les liai-sons 25, 26, 35, 36 entre les échangeurs 20 et 30 et les prises 23, 24, 33, 34 d'entrée et de sortie des réseaux de captage et de restitution de chaleur, sont assurées au moyen de tubes en acier inoxydable soudés. Le diamètre de ces tubes est optimisé pour assurer cette liaison sans créer d'entrave pour le fluide (fluide frigorigène, ou fluide circulant dans les ré-seaux), avec une longueur et une géométrie étudiées pour réaliser cette liaison par le plus court chemin possible. De plus, grâce à l'excellente solidité mécanique des liaisons soudées, les échangeurs peuvent être simplement suspendus par les tubes 21, 22, 25, 26 (ou 31, 32, 35, 36, respectivement), qui les retiennent en place sans qu'il soit nécessaire de pré-voir pour les soutenir des pattes de fixation au châssis ou moyens analo- gues, générateurs de ponts thermiques.

Un tube de petit diamètre 16, qui peut également être réalisé en acier inoxydable en forme de spire ou de multispire, assure un accès étanche pour le chargement du compresseur en fluide frigorigène et le contrôle de cette charge. À l'extérieur de l'enceinte, ce tube en acier inoxydable pour- ra être prolongé d'un tube en cuivre permettant la jonction à la réserve de gaz frigorigène par des méthodes habituellement utilisées par les frigoristes.

Les différents éléments du coeur de pompe à chaleur que l'on vient de décrire sont regroupés à l'intérieur d'un boîtier 40 constitué d'une base sup- port 41 et d'un capot 42. Avantageusement, toutes les entrées et sorties utiles et tous les accès aux éléments du coeur de pompe sont regroupés au niveau de la base support 41, notamment les prises 23, 24, 33, 34 aux réseaux de captage et de restitution de chaleur. On y trouve également la traversée 43 pour l'alimentation électrique du compresseur 11, ainsi qu'un orifice occultable 44 permettant la communication avec le volume intérieur de l'enceinte une fois le capot 42 fermé, et une traversée 45 pour la con-duite 16 de charge du fluide frigorigène.

Le capot 42 peut donc être aisément rendu étanche, formé d'une seule pièce, par exemple métallique, sans aucune traversée. Il peut être fixé de façon étanche à la base support 41 pour constituer une enveloppe isolant complètement le coeur de pompe à chaleur de son environnement. Lors-que le capot et la base support sont tous deux réalisés en métal, cette fixation étanche peut même être avantageusement réalisée par soudage des deux éléments de manière à constituer un bloc fonctionnel unique, non démontable. D'autres solutions de solidarisation permanente peuvent être envisagées, par exemple un collage, lorsque capot et/ou base support ne sont pas réalisés en un matériau métallique apte au soudage. Avantageusement, après fermeture de l'enveloppe, on introduit par l'orifice 44 une matière isolante venant remplir complètement le volume inté- rieur du coeur de pompe, par exemple une matière pulvérulente ou une mousse expansible, qui va minimiser les échanges thermiques non souhaitables et accroître d'autant les performances du système. En outre, ce garnissage réduit la transmission des vibrations mécaniques et acoustiques produites par le compresseur vers l'extérieur.

Après remplissage, l'enceinte étanche peut enfin être tirée au vide ou remplie d'un gaz sec procurant des caractéristiques d'isolement thermique meilleures que l'air, par exemple l'argon ou l'hexafluorure de soufre.

Enfin, dans la mesure où les tubes 26 et 36 conduisant aux points hauts respectifs des circuits de captage de chaleur et de chauffage ne sont pas coudés, il est possible d'y glisser des systèmes de purge comprenant un purgeur automatique 46 relié à une conduite 48 se terminant en partie basse, hors du bloc 40, par un évent 50 monté sur un manchon 52 emboîté à l'embouchure de la conduite homologue 26 ou 36. Ces systèmes de purge, mis en place depuis l'extérieur (comme on peut le voir sur la vue éclatée de la figure), peuvent être aisément remplacés plus tard, si nécessaire.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Un coeur de pompe à chaleur de type eau/eau, comprenant: un bloc compresseur (10), comprenant un circuit fermé chargé de fluide frigorigène avec compresseur (11), condenseur (13), détendeur (14) et évaporateur (12), une prise d'entrée (23) et une prise de sortie (24) vers un réseau de captage de chaleur, une prise d'entrée (33) et une prise de sortie (34) vers un réseau de restitution de chaleur, un premier échangeur de chaleur (20), couplé côté primaire à l'évapo- rateur du bloc compresseur et côté secondaire aux prises du réseau de captage de chaleur, et un second échangeur de chaleur (30), couplé côté primaire au condenseur du bloc compresseur et côté secondaire aux prises du réseau de restitution de chaleur, caractérisé en ce que les liaisons (21, 22, 31, 32) entre les échangeurs de chaleur et le bloc compresseur, et/ou les liaisons (25, 26, 35, 36) entre les échangeurs de chaleur et les prises des réseaux de captage et de restitution de chaleur sont des liaisons non brasées, formées par des tubes en acier inoxydable soudés.

2. Le coeur de pompe à chaleur de la revendication 1, dans lequel les tubes en acier inoxydable soudés sont des tubes soudés par soudage TIG orbital.

3. Le coeur de pompe à chaleur de la revendication 1, dans lequel les échangeurs de chaleur (20, 30) sont des échangeurs coaxiaux multitubulaires en acier inoxydable.

4. Le coeur de pompe à chaleur de la revendication 1, dans lequel le bloc compresseur, les échangeurs de chaleur, les liaisons entre échangeurs de chaleur et bloc compresseur, et les liaisons entre échangeurs de chaleur et prises des réseaux de captage et de restitution de chaleur sont enfermés dans une enceinte étanche de confinement (40).

5. Le coeur de pompe à chaleur de la revendication 1, dans lequel les échangeurs de chaleur sont essentiellement dépourvus de pattes support de fixation au châssis.

6. Le coeur de pompe à chaleur de la revendication 4, dans lequel l'enceinte étanche de confinement (40) comprend une base support (41), supportant le bloc compresseur et les échangeurs de chaleur, et un capot (42) rapporté sur cette base support.

7. Le coeur de pompe à chaleur de la revendication 6, dans lequel la base support (41) et le capot (42) sont solidarisés entre eux de manière permanente.

8. Le coeur de pompe à chaleur de la revendication 6, dans lequel l'espace libre résiduel de l'enceinte de confinement est rempli d'un matériau isolant, et la base support (41) comporte un orifice occultable (44) d'introduction de ce matériau isolant.

9. Le coeur de pompe à chaleur de la revendication 6, dans lequel l'atmosphère interne de l'enceinte de confinement est sous vide, et la base support (41) comporte un orifice occultable (44), en communication avec ladite atmosphère, pour l'application de ce vide.

10. Le coeur de pompe à chaleur de la revendication 6, dans lequel l'atmosphère interne de l'enceinte de confinement est remplie d'un gaz sec isolant, et la base support (41) comporte un orifice occultable (44), en communication avec ladite atmosphère, pour l'introduction de ce gaz.

11. Le coeur de pompe à chaleur des revendications 8 à 10, dans lequel les prises (23, 24) du réseau de captage de chaleur, les prises (33, 34) du réseau de restitution de chaleur, et le(s)dit(s) orifice(s) occultable(s) (44) sont regroupés sur la base support (41).