FR2913763A1

FR2913763A1 - Condenser i.e. exchanger, for heat pump, has tubes connected with each other by straps for forming tube bundle that is spirally rolled around central cylinder, where tube bundle is twisted, and tubes have specific diameter

Info

Publication number: FR2913763A1
Application number: FR0753855A
Authority: FR
Inventors: Yvan Ribo
Original assignee: EASY THERM SARL
Current assignee: EASY THERM SARL
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2008-09-19
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: FR2913763B1

Abstract

The condenser has an external cylinder (1) enclosing tubes (4) with ends that are connected to refrigerant intake and outlet pipes. The tubes are rolled around a central cylinder in which a coolant is circulated against a refrigerant (6). The tubes are connected with each other by straps (10) for forming a tube bundle (5) spirally rolled around the central cylinder, where the tube bundle is twisted. Diameter of the tubes ranges between 0.1-0.5 times the diameter of the intake pipe.

Description

CONDENSEUR PERFECTIONNEPERFECTIONAL CONDENSER

L'invention concerne le domaine des pompes à chaleur et plus particulièrement, la partie condenseur du système. Les pompes à chaleur fonctionnent selon un principe bien connu qui consiste, pour l'essentiel, à prélever des calories sur une source extérieure dans le but de les transférer à un fluide caloporteur venant réchauffer au sein d'un condenseur, de l'eau ou de l'air, circulant dans un circuit indépendant alimentant des radiateurs ou des ventiloconvecteurs. The invention relates to the field of heat pumps and more particularly, the condenser part of the system. Heat pumps operate according to a well-known principle which consists, for the most part, of taking calories from an external source in order to transfer them to a heat transfer fluid coming to heat in a condenser, water or air, circulating in an independent circuit supplying radiators or fan-coils.

En version climatisation, la même pompe à chaleur prélève des calories, non pas sur une source extérieure, mais sur l'eau ou l'air circulant dans le circuit indépendant alimentant les radiateurs ou les ventiloconvecteurs. Dans ce cas, les calories prélevées sont rejetées à l'extérieur, le plus souvent par un système de ventilation. In the air-conditioning version, the same heat pump takes heat, not from an outside source, but from the water or air circulating in the independent circuit supplying the radiators or the fan-coils. In this case, the calories taken are released outside, usually by a ventilation system.

Comme source extérieure de calories, on utilise une source naturelle telle que de l'air ou une source dite "froide" du type eau de source, eau provenant d'un puits, nappe phréatique ou encore captage géothermique. On peut également utiliser des fluides frigorigènes tels que par exemple le R134A, le R407C, le R410A. As an external source of calories, a natural source such as air or a so-called "cold source" such as spring water, water from a well, water table or geothermal catchment is used. It is also possible to use refrigerants such as, for example, R134A, R407C, R410A.

Dans le cadre de la présente invention, le transfert de calories est effectué entre un fluide frigorigène et un fluide caloporteur, en particulier de l'eau. In the context of the present invention, the transfer of calories is carried out between a refrigerant and a heat transfer fluid, in particular water.

De manière classique, une pompe à chaleur se présente sous la forme d'un circuit fermé associant un condenseur, un compresseur, un détendeur et un évaporateur permettant de puiser des calories sur une source extérieure et de les restituer au fluide caloporteur ou inversement. Pour le chauffage, les calories sont prélevées par évaporation du fluide frigorigène dans l'évaporateur et ensuite restituées au fluide caloporteur, par condensation dudit fluide frigorigène dans le condenseur. Conventionally, a heat pump is in the form of a closed circuit combining a condenser, a compressor, a pressure reducer and an evaporator for drawing calories from an external source and return them to the heat transfer fluid or vice versa. For heating, the calories are removed by evaporation of the refrigerant in the evaporator and then returned to the coolant, by condensation of said refrigerant in the condenser.

Comme déjà dit, l'invention concerne plus spécifiquement la partie condenseur de la pompe à chaleur, c'est-à-dire la partie où le fluide frigorigène transfert les calories qu'il contient à l'eau circulant dans les radiateurs. Il existe trois grands types de condenseurs dénommés également "échangeurs". As already stated, the invention relates more specifically to the condenser part of the heat pump, that is to say the part where the refrigerant transfers the calories it contains to the water circulating in the radiators. There are three main types of condensers also called "exchangers".

Il s'agit tout d'abord des échangeurs à serpentins, comprenant un cylindre dans lequel est agencé un serpentin monotubulaire. Il s'avère que ces échangeurs dénommés également "échangeurs annulaires", s'ils présentent une faible perte de charge, sont dotés en revanche, d'un mauvais échange dynamique. Par ailleurs, outre l'encombrement conséquent du système par rapport à la faible surface d'échange, l'échangeur requiert, pour être efficace, un volume de gaz important alors que les préoccupations actuelles sont au contraire de diminuer la quantité de fluide frigorigène nécessaire. These are firstly coil exchangers, comprising a cylinder in which is arranged a monotubular coil. It turns out that these exchangers also called "ring exchangers", if they have a low pressure drop, are endowed, on the other hand, a poor dynamic exchange. Moreover, in addition to the large size of the system compared to the small exchange surface, the exchanger requires, to be effective, a large volume of gas while the current concerns are instead to reduce the amount of refrigerant required .

Le second type d'échangeurs correspond aux échangeurs co-axiaux, c'est-à-dire aux échangeurs dans lesquels les surfaces d'échange sont composées de tubes concentriques. Le principal inconvénient de ce type d'échangeur reste celui de la perte de charge. The second type of exchanger corresponds to the coaxial exchangers, that is to say the exchangers in which the exchange surfaces are composed of concentric tubes. The main disadvantage of this type of exchanger remains that of the pressure drop.

La troisième catégorie d'échangeurs correspond aux échangeurs à plaques qui ont l'avantage de présenter une grande surface d'échange, mais en revanche requièrent un volume de gaz important. En outre, ce type de dispositif engendre une perte de charge élevée. The third category of exchangers corresponds to plate heat exchangers which have the advantage of having a large exchange surface, but on the other hand require a large volume of gas. In addition, this type of device generates a high pressure drop.

En d'autres termes, le problème que se propose de résoudre l'invention est de développer un condenseur ou échangeur fluide frigorigène / eau ne présentant pas les inconvénients ci-dessus et remplissant au contraire les trois conditions cumulatives pour en faire un échangeur fiable et efficace, que sont : - une quantité de fluide frigorigène la plus faible possible, - une surface d'échange la plus élevée possible, - une perte de charge la plus faible possible. In other words, the problem to be solved by the invention is to develop a refrigerant / water condenser or exchanger that does not have the above drawbacks and instead fulfills the three cumulative conditions to make it a reliable exchanger and efficient, that is: - a refrigerant quantity as low as possible, - the highest possible exchange surface, - the lowest possible pressure drop.

Le Demandeur a résolu ce problème en proposant un système dans lequel la surface d'échange se présente sous la forme d'une pluralité de tubes torsadés parcourus par le fluide frigorigène et entre lesquels circule, à contre-courant, le fluide caloporteur à réchauffer. The Applicant has solved this problem by proposing a system in which the exchange surface is in the form of a plurality of twisted tubes traversed by the refrigerant and between which circulates, against the current, the heat transfer fluid to be heated.

Plus précisément, l'invention a pour objet un condenseur perfectionné destiné à assurer le transfert de calories entre un fluide frigorigène et un fluide caloporteur comprenant un cylindre externe enveloppant au moins deux tubes, dont les extrémités sont connectées à des conduites d'arrivée et de sortie de fluide frigorigène, les tubes étant enroulés autour d'un cylindre central dans lequel circule, à contre-courant par rapport au fluide 3 frigorigène, le fluide caloporteur. Ce condenseur se caractérise en ce que les tubes sont rendus solidaires les uns des autres pour former un faisceau de tubes enroulé en spirale autour du cylindre central, le faisceau de tubes étant torsadé. More specifically, the subject of the invention is an improved condenser intended to ensure the transfer of calories between a refrigerant and a coolant comprising an outer cylinder enveloping at least two tubes, the ends of which are connected to inlet and outlet pipes. refrigerant outlet, the tubes being wound around a central cylinder in which circulates, against the current with respect to the refrigerant fluid, the coolant. This condenser is characterized in that the tubes are made integral with each other to form a bundle of tubes wound spirally around the central cylinder, the bundle of tubes being twisted.

En d'autres termes, l'invention consiste à avoir mis au point une surface d'échange constituée d'une pluralité de tubes torsadés, ce qui permet au fluide caloporteur circulant d'être en contact avec la quasi-totalité de la surface des tubes, le système requérant, du fait du faible diamètre des tubes, une quantité limitée de fluide frigorigène n'engendrant pas de perte de charge. Comme indiqué, les tubes ne sont pas torsadés séparément, mais sont réunis sous forme d'un faisceau, lequel est lui-même torsadé. Cette caractéristique permet de disposer de tubes de longueur identique. In other words, the invention consists in having developed an exchange surface consisting of a plurality of twisted tubes, which allows the circulating heat transfer fluid to be in contact with almost all of the surface of the tubes. tubes, the system requiring, because of the small diameter of the tubes, a limited amount of refrigerant does not generate loss of load. As indicated, the tubes are not twisted separately, but are gathered in the form of a bundle, which is itself twisted. This characteristic makes it possible to have tubes of identical length.

Bien entendu, le nombre de tubes constitutifs du faisceau torsadé n'est pas limité et est déterminé en fonction de la perte de charge admise par le système. Of course, the number of tubes constituting the twisted beam is not limited and is determined according to the pressure drop admitted by the system.

En pratique, le nombre de tubes est compris entre 2 et 10, avantageusement égal à 7. In practice, the number of tubes is between 2 and 10, advantageously equal to 7.

Pour rendre le système compatible avec les dimensions des échangeurs mis en oeuvre dans les pompes à chaleur, la torsade est de '4 de tour du faisceau de tubes par tour du cylindre central. In order to make the system compatible with the dimensions of the heat exchangers used in the heat pumps, the twist is 4 turns of the tube bundle per revolution of the central cylinder.

S'agissant de la solidarisation des tubes entre-eux, celle-ci peut être effectuée par tout moyen connu. Pour permettre la circulation du fluide caloporteur au travers de l'ensemble des tubes constitutifs du faisceau, les tubes sont avantageusement solidarisés par le biais d'attaches ou par soudure ponctuelle. As regards the joining of the tubes together, this can be done by any known means. To allow the circulation of the heat transfer fluid through all the tubes constituting the bundle, the tubes are advantageously secured by means of fasteners or spot welding.

Selon une autre caractéristique, le diamètre des tubes représente entre 0,1 et 0,5 fois le diamètre de la conduite d'arrivée du fluide frigorigène. According to another characteristic, the diameter of the tubes is between 0.1 and 0.5 times the diameter of the refrigerant supply line.

Par ailleurs, pour améliorer le coefficient d'échange, le cylindre central est muni d'une double paroi dans laquelle est stockée de l'air, ce qui permet d'éviter tout échange calorique entre l'eau réchauffée et le fluide frigorigène en cours de refroidissement. Furthermore, to improve the exchange coefficient, the central cylinder is provided with a double wall in which air is stored, which avoids any heat exchange between the heated water and the refrigerant in progress cooling.

L'invention a également pour objet une pompe à chaleur équipée d'un condenseur ci-avant décrit. The invention also relates to a heat pump equipped with a condenser described above.

L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation suivant à l'appui des figures annexées. The invention and the advantages which result therefrom will emerge more clearly from the following embodiment with the aid of the appended figures.

La figure 1 est un schéma de principe du condenseur de l'invention. La figure 2 est une représentation du faisceau de tubes torsadés caractéristique de l'échangeur enroulé autour du cylindre central. Figure 1 is a block diagram of the condenser of the invention. Figure 2 is a representation of the twisted tube bundle characteristic of the exchanger wound around the central cylinder.

Selon l'invention, le condenseur se présente sous la forme d'une cuve cylindrique externe (1) renfermant deux tubes concentriques également cylindriques, respectivement un tube central (2) et un tube de diamètre supérieur (3). Dans l'espace séparant la paroi de la cuve externe (1) de celle du cylindre concentrique (3) est agencé le système d'échange, lequel se présente sous la forme d'une pluralité de tubes (4) réunis en un faisceau torsadé (5) tel qu'il apparaît sur la figure 2. En pratique, le cylindre externe (1) est connecté à une de ses extrémités à un tube (6) d'alimentation des tubes (4) en fluide frigorigène, lequel après avoir parcouru les tubes (4) est refoulé par la canalisation de sortie (7) située à l'autre extrémité du cylindre externe (1). S'agissant du fluide caloporteur, celui-ci alimente la cuve externe (1) par le biais d'une canalisation (8) positionnée à l'opposé de la canalisation d'arrivée de fluide frigorigène (6) de manière à disposer d'un système à contre-courant. La sortie de fluide caloporteur de l'échangeur est effectuée par le biais de la canalisation (9). According to the invention, the condenser is in the form of an outer cylindrical vessel (1) enclosing two concentric cylindrical tubes, respectively a central tube (2) and a tube of greater diameter (3). In the space separating the wall of the outer vessel (1) from that of the concentric cylinder (3) is arranged the exchange system, which is in the form of a plurality of tubes (4) joined in a twisted beam (5) as shown in Figure 2. In practice, the outer cylinder (1) is connected at one of its ends to a tube (6) for supplying the tubes (4) with refrigerant, which after having the tubes (4) are passed through the outlet pipe (7) at the other end of the outer cylinder (1). With regard to the heat transfer fluid, it feeds the outer tank (1) through a pipe (8) positioned opposite the refrigerant inlet pipe (6) so as to dispose of a countercurrent system. The heat transfer fluid outlet of the exchanger is carried out via the pipe (9).

Sur la figure 2 est représenté plus spécifiquement le système d'échange. Celui-ci se présente sous la forme d'une pluralité de tubes, en pratique 7 tubes (4) réunis en un faisceau (5) par le biais d'attaches (10). Le faisceau est torsadé tout en étant enroulé en spirale autour du cylindre (3). En pratique, le faisceau est torsadé d'un quart de tour tous les tours de cylindre. In Figure 2 is shown more specifically the exchange system. This is in the form of a plurality of tubes, in practice 7 tubes (4) joined in a bundle (5) by means of fasteners (10). The beam is twisted while being wound spirally around the cylinder (3). In practice, the beam is twisted a quarter turn every cylinder turns.

Cet échangeur est plus particulièrement destiné à être intégré dans des pompes à chaleur. This exchanger is more particularly intended to be integrated in heat pumps.

Comme déjà dit, le principe de la pompe à chaleur est de prélever des calories sur une source extérieure, puis de les transférer au fluide caloporteur alimentant les radiateurs ou ventiloconvecteurs. L'échange de calories est effectué dans le condenseur. En pratique, le fluide frigorigène, par exemple le R410A, arrive à l'échangeur à l'état gazeux sous une forme comprimée, c'est-à-dire à température élevée. Au contact de l'eau froide parvenant dans le cylindre externe par la canalisation (8) se produit un échange thermique entre l'eau froide et le fluide frigorigène circulant à contre-courant dans les faisceaux de tubes torsadés. Le fluide frigorigène se transforme en liquide une fois ses calories transférées au fluide caloporteur, en pratique l'eau. L'eau chaude circule ensuite dans le tube central (2) à double paroi de sorte qu'il n'y a pas de perte d'échange thermique. As already stated, the principle of the heat pump is to take calories from an external source and then transfer them to the heat transfer fluid supplying the radiators or fan-coils. The exchange of calories is carried out in the condenser. In practice, the refrigerant, for example R410A, arrives at the exchanger in the gaseous state in a compressed form, that is to say at elevated temperature. In contact with the cold water coming into the outer cylinder through the pipe (8) there is a heat exchange between the cold water and the refrigerant flowing against the current in the bundles of twisted tubes. The refrigerant is transformed into liquid once its calories transferred to the coolant, in practice water. The hot water then circulates in the double-walled central tube (2) so that there is no loss of heat exchange.

L'invention et les avantages qui en découlent ressortent bien de la description précédente, on note en particulier la mise au point d'un condenseur perfectionné dans lequel perte de charge et quantité de fluide frigorigène sont particulièrement faibles, et ce malgré une surface d'échange optimisée. The invention and the advantages which derive therefrom are apparent from the foregoing description, in particular the development of an improved condenser in which the pressure drop and the amount of refrigerant are particularly low, despite a surface area of optimized exchange.

Claims

1 / Condenser intended to ensure the transfer of calories between a refrigerant and a coolant comprising an outer cylinder (1) enveloping at least two tubes (4), the ends of which are connected to fluid inlet and outlet pipes refrigerant, the tubes being wound around a central cylinder (2) in which circulates the coolant, countercurrent to the refrigerant, characterized in that the tubes (4) are secured to each other to form a bundle of tubes wound spirally around the central cylinder, the tube bundle being twisted.

2 / A condenser according to claim 1, characterized in that the number of tubes (4) is between 2 and 10.

3 / Condenser according to claim 1, characterized in that the number of tubes (4) is 7.

4 / A condenser according to claim 1, characterized in that the twist of the beam is a quarter turn per revolution of the central cylinder.

5 / condenser according to claim 1, characterized in that the tubes (4) are secured to one another by means of fasteners (10).

6 / A condenser according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the tubes (4) is between 0.1 and 0.5 times the diameter of the refrigerant supply line.

7 / Condenser according to one of the preceding claims, characterized in that the central cylinder (2) is provided with a double wall in which is stored air.

8 / condenser according to one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant is R410A.

9 / Condenser according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant is water.

10 / heat pump equipped with a condenser according to one of claims 1 to 9.