FR2957410A1

FR2957410A1 - Condenser for thermally transferring fluid to liquid mass in e.g. heat pump utilized for heating homes, has inlets and outlets for allowing contribution of external source of hot liquid and distribution of liquid for heat installation

Info

Publication number: FR2957410A1
Application number: FR1000961A
Authority: FR
Inventors: Jerome Lucas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-09-16

Abstract

The condenser has an isolated balloon (18) comprising a minimum capacity of two hundred liters of liquid. A volume of the balloon and a size of the condenser are high according to power of a compressor (25). An insulated copper pipe (3) transports heat transfer fluid in a form of gas to the compressor in an upper part of the balloon. Outlets (6, 8) of vertical coils are carried out by a lower part (17) of the balloon. Inlets (7, 9) and the outlets allow contribution of an external source of hot liquid and distribution of the liquid for a heat installation.

Description

L'invention est conçue pour le transfert des calories d'un gaz chaud lors de sa condensation dans un conduit traversant une masse liquide. Sa première utilisation est pour une pompe à chaleur Air Eau à accumulation de conception simple, de fabrication et d'utilisation économique. Elle est conçue pour s'adapter aux installations existantes de chauffage central et 10 utilisable en relevage de chaudières à combustible fossile. The invention is designed for the transfer of calories from a hot gas during its condensation in a conduit passing through a liquid mass. Its first use is for an Air Water heat pump with simple design, manufacturing and economical use. It is designed to adapt to existing central heating installations and can be used for raising fossil fuel boilers.

Les pompes à chaleur Air Eau, produisent en fonction des besoins en chauffage. Il en découle cinq problèmes majeurs. -Premier problème : Les variations de demande en chauffage 15 augmentent les fréquences de fonctionnement de la pompe à chaleur. La pression du fluide caloriporteur ne permet pas des arrêts et des redémarrages fréquents du compresseur. Pour gérer les variations de la demande, les compresseurs sont équipés de moteur à vitesse variable. Des circuits électriques importants sont nécessaires pour la régulation et les 20 protections du moteur du compresseur, d'une part, ils représentent une part non négligeable de la consommation annuelle des pompes à chaleur, d'autres parts, ils sont sensibles à la foudre et en fonctionnement aux coupures intempestives de courant du réseau électrique. -Deuxième problème : Dans les condenseurs, la quantité d'eau est 25 limitée pour les rendre très réactif. Ils sont principalement constitués par des échangeurs à plaques qui présentent une grande surface d'échange thermique dans un petit volume. Dans tous les échangeurs, les faibles masses d'eau nécessitent des précautions rigopreuses contre la présence d'air, de sable, de boues et de retour d'eau chaude. Malgré la présence de 30 circuits de contrôle, toute anomalie dans les fluides perturbe l'échange thermique avec des risques de surchauffe qui peuvent provoquer de graves dommages au condenseur. -Troisième problème : La faible distance entre les points chauds et les points froids du condenseur rend très difficile la production d'eau chaude supérieure à soixante degrés Celsius. De plus une association avec une chaudière à énergie fossile s'avère délicate. En effet, la température de retour du fluide caloriporteur ne doit pas dépasser les cinquante cinq degrés Celsius au risque de surchauffe du compresseur. Les gaz en sortie du compresseur entrent en zone critique de pression et de température avec pour conséquence des risques de détérioration de la pompe à chaleur. -Quatrième problème : La faible masse d'eau des condenseurs limite la restitution maximum des calories. -Cinquième problème : Des contradictions apparaissent par grand froid. La demande en chauffage augmente, alors que les possibilités de la pompe à chaleur à récupérer des calories diminuent. La surpuissance demandée au compresseur entraîne un retour de forte masse de fluide sur l'évaporateur, déjà en baisse d'échange thermique à cause des faibles températures de l'air extérieur. Cette masse supplémentaire provoque une inertie importante de l'évaporateur. Elle aggrave la formation de givre sur celui-ci. Les solutions consistent, d'une part, par un apport de résistances électriques chauffantes pour les périodes de grand froid, alors que la capacité des réseaux de distributions d'électricité est au maximum. D'autres parts, des circuits d'eau indépendants avec une bouteille d'échange sont nécessaires pour s'adapter aux installations existantes de chauffage. Ils nécessitent une gestion plus complexe du chauffage. Air Water heat pumps produce according to heating needs. There are five major problems. -First problem: The variations in heating demand 15 increase the operating frequencies of the heat pump. The pressure of the heat transfer fluid does not allow frequent stops and restarts of the compressor. To cope with variations in demand, the compressors are equipped with variable speed motors. Important electrical circuits are necessary for the regulation and protections of the compressor motor, on the one hand, they represent a significant part of the annual consumption of heat pumps, on the other hand, they are sensitive to lightning and in operation at untimely power cuts of the electrical network. Second problem: In condensers, the amount of water is limited to make them very reactive. They mainly consist of plate heat exchangers which have a large heat exchange area in a small volume. In all the exchangers, the small water masses require rigorous precautions against the presence of air, sand, sludge and return of hot water. Despite the presence of 30 control circuits, any anomaly in the fluids disturbs the heat exchange with risks of overheating which can cause serious damage to the condenser. -Third problem: The small distance between the hot spots and the cold points of the condenser makes it very difficult the production of hot water higher than sixty degrees Celsius. In addition, an association with a fossil fuel boiler is tricky. Indeed, the return temperature of the heat transfer fluid must not exceed fifty five degrees Celsius at risk of overheating of the compressor. The gases leaving the compressor enter a critical pressure and temperature zone with the consequent risk of deterioration of the heat pump. -Fourth problem: The low water mass of the condensers limits the maximum restitution of the calories. Fifth problem: Contradictions appear very cold. The demand for heating is increasing, while the possibilities of the heat pump to recover calories are decreasing. The overpower required from the compressor causes a return of high fluid mass on the evaporator, already in heat exchange loss because of the low outside air temperatures. This additional mass causes significant inertia of the evaporator. It aggravates the formation of frost on it. The solutions consist, on the one hand, of a supply of electric heating resistances for periods of extreme cold, while the capacity of the electricity distribution networks is maximum. On the other hand, independent water circuits with an exchange bottle are necessary to adapt to existing heating installations. They require a more complex management of heating.

Pour toutes ces raisons, les pompes à chaleur se limitent principalement aux planchers chauffants des maisons neuves bien isolées. For all these reasons, heat pumps are mainly limited to the floor heating of new houses well insulated.

L'invention consiste à un condenseur constitué par un ballon de liquide, dans lequel le fluide caloriporteur circule à travers des serpentins. L'invention commence par un tuyau en cuivre isolé (3), transportant le fluide caloriporteur du compresseur (25) sous forme gazeuse. II entre dans la partie supérieure du ballon (18) de liquide (15), d'une contenance minimum de deux cents litres. Le volume du ballon de liquide et la taille du condenseur grandissent en fonction de la puissance du compresseur. Le tuyau en cuivre se développe en forme de serpentin vertical (1) qui tourne vers le bas au milieu du ballon. Il se divise en deux parties (2) dans sa zone basse. La première partie (1) est composée d'un tube en cuivre de section supérieure aux sections des tubes en cuivre de la deuxième partie du serpentin (2). Le fluide caloriporteur se condense dans les serpentins (1) (2). I1 s'écoule vers le bas aidé par la pesanteur. La colonne de liquide (21) au milieu du ballon effectue un échange thermique à contre courant naturel. Le liquide moins chaud (22) des parois alimente le bas de la colonne (23) .Des petites boucles de liquide (24) en strates sur l'extérieur des serpentins (1) (2) favorisent la circulation et l'échange thermique. La sortie des parties inférieures du serpentin est située dans la partie basse (17) du ballon de liquide. Le serpentin renvoie le fluide caloriporteur (4) sous forme liquide à la température du liquide du ballon en partie basse. The invention consists of a condenser constituted by a liquid balloon, in which the heat transfer fluid circulates through coils. The invention begins with an insulated copper pipe (3) carrying the heat transfer fluid of the compressor (25) in gaseous form. It enters the upper part of the flask (18) of liquid (15), with a minimum capacity of two hundred liters. The volume of the liquid balloon and the size of the condenser grow according to the power of the compressor. The copper pipe develops in the form of a vertical coil (1) which turns downwards in the middle of the balloon. It is divided into two parts (2) in its lower zone. The first part (1) is composed of a copper tube with a section greater than the sections of the copper tubes of the second part of the coil (2). The heat transfer fluid condenses in the coils (1) (2). It flows downward, helped by gravity. The liquid column (21) in the middle of the flask performs a heat exchange against natural current. The less hot liquid (22) of the walls feeds the bottom of the column (23). Small loops of liquid (24) in layers on the outside of the coils (1) (2) promote circulation and heat exchange. The outlet of the lower parts of the coil is located in the lower part (17) of the liquid tank. The coil returns the heat transfer fluid (4) in liquid form to the liquid temperature of the balloon at the bottom.

Les calories s'accumulent par stratification thermique du liquide du ballon. Le liquide plus chaud s'accumule dans la partie supérieure du ballon où se trouvent la sortie du liquide chaud (6) et une entrée (9) pour un apport d'une autre source de liquide chaud. Dans sa partie inférieure se situent le retour (7) du liquide distribué et une sortie (8) vers l'autre source de liquide rapporté. La position des entrées et des sorties sur le ballon permet le mélange et la distribution du liquide. Dans la partie basse du ballon une sonde de température (5) va nous permettre de gérer la demande de fonctionnement de la pompe à chaleur. La sécurité est assurée par un purgeur de gaz (12) positionné sur la partie la plus haute du ballon, un capteur (11) de présence de liquide, une sonde de température (10) en partie haute et le fond du ballon (14) servant de récupération des sables et des boues contenus dans le liquide avec un bouchon (13) de vidange. L'ensemble de l'invention est recouvert d'isolant thermique (16). 10 Dans l'invention, la masse importante du liquide du ballon, la position et la forme verticale du condenseur apportent les solutions aux problèmes posés -La solution au premier problème : Le fonctionnement du 15 condenseur à accumulation n'est pas dépendant de la demande en chauffage. En conséquence, un compresseur équipé avec un moteur asynchrone à vitesse stable dépendant de la fréquence secteur suffit. Son couple moteur et sa demande en courant électrique progressent en fonction de la température de retour du fluide caloriporteur (35).La commande du 20 moteur du compresseur est simple. Un relais piloté par le module de gestion suffit. -La solution au deuxième problème : Le nouveau condenseur permet une très grande efficacité de l'échange de chaleur,grâce à une circulation des 2 fluides parfaitement à contre courant dans une masse d'eau 25 importante, avec une neutralisation automatique de l'air, des boues et des sables parasites. Les calories s'accumulent par stratification thermique du liquide. -La solution au troisième problème : La distance du point chaud au point froid du système diphasique des serpentins est grande. L'entrée haute 30 et la sortie basse des serpentins permettent au ballon une production d'eau très chaude avec une récupération maximum des calories. En sortie (17) du condenseur, la température du fluide caloriporteur est à la même température du liquide en partie basse du ballon. Elle aide au bon fonctionnement du détendeur. Elle permet d'optimiser le rendement de l'évaporateur (37). Elle protège le compresseur des surchauffes et évite les entrées en zone critique, du gaz en sortie de compresseur. -La solution au quatrième problème : Dans la partie supérieure (1) du condenseur, le ruissellement du condensat aidé par la pesanteur, permet à la chaleur latente du changement d'état du fluide caloriporteur de convecter plus rapidement. La masse d'eau favorise l'absorption des températures élevées, des pressions et des vibrations générées par le compresseur. De plus la progression régulière de la masse thermique du fluide caloriporteur dans la pompe à chaleur est propice au bon déroulement de la boucle diphasique. Elle permet une accumulation par stratification thermique du liquide du ballon, avec une récupération maximum des calories. -La solution au cinquième problème : La position des entrées et sorties sur le ballon permettent le rajout d'eau chaude par d'autres systèmes de production sans risque de perturbations pour le condenseur, mais aussi pour la pompe à chaleur. The calories accumulate by thermal stratification of the liquid of the balloon. The warmer liquid accumulates in the upper part of the flask where the hot liquid outlet (6) is located and an inlet (9) for a supply of another source of hot liquid. In its lower part are the return (7) of the liquid dispensed and an outlet (8) to the other source of added liquid. The position of the entries and exits on the balloon allows mixing and distribution of the liquid. In the lower part of the flask, a temperature sensor (5) will allow us to manage the heat pump operating demand. Safety is ensured by a gas trap (12) positioned on the highest part of the tank, a sensor (11) for the presence of liquid, a temperature sensor (10) at the top and the bottom of the tank (14). serving to recover sand and sludge contained in the liquid with a drain plug (13). The assembly of the invention is covered with thermal insulation (16). In the invention, the large mass of the balloon liquid, the position and the vertical form of the condenser provide the solutions to the problems posed. The solution to the first problem: The operation of the storage condenser is not dependent on the demand in heating. Accordingly, a compressor equipped with a stable speed asynchronous motor dependent on the mains frequency is sufficient. Its motor torque and its demand for electric current progress as a function of the return temperature of the heat transfer fluid (35). The control of the compressor motor is simple. A relay controlled by the management module is sufficient. -The solution to the second problem: The new condenser allows a very high efficiency of the heat exchange, thanks to a circulation of 2 perfectly countercurrent fluids in a large body of water, with an automatic neutralization of the air , mud and parasitic sands. Calories accumulate by thermal stratification of the liquid. -The solution to the third problem: The distance from the hot point to the cold point of the diphasic system of the coils is great. The high input 30 and the low output of the coils allow the balloon to produce very hot water with maximum recovery of calories. At the outlet (17) of the condenser, the temperature of the heat transfer fluid is at the same temperature of the liquid at the bottom of the balloon. It helps the regulator function properly. It optimizes the efficiency of the evaporator (37). It protects the compressor from overheating and avoids the entry in the critical zone of the gas at the compressor outlet. -The solution to the fourth problem: In the upper part (1) of the condenser, condensate runoff aided by gravity, allows the latent heat of the change of state of the heat transfer fluid to convect more quickly. The body of water promotes the absorption of high temperatures, pressures and vibrations generated by the compressor. Moreover, the regular progression of the thermal mass of the heat transfer fluid in the heat pump is conducive to the smooth running of the two-phase loop. It allows accumulation by thermal stratification of the liquid of the balloon, with maximum recovery of calories. -The solution to the fifth problem: The position of the inlets and outlets on the tank allow the addition of hot water by other production systems without risk of disturbances for the condenser, but also for the heat pump.

Les dessins annexés illustrent l'invention : The accompanying drawings illustrate the invention:

La figure n° 1 représente le condenseur en coupe La figure n° 2 représente la circulation de l'eau dans le condenseur en coupe La figure n° 3 représente une unité de production d'eau chaude par la pompe à chaleur et le mélange avec une autre source de chaleur. Figure 1 shows the condenser in section Figure 2 shows the circulation of water in the condenser section Figure 3 shows a hot water production unit by the heat pump and the mixture with another source of heat.

Pour le chauffage, l'invention est utilisable avec la chaudière à énergie fossile de l'habitat existant. Avec cette autre source d'eau chaude, elle peut gérer les périodes de grand froid et les heures de pointe en fourniture d'électricité. Elle peut être couplée à un chauffage solaire. For heating, the invention is usable with the fossil fuel boiler of the existing habitat. With this other source of hot water, it can handle periods of extreme cold and peak hours in electricity supply. It can be coupled with solar heating.

L'alimentation (3) en gaz du serpentin s'effectue par un compresseur (25) près du ballon (18) dans un caisson insonorisé (38) et isolé pour éviter les pertes de charge et de température. La sortie du condenseur (4) est reliée au détendeur (19) avec une liaison basse pression (34) vers l'évaporateur (37). Un ventilateur (20) fait circuler l'air de l'extérieur (33) sur les circuits (31) à (32) de l'évaporateur, qui renvoie le fluide caloriporteur par une liaison basse pression (35) au compresseur. Un module de commande (26) gère le fonctionnement de l'unité de production. Il reçoit l'alimentation électrique (30),il commande l'alimentation (39) du compresseur et l'alimentation (28) du ventilateur (20) de l'évaporateur. Dans l'évaporateur se trouve une sonde de température (29) et une résistance électrique (27) alimentée (36) par le module de commande pour le dégivrage. L'entrée (9) et la sortie (8) servent pour un apport d'eau chaude par une autre source de chaleur en période de grand froid. La sortie (6) et le retour (7) alimentent les différentes demandes de chauffages. Chaque demande ayant sa propre régulation en fonction de ses besoins. The gas supply (3) of the coil is effected by a compressor (25) near the balloon (18) in a soundproof box (38) and isolated to avoid losses of pressure and temperature. The outlet of the condenser (4) is connected to the expander (19) with a low pressure connection (34) to the evaporator (37). A fan (20) circulates air from outside (33) to the evaporator circuits (31) to (32), which returns the heat transfer fluid through a low pressure link (35) to the compressor. A control module (26) manages the operation of the production unit. It receives the power supply (30), it controls the supply (39) of the compressor and the supply (28) of the fan (20) of the evaporator. In the evaporator there is a temperature sensor (29) and an electric heater (27) supplied (36) by the control module for defrosting. The inlet (9) and the outlet (8) serve for a supply of hot water by another source of heat during periods of extreme cold. The outlet (6) and the return (7) feed the different requests for heating. Each request has its own regulation according to its needs.

La mise en service de l'unité est facile. Son faible bruit permet une unité en bloc compact ou simplement avec l'évaporateur en extérieur et des liaisons uniquement basse pression et en simple isolation à rajouter. L'invention va permettre un fonctionnement souple et économique. La simplicité de l'unité facilite l'utilisation des régulations et des sécurités. The commissioning of the unit is easy. Its low noise allows a compact block unit or simply with the outdoor evaporator and only low pressure connections and single insulation to be added. The invention will allow a flexible and economical operation. The simplicity of the unit facilitates the use of regulations and security.

L'expérimentation sur une installation de chauffage couplée, avec une chaudière gaz et la contrainte d'un tarif EDF EJP donne les résultats escomptés. Les mesures effectuées en situation réelle durant ces trois derniers hivers, permettent de diviser par trois la facture énergétique et de financer l'installation en quelques années. La production de gaz polluants Io est divisée par quatre. Experimentation on a coupled heating system, with a gas boiler and the constraint of an EDF EJP tariff gives the expected results. Measurements made in real-life conditions over the last three winters, allow to divide by three the energy bill and to finance the installation in a few years. The production of gaseous pollutants Io is divided by four.

L'invention amène des économies d'énergie fossile, une diminution de la pollution, une gestion plus facile de la distribution des énergies. Dans le contexte économique et politique actuel, elle doit intéresser les 15 consommateurs et la communauté. The invention brings about fossil energy savings, a reduction in pollution, easier management of the distribution of energies. In the current economic and political context, it must be of interest to consumers and the community.

L'évolution industrielle doit déboucher sur : - la fabrication de condenseurs pour les transferts thermiques de fluides caloriporteurs dans une masse liquide, ainsi que la fabrication 20 d'unités de pompe à chaleur air eau grand public pour le chauffage de l'habitat individuel et d'unités de puissance pour chauffer des immeubles. The industrial evolution must result in: - the manufacture of condensers for the heat transfer of heat transfer fluids in a liquid mass, as well as the manufacture of units of heat pump air water for the public for the heating of the individual housing and power units for heating buildings.

Claims

CLAIMS1 The condenser for heat transfer of fluid state changes in the heat pump is characterized in that it comprises an insulated flask (18) (16) with a minimum capacity of two hundred liters of liquid. The volume of the liquid balloon and the size of the condenser grow according to the power of the compressor. An insulated copper pipe (3) carrying the gaseous heat transfer medium of the compressor (25) enters the upper part of the balloon. It develops in the form of a vertical coil (1) in the middle of the balloon and divides into two parts (2) in its lower zone. The output of the coils is effected by the low part (17) of the balloon. The inlets (7) (9) and the outlets (6) (8) allow the supply of an external source of hot liquid and the distribution for the needs. The condenser according to claim 1, characterized in that the coils (1) (2) rotate downwards in the center of the balloon. A very great efficiency of the heat exchange is effected by a circulation of the two fluids perfectly against the current, with an accumulation by thermal stratification of the liquid. The condenser according to claim 2 is characterized in that the shape of the coil assisted by the effect of gravity, promotes the runoff of the fluid condensate. Due to its clearance, the latent heat of the change of state convects more rapidly in the upper part (1) of the condenser. 5 The condenser according to claim 1 is characterized in that the first part (1) of the coil is composed of a copper tube of greater section than the sections of the copper tubes of the second part 10 of the coil (2) .This makes it possible to absorb by the mass of water, the high temperatures, the pressures and the vibrations generated. by the compressor. The condenser according to claim 1 is characterized in that the distance from the hot point to the cold point of the two-phase system of the coils is furthest away. It allows a maximum recovery of calories and a production of very hot water. The condenser according to claim 1 is characterized in that the outlet of the lower portions of the coils returns the coolant (4) in liquid form to the liquid temperature of the lower part of the flask. This makes it possible to manage the risk of entry into the critical zone of the gases leaving the compressor. The condenser according to claim 1 is characterized in that the position of the inlets (7) (9) and the outlets (6) (8) allow a mixing of the liquids without risks for the condenser and the heat pump.