FR2963416A1 - Condenseur pour chauffe-eau thermodynamique - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un chauffe-eau comportant une cuve (2), muni d'une pompe (6) à chaleur, ladite pompe à chaleur comportant notamment un condenseur (10, 110), le condenseur comportant une enveloppe (12, 112) traversée par un circuit (14, 114) comportant une entrée (15, 115) et une sortie (16, 116), ledit circuit étant parcouru par un fluide frigorigène, ledit chauffe-eau étant caractérisé en ce que l'enveloppe du condenseur comporte deux plaques (18, 19) superposées et fixées l'une à l'autre, un espace compris entre lesdites deux plaques formant le circuit.

Description

Condenseur pour chauffe-eau thermodynamique

La présente invention se rapporte à un condenseur et à un chauffe-eau thermodynamique muni d'un tel condenseur, ledit chauffe-eau étant notamment destiné au chauffage de l'eau sanitaire. La présente invention se rapporte également à une installation de chauffage domestique équipée d'un tel chauffe-eau. Dans le domaine du chauffage domestique, des recherches sont actuellement menées pour réduire les dépenses énergétiques. Les chauffe- eau thermodynamiques présentent notamment un bien meilleur rendement énergétique que les chauffe-eaux électriques. Un chauffe-eau thermodynamique est un chauffe-eau muni d'une pompe à chaleur comme moyen de chauffage. Le principe d'une pompe à chaleur est de prélever des calories d'une source, par exemple l'air extérieur, pour les transférer à l'eau du chauffe-eau. De manière classique, une pompe à chaleur comporte un circuit, parcouru par un fluide frigorigène. Un fluide frigorigène est une substance capable d'absorber et de restituer de la chaleur, par des changements d'état liquide/gaz ou gaz/liquide.

De manière classique, le circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur forme une boucle passant par les éléments suivants : - un évaporateur, dans lequel le fluide prélève de la chaleur à une source, par exemple l'air extérieur. Le fluide frigorigène passe de l'état liquide à l'état gazeux ; - un compresseur : actionné par un moteur, il élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant ; - un condenseur, dans lequel le fluide frigorigène passe à l'état liquide en cédant sa chaleur à l'eau à chauffer ; - un détendeur : il réduit la pression et la température du fluide frigorigène en phase liquide. Un type de condenseur très répandu consiste en un tuyau enroulé en forme de spirale autour de la cuve du chauffe-eau. L'échange thermique s'effectue via la paroi du tuyau et celle de la cuve. Afin d'assurer une surface suffisante d'échange thermique, un tel condenseur nécessite un tuyau de longueur importante. Cette longueur de tuyau augmente la quantité de fluide frigorigène nécessaire dans le dispositif. Par exemple, pour un chauffe-eau de 200 L, un tel dispositif de chauffage nécessite environ 750 g de fluide frigorigène tel que le HFC-134a (1,1,1,2-tétrafluoroéthane).

Or, les fluides frigorigènes fluorés, notamment de type hydrofluorocarbone, ont un impact environnemental important en cas de rejet dans l'atmosphère. Cet impact est mesuré par le potentiel de réchauffement global (PRG). Le PRG d'un composé correspond à une comparaison entre l'effet de serre généré par 1 Kg de ce composé et l'effet de serre équivalent généré par du CO2. Par exemple, le HFC-134a a un PRG égal à 1430 Kg équivalent CO2 sur une durée de 100 ans, ce qui correspond à un impact élevé sur l'effet de serre. Il est donc préférable de réduire l'utilisation industrielle de tels produits si leur recyclage n'est pas assuré. D'autres fluides frigorigènes ont un PRG beaucoup plus faible. En effet, des fluides non fluorés, comme l'isobutane ou le propane, ont un PRG égal à 20 sur une durée de 100 ans. L'isobutane est notamment utilisé de manière courante dans le domaine des réfrigérateurs. Cependant, ce type de composé est inflammable et ne peut être utilisé dans un circuit à grande capacité. La charge d'isobutane ou de propane autorisée dans un appareil domestique est en effet limitée à 150 g. Il serait donc avantageux de réduire la contenance en fluide frigorigène du condenseur sur un chauffe-eau thermodynamique. L'impact environnemental du fluide frigorigène serait également réduit. D'autre part, une réduction importante de contenance rendrait possible l'utilisation de fluides frigorigènes à faible potentiel de réchauffement global, mais inflammables. Une pompe à chaleur contenant une grande quantité de fluide frigorigène génère un autre inconvénient. En effet, elle impose d'utiliser un évaporateur volumineux. La taille de l'évaporateur est à considérer en fonction du volume de fluide frigorigène à l'état liquide susceptible de remplir ledit évaporateur lorsque le compresseur est à l'arrêt. Si l'évaporateur présente un volume trop faible, le fluide ne dispose pas d'un volume suffisant à son évaporation lors de la remise en route du compresseur. Du fluide frigorigène à l'état liquide passe alors dans ledit compresseur. Ce dernier peut en être sérieusement détérioré. En effet, le fluide frigorigène est miscible avec l'huile du compresseur, le mélange ayant pour effet de diminuer les propriétés lubrifiantes de l'huile. Un condenseur de faible contenance permettrait donc de limiter la charge en fluide frigorigène de la pompe à chaleur, tout en diminuant le risque de détérioration ou d'usure prématurée du compresseur. La présente invention apporte une solution à ces problèmes. Elle se rapporte en effet à un condenseur de faible contenance en fluide frigorigène, ainsi qu'à un chauffe-eau thermodynamique comportant un tel condenseur. La configuration de ce condenseur induit un excellent rapport entre la surface d'échange thermique et le volume de fluide frigorigène qu'il contient. Un objet de la présente invention est un chauffe-eau comportant une cuve, muni d'une pompe à chaleur, ladite pompe à chaleur comportant notamment un condenseur, le condenseur comportant une enveloppe traversée par un circuit comportant une entrée et une sortie, ledit circuit étant parcouru par un fluide frigorigène, ledit chauffe-eau étant caractérisé en ce que l'enveloppe du condenseur comporte deux plaques superposées et fixées l'une à l'autre, un espace compris entre lesdites deux plaques formant le circuit. Pour un même volume de fluide, un tel circuit formé par deux plaques accolées offre une surface d'échange thermique nettement plus importante que celle d'un tube en spirale. En effet, la chaleur du fluide frigorigène se transmet à l'ensemble des plaques. La surface totale desdites plaques constitue la surface d'échange. Selon une forme préférentielle de l'invention, le circuit comporte au moins deux canaux disposés en parallèle. En effet, la présence de plusieurs canaux parallèles permet d'augmenter la surface d'échange thermique pour un même volume de fluide, par rapport à un circuit comportant un canal unique. A l'entrée du condenseur, le fluide frigorigène se trouve à l'état gazeux.

En parcourant le circuit du condenseur, le fluide cède ses calories à l'enveloppe dudit condenseur et passe progressivement à l'état liquide. La densité globale du fluide frigorigène augmente donc lorsqu'on progresse dans le sens entrée-sortie du circuit du condenseur. Selon une forme préférentielle de l'invention, une section globale du circuit du condenseur décroît lorsqu'on progresse dans le sens entrée-sortie dudit circuit. Cette diminution de la section permet d'accompagner l'augmentation de densité du fluide, de manière à assurer une vitesse de circulation constante dudit fluide. Cette diminution de la section permet en outre de réduire la contenance totale en fluide du condenseur.

Selon une forme préférentielle de l'invention, le nombre de canaux parallèles décroît lorsqu'on progresse dans le sens entrée-sortie. Cette forme de l'invention est simple à réaliser et permet de faire diminuer la section globale du circuit dans le sens entrée-sortie. Selon une forme préférentielle de l'invention, le circuit est configuré de sorte à suivre une pente descendante ou nulle dans le sens entrée-sortie. Il est en effet préférable d'éviter qu'un fragment du circuit suive une pente montante entre l'entrée et la sortie. Un « point bas » dans le circuit provoquerait l'accumulation de fluide frigorigène à l'état liquide, ce qui diminuerait la surface d'échange thermique utile à la condensation.

Selon une forme préférentielle de l'invention, l'enveloppe du condenseur est réalisée en aluminium ou en alliage d'aluminium. L'aluminium possède en effet une bonne conductivité thermique. Un transfert de chaleur efficace se produit entre le fluide frigorigène et la surface de plaques d'aluminium formant le circuit.

Selon une forme préférentielle de l'invention, le fluide frigorigène du chauffe-eau est un fluide dont le PRG sur 100 ans est inférieur à 150. En effet, la présente invention permet de réduire considérablement la contenance du condenseur. Il est donc possible d'utiliser des fluides frigorigènes de type isobutane ou propane, dont la quantité maximale autorisée est limitée à 150 g par appareil mais dont la masse volumique est faible. Pour un chauffe-eau de 200 L selon l'invention, il est notamment possible de réaliser un système de pompe à chaleur nécessitant moins de 150 g d'isobutane. La présente invention permet donc d'éviter l'utilisation de fluides frigorigènes de type hydrofluorocarbone, à effet de serre important. La présente invention se rapporte également à une installation de chauffage domestique comportant un chauffe-eau tel que décrit précédemment.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - Figure 1 : vue schématique d'un chauffe-eau selon un premier exemple de réalisation de l'invention ; - Figure 2 : vue schématique éclatée d'un condenseur du chauffe-eau représenté à la figure 1 ; - - Figure 3 : vue schématique d'un condenseur selon un deuxième exemple de réalisation de l'invention La figure 1 représente une vue schématique d'un chauffe-eau 1 selon un premier exemple de réalisation de l'invention. Le chauffe-eau 1 comporte notamment une cuve 2. La cuve 2 est de forme sensiblement cylindrique, selon un axe vertical. La cuve 2 est reliée à un circuit d'eau sanitaire par une entrée 3 et une sortie 4. De manière classique, l'entrée 3 est située en partie inférieure de la cuve 2 ; la sortie 4 est sortie en partie supérieure de la cuve 2. La cuve 2 est entourée d'un isolant thermique 5. Le chauffe-eau 1 est muni d'un système 6 de pompe à chaleur destiné à chauffer l'eau de la cuve 2. Le système 6 comporte notamment un circuit 7 parcouru par un fluide frigorigène. Le circuit 7 forme une boucle passant successivement par un évaporateur 8, un compresseur 9, un condenseur 10 et un détendeur 11. Dans l'exemple représenté à la figure 1, l'évaporateur 8, le compresseur 9 et le détendeur 11 sont disposés au-dessus de la cuve 2. L'évaporateur 8 assure un transfert de chaleur entre l'air ambiant et le fluide frigorigène du circuit 7. Le condenseur 10 est situé en partie inférieure de la cuve 2. En effet, l'eau chaude est moins dense que l'eau froide et a tendance à se déplacer vers la partie supérieure de la cuve 2. Afin de chauffer efficacement la totalité de l'eau du chauffe-eau 1, il est avantageux de disposer le condenseur 10 en partie inférieure de la cuve 2. Le condenseur 10 comporte une enveloppe 12 sensiblement rectangulaire, enroulée en forme de bague autour de la cuve 2. L'enveloppe 12 est maintenu serrée au contact d'une paroi externe de la cuve 2, au moyen d'un dispositif 13 de tension, comportant par exemple des ressorts.

L'enveloppe 12 est située entre la cuve 2 et l'isolant thermique 5.

L'enveloppe 12 est parcourue par un circuit 14 de fluide frigorigène, situé entre une entrée 15 et une sortie 16. Le fluide frigorigène parcourant le circuit 14 cède sa chaleur à l'enveloppe 12, qui la transfère à son tour à une paroi 17 de la cuve 2.

La figure 2 montre une vue schématique éclatée du condenseur 10 en cours de réalisation. L'enveloppe 12 du condenseur 10 comporte deux plaques (18, 19). La plaque 18 interne est destinée à entrer en contact avec la paroi 17 de la cuve 2 par l'une de ses faces, dénommée ici face interne. Afin d'assurer une surface de contact maximale avec la paroi 17, la plaque 18 est lisse. L'autre face de la plaque 18, dénommée face externe, est destinée à être assemblée à une face interne de la plaque 19. Ladite plaque 19 externe est accolée à la plaque 18 par sa face interne. Ladite face interne de la plaque 19 est creusée d'au moins un sillon 20. Une partie de la surface de la plaque 19, située proche du ou desdits sillons 20, est solidarisée à la plaque 18, notamment par soudage ou collage. Ainsi, l'ensemble formé par le ou les sillons 20 et la face externe de la plaque 18 constitue le circuit 14 de fluide frigorigène. A proximité de l'entrée 15, le circuit 14 se divise en au moins quatre canaux de section sensiblement égale, disposés en parallèle. Dans l'exemple représenté à la figure 2, le circuit 14 se divise en quatre canaux (21, 22, 23, 24) à proximité de l'entrée 15. Pour un même volume de fluide frigorigène, la surface de contact dudit fluide avec l'enveloppe 12 est plus importante avec plusieurs canaux (21, 22, 23, 24) parallèles qu'avec un canal unique.

Les canaux (21, 22, 23, 24) sont sensiblement rectilignes, parallèles et horizontaux. Ils parcourent sensiblement la totalité d'une longueur 40 de l'enveloppe 12. Les repères spatiaux de la description de la figure 2, notamment les termes tel que « horizontal » et « vertical », s'entendent en considérant le condenseur 10 mis en place sur la cuve 2, comme sur la figure 1. A leur extrémité opposée à l'entrée 15, les canaux (21, 22, 23, 24) se rejoignent en un tronçon 25 collecteur, sensiblement vertical. Une section du tronçon 25 est proche de la somme des sections des canaux (21, 22, 23, 24). Le tronçon 25 est disposé de manière à progresser vers le bas dans le sens entrée-sortie.

En progressant vers la sortie 16, le tronçon 25 se divise en trois canaux (26, 27, 28) sensiblement rectilignes, parallèles et horizontaux. Les canaux (26, 27, 28) ont une section sensiblement égale à celle des canaux (21, 22, 23, 24). Le nombre des canaux décroît entre l'entrée 15 et la sortie 16. Ainsi, une section globale du circuit du condenseur décroît lorsqu'on progresse dans le sens entrée-sortie. Cette décroissance de section accompagne l'augmentation de la proportion en fluide frigorigène liquéfié au fur et à mesure que ledit fluide se rapproche de la sortie 16. En raison de cette décroissance de section, le fluide frigorigène conserve une vitesse de circulation sensiblement constante dans le circuit 14. Les canaux (26, 27, 28) parcourent sensiblement la totalité de la longueur 40 de l'enveloppe 12. A leur extrémité opposée au tronçon 25, ils se rejoignent en un autre tronçon 29 collecteur, sensiblement vertical. Le tronçon 29 est disposé de manière à progresser vers le bas dans le sens entrée-sortie. En progressant vers la sortie 16, le tronçon 29 se divise à son tour en deux canaux (30, 31), sensiblement rectilignes, parallèles et horizontaux, parcourant sensiblement la totalité de la longueur 40 du corps 12. A leur extrémité opposée au tronçon 29, les canaux (30, 31) se rejoignent en un canal unique 32. Une partie 33 du canal 32 est sensiblement rectiligne, horizontale et parcourt sensiblement la totalité de la longueur 40 de l'enveloppe 12. Une autre partie 35 du canal 32 se développe ensuite verticalement pour monter vers la sortie 16. La sortie 16 et l'entrée 15 sont situées côte à côte, en partie supérieure des plaques (18, 19).

Le canal 33 horizontal est situé en-dessous d'un autre canal 31 horizontal le plus proche. De manière préférentielle, une distance 34 entre les canaux (31, 33) est plus importante que la distance moyenne entre deux canaux juxtaposés. Cet éloignement du canal 33 d'avec le reste du circuit 14 permet d'assurer un meilleur refroidissement du fluide frigorigène en fin de parcours dudit circuit 14. De manière préférentielle, le condenseur 10 est configuré de manière à ce que, lorsque ledit condenseur 10 est mis en place sur la cuve 2, l'entrée 15 se trouve en partie supérieure du condenseur et le circuit 14 suive une pente descendante ou nulle dans le sens entrée-sortie. En effet, une pente descendante ou nulle permet au liquide frigorigène condensé de ruisseler en direction de la sortie, ce qui libère de la surface d'échange thermique fluide/cuve 2. La présence d'un fragment de circuit 14 suivant une pente montante entre l'entrée et la sortie crée un « point bas » dans ledit circuit 14. Au niveau de ce point bas peut s'accumuler du fluide frigorigène à l'état liquide. Le volume accumulé occupe une partie de la surface d'échange du condenseur, ce qui diminue son efficacité. Pour simplifier la fabrication du condenseur 10 représenté aux figures 1 et 2, ledit condenseur 10 est configuré de manière à comporter un tel point bas à la jonction des parties 33 et 35 du canal 32. Cependant, ce point bas se trouve en fin du circuit 14, dans une zone où l'échange thermique est moins important qu'à proximité de l'entrée 15. La présence de ce point bas ne nuit donc que très peu à l'efficacité du condenseur 10. De manière préférentielle, les plaques (18, 19) sont métalliques, préférentiellement en aluminium ou en alliage d'aluminium. Un procédé de réalisation du condenseur 10 consiste à imprimer la forme du circuit 14 sur la plaque 19, par exemple à l'aide d'une presse, puis à assembler les plaques (18, 19) notamment par collage, brasage ou soudage. De préférence, à l'exception des sillons 20, la totalité de la surface de la plaque 19 est soudée ou collée à la plaque 18. Ainsi, l'étanchéité du circuit 14 est assurée. L'enveloppe 12, ainsi formée par l'assemblage des plaques (18, 19), est ensuite incurvée pour adopter la forme d'une bague. Cette bague est assujettie à la cuve 2 au moyen du dispositif 13 de tension. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté aux figures 1 et 2, l'échange thermique entre l'eau de la cuve et le fluide frigorigène s'effectue à travers la paroi 17 de la cuve 2 et la plaque 18 du condenseur 10. La double paroi entre le fluide frigorigène et l'eau prévient tout risque de pollution de l'eau chaude sanitaire par le fluide en cas de perçage de l'enveloppe du condenseur.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le condenseur est destiné placé à l'intérieur d'une cuve de chauffe-eau, au contact de l'eau à chauffer. Ainsi, seule une paroi du condenseur est interposée entre le fluide frigorigène et l'eau. Cette disposition permet d'améliorer le rendement du condenseur par rapport à la disposition à l'extérieur de la cuve.

La figure 3 montre une vue schématique d'un condenseur 110 selon un tel mode de réalisation de l'invention. Le condenseur 110 comporte une enveloppe 112 formée de deux plaques accolées, similaires aux plaques (18, 19) représentée à la figure 2. L'enveloppe 112 est incurvée pour former une bague. Le condenseur 110 est destiné à être placé à l'intérieur d'une cuve de chauffe-eau, au contact de l'eau à chauffer. Ainsi, le transfert thermique s'effectue directement entre l'enveloppe 112 et l'eau. De manière préférentielle, un espace est aménagé entre une paroi 10 interne de la cuve du chauffe-eau et l'enveloppe 112. Ainsi, le transfert thermique s'effectue par les deux faces de ladite enveloppe. Dans l'exemple représenté à la figure 3, l'enveloppe 112 est montée solidaire d'un support 120. Ledit support 120 peut être muni de moyens d'assemblage réversible avec une cuve, afin de former une partie du fond de 15 ladite cuve. Le support 120 peut par exemple être vissé au fond de la cuve, l'étanchéité étant assurée par un joint. Ainsi, il est aisé de démonter le support 120 et le condenseur 110, afin d'effectuer des opérations d'entretien de la cuve du chauffe-eau. L'enveloppe 112 est parcourue par un circuit 114 de fluide frigorigène, 20 comportant une entrée 115 et une sortie 116. Le support 120 comporte des moyens de raccordement de l'entrée 115 et de la sortie 116 avec un circuit de fluide équipant une pompe à chaleur. Selon une forme préférentielle de l'invention, l'enveloppe 112 en contact avec l'eau de la cuve est recouverte d'un revêtement anticorrosion, par 25 exemple du polytétrafluoroéthylène (PTFE). Dans l'exemple représenté , on peut recouvrir de PTFE l'enveloppe 112 et le support 120.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1.- Chauffe-eau (1) comportant une cuve (2), muni d'une pompe (6) à chaleur, ladite pompe à chaleur comportant notamment un condenseur (10, 110), le condenseur comportant une enveloppe (12, 112) traversée par un circuit (14, 114) comportant une entrée (15, 115) et une sortie (16, 116), ledit circuit étant parcouru par un fluide frigorigène, ledit chauffe-eau étant caractérisé en ce que l'enveloppe du condenseur comporte deux plaques (18, 19) superposées et fixées l'une à l'autre, un espace compris entre lesdites deux plaques formant le circuit.

   2.- Chauffe-eau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (14) comporte au moins deux canaux (30, 31) disposés en parallèle.

   3.- Chauffe-eau selon la revendication 1 ou la revendication 2, tel qu'une section globale du circuit décroît lorsqu'on progresse dans le sens entrée-sortie.

   4.- Chauffe-eau selon l'une des revendications précédentes, tel que l'enveloppe (12) du condenseur est au contact d'une paroi extérieure de la cuve.

   5.- Chauffe-eau selon l'une des revendications 1 à 3, tel que l'enveloppe (112) du condenseur est située à l'intérieur de la cuve.

   6.- Chauffe-eau selon l'une des revendications précédentes, tel que le circuit est configuré de sorte à suivre une pente descendante ou nulle dans le sens entrée-sortie. 30

   7.- Chauffe-eau selon l'une des revendications précédentes, tel que l'enveloppe est fixée à un support comportant des moyens d'assemblage réversible avec la cuve.25

   8.- Chauffe-eau selon l'une des revendications précédentes, tel que l'enveloppe du condenseur est réalisée en aluminium ou en alliage d'aluminium.

   9.- Chauffe-eau selon l'une des revendications précédentes, tel que le fluide frigorigène est un fluide dont le potentiel de réchauffement global sur 100 ans est inférieur à 150 Kg équivalent CO2.

   10.- Installation de chauffage domestique comportant un chauffe-eau selon l'une des revendications précédentes.