FR3026832B1 - HEAT TRANSFER SYSTEM BY HEATING AND REFRIGERATION IN RIVER HABITAT - Google Patents
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Abstract
Système de transfert de chaleur destiné au chauffage et au rafraichissement en habitat fluvial composé d’un ensemble de sondes utilisable en combinaison avec une pompe à chaleur conçu pour être immergé dans l’eau, et intégrant la fonction sortie d’eau des fins de maintenance et de déplacement du bateau aménagé. Numéro de figure d’abrégéHeat transfer system for heating and cooling in fluvial habitat consisting of a set of probes usable in combination with a heat pump designed to be immersed in water, and incorporating the water outlet function for maintenance purposes and moving the landscaped boat. Abstract figure number
Description
La présente invention décrit un nouveau système de transfert de chaleur (SYSTEME DE SONDES) utilisable seul ou conjointement à une pompe à chaleur pour chauffer ou rafraîchir un bateau aménagé en LOCAL FLOTTANT à usage privé ou professionnel (habitation, bureaux, restaurant, hôtel...) , en transférant de la chaleur entre l'eau et le LOCAL FLOTTANT. Naturellement, cette invention s'adresse également à toute autre construction, ou local situé sur l'eau ou à proximité de 1'eau.The present invention describes a new heat transfer system (PROBE SYSTEM) usable alone or jointly with a heat pump to heat or cool a boat fitted out as a FLOATING LOCAL for private or professional use (house, offices, restaurant, hotel .. .), transferring heat between the water and the FLOATING LOCAL. Naturally, this invention is also directed to any other construction, or local located on or near water.
Traditionnellement, la production de chaleur pour le chauffage des habitations repose sur la combustion de combustibles fossiles (gaz, fuel...) ou de biomasse (bois, pellets...) . Alternativement, le chauffage ou le rafraîchissement peuvent reposer sur le transfert de chaleur dans un sens ou dans l'autre, entre l'environnement et l'habitation. Ce transfert peut se faire de manière passive, par simple échange passif de chaleur, comme par exemple avec un puits canadien, ou de manière active, par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur. L'art antérieur montre qu'il est possible de capter la chaleur dans l'air pour la transférer dans le système de chauffage (aérothermie), mais aussi dans la terre (géothermie), ou dans l'eau (aquathermie).Traditionally, the production of heat for heating homes is based on the combustion of fossil fuels (gas, fuel ...) or biomass (wood, pellets ...). Alternatively, heating or cooling may be based on heat transfer in one direction or the other, between the environment and the home. This transfer can be done passively, by simple passive heat exchange, such as with a Canadian well, or actively, through a heat pump. The prior art shows that it is possible to capture the heat in the air to transfer it into the heating system (aerothermal), but also in the earth (geothermal), or in water (aquathermy).
En géothermie par captage horizontal, le captage de chaleur dans le sol se fait grâce à d'un ou plusieurs tubes serpentant horizontalement, à une profondeur « hors gel », dans le sol, dans lesquels circule un fluide caloporteur, usuellement, de l'eau glycolée.In horizontal capture geothermal energy, the heat capture in the soil is done by means of one or more tubes winding horizontally, to a depth "frost free", in the soil, in which circulates a heat transfer fluid, usually, of the glycolated water.
En géothermie par captage vertical, le captage de chaleur dans le sol se fait par l'intermédiaire d'une ou plusieurs sondes verticales. Chaque sonde est constituée d'un ou deux tubes en U plongés verticalement dans le sol, à une grande profondeur (de l'ordre de plusieurs dizaines à une centaine de mètres ou plus), et dans lesquels circule un fluide caloporteur (usuellement de l'eau glycolée) . A mi-chemin entre captage vertical et captage horizontal, il existe en géothermie le captage par corbeilles géothermiques. Une corbeille géothermique est constituée d'un tube enroulé en spirale verticale, avec un diamètre de l'ordre du mètre et une profondeur de l'ordre de 2 à 4 mètres. Dans chaque spirale circule un fluide caloporteur (eau glycolée).In geothermal systems using vertical capture, heat capture in the soil is done via one or more vertical probes. Each probe consists of one or two U tubes immersed vertically in the ground, at a great depth (of the order of several tens to a hundred meters or more), and in which circulates a coolant (usually the 'glycolated water) . Halfway between vertical capture and horizontal capture, there is geothermal collection by geothermal baskets. A geothermal basket consists of a vertical spiral wound tube, with a diameter of about one meter and a depth of about 2 to 4 meters. In each spiral circulates a coolant (brine).
En géothermie, tant en captage vertical, qu'en captage horizontal ou en captage par corbeilles géothermiques, l'utilisation de l'eau glycolée comme fluide caloporteur permet de prolonger le fonctionnement du système de captage lorsque la température du fluide passe sous les 0°C, température à laquelle l'eau pure gèle à la pression atmosphérique habituelle. Des variantes comme le captage oblique ont été décrites [FR2817024, FR2820813]In geothermal energy, whether in vertical capture, horizontal capture or geothermal catchment collection, the use of brine as heat transfer fluid allows to extend the operation of the capture system when the fluid temperature drops below 0 ° C, the temperature at which pure water freezes at the usual atmospheric pressure. Variants such as oblique sensing have been described [FR2817024, FR2820813]
En aquathermie, on pompe de l'eau dans l'environnement, en général la nappe phréatique, on fait passer cette eau dans un échangeur à travers lequel un échange de chaleur se fait vers un autre fluide. Le fluide en question peut-être le fluide frigorigène d'une pompe à chaleur (l'échangeur est alors 1'évaporateur ou le condenseur de la pompe à chaleur) . Le fluide peut également être, et c'est ce qui se pratique le plus souvent, un fluide caloporteur intermédiaire. L'échangeur est dans ce cas un échangeur de barrage, protégeant la pompe à chaleur de l'agressivité de l'eau ou des impuretés qu'elle contient. Dans une variante l'eau est pompée dans un réservoir qui accueille des échangeurs de chaleur [FR2857085]. D'autres brevets d'invention décrivent une pompe à chaleur dont le condenseur ou 1'évaporateur est immergé dans l'eau [EP2783978, W02008005320]In aquathermy, water is pumped into the environment, usually the water table, this water is passed through an exchanger through which heat exchange is made to another fluid. The fluid in question may be the refrigerant of a heat pump (the heat exchanger is then the evaporator or the condenser of the heat pump). The fluid can also be, and this is what is practiced most often, an intermediate heat transfer fluid. In this case, the exchanger is a barrier exchanger, protecting the heat pump from the aggressiveness of the water or the impurities it contains. In a variant, the water is pumped into a tank which houses heat exchangers [FR2857085]. Other patents describe a heat pump whose condenser or evaporator is immersed in water [EP2783978, WO2008005320]
En habitat fluvial on est naturellement tenté d'utiliser 1'aquathermie à des fins de chauffage et rafraîchissement. L'aquathermie peut fonctionner, jusqu'à ce que l'eau atteigne une température inférieure à 5°C environs. A partir de cette température, l'eau risque de geler dans l'échangeur (évaporateur ou échangeur de barrage) en le traversant, avec le risque que le fonctionnement de la pompe à chaleur s'arrête, mais aussi que le l'échangeur soit irrémédiablement endommagé par le gel. Or dans les régions tempérées, la température de l'eau des fleuves et rivières atteint régulièrement des températures hivernales inférieures à 5°C, interdisant du coup l'utilisation à ces périodes là, de 1'aquathermie pour se chauffer.In fluvial habitat it is naturally tempted to use aquathermy for heating and cooling purposes. The aquathermy can work until the water reaches a temperature below 5 ° C. From this temperature, the water may freeze in the heat exchanger (evaporator or dam exchanger) through it, with the risk that the operation of the heat pump stops, but also that the exchanger is irreparably damaged by frost. However, in temperate regions, the water temperature of rivers regularly reaches winter temperatures of less than 5 ° C, thus prohibiting the use at these times of aquathermy for heating.
Afin de résoudre ce problème, nous proposons en contexte d'habitat fluvial de transposer au captage de chaleur dans l'eau, le captage de chaleur géothermique. Au lieu d'enfouir dans la terre, des serpentins dans lesquels circule un fluide caloporteur protégé contre le gel, on en adapte le facteur de forme pour le captage de chaleur dans l'eau et on les immerge. Nous appellerons ce type de capteurs SONDES FLUVIALES (S) . L'immersion de SONDES FLUVIALES (S) dans un cours d'eau, un étang, un lac, ou la mer exposent le système de captage à des contraintes mécaniques, à la salissure par les boues et autres matières charriées par l'eau, au vieillissement. Tous ces problèmes n'existent pas en géothermie. Les SONDES FLUVIALES doivent donc à des fins de maintenance, pouvoir être extraites de l'eau dans laquelle elles sont normalement immergées, et déconnectées du système de chauffage / rafraîchissement. L'invention propose de regrouper les sondes unitaires dans un SYSTEME DE SONDES (SI), qui en assurera l'assemblage mécanique, afin qu'elles puissent être suspendues, immergées et relevées au besoin. Le SYSTEME DE SONDES (S2) pourra éventuellement pourra en plus, comprendre le collecteur (COL) et le distributeur (DIS) par l'intermédiaire desquels les SONDES FLUVIALES sont raccordées au système de chauffage / rafraîchissement. Le bateau habitation également, ayant ses propres contraintes de vérification et maintenance périodique de la coque doit pouvoir être déplacé ou extrait de l'eau, imposant comme préalable d'extraire de l'eau le SYSTEME DE SONDES immergé.In order to solve this problem, we propose in the context of fluvial habitat to transpose to heat capture in water, geothermal heat capture. Instead of burying in the earth, coils in which circulates a coolant protected against freezing, one adapts the form factor for the capture of heat in the water and one immerses them. We will call this type of sensors RIVER PROBES (S). The immersion of RIVER PROBES (S) in a watercourse, a pond, a lake, or the sea exposes the collection system to mechanical stresses, to the soiling by sludge and other materials carried by the water, aging. All these problems do not exist in geothermal energy. RIVER PROBES should therefore be used for maintenance purposes so that they can be extracted from the water in which they are normally immersed and disconnected from the heating / cooling system. The invention proposes to group the unitary probes in a SYSTEM OF PROBES (SI), which will ensure the mechanical assembly, so that they can be suspended, immersed and raised if necessary. The PROBE SYSTEM (S2) may optionally also be able to include the collector (COL) and the distributor (DIS) through which the RIVER PROBES are connected to the heating / cooling system. The house boat also, having its own constraints of verification and periodic maintenance of the hull must be able to be moved or extracted from the water, imposing as a prerequisite to extract water the submerged PROBE SYSTEM.
Pour rendre possible l'immersion et la sortie d'eau du SYSTEME DE SONDES (SI), son raccordement au système de chauffage se fera grâce à des tubes souples (2). Si le SYSTEME DE SONDES (S2) comprend le collecteur (COL) et le distributeur (DIS), ce sont ces derniers qui seront raccordés par des tubes souples au système de chauffage, pour permettre l'immersion et la sortie d'eau du SYSTEME DE SONDES.To make possible the immersion and the water outlet of the SYSTEM OF PROBES (SI), its connection to the heating system will be done thanks to flexible tubes (2). If the PROBE SYSTEM (S2) includes the collector (COL) and the distributor (DIS), these are the latter which will be connected by flexible tubes to the heating system, to allow the immersion and the water outlet of the SYSTEM. WAVES.
Le SYSTEME DE SONDES (SI ou S2) sera suspendu à la paroi du LOCAL FLOTTANT par un système de treuils et câbles (ou cordes) qui permettra son levage et son immersion.The PROBE SYSTEM (SI or S2) will be suspended from the wall of the FLOATING LOCAL by a system of winches and cables (or ropes) which will allow its lifting and immersion.
Son raccordement au système de chauffage / rafraîchissement par des tubes souples (1) ou (2) en facilitera l'immersion et le levage.Its connection to the heating / cooling system by flexible tubes (1) or (2) will facilitate immersion and lifting.
Pour compléter les possibilités offertes pour la maintenance, on pourra avantageusement intercaler des vannes aux extrémités des tubes de raccordement (1) ou (2). On pourra même doubler ces vannes, en mettant une vanne coté tube souple et une vanne coté sondes, ce qui permet une fois les vannes fermées de démonter le système totalement sans perdre le fluide caloporteur contenu dans les sondes.To complete the possibilities offered for maintenance, it will be advantageous to insert valves at the ends of the connecting tubes (1) or (2). These valves can even be doubled, by putting a valve on the flexible tube side and a valve on the probes side, which allows once the closed valves to dismantle the system completely without losing the heat transfer fluid contained in the probes.
Le SYSTEME DE SONDES pourra utiliser une sonde seule mais aussi, lorsque la puissance de chauffage/refroidissement le requiert, il pourra rassembler une multiplicité de sondes (3 sur la figure) connectées en parallèle derrière des collecteurs (COL) et distributeurs (DIS), constituant ainsi un SYSTEME DE SONDES modulaire.The PROBE SYSTEM can use a single probe but also, when the heating / cooling power requires it, it can gather a multiplicity of probes (3 in the figure) connected in parallel behind collectors (COL) and distributors (DIS), thus constituting a modular PROBE SYSTEM.
Pour réduire l'encombrement du SYSTEME DE SONDES, les SONDES pourront avoir une forme qui leur permet de s'emboîter les unes dans les autres, comme par exemple sur la figure, une spirale, plus resserrée à sa base.To reduce the size of the PROBE SYSTEM, the PROBES may have a shape that allows them to fit into each other, as for example in the figure, a spiral, more narrow at its base.
Nous avons déjà vu que le transfert de chaleur par un SYSTEME DE SONDES était utilisable même lorsque l'eau atteignait des températures basses, proches de 0°C. En outre ce système présente également d'autres avantages par rapport à 1'aquathermie. Du fait que le fluide caloporteur circule en circuit fermé, sans contact avec l'eau, le système présente une fiabilité accrue. Il n'y a plus besoin de filtres pour débarrasser l'eau de ses impuretés, il plus de risques de corrosion dus à la chimie de l'eau, et enfin on fait des économies d'énergie, puisqu'il n'y a plus besoin de pomper l'eau, mais seulement de faire circuler le fluide caloporteur en circuit fermé.We have already seen that the transfer of heat by a PROBE SYSTEM was usable even when the water reached low temperatures, close to 0 ° C. In addition, this system also has other advantages over aquathermy. Because the coolant circulates in closed circuit, without contact with water, the system has increased reliability. There is no need for filters to rid the water of its impurities, there is more risk of corrosion due to the chemistry of the water, and finally we save energy, because there is no need to pump water, but only to circulate the coolant in a closed circuit.
Dans une variante de l'invention, on pourra appliquer les techniques de détente directe, et ainsi utiliser le SYSTEME DE SONDES comme évaporateur immergé ou comme condenseur immergé de la pompe à chaleur.In a variant of the invention, it will be possible to apply direct expansion techniques, and thus use the PROBE SYSTEM as a submerged evaporator or immersed condenser of the heat pump.
Cette invention divulgue la réalisation les principes et dispositifs suivants : 1. Un système de transfert de chaleur (SI ou S2) immergeable caractérisé en ce qu'il comprend un système de suspension qui permet de l'extraire de l'eau et de l'immerger dans l'eau. 2. Un système de transfert de chaleur immergeable, raccordé au système de chauffage / rafraîchissement par des tubes souples 3. Un système de transfert de chaleur immergeable raccordé au système de chauffage / refroidissement par des tubes souples, avec des vannes coté tube souple et/ou des vannes coté sondes 4. Un système de transfert de chaleur constitué de plusieurs sondes interconnectées 5. Un système de transfert de chaleur immergeable constitué de plusieurs sondes dont la forme leur permet de s'emboîter les unes dans les autres pour en réduire l'encombrement 6. Un système de transfert de chaleur immergeable utilisé comme évaporateur ou condenseur d'une pompe à chaleurThis invention discloses the realization of the following principles and devices: 1. An immersible heat transfer system (S1 or S2) characterized in that it comprises a suspension system which allows it to be extracted from water and water. immerse in the water. 2. An immersible heat transfer system, connected to the heating / cooling system by flexible tubes 3. An immersible heat transfer system connected to the heating / cooling system by flexible tubes, with valves on the flexible tube side and / or probes side valves 4. A heat transfer system consisting of several interconnected probes 5. An immersible heat transfer system consists of several probes whose shape allows them to fit into each other to reduce the footprint 6. Immersible heat transfer system used as evaporator or condenser of a heat pump
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