WO1989006775A1 - Chauffe-eau a pompe de chaleur avec compresseur plonge dans le reservoir d'accumulation - Google Patents

Chauffe-eau a pompe de chaleur avec compresseur plonge dans le reservoir d'accumulation Download PDF

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WO1989006775A1
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Franco Masiani
Bruno Masiani
Monica Masiani
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Franco Masiani
Bruno Masiani
Monica Masiani
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H4/00—Fluid heaters characterised by the use of heat pumps
    • F24H4/02—Water heaters
    • F24H4/04—Storage heaters

Definitions

  • TECHNICAL FIELD the present invention relates to devices used to produce hot water by means of the use of "heat pump”.
  • these devices can be of different types; they can be used either with ambient air as the primary source of heat, or with available water (river, lake, sea, well, etc.).
  • the heat pump is said to be of the air-water type, in the second case, of the water-water type.
  • the two types mentioned above differ only in the part of the thermodynamic circuit called "evaporator” since in one case it must be able to subtract the heat from the ambient air and, in the other, from water available.
  • evaporator the part of the thermodynamic circuit
  • air-water heat pumps are used for many purposes:
  • the primary heat source is outdoor or indoor ambient air.
  • the primary source is outside air.
  • Water-water heat pumps are generally used for:
  • the present invention provides the apparatuses used for the cases mentioned above or similar, produced with the same thermodynamic circuit and with the same elements.
  • thermodynamic circuit is made up consisting of:
  • This fluid (normally Freon R12 or Freon R22) is found in the gaseous state at low pressures and at low temperatures.
  • a condenser consisting of a spiral of metal tube of small section, immersed in the water to be heated.
  • An element for adjusting the range of the circulating fluid lation which aims to cause the evaporation of the fluid at a preset and constant temperature.
  • An evaporator consisting of a spiral tube with a section several times greater than that of the condenser, conveniently fined to increase the heat exchange surface, placed in the medium from which we intend to subtract the heat (air or water).
  • the operating principle is as follows: The compressor sucks the carrier fluid from the evaporator (at low pressure and temperature and in the gaseous state) and compresses it at high pressure (up to 5/7 times the value of the pressure suction). Following compression, the fluid acquires a high temperature and it. is pushed into the pipe constituting the condenser placed in contact with the water to be heated to which it yields most of its caloric content. This transfer of heat causes the fluid to cool and, therefore, to condense and liquefy.
  • the liquefied fluid is pushed by the high pressure in the next evaporator through the regulating and rolling valve which causes a sudden drop in pressure.
  • the reduced pressure causes the fluid to evaporate and therefore suddenly cool.
  • This cooling brings the walls of the evaporator to a temperature so low that it allows the natural transfer of heat from the medium, in which the evaporator is immersed, to the fluid contained therein, with as a consequence its heating.
  • the fluid is again sucked up by the compressor and the cycle starts again from the beginning.
  • the heat pump which is the subject of the present invention uses the same thermodynamic circuit and the same elements as those which, until now, have been built, with very small constructive differences only for the storage tank and the compressor group.
  • the essential and unique difference consists in having the compressor unit inside the accumulation tank, completely immersed in water to heat instead of being outside of it as has always been done so far.
  • the device is constructed according to the method described below.
  • the compressor for heat pumps consists of a one-piece electric-compressor motor group enclosed in a hermetic metal body capable of withstanding the high operating pressures of the carrier fluid. From this body only come out the two fluid inlet and outlet pipes and the electrical contacts for the motor supply.
  • the device is presented as a normal accumulation tank provided at its upper part with a bolted flange in the center of which is welded a tube, directed inwards, at the end of which is fixed the com presser.
  • the condenser made up of a small diameter spiral pipe, immediately finds its place below the compressor and it therefore remains immersed in water with it.
  • the carrier and suction pipes for the carrier fluid are extended until they exit outside the storage tank through the bolted flange to which they are welded along the outside surface to guarantee sealing.
  • the evaporator is placed next to the storage tank or in the most appropriate place for the type of installation.
  • the innovation makes it possible to: - accumulate a greater quantity of heat - at the same level of electrical energy requested - compared to traditional heat pumps.
  • Plate 1/3 represents the diagram of a water-water heat pump.
  • Plate 2/3 represents the diagram of an air-water heat pump.
  • Plate 3/3 represents the section of a household appliance of the water-water type.
  • a cylindrical tank of suitable capacity is built to the needs.
  • This tank will be made of sheet steel with a thickness calculated in relation to the pressure of the water contained therein during operation. It will have a cold water access pipe from the water network, located in the lower cap and a pipe for the exemption of hot water which plunges into the upper part of the tank. It will be provided in its upper part with a wide opening, which can be closed by a bolted flange, of a diameter allowing the introduction and the assembly of the compressor group and the condenser. In the lower cap, in the center, there will be another opening, clamped, of sufficient diameter to let a hand pass; this opening is provided for the periodic operations handling inside the tank.
  • the two flanges are provided with elastic seals for sealing. The surfaces inside the tank must all be protected against the corrosive action of water by the application of anticorrosive synthetic materials.
  • the tank will be covered on the outside with a layer of thermal insulating material in order to limit heat loss to the outside.
  • an electric switch with thermostatic control manually adjustable, capable of interrupting the power supply to the compressor at a determined water temperature.
  • the compressor of power and dimensions proportional to the volume of the tank, is contained in an airtight steel body, of cylindrical shape, calculated to withstand high pressures during operation.
  • the electrical contacts will be placed in the center of the upper closing cap. These contacts remain enclosed in a metal sleeve of cylindrical shape, threaded inside on one side and welded on the other side to the cap of the compressor.
  • the condenser made up of a small section copper tube wound in a cylindrical spiral with a diameter equal to the maximum diameter of the compressor.
  • the small reservoir for the accumulation of liquid freon constructed of welded steel, also of dimensions allowing it to withstand the high pressures at during operation.
  • the assembly of the compressor-condenser group inside the tank can therefore be done easily by predisposing the compressor-condenser-storage tank assembly into a single assembled assembly - according to the thermodynamic scheme - by welding the pipes of junction.
  • the device will be completed by connecting the two pipes mentioned above to the air or water type evaporator, and inserting into the thermodynamic circuit a thermostatic adjustment valve.

Abstract

L'invention concerne les pompes de chaleur utilisées pour chauffer l'eau soit du type eau-eau soit du type air-eau. La nouvelle caractéristique qui les distingue de celles construites jusqu'à présent est celle d'avoir le groupe compresseur (1) placé à l'intérieur du réservoir d'accumulation (11) et donc en contact direct avec l'eau à chauffer. Avec cette innovation on a l'avantage de tranférer l'eau du réservoir la quantité de chaleur qui, au moyen du corps du compresseur (qui fonctionne à température élevée) est, jusqu'à présent, dispersée dans l'air ambiant. Cela permet d'obtenir une augmentation de l'efficacité de l'appareil, un bruit moindre et aussi un moindre encombrement pour les mêmes prestations.

Description

DESCRIPTION de l'invention industrielle:
"CHAUFFE-EAU A POMPE DE CHALEUR AVEC COMPRESSEUR PLONGE
DANS LE RESERVOIR D'ACCUMULATION".
DOMAINE TECHNIQUE la présente invention concerne les appareils utilisés pour produire de l'eau chaude au moyen de l'emploi de "pompe de chaleur".
Comme on le sait, ces appareils peuvent être de différents types; on peut les utiliser soit avec l'air ambiant comme source primaire de la chaleur, soit avec l'eau disponible (fleuve, lac, mer, puits, etc.). Dans le premier cas, la pompe de chaleur est dite du type air-eau, dans le deuxième cas, du type eau-eau. Les deux types mentionnés ci-dessus diffèrent uniquement par la partie du circuit thermodynamique dénommée "évaporateur" étant donné que dans un cas elle doit être apte à soustraire la chaleur à partir de l'air ambiant et, dans l'autre, à partir de l'eau disponible. Actuellement, les pompes de chaleur air-eau sont utilisées pour de multiples emplois:
- Production d'eau chaude sanitaire pour usage civil (hôtels, habitations, bureaux, etc...). La source de chaleur primaire est l'air ambiant extérieur ou intérieur. - Production d'eau chaude pour le chauffage des pièces. La source primaire est l'air extérieur.
- Production d'eau chaude pour utilisation industrielle (fromageries, installations pour la fabrication de produits alimentaires, installations de séchage avec, souvent, refroidissement simultané de l'air dans les milieux où il y a une production de chaleur. Les pompes de chaleur eau-eau sont généralement utilisées pour:
- La production d'eau chaude pour usage sanitaire, quand la source de chaleur (eau) est facilement disponible.
- La production d'eau chaude utilisée pour le chauffage des pièces.
- Le chauffage de l'eau des piscines.
- Les procédés industriels quand il est nécessaire de refroidir des liquides et quand l'eau chaude est en même temps nécessaire.
La présente invention prévoit les appareils utilisés pour les cas mentionnés ci-dessus ou similaires, réalisés avec le même circuit thermodynamique et avec les mêmes éléments.
TECHNIQUE ANTERIEURE
Pour produire de l'e'u chaude au moyen de la pompe de chaleur selon les types et pour les buts indiqués dans le paragraphe précédent, on réalise un circuit thermodynamique constitué de:
- Un électro-compresseur ayant pour but d'amener à une valeur de pression élevée le fluide vecteur utilisé dans le circuit. Ce fluide (normalement du Fréon R12 ou du Fréon R22) se trouve à l'état gazeux à de basses pressions et à basse température.
- Un condensateur, constitué d'une spirale de tube métallique de petite section, plongé dans l'eau à chauffer.
- Un élément de réglage de la portée du fluide en circu lation (soupape régulatrice thermostatique ou pressostatique) qui a pour but de faire provoquer l'évaporation du fluide à une température préétablie et constante. - Un évaporateur, constitué d'une tubulure spiralée avec une section plusieurs fois supérieure à celle du condensateur, opportunément ailetée pour augmenter la surface d'échange thermique, placée dans le milieu à partir duquel on compte soustraire la chaleur (air ou eau). - Un réservoir d'accumulation de l'eau à chauffer dans lequel on plonge le condensateur. Le but de la pompe de chaleur est celui de transférer la chaleur, disponible â basse température dans l'eau ou dans l'air, à l'eau contenue dans le réservoir que l'on compte chauffer.
Le principe de fonctionnement est le suivant: Le compresseur aspire le fluide vecteur de l'évaporateur (à basse pression et température et à l'état gazeux) et le comprime à pression élevée (jusqu'à 5/7 fois la valeur de la pression d'aspiration). Suite à la compression, le fluide acquiert une température élevée et il. est poussé dans le tuyau constituant le condensateur placé au contact de l'eau à chauffer à laquelle il cède la plupart de sa teneur calorique. Cette cession de chaleur provoque le refroidissement du fluide et, par conséquent, sa condensation et sa liquéfaction.
Le fluide liquéfié est poussé .par la pression élevée dans l'évaporateur suivant à travers la soupape de réglage et laminage qui provoque une chute brusque de pression.
La pression réduite provoque l'évaporation du fluide et, par conséquent, son brusque refroidissement. Ce refroidissement amène les parois de l'évaporateur à une température si basse qu'il permet le transfert naturel de la chaleur du milieu, dans lequel est plongé l'évaporateur, au fluide qui y est contenu, avec pour conséquence son chauffage. A la sortie de l'évaporateur, le fluide est de nouveau aspiré par le compresseur et le cycle recommence depuis le début.
Ainsi s'accomplit graduellement le transfert de la chaleur du fluide moins chaud (air ou eau) à celui qui est plus chaud (eau en voie de chauffage). La technique utilisée jusqu'à aujourd'hui prévoit - comme cela a déjà été dit - que le groupe compresseur soit placé à l'extérieur du réservoir d'accumulation, refroidi par l'air du milieu ou, dans le cas de grosses installations, par un circuit spécial de refroidissement à eau.
DESCRIPTION DE I'INVENTION
La pompe de chaleur qui fait l'objet de la présente invention utilise le même circuit thermodynamique et les mêmes éléments que celles qui, jusqu'à maintenant, ont été construites, avec de très petites différences constructives seulement pour le réservoir d'accumulation et le groupe compresseur.
La différence essentielle et unique consiste dans le fait d'avoir le groupe compresseur à l'intérieur du réservoir d'accumulation, complètement plongé dans l'eau à chauffer au lieu d'être à l'extérieur de celui-ci comme cela a toujours été fait jusqu'à présent. Pour permettre la réalisation de cette modification, l'appareil est construit selon la méthode décrite ci-dessous.
On sait que le compresseur des pompes de chaleur est constitué d'un groupe monobloc moteur électro-compresseur renfermé dans un corps métallique hermétique pouvant résister aux pressions élevées de fonctionnement du fluide vecteur. De ce corps sortent seulement les deux tuyaux d'entrée et de sortie du fluide et les contacts électriques pour l'alimentation du moteur.
Pour pouvoir plonger le compresseur à l'intérieur du réservoir d'accumulation, il est nécessaire de maintenir parfaitement au sec les contacts électriques mentionnés ci-dessus et de les placer de façon à ce qu'ils soient facilement branchables aux conducteurs électriques d'alimentation. Dans ce but la meilleure solution, qui n'est pas la seule, semble celle de placer les contacts électriques sur la partie supérieure du corps du compresseur (au lieu de les placer latéralement comme cela a lieu actuellement) et de renfermer ces contacts à l'intérieur d'un tuyau, avec un diamètre approprié, soudé sur la calotte du compresseur et amené à l'extérieur du réservoir d'accumulation, de façon à réaliser une espèce de tunnel dans lequel on peut faire transiter au sec les conducteurs électriques nécessaires.
Ainsi, l'appareil se présente comme un réservoir d'accumulation normal muni à sa partie nupérieure d'une bride boulonnée au centre de laquelle est soudé un tube, dirigé vers l'intérieur, à l'extrémité duquel est fixé le com presseur. Le condensateur, constitué d'un tuyau de petit diamètre spirale, trouve immédiatement sa place audessous du compresseur et il reste donc plongé dans l'eau avec lui. Les tuyaux d'aspiration et de refoulement du fluide vecteur sont prolongés jusqu'à ce qu'ils sortent à l'extérieur du réservoir d'accumulation à travers la bride boulonnée à laquelle ils sont soudés le long de la surface extérieure afin de garantir l'étanchéité. L'évaporateur est placé, comme pour les pompes de chaleur traditionnelles, à coté du réservoir d'accumulation ou dans le lieu le plus approprié par rapport à la typologie de l'installation. L' innovation permet de : - accumuler une plus grande quantité de chaleur - à égalité d'énergie électrique demandée - par rapport aux pompes de chaleur traditionnelles.
- réduire l'encombrement global de l'appareil.
- éliminer, presque totalement, le bruit caractéristique du compresseur.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS
La planche 1/3 représente le schéma d'une pompe de chaleur eau-eau. La planche 2/3 représente le schéma d'une pompe de chaleur air-eau. la planche 3/3 représente la section d'un appareil ménager du type eau-eau.
Les références numériques sont les suivantes: PLANCHE 1/2 1 = Compresseur
2 = Condensateur
3 = Réservoir d'accumulation du fréon liquide 4 = Filtre du fréon
5 = Soupape régulatrice thermostatique 6 = Evaporateur avec échangeur de chaleur à eau 7 = Tuyau de sortie eau échangeur 8 = Tuyau d'aspiration (retour) du fréon 9 = Tuyau de refoulement d'eau à l' échangeur
10 = Soupape électrique de refoulement d'eau à l' échangeur
11 = Soupape manuelle pour le réglage de la portée d'eau à l'échangeur de chaleur 12 = Tuyau d'arrivée d'eau du réseau hydrique
13 = Tuyau de sortie de l'eau provenant du réservoir d'accumulation
14 = Thermostat réglable
15 = Tuyau de jonction entre la bride et le compresseur
16 = Dispositif électrique de démarrage (starter)
17 = Protection thermique (Klixon) 18 = Pressostat de sécurité
19 = Réservoir d'accumulation 20 = Alimentation électrique
N.B. : les conducteurs électriques sont indiqués avec des tirets. PLANCHE 2/3
1 = Compresseur
2 = Condensateur
3 = Réservoir d'accumulation du fréon liquide 4 = Filtre du fréon 5 = Soupape régulatrice
6 = Evaporateur d'air
7 = Electro-ventilateur 8 = Tuyau d'aspiration (retour) du fréon
9 = Tuyau de refoulement du fréon 10 = Conducteurs électriques
11 = Réservoir d'accumulation de l'eau
12 = Tuyau d'arrivée de l'eau provenant du réseau hydrique
13 = Tuyau de sortie de l'eau chaude 14 = Thermostat réglable
15 = Tuyau de jonction entre la bride et le compresseur
16 = Dispositif électrique de démarrage (starter)
17 = Protection thermique (Klixon)
18 = Pressostat de sécurité 19 = Alimentation électrique
N.B. : les conducteurs électriques sont indiqués avec des tirets. PLANCHE 3/3 1 = Compresseur = Condensateur
3 = Réservoir d'accumulation du fréon liquide 4 = Filtre du fréon
5 = Tuyau de refoulement du fréon
6 = Dérivations du fréon dans l'évaporateur = Dérivations de l'eau dans l'échangeur de chaleur
8 = Support de soutien
9 = Tuyau de refoulement de l'eau vers l'échangeur de chaleur
10 = Soupape électrique de refoulement d'eau vers l'échangeur de chaleur
11 = Pressostat de sécurité
12 = Bouton de réglage de la portée d'eau vers l'échan geur de chaleur
13 = Tuyau de refoulement de l'eau froide 14 = Tuyau de sortie de l'eau chaude
15 = Interrupteur du thermostat
16 = Réservoir d'accumulation de l'eau
17 = Tuyau de soutien du compresseur
18 = Manchon fileté 19 = Tuyau de retour du fréon
20 = Contacts électriques
21 = Isolant thermique
22 = Thermomètre
23 = Bride boulonnée supérieure 24 = Bride boulonnée inférieure
N.B. : Les conducteurs électriques ne sont pas indiqués. MEILLEURE FAÇON DE REALISER L'INVENTION
On construit un réservoir cylindrique de capacité appropriée aux nécessités. Ce réservoir sera réalisé en tôle d'acier d'une épaisseur calculée en rapport à la pression de l'eau qui y est contenue au cours du fonctionnement. Il aura un tuyau d'accès de l'eau froide provenant du réseau hydrique, situé dans la calotte inférieure et un tuyau pour l'érogation de l'eau chaude qui plonge dans la partie haute du réservoir. Il sera muni dans sa partie supérieure d'une ample ouverture, qui peut être fermée par une bride boulonnée, d'un diamètre permettant l'introduction et le montage du groupe compresseur et du condensateur. Dans la calotte inférieure, au centre, il y aura une autre ouverture, bridée, de diamètre suffisant pour laisser passer une main; cette ouverture est prévue pour pouvoir effectuer les opérations périodiques de manutention à l'intérieur du réservoir. Les deux brides sont munies de garnitures élastiques pour l'étanchéité. Les surfaces à l'intérieur du réservoir doivent être toutes protégées contre l'action corrosive de l'eau moyennant l'application de matériaux synthétiques anticorrosifs. Le réservoir sera recouvert à l'extérieur d'une couche de matériau isolant thermique dans le but de limiter les pertes de chaleur vers l'extérieur.
Sur le fond duréservoir on placera un interrupteur électrique à commande thermostatique, réglable manuellement, en mesure d'interrompre l'alimentation électrique du compresseur à une température déterminée de l'eau. Le compresseur, de puissance et de dimensions proportionnées au volume du réservoir, est contenu dans un corps en acier hermétique, de forme cylindrique, calculé pour résister aux hautes pressions au cours du fonctionnement. Les contacts électriques seront placés au centre de la calotte supérieure de fermeture. Ces contacts restent enfermés dans un manchon métallique de forme cylindrique, fileté à l'intérieur d'un coté et soudé de l'autre côté à la calotte du compresseur. Sous la calotte inférieure du compresseur se trouve place le condensateur, constitué d'un tube de cuivre de petite section enroulé en spirale cylindrique de diamètre égal au diamètre maximum du compresseur. Dans l'espace qui s'est formé à l'intérieur du cylindre délimité par les spires du condensateur se trouve le petit réservoir d'accumulation du fréon liquide, construit en acier soudé, lui aussi de dimensions lui permettant de résister aux pressions élevées au cours du fonctionnement. On soude, au centre de la bride boulonnée qui sert pour fermer l'ouverture supérieure du réservoir, un tronçon de tube d'acier, fileté à l'extrémité opposée, de façon à pouvoir être vissé hermétiquement , au manchon décrit ci-dessus, fixé à la calotte du compresseur. Le montage du groupe compresseur-condensateur à l'intérieur du réservoir peut donc se faire facilement en prédisposant l'ensemble compresseur-condensateur-réservoir d'accumulation en un unique ensemble assemblé - selon le schéma thermodynamique - au moyen de la soudure des tuyaux de jonction. A ce point, ayant prédisposé les liaisons électriques avec des conducteurs isolés appropr,iés, on pourvoit à enfiler les conducteurs électriques dans le tube fixé à la bride de fermeture et à exécuter le vissage entre le manchon soudé à la calotte du compresseur et ce tube. On obtient ainsi un ensemble constitué par la bride qui soutient, au moyen d'un tuyau, le groupe compresseur avec le condensateur et le réservoir d'accumulation du fréon liquide. A travers la bride, on amène à l'extérieur les deux tuyaux d'aspiration et de refoulement du fréon qui sont soudés autour de la bride même.
L'appareil sera complété en reliant les deux tuyaux ci-dessus mentionnés à l'évaporateur, de type à air ou à eau, et en insérant dans le circuit thermodynamique une soupape thermostatique de réglage.
Les liaisons électriques prévues des parties seront enfin effectuées selon le schéma reporté dans les planches ci-jointes. POSSIBILITES D'APPLICATIONS INDUSTRIELLES L'invention en question peut être avantageusement utilisée dans tous les cas où l'on prévoit l'emploi de la pompe de chaleur pour obtenir de l'eau chaude, soit du type air-eau soit du type eau-eau. En particulier: Pour la production d'eau chaude sanitaire à utiliser dans les habitations ou pour les usages civils (hôtels, bureaux, hôpitaux, etc...).
Pour la production d'eau chaude à utiliser pour le chauffage des immeubles.
Pour la production d'eau chaude à basse température pour les préparations industrielles (fromageries, installations pour la transformation des viandes, installations pour les conserveries, etc...).

Claims

REVENDICATIONS
Chauffe-eau électrique avec réservoir d'accumulation fonctionnant avec le cycle thermodynamique propre de la "pompe de chaleur" caractérisé par le fait d'avoir le groupe compresseur - qui est renfermé dans un corps métallique hermétique - placé à l'intérieur du même réservoir d'accumulation et donc toujours en contact avec l'eau à chauffer.
PCT/IT1988/000008 1988-01-23 1988-01-23 Chauffe-eau a pompe de chaleur avec compresseur plonge dans le reservoir d'accumulation WO1989006775A1 (fr)

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