WO2017012718A1 - Chauffe-eau thermodynamique utilisant une quantité réduite de fluide frigorigène - Google Patents

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WO2017012718A1
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water heater
condenser
section
refrigerant
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Lionel Palandre
Pierre LHOTELLIER
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Société Muller Et Compagnie
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    • Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency

Definitions

  • the invention relates to a thermodynamic water heater using a reduced amount of refrigerant.
  • the invention aims to obtain a maximum thermal efficiency by using a minimum refrigerant volume in a thermodynamic water heater, implementing a gas compression heat pump (PAC).
  • PAC gas compression heat pump
  • a heat pump transfers heat from a cold source to a hot source.
  • the cap uses a refrigerant fluid, able to change phase depending on temperature and pressure.
  • the operating principle of a PAC is known from the prior art and is recalled here only for memory.
  • the refrigerant passes from a low-pressure evaporator, where it takes thermal energy from the liquid source to the gaseous state with the absorption of a latent heat of evaporation.
  • a compressor increases the pressure of this gas before directing it to a condenser, where said pressurized gas returns heat to the hot source from the gaseous state to the liquid state and releases latent heat of condensation.
  • a pressure reducer reduces the pressure of the refrigerant in the liquid state leaving the condenser, before said fluid is again directed towards the evaporator.
  • the heat transport circuit comprising, the evaporator, the compressor, the condenser and the expander, is a sealed closed circuit whose volume is dictated by the intended thermal performance and defines the amount of refrigerant necessary for the operation of the installation.
  • the refrigerant is a gas such as a hydrofluorocarbon (HFC). These fluorinated gases are potentially harmful for the environment, especially with regard to the greenhouse effect.
  • heat transfer fluids such as ammonia or liquefied petroleum gases (LPG) such as isobutane or propane can be used, but their toxicity, or their flammable nature, with respect to hydrocarbons, strictly limit the amount of fluid usable in this case. In the presence of a reduced amount of refrigerant, the volume of the heat transport circuit must be reduced.
  • LPG liquefied petroleum gases
  • thermodynamic water heater In the case of a thermodynamic water heater, the hot source is constituted by the domestic hot water produced by the water heater.
  • the document FR2963416 describes a thermodynamic water heater, including in particular the condenser is optimized to allow the use of a reduced amount of refrigerant.
  • the thermodynamic water heater described in this document of the prior art is satisfactory, however, this embodiment of the prior art is not suitable for producing a thermodynamic water heater whose capacity is greater than 200. liters and whose maximum operating pressure is greater than 15 bar, (absolute pressure).
  • condensation pressures between 15 bars and 25 bars depending on the refrigerants must to be used.
  • thermodynamic water heater in particular with a capacity of 400 liters, comprising a heat transfer circuit forming a heat pump, comprising:
  • a low pressure circuit comprising an evaporator
  • a high pressure circuit comprising a condenser in contact with the tank of said water heater, said condenser comprising: bi. two plates superimposed and pressed against each other, one of the plates comprising a continuous boss forming, in cooperation with the other plate, a conduit forming a condensation circuit in parallel channels;
  • a gas phase refrigerant inlet in a single channel, followed by a distribution zone comprising a plurality of division bifurcations, each distributing the fluid conveyed from a channel of current section into two channels of the same current section;
  • biii a single channel output of the refrigerant in phase liquid, which output is preceded by at least one grouping zone comprising a plurality of concentration bifurcations, said grouping zone grouping N channels of the same current section into channels of the same current section in (
  • This condenser takes up several characteristics of the condenser described in document FR2963416 by perfecting them.
  • the organization of division and concentration bifurcations makes it possible to distribute the flow rate of the heat transfer fluid homogeneously in all the parallel channels and thus to improve the efficiency of the heat exchange between the condenser and the domestic hot water.
  • a bifurcation, division or concentration zone is a geometric zone whose section of passage is variable.
  • a channel is defined by a section of constant passage.
  • a bifurcation zone terminates at the entrance to a channel, and begins at the end of a channel in the direction of flow.
  • a bifurcation of concentration or division of the condenser hydraulically connects several channels and preferably 3 channels of current section, in a bifurcation chamber and the ratio between the projected surface of the bifurcation chamber and the holding perimeter of said bifurcation chamber is less than 6 mm 2 / mm and preferably less than 5.5 mm 2 / mm. This ratio makes it possible to obtain increased resistance to fatigue in the bifurcation zones by maximizing the length of the welds applied, the holding perimeter, facing the surface of the bifurcation subjected to pressure.
  • the current section of the condenser channels is a disk segment whose arc is formed by the boss and whose ratio between the section and the length of the string is between 0.7 mm 2 / mm and 1, 1 mm 2 / mm, preferably between 0.9 mm 2 / mm and 1 mm 2 / mm.
  • This configuration makes it possible to obtain a high exchange surface with respect to the volume of the channel, while ensuring the resistance of said channel to the stresses generated by the pressure and keeping the pressure drop within acceptable limits.
  • the flattened shape of the channels makes it possible to roll the condenser around the tank of the water heater without the risk of pinching said channels.
  • the path length of the refrigerant in a channel of constant section between two division bifurcations is less than or equal to 2 chord lengths of the channel section.
  • the distance separating two parallel channels is greater than or equal to 1.5 rope length and less than or equal to 5 rope lengths of the current section of the channels. This configuration ensures both the mechanical strength of the zone separating two channels and a large exchange surface, by wing effect.
  • the plates superposed and pressed against each other constituting the condenser are made of an aluminum alloy with a total thickness of between 1.5 mm and 2 mm and the length of rope the current channel section of said condenser is equal to 7 mm.
  • This embodiment is particularly suitable for a domestic thermodynamic water heater implementing a refrigerant whose maximum operating pressure is between 15 and 25 bars such as propane.
  • the developed form of the condenser is rectangular, the inlet and the outlet of the refrigerant in said condenser being located at the center of the same large side of the rectangle.
  • the positions of the inlet and the outlet of the condenser in the thermodynamic water heater are perfectly controlled during the driving of the condenser around the tank of said water heater.
  • the evaporator of the water heater object of the invention comprises a heat exchange circuit consisting of a finned tube with an outer diameter of 5 mm.
  • a small diameter tube for this evaporator cooperates with the condenser to reduce the amount of refrigerant used.
  • the evaporator comprises as input a distribution box comprising a bypass of the flow of refrigerant to two parallel circuits and preferably to 3 parallel circuits with finned tube of the same diameter.
  • the refrigerant used in the water heater object of the invention is a hydrocarbon, the amount of fluid included in the heat transfer circuit being less than 150 grams.
  • the heat transfer circuit of the water heater object of the invention is adapted for the use, safely, of a gas whose Global Warming Potential, or GWP, at 100 years, is less than or equal to 150.
  • the GWP of a gas measures its capacity to absorb infrared radiation emitted by the Earth, ie its capacity to generate a greenhouse effect, over a period of 100 years, in comparison with the capacity of the same mass of carbon dioxide (C0 2 ) over the same period.
  • FIGS. 1 to 6 in which:
  • FIG. 1 is a front view of an exemplary embodiment of a condenser adapted to the thermodynamic water heater that is the subject of the invention
  • FIG. 2 shows in a partial detail view in section AA defined in Figure 1, an embodiment of a refrigerant transport channel in the condenser shown in Figure 1;
  • FIG. 3 represents, in a detailed view, a grouping area of
  • FIG. 4 illustrates in detail view, the distribution zone of a condenser according to the embodiment of Figure 1, distributing 1 channel in 6 channels by a series of bifurcations of 1 channel in 2 channels;
  • FIG. 5 shows, in a perspective view and cut away, an embodiment of a water heater according to the invention
  • FIG. 6 schematically illustrates in a front view, an embodiment of an evaporator adapted to the water heater object of the invention.
  • the invention relates more particularly to a thermodynamic water heater with a capacity between 150 liters and 270 liters, and up to 400 liters, while using a total amount of refrigerant less than 150 grams.
  • the condenser (100) of the thermodynamic water heater according to the invention is in the form of a rectangular plate, comprising a condensation circuit extending between an inlet (110) where the refrigerant arrives in the form of vapor, and an outlet (120) where said fluid leaves the condenser in the liquid phase.
  • Said condenser (100) is able to be rolled elastically to be placed around the tank of a water heater.
  • Fastening means (151, 152) on the short sides of the rectangle, to maintain it in this rolled configuration, as described in FR2963416.
  • the condensation circuit is comprised of a plurality of parallel channels extending over the surface of the condenser.
  • the vapor feed stream is rapidly divided into a plurality of channels over a short distance in a distribution area (1 1 1).
  • this distribution zone (1 1 1) in the direction of flow of the refrigerant, the number of channels decreases so that the refrigerant leaves the condenser in the liquid phase through a single outlet (120).
  • Channel grouping is performed in clustering areas (121, 122) for evenly distributing refrigerant flow from N channels into ([N / 2J + 1) channels.
  • N / 2j represents the default integer part of the quantity N / 2.
  • a first grouping area (121) makes it possible to transfer the flow of refrigerant from 6 channels in 4 channels, then a second grouping area (122) makes it possible to distribute the stream coming from these 4 channels in 3 channels.
  • each channel before entering the first grouping area (121), each channel carries a 1/6 th of the flow, then at the exit of this grouping area (121), each vehicle channel 1/4 flow.
  • a grouping area concentrates 8 channels into 5 channels, 5 channels into 3, 3 channels into 2 or even 7 channels into 4.
  • the steam flow is systematically separated first 2 to ensure a uniform distribution of the flow and the mechanical strength of the distribution area.
  • each channel resulting from this first division is then separated into two channels and so on, so that, according to this exemplary embodiment, the number of channels arriving in the first grouping zone is necessarily even, equal to 2, 4, 6, 8, 10 or more channels.
  • the condenser of the water heater object of the invention consists of two plates (201, 202), for example aluminum alloy, pressed one on the other and assembled.
  • the assembly of said plates (201, 202) is achieved by localized welds (230), by soldering or by diffusion bonding.
  • the first plate (201) is kept flat and the second plate (202) is embossed so that when said plates (201, 202) are assembled, said boss defines a channel whose current section (210) is, according to this example embodiment, in the form of a disk segment.
  • the embossing of the second plate is performed prior to the assembly of said plates by stamping or forming the wheel.
  • the embossing is performed after the assembly of the plates, for example by inflation.
  • a diffusion barrier agent is applied to one of the plates in a pattern reproducing the condensation circuit, so that the two plates are not tied to the location of the future channels during diffusion bonding. two plates.
  • the condensation circuit is made by inflation, hot deformation.
  • the total thickness of the plates is between 1.5 mm and 2 mm.
  • this pressure tends to move the plates (201, 202) away from each other.
  • this bias is proportional to the width (21 1) of the channel.
  • This width (211) is substantially equal to the length of the chord of the disk segment.
  • the use of a ratio between the current section (210) and the width (21 1) of the channel, between 0.7 mm 2 / mm and 1.1 mm 2 / mm, and more particularly between 0.9 mm 2 / mm and 1 mm 2 / mm makes it possible to reach the best compromise between these contradictory constraints for the intended application. More particularly, according to an advantageous embodiment, the width (21 1) of the channel is 7 mm, for a current section of 9.52 mm 2 , a ratio of 0.93 mm 2 / mm.
  • the channels are organized in a network of parallel channels constituting the condensation circuit.
  • the distance (130) separating two parallel channels is at least equal to 1.5 channel width and preferably at least equal to 2 channel widths.
  • FIG. 3 in a detail view of a grouping area (121), it includes several bifurcations (320) of concentration.
  • a bifurcation whether of concentration or division, puts in hydraulic communication the flow of 3 channels.
  • Said 3 channels are of substantially equivalent section and extend in directions at 120 ° (2 ⁇ / 3 radians) from each other.
  • the current section of each channel opens into a bifurcation chamber, whose volume is proportional to the projected surface (325) of said chamber on the unembossed plate.
  • This chamber is subjected to the pressure of the refrigerant, which pressure generates a bias tending to separate the two plates.
  • This bias is proportional to the projected area (325) of the chamber, projected area that corresponds to the area in which the current section of fluid flow is enlarged.
  • the widening of the section increases the stress on the edge welds (321, 322, 323) of said bifurcation chamber.
  • the added length of said edges constitutes a perimeter for maintaining the bifurcation (320).
  • the weld zones located on the edges (321, 322, 323) of a bifurcation chamber are the most stressed zones in the condenser during operation of the thermodynamic water heater. Solicitation of said the higher the projected area (325) of the bifurcation chamber and the smaller the holding perimeter.
  • the ratio between the projected surface (325) and the holding perimeter is less than 6 mm and preferably 5.5 mm.
  • this geometric constraint determined by fatigue tests in thermomechanical cycling of the condenser, can not be respected if a bifurcation chamber puts in hydraulic communication more than 3 channels.
  • the concentration bifurcations are associated with each other in a network, in a hexagonal pattern.
  • hexagonal emotive superimposed bifurcations allow to group (K + 3) channels in AT channels, or (K + 2) channels in ( K + 1), the maximum number of channels connected to said pattern being (2K + 3).
  • the same type of bifurcation association pattern also makes it possible to divide the flow, for example from K channels into (K + 3) channels, with however the constraint that the flow of arrival of steam must first be divided in 2 to ensure a good distribution of the flow.
  • the area (1 10) of distribution comprises a plurality of bifurcations (410) divisions.
  • the first division consists in separating the incoming flow in two.
  • the following successive divisions are made by separating the flow of each channel into two channels of the same current section.
  • the conditions set out for the concentration bifurcations are applicable to division bifurcations, that is, for each bifurcation, the ratio of the projected area (415) of the bifurcation chamber to the retention perimeter corresponding to the sum of the lengths of segments (41 1, 412, 413) assembled bordering said bifurcation chamber, must be less than 6 mm and preferably less than 5.5 mm.
  • the channel length (416) between two bifurcations is less than or equal to 2 channel widths.
  • the condenser (100) of the water heater object of the invention is rolled on itself as described in FR2963416, the invention is an improvement.
  • the inlet (110) and the outlet (120) of the refrigerant are advantageously placed substantially in the center of a large side of the rectangle.
  • the locations of this inlet (110) and this outlet (120) are predictable and easily determined after rolling, which simplifies the hydraulic connection of said condenser (100) in the heat transfer circuit of the water heater.
  • two grooves (191, 192, 193, 194) placed on either side of the arrival channel and the channel and the output channel provide flexibility to connect the inlet and outlet channels of the condenser to the heat transport circuit.
  • the thermodynamic water heater (500) object of the invention comprises a vessel (502) cylindrical adapted to contain domestic hot water.
  • the tank of the water heater (500) object of the invention is adapted to contain up to 400 liters of hot water.
  • the cold water of the network enters said tank (502) through an inlet (503) located preferably in the lower part of the tank and the domestic hot water comes out of an outlet (504), preferably located in the upper part of the heater. water.
  • the tank is surrounded by a thermal insulation (505).
  • the heat transfer circuit of the water heater object of the invention forms a loop and comprises a compressor (509), the condenser (100) wound around the tank (502), a pressure regulator (51 1) and an evaporator (508).
  • the compressor (509), the evaporator (508) and the expander (511) are located at the top of the water heater (500).
  • the condenser (100) is preferably placed in the lower part of the water heater, between the tank (502) and the thermal insulation (505).
  • the heat transport circuit comprises a low pressure circuit extending between the expander (51 1), the evaporator (508) and the compressor (509) and a high pressure circuit that is arranged between the compressor (509), the inlet ( 1 10) of the condenser (100), the outlet (120) of the condenser and up to the expander (51 1).
  • the refrigerant, compressed by the compressor (509) enters the gas phase into the condenser via the inlet channel (110).
  • the refrigerant condenses in the liquid phase and transfers its heat to the water contained in the tank (502) of the water heater.
  • the condenser (100) is preferably installed so that the flow of the refrigerant after the zone (1 1 1) of distribution is essentially down.
  • the microchannels carrying the adduction of the refrigerant in the condenser (100), reduce the amount of fluid required in the heat transport circuit, while taking advantage of a large exchange surface with the tank (502) of the water heater .
  • the refrigerant in the liquid phase and at low pressure passes into the gas phase in contact with the ventilated ambient air, present in the room in which the water heater (500) is installed.
  • said fluid takes from the environment a latent heat of vaporization.
  • the air is brought from the outside by a sheathed circuit.
  • the water heater object of the invention uses an evaporator (508) of reduced volume.
  • said evaporator consists of a plurality of finned tubes (600), the tube (601) consisting of copper and the fins (602) of an aluminum alloy.
  • such an evaporator consists of a plurality of loops, the refrigerant passing from one loop to the other, in cascade, by describing a coil.
  • the typical diameter of the brass tubes is, according to the prior art, 7 mm, 7.94 mm or 9.52 mm.
  • the evaporator of the water heater object of the invention uses a copper tube with a diameter less than or equal to 5 mm.
  • the small diameter of the tube reduces the volume of the heat transport circuit, and therefore the amount of refrigerant required.
  • this small diameter increases, at a given flow rate, the speed of circulation of the fluid, increases the Reynolds number of the flow and leads to an increase of the losses of charges, substantially equal, in first approximation, to the square of the coefficient of diameter reduction of the flow.
  • the evaporator is configured so that the refrigerant flows in parallel, and not in cascade, said reduced diameter finned tubes.
  • said evaporator comprises, according to an exemplary embodiment, a box (610) for dispensing refrigerant in the liquid state between the expander and the inlet of the evaporator.
  • thermodynamic water heater with a domestic hot water capacity up to 400 liters, while limiting the amount of refrigerant used to less than 150 grams of hydrocarbon.

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Abstract

L'invention concerne un chauffe-eau (500) thermodynamique, notamment d'une capacité de 400 litres, comprenant un circuit caloporteur formant pompe à chaleur, comportant : a. un circuit basse pression comprenant un évaporateur (508); b. un circuit haute pression comprenant un condenseur (100) en contact avec la cuve (502) dudit chauffe-eau, caractérisé en ce que ledit condenseur comprend : bi. deux plaques superposées et plaquées l'une contre l'autre, l'une des plaques comprenant un bossage continu formant, en coopération avec l'autre plaque, un conduit réalisant un circuit de condensation selon des canaux parallèles; bii. une entrée (110) du fluide frigorigène, en phase gazeuse, selon un canal unique suivie d'une zone (111) de distribution comprenant une pluralité de bifurcations de division, répartissant chacune le fluide véhiculé d'un canal de section courante dans deux canaux de même section courante; biii. une sortie (120) selon un canal unique du fluide frigorigène en phase liquide, laquelle sortie est précédée d'au moins une zone de regroupement comprenant une pluralité de bifurcations de concentration, ladite zone de regroupement regroupant N canaux de même section courante en (I) canaux de même section courante.

Description

CHAUFFE-EAU THERMODYNAMIQUE UTILISANT UNE QUANTITÉ RÉDUITE DE FLUIDE FRIGORIGÈNE
L'invention concerne un chauffe-eau thermodynamique utilisant une quantité réduite de fluide frigorigène. L'invention vise à obtenir un rendement thermique maximum en utilisant un volume de fluide frigorigène minimum dans un chauffe-eau thermodynamique, mettant en œuvre une pompe à chaleur (PAC) à compression de gaz.
Une PAC permet de transférer la chaleur d'une source froide vers une source chaude. À cette fin la PAC utilise un fluide, dit frigorigène, apte à changer de phase en fonction de la température et de la pression. Le principe de fonctionnement d'une PAC est connu de l'art antérieur et n'est ici rappelé que pour mémoire. Le fluide frigorigène passe d'un évaporateur à basse pression, où il prélève de l'énergie thermique à la source froide en passant de l'état liquide à l'état gazeux, avec l'absorption d'une chaleur latente d'évaporation. Un compresseur accroît la pression de ce gaz avant de le diriger vers un condenseur, où ledit gaz sous pression restitue de la chaleur à la source chaude en passant de l'état gazeux à l'état liquide et en dégageant une chaleur latente de condensation. Un détendeur réduit la pression du fluide frigorigène à l'état liquide sortant du condenseur, avant que ledit fluide soit à nouveau dirigé vers l'évaporateur. Ainsi, le circuit caloporteur comportant, l'évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur, constitue un circuit fermé étanche dont le volume est dicté par la performance thermique visée et définit la quantité de fluide frigorigène nécessaire au fonctionnement de l'installation. Couramment, le fluide frigorigène est un gaz tel qu'un hydrofluorocarbone (HFC). Ces gaz fluorés sont potentiellement nocifs pour l'environnement, notamment vis-à- vis de l'effet de serre. D'autres fluides caloporteurs tels que l'ammoniaque ou les gaz de pétrole liquéfiés (GPL) comme l'isobutane ou le propane sont utilisables, mais leur toxicité, ou leur nature inflammable, en ce qui concerne les hydrocarbures, limitent strictement la quantité de fluide utilisable dans ce cas. En présence d'une quantité réduite de fluide frigorigène le volume du circuit caloporteur doit être réduit.
Dans le cas d'un chauffe-eau thermodynamique, la source chaude est constituée par l'eau chaude sanitaire produite par le chauffe-eau. Le document FR2963416 décrit un chauffe-eau thermodynamique, dont notamment le condenseur est optimisé pour permettre l'utilisation d'une quantité réduite de fluide frigorigène. Le chauffe-eau thermodynamique décrit dans ce document de l'art antérieur donne satisfaction, toutefois, ce mode de réalisation de l'art antérieur n'est pas adapté à la réalisation d'un chauffe-eau thermodynamique dont la capacité est supérieure à 200 litres et dont la pression maximale de fonctionnement est supérieure à 15 bars, (pression absolue). Or, pour atteindre une température d'eau chaude sanitaire de 55 °C, qui est un seuil minimum, avec l'utilisation de la seule la pompe à chaleur, des pressions de condensation comprises entre 15 bars et 25 bars selon les fluides frigorigènes doivent être utilisés.
La mise en œuvre d'une quantité réduite de fluide frigorigène, au maximum 150 grammes de propane, implique de minimiser le volume des échangeurs sans dégrader la surface d'échange. S'ajoutent à cette contrainte des contraintes de tenue mécanique des composants du circuit caloporteur, lesquels composants sont soumis à des cycles thermomécaniques, et des contraintes d'écoulement du fluide dans les différents conduits de sorte à limiter les pertes de charge.
L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et concerne à cette fin, un chauffe-eau thermodynamique, notamment d'une capacité de 400 litres, comprenant un circuit caloporteur formant pompe à chaleur, comportant :
a. un circuit basse pression comprenant un évaporateur ;
b un circuit haute pression comprenant un condenseur en contact avec la cuve dudit chauffe-eau, ledit condenseur comprenant : bi. deux plaques superposées et plaquées l'une contre l'autre, l'une des plaques comprenant un bossage continu formant, en coopération avec l'autre plaque, un conduit réalisant un circuit de condensation selon des canaux parallèles ;
une entrée du fluide frigorigène en phase gazeuse, selon un canal unique, suivie d'une zone de distribution comprenant une pluralité de bifurcations de division, répartissant chacune le fluide véhiculé d'un canal de section courante dans deux canaux de même section courante ;
biii une sortie selon un canal unique du fluide frigorigène en phase liquide, laquelle sortie est précédée d'au moins une zone de regroupement comprenant une pluralité de bifurcations de concentration, ladite zone de regroupement regroupant N canaux de même section courante en canaux de même section courante en (|_N/2j + 1) canaux de même section courante.
Ce condenseur reprend plusieurs caractéristiques du condenseur décrit dans le document FR2963416 en les perfectionnant. L'organisation des bifurcations de division et de concentration permet de répartir de manière homogène le débit du fluide caloporteur dans tous les canaux parallèles et ainsi d'améliorer le rendement de l'échange thermique entre le condenseur et l'eau chaude sanitaire.
Dans tout le texte, une zone de bifurcation, de division ou de concentration est une zone géométrique dont la section de passage est variable. Un canal se définit par une section de passage constante. Une zone de bifurcation se termine à l'entrée d'un canal, et commence à la fin d'un canal dans le sens de l'écoulement.
L'invention est avantageusement mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.
Avantageusement, une bifurcation de concentration ou de division du condenseur, met en liaison hydraulique plusieurs canaux et préférentiellement 3 canaux de section courante, dans une chambre de bifurcation et le rapport entre la surface projetée de la chambre de bifurcation et le périmètre de maintien de ladite chambre de bifurcation est inférieur à 6 mm2/mm et préférentiellement inférieur à 5,5 mm2/mm. Ce ratio permet d'obtenir une résistance accrue à la fatigue des zones de bifurcation en maximisant la longueur des soudures sollicitées, le périmètre de maintien, en regard de la surface de la bifurcation soumise à la pression.
Avantageusement, la section courante des canaux du condenseur est un segment de disque dont l'arc est réalisé par le bossage et dont le rapport entre la section et la longueur de la corde est compris entre 0,7 mm2/mm et 1 ,1 mm2/mm, préférentiellement entre 0,9 mm2/mm et 1 mm2/mm. Cette configuration permet d'obtenir une surface d'échange élevée en regard du volume du canal, tout en assurant la résistance dudit canal aux sollicitations engendrées par la pression et en conservant les pertes de charges dans des limites acceptables. De plus, la forme aplatie des canaux permet de rouler le condenseur autour de la cuve du chauffe-eau sans risque de pincer lesdits canaux.
Avantageusement, la longueur de trajet du fluide frigorigène dans un canal de section constante entre deux bifurcations de division est inférieure ou égale à 2 longueurs de corde de la section du canal. Cette configuration permet de diviser rapidement le débit de fluide en phase vapeur entrant dans le condenseur tout en assurant la tenue mécanique, notamment à la fatigue, de la zone de distribution.
Avantageusement, la distance séparant deux canaux parallèles est supérieure ou égale à 1 ,5 longueur de corde et inférieure ou égale à 5 longueurs de corde de la section courante des canaux. Cette configuration assure à la fois la tenue mécanique de la zone séparant deux canaux et une grande surface d'échange, par effet d'ailette.
Selon un mode de réalisation particulier, les plaques superposées et plaquées l'une contre l'autre constituant le condenseur sont constituées d'un alliage d'aluminium d'une épaisseur totale comprise entre 1 ,5 mm et 2 mm et la longueur de corde de la section courante des canaux dudit condenseur est égale à 7 mm. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté à un chauffe-eau thermodynamique domestique mettant en œuvre un fluide frigorigène dont la pression maximale de service est comprise entre 15 et 25 bars comme le propane.
Avantageusement, la forme développée du condenseur est rectangulaire, l'entrée et la sortie du fluide frigorigène dans ledit condenseur étant situées au centre d'un même grand côté du rectangle. Ainsi, les positions de l'entrée et de la sortie du condenseur dans le chauffe-eau thermodynamique sont parfaitement maîtrisées lors du roulage du condenseur autour de la cuve dudit chauffe-eau.
Avantageusement, l'évaporateur du chauffe-eau objet de l'invention comprend un circuit d'échange thermique constitué par un tube à ailettes d'un diamètre extérieur de 5 mm. Ainsi, l'utilisation d'un tube de faible diamètre pour cet évaporateur, coopère avec le condenseur pour réduire la quantité de fluide frigorigène utilisée.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'évaporateur comprend en entrée une boîte de distribution comprenant une dérivation du flux de fluide frigorigène vers deux circuits parallèles et préférentiellement vers 3 circuits parallèles à tube à ailettes de même diamètre.
Avantageusement, le fluide frigorigène utilisé dans le chauffe-eau objet de l'invention est un hydrocarbure, la quantité de fluide comprise dans le circuit caloporteur étant inférieure à 150 grammes. Ainsi, le circuit caloporteur du chauffe- eau objet de l'invention est adapté pour l'utilisation, en toute sécurité, d'un gaz dont le Potentiel de Réchauffement Global, ou PRG, à 100 ans, est inférieur ou égal à 150.
Le PRG d'un gaz mesure sa capacité d'absorption des rayonnements infrarouge émis par la Terre, c'est-à-dire sa capacité à générer un effet de serre, sur une période de 100 ans, en comparaison de la capacité de la même masse de dioxyde de carbone (C02) sur la même durée.
L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 6, dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue de face d'un exemple de réalisation d'un condenseur adapté au chauffe-eau thermodynamique objet de l'invention ;
- la figure 2 montre selon une vue partielle de détail en coupe AA définie figure 1 , un exemple de réalisation d'un canal de transport du fluide frigorigène dans le condenseur représenté figure 1 ;
- la figure 3 représente selon une vue de détail une zone de regroupement de
6 canaux en 4 canaux sur le condenseur de la figure 1 , utilisant une pluralité de bifurcations de concentration, organisées selon un motif hexagonal ;
- la figure 4 illustre selon une vue de détail, la zone de distribution d'un condenseur selon l'exemple de réalisation de la figure 1 , distribuant 1 canal en 6 canaux par une série de bifurcations de 1 canal en 2 canaux ;
- la figure 5 montre, selon une vue en perspective et en écorché, un exemple de réalisation d'un chauffe-eau selon l'invention ;
- et la figure 6 illustre de manière schématique selon un vue de face, un exemple de réalisation d'un évaporateur adapté au chauffe-eau objet de l'invention.
Sans que ces exemples ne soient limitatifs, l'invention concerne plus particulièrement un chauffe-eau thermodynamique d'une capacité comprise entre 150 litres et 270 litres, et pouvant aller jusqu'à 400 litres, tout en utilisant une quantité totale de fluide frigorigène inférieure à 150 grammes.
Figure 1 , selon un exemple de réalisation, le condenseur (100) du chauffe-eau thermodynamique selon l'invention se présente sous la forme d'une plaque rectangulaire, comprenant un circuit de condensation s'étendant entre une arrivée (110) où le fluide frigorigène arrive sous la forme de vapeur, et une sortie (120) où ledit fluide quitte le condenseur en phase liquide. Ledit condenseur (100) est apte à être roulé élastiquement pour être placé autour de la cuve d'un chauffe-eau. Des moyens d'attache (151 , 152) situés sur les petits côtés du rectangle, permettent de le maintenir dans cette configuration roulée, comme décrit dans le document FR2963416. Le circuit de condensation est constitué d'une pluralité de canaux parallèles s'étendant sur la surface du condenseur. À cette fin, le flux d'arrivée de vapeur est rapidement divisé en une pluralité de canaux sur une courte distance dans une zone (1 1 1 ) de distribution. Passé cette zone (1 1 1 ) de distribution, dans le sens de l'écoulement du fluide frigorigène, le nombre de canaux est décroissant de sorte que le fluide frigorigène quitte le condenseur en phase liquide par une sortie (120) unique. Le regroupement des canaux est réalisé dans des zones (121 , 122) de regroupement permettant de répartir de manière homogène le débit de fluide frigorigène provenant de N canaux dans ([N/2J + l) canaux. [N/2j représente la partie entière par défaut de la quantité N/2.
Ainsi, selon un exemple de réalisation, une première zone (121 ) de regroupement permet de transférer le débit de fluide frigorigène issu de 6 canaux dans 4 canaux, puis une deuxième zone (122) de regroupement permet de répartir le flux provenant de ces 4 canaux dans 3 canaux. Selon cet exemple de réalisation, avant l'entrée dans la première zone (121 ) de regroupement, chaque canal véhicule un 1/6ème du débit, puis à la sortie de cette zone (121 ) de regroupement, chaque canal véhicule 1/4 du débit. Selon d'autres exemples de réalisation (non représentés), une zone de regroupement concentre 8 canaux en 5 canaux, 5 canaux en 3, 3 canaux en 2 ou encore, 7 canaux en 4. Au niveau de la zone (1 10) de distribution, le flux de vapeur est systématiquement séparé d'abord en 2 pour assurer une répartition uniforme du flux et la tenue mécanique de la zone de distribution. Selon un exemple de réalisation, chaque canal issu de cette première division, est ensuite séparé en deux canaux et ainsi de suite, de sorte que, selon cet exemple de réalisation, le nombre de canaux arrivant dans la première zone de regroupement est nécessairement pair, égal à 2, 4, 6, 8, 10 ou plus de canaux.
Figure 2, selon un exemple de réalisation, le condenseur du chauffe-eau objet de l'invention est constitué de deux plaques (201 , 202), par exemple en alliage d'aluminium, plaquées l'une sur l'autre et assemblées. Selon des exemples de réalisation non limitatifs et non exclusifs les uns des autres, l'assemblage desdites plaques (201 , 202) est réalisé par des soudures (230) localisées, par brasage ou par soudage par diffusion (« diffusion bonding »). La première plaque (201 ) est conservée plane et la seconde plaque (202) est embossée de sorte que lorsque lesdites plaques (201 , 202) sont assemblées, ledit bossage définit un canal, dont la section (210) courante est, selon cet exemple de réalisation, en forme de segment de disque. Selon des exemples de réalisation non limitatifs, l'embossage de la seconde plaque est réalisé préalablement à l'assemblage desdites plaques, par emboutissage ou formage à la molette. Alternativement, l'embossage est réalisé après l'assemblage des plaques, par exemple par gonflage. Dans ce cas, un agent formant barrière de diffusion est appliqué sur l'une des plaques selon un motif reproduisant le circuit de condensation, de sorte q ue les deux plaques ne sont pas liées à l'emplacement des futurs canaux lors du soudage par diffusion des deux plaques. Après le soudage par diffusion, le circuit de condensation est réalisé par gonflage, en déformation à chaud. Selon un exemple de réalisation, l'épaisseur totale des plaques est comprise entre 1 ,5 mm et 2 mm. Lors du fonctionnement du chauffe- eau thermodynamique, les canaux du condenseur sont soumis à la pression du fluide frigorigène venant du compresseur. Au niveau des canaux, et d'une manière générale du circuit de condensation, cette pression tend à écarter les plaques (201 , 202) l'une de l'autre. Pour une pression de fonctionnement donnée, cette sollicitation est proportionnelle à la largeur (21 1 ) du canal. Cette largeur (211 ) est sensiblement égale à la longueur de la corde du segment de disque. Par ailleurs, le condenseur étant destiné à être roulé pour être introduit dans la cuve du chauffe-eau, le rayon de courbure admissible pour ce roulage, sans risque de dégradation des canaux, est d'autant plus faible que la hauteur desdits canaux, c'est-à-dire la distance maximale entre les deux plaques (201 , 202), est faible. Finalement, plus la section (210) courante du canal est faible, et plus, à débit de fluide frigorigène donné, la vitesse de circulation dudit fluide dans les canaux est élevée, les pertes de charges étant d'autant plus élevées que cette vitesse de circulation est grande. L'utilisation d'un ratio entre la section courante (210) et la largeur (21 1 ) du canal, compris entre 0,7 mm2/mm et 1 , 1 mm2/mm, et plus particulièrement entre 0,9 mm2/mm et 1 mm2/mm, permet d'atteindre le meilleur compromis entre ces contraintes contradictoires pour l'application visée. Plus particulièrement, selon un mode de réalisation avantageux, la largeur (21 1 ) du canal est de 7 mm, pour une section courante de 9,52 m m2, soit un ratio de 0,93 mm2/mm.
En revenant à la figure 1 , les canaux sont organisés en un réseau de canaux parallèles constituant le circuit de condensation. Afin d'assurer la tenue de la soudure entre deux canaux, la distance (130) séparant deux canaux parallèles est au moins égale à 1 ,5 largeur de canal et préférentiellement au moins égale à 2 largeurs de canal.
Figure 3, selon une vue de détail d'une zone (121 ) de regroupement, celle-ci comporte plusieurs bifurcations (320) de concentration. Selon l'invention, une bifurcation, qu'elle soit de concentration ou de division, met en communication hydraulique les flux de 3 canaux. Lesdits 3 canaux sont de section sensiblement équivalente et s'étendent selon des directions à 120 ° (2π/3 radians) l'un de l'autre. La section courante de chacun des canaux débouche dans une chambre de bifurcation, dont le volume est proportionnel à la surface (325) projetée de ladite chambre sur la plaque non embossée. Cette chambre est soumise à la pression du fluide frigorigène, laquelle pression engendre une sollicitation tendant à séparer les deux plaques. Cette sollicitation est proportionnelle à la surface (325) projetée de la chambre, surface projetée qui correspond à la zone dans laquelle la section courante de circulation du fluide est élargie. L'élargissement de la section accroît la sollicitation des soudures sur les bords (321 , 322, 323) de ladite chambre de bifurcation. La longueur additionnée desdits bords constitue un périmètre de maintien de la bifurcation (320). Aussi, les zones de soudures situées sur les bords (321 , 322, 323) d'une chambre de bifurcation sont les zones les plus sollicitées dans le condenseur lors du fonctionnement du chauffe-eau thermodynamique. La sollicitation desdites soudures est d'autant plus élevée que la surface (325) projetée de la chambre de bifurcation est élevée et que le périmètre de maintien est faible. Avantageusement, le rapport entre la surface (325) projetée et le périmètre de maintien est inférieur à 6 mm et préférentiellement à 5,5 mm. Sans que cela ne constitue une quelconque théorie, cette contrainte géométrique, déterminée par des essais de fatigue en cyclage thermomécanique du condenseur, ne peut pas être respectée si une chambre de bifurcation met en communication hydraulique plus de 3 canaux. Aussi, pour réaliser une zone de regroupement regroupant plus de 3 canaux, les bifurcations de concentration sont associées entre elles en réseau, selon un motif hexagonal. Ainsi, en juxtaposant K motifs d'association de bifurcations, les bifurcations de deux motifs juxtaposés étant en communication hydraulique, émotifs hexagonaux de bifurcations superposés permettent de regrouper (K+3) canaux en AT canaux, ou (K+2) canaux en (K+1), le nombre maximum de canaux reliés audit motif étant de (2K+3). Bien entendu, le même type de motif d'association de bifurcations permet également de diviser le flux par exemple de K canaux en (K+3) canaux, avec cependant la contrainte que le flux d'arrivée de vapeur doit d'abord être divisé en 2 afin d'assurer une bonne répartition du débit.
Figure 4, selon un exemple de réalisation, la zone (1 10) de distribution comprend une pluralité de bifurcations (410) de divisions. Selon l'invention, la première division consiste à séparer le flux entrant en deux. Selon cet exemple de réalisation, les divisions successives suivantes sont réalisées en séparant le flux de chaque canal dans deux canaux de même section courante. Les conditions énoncées pour les bifurcations de concentration sont applicables aux bifurcations de division, c'est-à-dire que pour chaque bifurcation, le rapport de la surface (415) projetée de la chambre de bifurcation au périmètre de rétention correspondant à la somme des longueurs des segments (41 1 , 412, 413) assemblés bordant ladite chambre de bifurcation, doit être inférieur à 6 mm et préférentiellement inférieur à 5,5 mm. De plus, dans la configuration de cet exemple de réalisation, où le flux est divisé par des bifurcations successives de 1 canal dans 2 canaux, la longueur (416) de canal entre deux bifurcations est inférieure ou égale à 2 largeurs de canal.
En revenant à la figure 1 , pour son installation autour de la cuve, le condenseur (100) du chauffe-eau objet de l'invention est roulé sur lui-même comme décrit dans le document FR2963416, dont l'invention constitue un perfectionnement. L'entrée (110) et la sortie (120) du fluide frigorigène sont avantageusement placées sensiblement au centre d'un grand côté du rectangle. Ainsi, les emplacements de cette entrée (110) et de cette sortie (120) sont prévisibles et facilement déterminés après roulage, ce qui simplifie la connexion hydraulique dudit condenseur (100) dans le circuit caloporteur du chauffe-eau. Avantageusement, deux rainures (191 , 192, 193, 194) placées de part et d'autre du canal d'arrivée et du canal et du canal de sortie, procurent de la souplesse pour connecter les canaux d'entrée et de sortie du condenseur au circuit caloporteur.
Figure 5, selon un exemple de réalisation, le chauffe-eau (500) thermodynamique objet de l'invention comporte une cuve (502) cylindrique adaptée pour contenir de l'eau chaude sanitaire. La cuve du chauffe-eau (500) objet de l'invention est adaptée pour contenir jusqu'à 400 litres d'eau chaude sanitaire. L'eau froide du réseau pénètre dans ladite cuve (502) par une entrée (503) située préférentiellement en partie basse de la cuve et l'eau chaude sanitaire en ressort par une sortie (504), située préférentiellement en partie haute du chauffe-eau. La cuve est entourée d'un isolant (505) thermique. Le circuit caloporteur du chauffe-eau objet de l'invention forme une boucle et comprend un compresseur (509), le condenseur (100) enroulé autour de la cuve (502), un détendeur (51 1 ) et un évaporateur (508). Le compresseur (509), l'évaporateur (508) et le détendeur (511 ) sont placés en partie supérieure du chauffe-eau (500). Le condenseur (100) est préférentiellement placé en partie basse du chauffe-eau, entre la cuve (502) et l'isolant (505) thermique. Le circuit caloporteur comprend un circuit basse pression s'étendant entre le détendeur (51 1 ), l'évaporateur (508) et le compresseur (509) et un circuit haute pression s'entendant entre le compresseur (509), l'entrée (1 10) du condenseur (100), la sortie (120) du condenseur et jusqu'au détendeur (51 1 ). Le fluide frigorigène, comprimé par le compresseur (509), pénètre en phase gazeuse dans le condenseur par le canal (110) d'entrée. Entre l'entrée (110) et la sortie (120) dudit condenseur (100) le fluide frigorigène se condense en phase liquide et transfert sa chaleur à l'eau contenue dans la cuve (502) du chauffe-eau. Le condenseur (100) est préférentiellement installé de sorte que l'écoulement du fluide frigorigène après la zone (1 1 1 ) de distribution se réalise essentiellement vers le bas. Les microcanaux réalisant l'adduction du fluide frigorigène dans le condenseur (100), permettent de réduire la quantité de fluide nécessaire dans le circuit caloporteur, tout en profitant d'une surface d'échange importante avec la cuve (502) du chauffe-eau. Dans l'évaporateur (508), le fluide frigorigène en phase liquide et à basse pression, passe en phase gazeuse au contact de l'air ambiant ventilé, présent dans la pièce dans laquelle le chauffe-eau (500) est installé. Lors de ce changement de phase, ledit fluide prélève à l'environnement une chaleur latente de vaporisation. Alternativement l'air est amené de l'extérieur par un circuit gainé.
Figure 6, afin de limiter la quantité de fluide frigorigène présente dans le circuit caloporteur, et ainsi permettre l'utilisation d'un hydrocarbure comme fluide frigorigène, faiblement générateur d'effet de serre mais inflammable, le chauffe-eau objet de l'invention utilise un évaporateur (508) de volume réduit. À cette fin ledit évaporateur est constitué d'une pluralité de tubes (600) à ailettes, le tube (601 ) étant constitué de cuivre et les ailettes (602) d'un alliage d'aluminium. Selon l'art antérieur, un tel évaporateur consiste en une pluralité de boucles, le fluide frigorigène passant d'une boucle à l'autre, en cascade, en décrivant un serpentin. Le diamètre typique des tubes de cuivres est, selon l'art antérieur, de 7 mm, 7,94 mm ou 9,52 mm. L'évaporateur du chauffe-eau objet de l'invention utilise un tube de cuivre d'un diamètre inférieur ou égal à 5 mm. Le faible diamètre du tube permet de réduire le volume du circuit caloporteur, et par conséquent la quantité de fluide frigorigène nécessaire. En revanche, ce faible diamètre augmente, à débit donné, la vitesse de circulation du fluide, augmente le nombre de Reynolds de l'écoulement et conduit à un accroissement des pertes de charges, sensiblement égal, en première approximation, au carré du coefficient de réduction de diamètre de l'écoulement. Ainsi, en passant d'un diamètre 7 mm à un diamètre de 5 mm les pertes de charge linéaires sont au moins doublées. Pour limiter cet effet, l'évaporateur est configuré de sorte que le fluide frigorigène parcourt en parallèle, et non en cascade, lesdits tubes à ailettes de diamètre réduit. Ainsi, ledit évaporateur comporte, selon un exemple de réalisation, une boîte (610) de distribution du fluide frigorigène à l'état liquide entre le détendeur et l'entrée de l 'évaporateur.
La description ci-avant et les exemples de réalisation, montrent que l'invention atteint le but visé, à savoir la réalisation d'un chauffe-eau thermodynamique d'une contenance en eau chaude sanitaire allant jusqu'à 400 litres, tout en limitant la quantité de fluide frigorigène utilisée à moins de 150 grammes d'hydrocarbure.

Claims

REVENDICATIONS
Chauffe-eau (500) thermodynamique, notamment d'une capacité de 400 litres, comprenant un circuit caloporteur formant pompe à chaleur, comportant :
a. un circuit basse pression comprenant un évaporateur (508); b. un circuit haute pression comprenant un condenseur (100) en contact avec la cuve (502) dudit chauffe-eau, caractérisé en ce que ledit condenseur comprend :
bi. deux plaques (201 , 202) superposées et plaquées l'une contre l'autre, l'une (202) des plaques comprenant un bossage continu formant, en coopération avec l'autre plaque (201 ), un conduit réalisant un circuit de condensation selon des canaux parallèles ;
bii. une entrée (110) du fluide frigorigène, en phase gazeuse, selon un canal unique suivie d'une zone (11 1 ) de distribution comprenant une pluralité de bifurcations (410) de division, répartissant chacune le fluide véhiculé d'un canal de section (210) courante dans deux canaux de même section courante ;
biii. une sortie (120) selon un canal unique du fluide frigorigène en phase liquide, laquelle sortie est précédée d'au moins une zone (121 , 122) de regroupement comprenant une pluralité de bifurcations (320) de concentration, ladite zone (121 , 122) de regroupement regroupant N canaux de même section courante en
[N/2J + 1) canaux de même section courante.
2. Chauffe-eau selon la revendication 1 , dans lequel une bifurcation de concentration (320) ou de division (410) du condenseur met en liaison hydraulique plusieurs canaux, et de préférence 3 cannaux, de section courante dans une chambre de bifurcation et que le rapport entre la surface projetée (325, 415) de la chambre de bifurcation et le périmètre de maintien de ladite chambre de bifurcation est inférieur à 6 mm2/mm et préférentiellement inférieur à 5,5 mm2/mm.
Chauffe-eau selon la revendication 2, dans lequel la section (210) courante des canaux du condenseur (100) est un segment de disque dont l'arc est réalisé par le bossage et dont le rapport entre la section et la longueur (21 1 ) de la corde est compris entre 0,7 mm2/mm et 1 ,1 mm2/mm, préférentiellement entre 0,9 mm2/mm et 1 mm2/mm.
Chauffe-eau selon la revendication 3, dans lequel la longueur (416) de trajet du fluide frigorigène dans un canal de section constante entre deux bifurcations (410) de division est inférieure ou égale à 2 longueurs (21 1 ) de corde de la section du canal.
Chauffe-eau selon la revendication 3, dans lequel la distance (130) séparant deux canaux parallèles est supérieure ou égale à 1 longueur (21 1 ) de corde et inférieure ou égale à 5 longueurs (211 ) de corde de la section (210) courante des canaux.
Chauffe-eau selon la revendication 3, dans lequel les plaques (201 , 202) superposées et plaquées l'une contre l'autre constituant le condenseur (100) sont constituées d'un alliage d'aluminium d'une épaisseur totale comprise entre 1 ,5 mm et 2 mm, la longueur (211 ) de corde de la section courante des canaux dudit condenseur étant égale à 7 mm.
Chauffe-eau selon la revendication 1 , dans lequel la forme développée du condenseur (100) est rectangulaire, l'entrée (110) et la sortie (120) du fluide frigorigène dans ledit condenseur étant situées au centre d'un même grand côté du rectangle.
8. Chauffe-eau selon la revendication 6, dans lequel l'évaporateur (508) comprend un circuit d'échange thermique comportant un tube (601 ) à ailettes (602) d'un diamètre extérieur de 5 mm
Chauffe-eau selon la revendication 8, dans lequel l'évaporateur (508) comprend en entrée une boîte (610) de distribution comprenant une dérivation du flux de fluide frigorigène vers deux circuits parallèles et préférentiellement vers 3 circuits parallèles à tube à ailettes (600) de même diamètre.
Chauffe-eau (500) selon la revendication 1 , dans lequel le fluide frigorigène est un hydrocarbure, la quantité de fluide comprise dans le circuit caloporteur étant inférieure à 150 grammes.
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