Condenseur pour échange thermique optimisé et installation de chauffage de liquides le comportant

Abstract

 L'invention porte sur un condenseur (1) comportant un circuit de canaux (2) pour la circulation et la condensation d'un fluide frigorigène entrant à l'état gazeux dans le circuit, le condenseur (1) étant destiné à être appliqué à la verticale contre un ballon contenant un liquide chauffé par transfert de la chaleur libérée par la condensation progressive du fluide frigorigène en liquide de condensation évacué par une sortie (6), le condenseur (1) étant caractérisé par le fait que les canaux de circulation/condensation (2) sont orientés pour permettre, en position d'utilisation, la descente par gravité du liquide de condensation formé, le condenseur (1) comprenant un distributeur d'entrée (3) et un collecteur de sortie (5) dans lesquels débouchent les extrémités (2a, 2b) respectivement côté gaz et côté liquide desdits canaux (2), de façon à recueillir le liquide de condensation en fin de course, le collecteur (5) comportant la sortie (6) du condenseur (1), les canaux de circulation/condensation (2) étant indépendants les uns des autres entre leur extrémité (2a) côté gaz et leur extrémité (2b) côté liquide.

Description

[0001] L'invention concerne le domaine des installations de chauffage de liquides, en particulier d'eau sanitaire, par échange thermique entre un fluide frigorigène et le liquide à chauffer. Elle concerne en particulier les installations de chauffage comprenant un ballon de liquide à l'extérieur duquel est disposé un condenseur définissant un parcours pour le fluide frigorigène.

[0002] Dans de telles installations, l'énergie libérée par le fluide frigorigène lorsque celui-ci circule dans le condenseur et passe de l'état gazeux à l'état liquide, est transmise au liquide à chauffer par un échange thermique ayant lieu par l'intermédiaire de la paroi du condenseur et de la paroi du ballon en contact l'une avec l'autre.

[0003] Un premier type de condenseur connu est formé de tubes en cuivre ou en aluminium enroulés en hélice autour du ballon et en contact avec la paroi de ce dernier.

[0004] Un second type de condenseur connu, de type « roll bond », est formé de deux plaques co-laminées à froid entre elles de façon à définir un circuit continu dans lequel circule le fluide frigorigène à condenser et généralement formé de canaux disposés en spirale et reliés par des coudes.

[0005] Le brevet français n° 1 369 057 divulgue un condenseur analogue au second type de condenseur mentionné ci-dessus, dans lequel le circuit de circulation du fluide frigorigène est formé par un réseau de petits canaux longitudinaux et de petits canaux latéraux en communication les uns avec les autres, étant prévues plusieurs colonnes formées chacune de petits canaux longitudinaux, l'extrémité supérieure de chaque petit canal longitudinal débouchant dans les deux petits canaux latéraux au-dessus tandis que l'extrémité inférieure débouche dans les deux petits canaux latéraux en-dessous.

[0006] Du fait que chaque petit canal longitudinal communique avec des canaux latéraux, le fluide frigorigène, qu'il soit à l'état gazeux avant condensation ou à l'état liquide après condensation, rencontre des obstacles qui le force à s'écouler suivant un dessin en zig-zag de canaux en canaux et à se disperser ainsi dans le condenseur d'une manière aléatoire et non uniforme.

[0007] De plus, la structure du condenseur est rendue complexe par la présence d'une section d'entretoise séparant le condenseur en deux régions et visant à rendre égales les quantités de fluide frigorigène présentes dans lesdites deux régions.

[0008] Un bon fonctionnement des installations de chauffage de liquide, permettant notamment un chauffage rapide et sensiblement uniforme du liquide, est difficile à obtenir pour des installations équipées des condenseurs décrits ci-dessus.

[0009] En effet, ce bon fonctionnement requiert d'une part une condensation continue le long du parcours du fluide frigorigène et, d'autre part, que le circuit recouvre une partie substantielle du ballon.

[0010] Cependant, la Société déposante s'est rendu compte qu'en raison de la disposition en hélice ou en spirale des condenseurs connus, le parcours du fluide frigorigène dans ces condenseurs doit être très long, généralement de 35 m à 70 m, pour qu'ils puissent recouvrir une partie substantielle du ballon, et le liquide de condensation n'est pas correctement évacué et s'accumule à certains endroits. Pour ces deux raisons, le circuit se trouve encombré par du fluide frigorigène à l'état liquide qui ne participe plus à l'échange thermique et qui empêche le fluide frigorigène à l'état gazeux restant de se condenser car n'étant pas au contact direct de la paroi du condenseur en contact avec le ballon. La performance de l'installation est donc très amoindrie. Les mêmes problèmes se posent avec le condenseur divulgué dans le brevet français n° 1 369 057.

[0011] La présente invention vise à améliorer l'efficacité de l'échange thermique dans la condensation d'un gaz en liquide pour chauffer un liquide, afin de résoudre le problème mentionné ci-dessus.

[0012] La présente invention a donc pour objet un condenseur comportant un circuit de canaux définissant un parcours pour la circulation et la condensation d'un fluide frigorigène entrant à l'état gazeux dans le circuit par une entrée, le condenseur étant destiné à être appliqué, en position d'utilisation, à la verticale contre un ballon contenant un liquide à chauffer, dont le chauffage est obtenu par transfert de la chaleur libérée par la condensation progressive du fluide frigorigène à l'état gazeux en liquide de condensation, lequel est évacué du circuit par une sortie, le condenseur étant caractérisé par le fait que les canaux de circulation/condensation sont orientés pour permettre, en position d'utilisation, la descente par gravité du liquide de condensation formé, le condenseur comprenant en outre un distributeur d'entrée comportant l'entrée du condenseur, distributeur d'entrée dans lequel débouchent les extrémités côté gaz desdits canaux, et un collecteur de sortie dans lequel débouchent les extrémités côté liquide desdits canaux, de façon à recueillir le liquide de condensation en fin de course, le collecteur de sortie comportant la sortie du condenseur, les canaux de circulation/condensation étant indépendants les uns des autres entre leur extrémité côté gaz et leur extrémité côté liquide.

[0013] On entend par l'expression « indépendants les uns des autres » que les canaux de circulation/condensation ne communiquent pas les uns avec les autres entre leurs extrémités, de sorte que du fluide frigorigène à l'état gazeux ou à l'état liquide se trouvant dans un canal ne peut s'écouler dans un autre canal.

[0014] Grâce à un tel agencement des canaux de circulation/condensation et du collecteur de sortie, lorsque ce condenseur enveloppe le ballon, le fluide frigorigène à l'état gazeux est réparti de manière uniforme dans l'ensemble du condenseur, ce qui permet un chauffage uniforme du liquide à chauffer, et le liquide issu de la condensation du gaz chute au bas du condenseur, sans rencontrer d'obstacles, et est ainsi évacué rapidement, laissant place au gaz non condensé. Cela permet d'améliorer très sensiblement l'échange thermique du fait que le liquide de condensation n'encombre plus le volume où a lieu la condensation.

[0015] Un encombrement important du circuit par le liquide de condensation peut par exemple se traduire par un faible taux de vide dans les canaux de circulation/condensation. En d'autres termes, la présente invention permet de rendre maximal le taux de vide dans les canaux de circulation/condensation.

[0016] Un tel agencement présente également l'avantage de réduire la quantité de fluide frigorigène utilisée, puisque la longueur parcourue par le fluide sous forme gazeuse puis liquide peut être réduite de manière considérable, par exemple à environ 2,5 m, au lieu des 35 m à 70 m des installations connues, tout en recouvrant une partie substantielle du ballon.

[0017] En résumé, la présente invention permet à la fois de diminuer la quantité de fluide frigorigène tout en améliorant la qualité de l'échange thermique.

[0018] Les canaux de circulation/condensation peuvent être avantageusement disposés de façon à être orientés verticalement ou sensiblement verticalement en position d'utilisation du condenseur.

[0019] La verticalité de ces canaux permet d'obtenir l'écoulement le plus rapide du liquide de condensation jusque dans le collecteur de sortie.

[0020] En variante, les canaux de circulation/condensation sont disposés de façon à être inclinés par rapport à la verticale en position d'utilisation du condenseur, avec une inclinaison pouvant notamment aller jusqu'à 45°.

[0021] Les canaux de circulation/condensation sont avantageusement régulièrement espacés les uns des autres. De cette manière, lesdits canaux sont régulièrement répartis sur la circonférence du ballon en position d'utilisation du condenseur, conduisant à un chauffage uniforme, et donc plus efficace, du liquide à chauffer.

[0022] De préférence, le collecteur de sortie peut se présenter sous la forme d'un canal de collecte positionné transversalement aux canaux de circulation/condensation.

[0023] De préférence, le canal de collecte peut être incliné de façon à présenter, en position d'utilisation du condenseur, un point haut et un point bas, la sortie du condenseur se trouvant au point bas. Ainsi, le liquide de condensation s'écoule rapidement hors du circuit du condenseur.

[0024] Le distributeur d'entrée se présente avantageusement sous la forme d'un canal de distribution positionné transversalement aux canaux de circulation/condensation.

[0025] De préférence, le canal de distribution est incliné de façon à présenter, en position d'utilisation du condenseur, un point haut et un point bas, l'entrée du condenseur se trouvant au point bas.

[0026] Cette configuration en escalier du canal de distribution et des canaux de circulation/condensation, à savoir un canal de distribution incliné et des canaux de circulation/condensation répartis uniformément le long de celui-ci, permet la répartition équitable du fluide dans les canaux de circulation/condensation.

[0027] Les canaux de collecte et de distribution peuvent être inclinés de 0° à 10° par rapport à l'horizontale, de préférence de 2°.

[0028] De préférence, le condenseur est formé de deux tôles dont au moins l'une comporte des zones en creux de telle sorte que, par l'application l'une contre l'autre de ces deux tôles, sont formés les canaux de circulation/condensation, le distributeur d'entrée et le collecteur de sortie.

[0029] Un tel condenseur est obtenu par exemple par le procédé dit « roll bond », bien connu dans la technique.

[0030] En particulier, on peut utiliser des tôles en aluminium.

[0031] En variante, le circuit du condenseur peut être formé de tubes raccordés les uns aux autres et dont les espaces internes constituent les canaux de circulation/condensation, le distributeur d'entrée et le collecteur de sortie.

[0032] La présente invention a également pour objet une installation de chauffage de liquides, notamment d'eau sanitaire, comprenant un ballon contenant un liquide à chauffer et caractérisée par le fait qu'un condenseur tel que défini ci-dessus est appliqué contre le ballon.

[0033] De préférence, une pâte conductrice de la chaleur peut être intercalée entre le condenseur et le ballon de liquide, de façon à améliorer encore le transfert de chaleur entre le fluide frigorigène et le liquide à chauffer.

[0034] Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après un mode de réalisation préféré avec référence aux dessins annexés.

[0035] Sur ces dessins :

• la Figure 1 est une vue schématique du circuit d'un condenseur selon la présente invention, représenté à plat ;
• la Figure 2 est une vue en élévation du condenseur selon le mode de réalisation préféré de la présente invention ;
• la Figure 3 est une vue en élévation du condenseur de la Figure 3, mis en place sur une cuve de ballon d'eau chaude ; et
• la Figure 4 est une vue en coupe partielle transversalement au ballon et au condenseur représentés sur la Figure 3.

[0036] Si l'on se réfère à la Figure 1, on peut voir que l'on y a représenté à plat le circuit du condenseur 1 selon la présente invention.

[0037] Ce circuit est défini par des canaux de circulation/condensation 2 sensiblement verticaux, parallèles entre eux et régulièrement espacés.

[0038] L'extrémité supérieure 2a de chaque canal 2 est raccordée à un canal de distribution 3 par lequel est introduit, par l'intermédiaire d'une entrée 4, un fluide frigorigène, tel que R134a ou R290 ou autre, à l'état gazeux, lequel circule et se condense dans les canaux de circulation/condensation 2. Le canal de distribution 3 est incliné, les points bas et haut du canal de distribution 3 se trouvant respectivement sur la gauche et la droite du condenseur sur les Figures 1 et 2, l'entrée 4 étant prévue au point bas du canal de distribution 3.

[0039] L'extrémité inférieure 2b de chaque canal de circulation/condensation 2 est raccordée à un canal de collecte 5 destiné à recueillir le liquide de condensation du fluide frigorigène, ledit liquide étant évacué par une sortie 6. Le canal de collecte 5 est également incliné, les points bas et haut du canal de collecte 5 se trouvant respectivement sur la droite et la gauche du condenseur 1 sur les Figures 1 et 2, la sortie 6 se trouvant au point bas du canal de collecte 5.

[0040] Il convient de souligner ici que l'entrée 4 et la sortie 6 se trouvent, en position d'utilisation du condenseur 1, globalement sur une même verticale, ce qui permet, d'un point de vue industriel, une gestion plus simple de l'arrivée et de la sortie du fluide frigorigène.

[0041] Le condenseur 1 peut être réalisé de diverses manières.

[0042] On a représenté sur les Figures 2 à 4 un circuit obtenu par le procédé « roll bond », bien connu dans la technique et qui consiste de manière générale à lier/assembler deux tôles métalliques l'une à l'autre par laminage, sauf aux endroits où l'on souhaite former le circuit de fluide frigorigène.

[0043] Pour ce faire, on dépose, sur une surface d'une première tôle métallique 7 et par exemple au moyen d'un écran, une pâte anti-adhésive suivant le chemin destiné à être formé par les canaux de circulation/condensation 2, le canal de distribution 3 et le canal de collecte 5 et l'on vient placer une seconde tôle métallique 8 contre la face portant la pâte adhésive. Ensuite, on co-lamine à froid les deux tôles 7, 8, conduisant à la soudure de celles-ci sauf dans les zones séparées par la pâte anti-adhésive. Enfin, on gonfle ces zones non soudées par voie hydraulique ou pneumatique, formant ainsi le circuit de fluide frigorigène. Ce circuit peut être à deux faces déformées ou à une face plane et une face déformée. Le circuit représenté sur les Figures 2 à 4 est de type à une face plane et une face déformée, la face plane étant constituée par la première tôle 7 et destinée à être appliquée contre le ballon de liquide à chauffer.

[0044] L'entrée 4 et la sortie 6 du condenseur 1 sont définies par des ouvertures débouchant sur les bords du panneau formant condenseur ainsi obtenu, ouvertures dans lesquelles sont placés des tubes respectivement de distribution et de sortie de fluide frigorigène.

[0045] Le circuit pourrait également être obtenu par l'assemblage, par exemple par soudage, de deux tôles préalablement mises en forme de façon à former, une fois assemblées ensemble, le circuit du condenseur 1. La mise en forme préalable des tôles consiste, par exemple, à réaliser dans l'une des tôles une rainure suivant le parcours du circuit souhaité.

[0046] Une fois que l'on a obtenu de cette manière le condenseur 1, on le met en forme pour l'adapter à la cuve du ballon sur lequel on souhaite l'installer, lequel est la plupart du temps cylindrique, comme représenté sur la Figure 2.

[0047] Après cette dernière mise en forme, le condenseur 1 est mis en place sur la cuve C du ballon, comme représenté sur la Figure 3, et est maintenu contre celle-ci par tout moyen approprié. Cela peut être fait par exemple par un cerclage, ou par le fait que les bords libres du panneau formant condenseur 1 sont repliés d'équerre et assemblés l'un à l'autre par tout moyen approprié, par exemple par boulonnage. Le condenseur est soit en contact direct avec la cuve C, soit avec une pâte thermique interposée entre le condenseur 1 et la cuve C.

[0048] Il convient de souligner ici que le condenseur 1 enveloppe la cuve C du ballon et que, les canaux de circulation/condensation 2 étant régulièrement espacés les uns des aux autres, ils sont également régulièrement répartis sur la circonférence de la cuve C, permettant d'obtenir un chauffage uniforme, les canaux de distribution 3 et de collecte 5 s'étendant sur presque toute la circonférence de la cuve C.

[0049] On va maintenant décrire ci-après le fonctionnement du condenseur 1 avec référence aux Figures 1 et 4.

[0050] Le fluide frigorigène entre dans le circuit à l'état gazeux, par l'entrée 4, puis monte le long du canal de distribution 3 et entre au fur et à mesure dans tous les canaux de circulation/condensation 2 jusqu'à les remplir.

[0051] En raison du transfert de chaleur du fluide frigorigène à l'état gazeux, donc plus chaud, avec le liquide à chauffer, donc plus froid, le fluide frigorigène se condense et le liquide de condensation chute au bas des canaux de circulation/condensation 2, sous l'effet de la gravité, pour être recueilli dans le canal de collecte 5. Le canal de collecte 5 étant incliné, le liquide de condensation est amené à s'écouler jusqu'à la sortie 6 par laquelle il sort du condenseur 1.

[0052] Le condenseur selon l'invention est donc un condenseur à contre-courant, le fluide frigorigène à l'état gazeux se condensant par refroidissement pendant sa descente tandis que l'eau, par convection naturelle, monte en se réchauffant.

[0053] Comme indiqué ci-dessus, la verticalité des canaux de circulation/condensation 2 permet de faire sortir le liquide de condensation du condenseur 1 bien plus rapidement.

[0054] Par conséquent, le condenseur 1 selon l'invention permet d'obtenir un chauffage efficace et uniforme du liquide à chauffer, grâce à un circuit de longueur plus courte et permettant une évacuation rapide du liquide de condensation.

[0055] Il est bien entendu que le mode de réalisation qui a été décrit ci-dessus a été donné à titre indicatif et non limitatif et que des modifications peuvent être apportées sans que l'on s'écarte pour autant du cadre de la présente invention.

Revendications

1. Condenseur (1) comportant un circuit de canaux (2) définissant un parcours pour la circulation et la condensation d'un fluide frigorigène entrant à l'état gazeux dans le circuit par une entrée (4), le condenseur (1) étant destiné à être appliqué, en position d'utilisation, à la verticale contre un ballon contenant un liquide à chauffer, dont le chauffage est obtenu par transfert de la chaleur libérée par la condensation progressive du fluide frigorigène à l'état gazeux en liquide de condensation, lequel est évacué du circuit par une sortie (6), le condenseur (1) étant caractérisé par le fait que les canaux de circulation/condensation (2) sont orientés pour permettre, en position d'utilisation, la descente par gravité du liquide de condensation formé, le condenseur (1) comprenant en outre un distributeur d'entrée (3) comportant l'entrée (4) du condenseur (1), distributeur d'entrée (3) dans lequel débouchent les extrémités (2a) côté gaz desdits canaux (2), et un collecteur de sortie (5) dans lequel débouchent les extrémités (2b) côté liquide desdits canaux (2), de façon à recueillir le liquide de condensation en fin de course, le collecteur de sortie (5) comportant la sortie (6) du condenseur (1), les canaux de circulation/condensation (2) étant indépendants les uns des autres entre leur extrémité (2a) côté gaz et leur extrémité (2b) côté liquide.

2. Condenseur (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait les canaux de circulation/condensation (2) sont disposés de façon à être orientés verticalement ou sensiblement verticalement en position d'utilisation du condenseur (1).

3. Condenseur (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les canaux de circulation/condensation (2) sont disposés de façon à être inclinés par rapport à la verticale en position d'utilisation du condenseur (1), avec une inclinaison pouvant notamment aller jusqu'à 45°.

4. Condenseur (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les canaux de circulation/condensation (2) sont régulièrement espacés les uns des autres.

5. Condenseur (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le collecteur de sortie (5) se présente sous la forme d'un canal de collecte (5) positionné transversalement aux canaux de circulation/condensation (2).

6. Condenseur (1) selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le canal de collecte (5) est incliné de façon à présenter, en position d'utilisation du condenseur (1), un point haut et un point bas, la sortie (6) du condenseur (1) se trouvant au point bas.

7. Condenseur (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le distributeur d'entrée (3) se présente sous la forme d'un canal de distribution (3) positionné transversalement aux canaux de circulation/condensation (2).

8. Condenseur (1) selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le canal de distribution (3) est incliné de façon à présenter, en position d'utilisation du condenseur (1), un point haut et un point bas, l'entrée (4) du condenseur (1) se trouvant au point bas.

9. Condenseur (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il est formé de deux tôles (7, 8) dont au moins l'une comporte des zones en creux de telle sorte que, par l'application l'une contre l'autre de ces deux tôles (7, 8), sont formés les canaux de circulation/condensation (2), le distributeur d'entrée (3) et le collecteur de sortie (5).

10. Condenseur (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le circuit du condenseur (1) est formé de tubes raccordés les uns aux autres et dont les espaces internes constituent les canaux de circulation/condensation (2), le distributeur d'entrée (3) et le collecteur de sortie (5).

11. Installation de chauffage de liquides, notamment d'eau sanitaire, comprenant un ballon contenant un liquide à chauffer et caractérisée par le fait qu'un condenseur (1) tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 10 est appliqué contre le ballon.

12. Installation de chauffage de liquides selon la revendication 11, caractérisée par le fait qu'une pâte conductrice de la chaleur est intercalée entre le condenseur (1) et le ballon de liquide.

Dessins