EP2330360A2 - Chauffe-eau thermodynamique à commande de chauffage de l'eau - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a thermodynamic water heater with water heating control.
- thermodynamic water heater is a water heater adapted to at least partially heat the water it contains with the aid of calories included in a flow of air.
- the airflow is a flow of air in an unheated space - such as a laundry room, a garage or a crawl space - in the outside air or a stream of air extracted from the apartment. This airflow can also be created by means of a fan.
- Thermodynamic water heaters are especially used for heating domestic hot water at a temperature between 40 and 65 ° C, for example of the order of 55 ° C.
- thermodynamic water heater mainly comprises a reservoir for containing water to be heated and a thermodynamic circuit for recovering calories from a stream of air in order to heat the water in the tank.
- the air flow passes through an evaporator of the thermodynamic circuit.
- the air flow loses calories in favor of a refrigerant, or heat transfer fluid circulating in the thermodynamic circuit.
- the refrigerant is set in motion in the thermodynamic circuit.
- the refrigerant thus reaches a condenser where the refrigerant yields calories to the water contained in the reservoir. At the same time, the refrigerant condenses.
- the refrigerant then arrives, again, at the evaporator.
- thermodynamic water heater further comprises, conventionally, a temperature sensor adapted to measure the temperature of the water in the water heater.
- An electronic control unit receives the information of the temperature measured by the probe and controls, therefore, a heating of the water if the temperature is below a predetermined threshold.
- the control of the water heating may for example consist of controlling the circulation of the refrigerant in the thermodynamic heat exchange circuit.
- thermodynamic water heaters thus have excellent performance.
- the use of these thermodynamic water heaters remains expensive.
- the object of the present invention is to provide a thermodynamic water heater not having this disadvantage.
- the invention aims to provide a thermodynamic water heater having a lower cost of use than known thermodynamic water heaters.
- thermodynamic water heater comprising an electronic control unit adapted to control the heating of water depending on the time.
- thermodynamic water heater 10 mainly comprises a reservoir 12 - or tank - adapted to contain water to be heated and a thermodynamic circuit 14 of heat exchange between a stream of air and the water to be heated.
- the reservoir 12 is of substantially cylindrical shape to reduce the footprint of the tank.
- the reservoir 12 has, in this case a volume between 250 and 300 liters.
- the reservoir has in particular a lateral surface of between 1.25 and 2.1 m 2 and a height of between 0.8 and 1.5 m.
- the refrigerant may for example be R134a.
- thermodynamic water heater further comprises an electronic control unit, not visible in the figures, adapted to control the heating of water depending on the time.
- this electronic control unit controls the heating of the water in the water heater preferentially at times when the electric current is the cheapest, that is to say during the "Off-peak hours". This allows a substantial reduction in the cost use of the water heater compared to known thermodynamic water heaters where the heating of water is controlled only according to the need.
- the electronic control unit can be adapted to control the heating of the water as needed.
- this heater will be an additional heater. This heating will be less expensive than in the case where the water would not have been heated during "off-peak hours".
- This auxiliary heating may be, for example, carried out using an electric heating means.
- the "off-peak" period is limited in time. In France, for example, it lasts eight hours. Therefore, it is advantageous that the heating of the water in the tank can be achieved in this lapse of time.
- the compressor 18 can be adapted to provide a power of between 1400 and 3000 W to the refrigerant.
- the compressor may for example have a displacement of more than 11 cm 3 .
- the compressor 18 is, in this case, a rotary compressor
- This type of compressor is indeed more efficient than a conventional piston compressor, that is to say a compressor where the piston is moved in translation.
- a rotary compressor has better mechanical, electrical and isentropic efficiencies.
- the rotary compressor has an isentropic efficiency of the order of 25% greater than the isentropic efficiency of a piston compressor.
- the condenser has a contact surface with the reservoir 12 of between 0.5 and 1 m 2 .
- a thermal paste is placed between the condenser and the reservoir.
- the condenser can be made in the form of a sandwich. More specifically, in this case, the condenser comprises two plates, for example aluminum. The two plates each have a screen-printed side so that once co-cold-rolled, the two plates form a conduit. After rolling, the duct is expanded by pressurizing dry air to increase the contact surface of the refrigerant circuit with the reservoir.
- This condenser can also be made in the form of a tube wound around the tank.
- the tube may have a semicircular section whose plane side is in contact with the reservoir.
- the power provided by the compressor 18 allows both to heat the refrigerant and increase its pressure.
- the pressure of the refrigerant can thus typically reach about twenty bars. Therefore, it has been found an increase in pressure losses in the thermodynamic circuit, especially in the condenser, due to the power transmitted by the compressor to the refrigerant.
- the tube or the conduit of the condenser preferably has a transverse section for the passage of the fluid of between 50 and 75 mm 2 .
- the tube or conduit conventionally made of aluminum, copper or stainless steel, of such a size presents risks of deformation due to the high pressure of the refrigerant in the condenser.
- the condenser in the form of at least two tubes 20a, 20b wound in parallel around the tank 12.
- the two tubes 20a, 20b have a cross section of the refrigerant between 25 and 38 mm 2 .
- the sandwich type condenser so that it has at least two parallel ducts, the refrigerant passage section is between 25 and 38 mm 2 .
- the figure 3 illustrates the head losses in the condensers mentioned above as a function of the power supplied to the refrigerant.
- the curves 30, 32, 34 respectively correspond to a single-duct sandwich-type condenser, to a single-tube condenser and to a two-parallel-tube condenser, these three condensers being of the type adapted to an application in the field of thermodynamic water heaters.
- the three condensers studied have comparable exchange surfaces with the water tank.
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Abstract
La présente invention se rapporte à un chauffe-eau thermodynamique (10) comprenant une unité électronique de commande adaptée à commander le chauffage de l'eau en fonction de l'heure. Ce chauffe-eau (10) comporte un circuit thermodynamique (14) d'échange thermique entre un flux d'air et l'eau à chauffer. Le circuit thermodynamique (14) comprend de préférence un évaporateur (16) adapté à être traversé par le flux d'air, un compresseur (18) de mise en circulation du fluide frigorigène dans le circuit thermodynamique, un condenseur (20) pour transférer des calories du fluide frigorigène à l'eau à chauffer, et un détendeur (22). Le condenseur (20) est réalisé sous la forme d'au moins un tube enroulé autour d'un réservoir du chauffe-eau (10) comprenant l'eau à chauffer.
Description
- La présente invention concerne un chauffe-eau thermodynamique à commande de chauffage de l'eau.
- Un chauffe-eau thermodynamique est un chauffe-eau adapté à chauffer au moins partiellement l'eau qu'il contient à l'aide de calories comprises dans un flux d'air. Classiquement, le flux d'air est un flux d'air dans un espace non chauffé - tel qu'une buanderie, un garage ou un vide sanitaire - dans l'air extérieur ou un flux d'air extrait de l'appartement. Ce flux d'air peut également être créé au moyen d'un ventilateur.
- Les chauffe-eau thermodynamiques sont notamment mis en oeuvre pour le chauffage de l'eau sanitaire à une température entre 40 et 65°C, par exemple de l'ordre de 55°C.
- Un chauffe-eau thermodynamique comprend principalement un réservoir destiné à contenir de l'eau à chauffer et un circuit thermodynamique pour récupérer des calories d'un flux d'air en vu de chauffer l'eau dans le réservoir.
- Pour ce faire, le flux d'air traverse un évaporateur du circuit thermodynamique. En traversant cet évaporateur, le flux d'air perd des calories au profit d'un fluide frigorigène, ou fluide caloporteur, circulant dans le circuit thermodynamique.
- Le fluide frigorigène est mis en mouvement dans le circuit thermodynamique.
- Le fluide frigorigène parvient ainsi à un condenseur où le fluide frigorigène cède des calories à l'eau contenue dans le réservoir. Simultanément, le fluide frigorigène se condense.
- Le fluide frigorigène arrive ensuite, de nouveau, au niveau de l'évaporateur.
- Un chauffe-eau thermodynamique comporte en outre, classiquement, une sonde de température adaptée à mesurer la température de l'eau dans le chauffe-eau. Une unité électronique de commande reçoit l'information de la température mesurée par la sonde et commande, en conséquence, un chauffage de l'eau si la température est inférieure à un seuil prédéterminé.
- La commande du chauffage de l'eau peut par exemple consister à commander la mise en circulation du fluide frigorigène dans le circuit thermodynamique d'échange thermique.
- Ces dispositifs présentent ainsi un excellent rendement. Cependant, l'utilisation de ces chauffe-eau thermodynamiques reste coûteuse.
- Le but de la présente invention est de fournir un chauffe-eau thermodynamique ne présentant pas cet inconvénient.
- Plus particulièrement, l'invention vise à proposer un chauffe-eau thermodynamique présentant un coût d'utilisation moindre que les chauffe-eau thermodynamiques connus.
- A cette fin, la présente invention propose un chauffe-eau thermodynamique comprenant une unité électronique de commande adaptée à commander le chauffage de l'eau en fonction de l'heure.
- Suivant des modes de réalisation préférés, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- le chauffe-eau thermodynamique comprend un circuit thermodynamique d'échange thermique entre un flux d'air et l'eau à chauffer, le circuit comprenant :
- un évaporateur adapté à être traversé par le flux d'air ;
- des moyens de mise en circulation du fluide frigorigène dans le circuit thermodynamique ;
- un condenseur pour transférer des calories du fluide frigorigène à l'eau à chauffer ;
- les moyens de mise en circulation du fluide frigorigène sont un compresseur, de préférence à piston rotatif ;
- le compresseur est adapté à fournir une puissance comprise entre 1400 et 3500 W au liquide frigorigène ;
- le circuit thermodynamique comporte en outre un détendeur ;
- le chauffe-eau thermodynamique comprend un réservoir adapté à recevoir l'eau à chauffer, le réservoir présentant de préférence une contenance comprise entre 250 et 300 litres ;
- le condenseur est réalisé sous la forme d'au moins un tube enroulé autour du réservoir ;
- le condenseur est réalisé sous la forme d'au moins deux tubes enroulés autour du réservoir ;
- le au moins un tube présente une section transversale sensiblement semi-circulaire, le côté plan de la section transversale étant en contact avec réservoir ;
- le au moins un tube présente une section transversale de passage du fluide comprise entre 25 à 38 mm2 ; et
- le condenseur est réalisé sous la forme de deux plaques co-laminées pour former au moins un conduit, de préférence au moins deux conduits, en contact avec le réservoir.
- D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré de l'invention, donnée à titre d'exemple et en référence au dessin annexé.
- Les
figures 1 et 2 représentent chacune un schéma d'un exemple de chauffe-eau thermodynamique. - La
figure 3 représente un graphique de comparaison de la perte de charge dans différents types de condenseurs en fonction de la puissance fournie par le compresseur au fluide frigorigène. - Tel que représenté sur les
figures 1 et 2 , un chauffe-eau thermodynamique 10 comprend principalement un réservoir 12 - ou cuve - adapté à contenir de l'eau à chauffer et un circuit thermodynamique 14 d'échange thermique entre un flux d'air et l'eau à chauffer. - En l'espèce, le réservoir 12 est de forme sensiblement cylindrique pour réduire l'encombrement au sol de ce réservoir. Le réservoir 12 présente, en l'espèce un volume compris entre 250 et 300 litres. Le réservoir présente notamment une surface latérale comprise entre 1,25 et 2,1 m2 et une hauteur comprise entre 0,8 et 1,5 m.
- Le circuit thermodynamique 14 comporte :
- un évaporateur 16, traversé par un flux d'air, dans lequel le flux d'air perd des calories au profit d'un fluide frigorigène, ou fluide caloporteur, circulant dans le circuit thermodynamique ;
- un compresseur 18 pour mettre en circulation le fluide frigorigène dans le circuit thermodynamique, le compresseur permettant également d'augmenter la pression et la température du fluide frigorigène ;
- un condenseur 20, dans lequel le fluide frigorigène perd des calories au profit de l'eau dans le réservoir 12 ;
- un détendeur 22 où la pression du fluide frigorigène est réduite.
- Pour assurer le débit du flux d'air qui traverse l'évaporateur, il est prévu sur l'exemple représenté sur les
figures 1 et 2 un ventilateur 24. - Le fluide frigorigène peut par exemple être du R134a.
- Ce chauffe-eau thermodynamique comporte en outre une unité électronique de commande, non visible sur les figures, adaptée à commander le chauffage de l'eau en fonction de l'heure.
- Ainsi, il est possible de programmer cette unité électronique de commande de manière qu'elle commande le chauffage de l'eau dans le chauffe-eau préférentiellement aux heures où le courant électrique est le moins cher, c'est-à-dire pendant les « heures creuses ». Ceci permet une réduction substantielle du coût d'utilisation du chauffe-eau par rapport aux chauffe-eau thermodynamiques connus où le chauffage de l'eau est commandé uniquement en fonction du besoin.
- Bien entendu, de manière complémentaire, l'unité électronique de commande peut être adaptée à commander le chauffage de l'eau en fonction du besoin. Cependant, l'eau ayant été préchauffée durant la période où le courant électrique est moins cher, ce chauffage sera un chauffage d'appoint. Ce chauffage sera donc moins coûteux que dans le cas où l'eau n'aurait pas été chauffée durant les « heures creuses ». Ce chauffage d'appoint peut être, par exemple, réalisé à l'aide d'un moyen de chauffage électrique.
- Cependant, la période des « heures creuses » est limitée dans le temps. En France, par exemple, elle dure huit heures. Par conséquent, il est avantageux que le chauffage de l'eau dans le réservoir puisse être réalisé dans ce lapse de temps.
- Pour assurer un chauffage rapide de l'eau dans le réservoir, le compresseur 18 peut être adapté à fournir une puissance comprise entre 1400 et 3000 W au fluide frigorigène. Pour ce faire, le compresseur peut par exemple présenter une cylindrée de plus de 11 cm3.
- En outre, le compresseur 18 est, en l'espèce, un compresseur rotatif Ce type de compresseur est en effet plus performant qu'un compresseur à piston classique, c'est-à-dire un compresseur où le pison est déplacé en translation. Par plus performant, on entend le fait qu'un compresseur rotatif présente de meilleurs rendements mécanique, électrique et isentropique. En particulier, le compresseur rotatif a un rendement isentropique supérieur de l'ordre de 25% au rendement isentropique d'un compresseur à pistons.
- Pour permettre de transmettre une grande quantité de la puissance fournie par le compresseur 18 à l'eau à chauffer, le condenseur présente une surface de contact avec le réservoir 12 compris entre 0,5 et 1 m2. De préférence, de manière à augmenter encore le rendement du transfert thermique entre le fluide frigorigène et l'eau à chauffer, une pâte thermique est disposée entre le condenseur et le réservoir.
- En outre, le condenseur peut être réalisé sous la forme d'un sandwich. Plus précisément, dans ce cas, le condenseur comporte deux plaques, par exemple en aluminium. Les deux plaques présentent chacune une face sérigraphiée de manière qu'une fois co-laminées à froid, les deux plaques forment un conduit. Après le laminage, le conduit est dilaté par la mise sous pression d'air sec afin d'augmenter la surface de contact du circuit frigorifique avec le réservoir.
- Ce condenseur peut également être réalisé sous la forme d'un tube enroulé autour du réservoir. Pour maintenir une surface de contact du condenseur avec le réservoir dans la gamme évoquée ci-dessus, le tube peut présenter une section semi-circulaire dont le côté plan est en contact avec le réservoir.
- Cependant, la puissance fournie par le compresseur 18 permet à la fois de chauffer le fluide frigorigène et d'augmenter sa pression. La pression du fluide frigorigène peut ainsi classiquement atteindre une vingtaine de bars. Par conséquent, il a été constaté une augmentation des pertes de charges dans le circuit thermodynamique, notamment dans le condenseur, due à la puissance transmise par le compresseur au fluide frigorigène.
- Pour réduire les pertes de charges dans le condenseur, le tube ou le conduit du condenseur présente de préférence une section transversale de passage du fluide comprise entre 50 à 75 mm2.
- Cependant, il a été constaté que le tube ou conduit, classiquement réalisé en aluminium, cuivre ou inox, d'une telle dimension présente des risques de déformations du fait de la haute pression du fluide frigorigène dans le condenseur.
- Pour éviter que le condenseur se déforme et réduire encore les pertes de charges, il est proposé de réaliser le condenseur sous la forme d'au moins deux tubes 20a, 20b enroulés en parallèles autour du réservoir 12. Les deux tubes 20a, 20b ont une section de passage du fluide frigorigène comprise entre 25 et 38 mm2.
- De manière alternative, il est proposé de réaliser le condenseur du type sandwich de manière que celui-ci présente au moins deux conduits parallèles, dont la section de passage du fluide frigorigène est comprise entre 25 et 38 mm2.
- La
figure 3 illustre les pertes de charges dans les condenseurs évoqués ci-dessus en fonction de la puissance fournie au fluide frigorigène. Les courbes 30, 32, 34 correspondent respectivement à un condenseur de type sandwich à conduit unique, à un condenseur sous forme de tube unique et à un condenseur à deux tubes parallèles, ces trois condenseurs étant du type adapté à une application dans le domaine des chauffe-eau thermodynamiques. En particulier, les trois condenseurs étudiés présentent des surfaces d'échange avec la cuve d'eau comparables. - Ce graphique montre clairement que l'utilisation d'un condenseur à deux tubes maintient les pertes de charges à un niveau nettement inférieur au niveau des pertes de charges dans un condenseur selon l'un des deux autres types de condenseur. Un gain d'au moins un bar est ainsi obtenu à 1500W. Ce gain monte à plus de 3,5 bars à la puissance de 3500 W. La réduction des pertes de charges dans le condenseur permet de transmettre une plus grande puissance à l'eau à chauffer. Ceci permet donc de chauffer l'eau plus vite.
- Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et au mode de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art.
Claims (10)
- Chauffe-eau thermodynamique (10) comprenant une unité électronique de commande adaptée à commander le chauffage de l'eau en fonction de l'heure.
- Chauffe-eau thermodynamique selon la revendication 1, comprenant en outre un circuit thermodynamique d'échange thermique entre un flux d'air et l'eau à chauffer, le circuit comprenant :- un évaporateur (16) adapté à être traversé par le flux d'air ;- des moyens (18) de mise en circulation du fluide frigorigène dans le circuit thermodynamique ;- un condenseur (20) pour transférer des calories du fluide frigorigène à l'eau à chauffer.
- Chauffe-eau thermodynamique selon la revendication 2, dans lequel les moyens de mise en circulation du fluide frigorigène comportent un compresseur, de préférence à piston rotatif.
- Chauffe-eau thermodynamique selon la revendication 3, dans lequel le compresseur est adapté à fournir une puissance comprise entre 1400 et 3500 W au liquide frigorigène.
- Chauffe-eau thermodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un réservoir adapté à recevoir l'eau à chauffer, le réservoir présentant de préférence une contenance comprise entre 250 et 300 litres.
- Chauffe-eau thermodynamique selon les revendications 2 et 5 en combinaison, dans lequel le condenseur (20) est réalisé sous la forme d'au moins un tube enroulé autour du réservoir (12), de préférence deux tubes.
- Chauffe-eau thermodynamique selon revendication 6, dans lequel le condenseur (20) est réalisé sous la forme d'au moins deux tubes enroulés autour du réservoir (12).
- Chauffe-eau thermodynamique selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le au moins un tube présente une section transversale sensiblement semi-circulaire, le côté plan de la section transversale étant en contact avec réservoir (12).
- Chauffe-eau thermodynamique selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le au moins un tube présente une section transversale de passage du fluide comprise entre 25 à 38 mm2.
- Chauffe-eau thermodynamique selon les revendications 2 et 5 en combinaison, dans lequel le condenseur est réalisé sous la forme de deux plaques co-laminées pour former au moins un conduit, de préférence au moins deux conduits, en contact avec le réservoir (12).
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EP3462106A1 (fr) | 2017-09-28 | 2019-04-03 | Daikin Industries, Ltd. | Unité d'alimentation en eau chaude et procede de maintenance pour un mecanisme de chauffage de celui-ci |
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