Pompe à chaleur

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Contexte

En raison de la préoccupation croissante de la société pour les problèmes écologiques et environnementaux, la demande pour des moyens plus efficaces d'utiliser la chaleur et l'énergie augmente. L'industrie des pompes à chaleur utilise des avancées technologiques telles que le chauffage des locaux toute l'année pour déplacer l'énergie thermique vers un emplacement et un objectif plus utiles. Ce concept est réalisé en fournissant de la chaleur localisée ou redirigée, tout en échangeant de l'air frais avec de l'air chauffé.

Les principes des pompes à chaleur sont en fait l'inverse des principes technologiques et thermodynamiques d'un climatiseur. La majorité des pompes à chaleur offrent l'avantage supplémentaire de fournir à la fois du chauffage en hiver et du refroidissement en été. Ceci peut être accompli simplement en inversant le flux du fluide de travail circulant à travers les bobines. La pompe à chaleur est un système thermodynamique complet dans lequel un fluide liquide et/ou gazeux est pompé à travers un ensemble où il change de phase en raison de la modification de la pression. Bien que relativement coûteux à installer, le système de pompe à chaleur offre un moyen plus économique et efficace de contrôler les températures et de réutiliser l'énergie thermique existante.

Matières premières

La fabrication de pompes à chaleur implique l'utilisation de grandes pièces moulées en fonte avec des composants en acier inoxydable et des tubes en aluminium. Les pièces moulées, utilisées dans la pompe et le moteur, contiennent souvent de petites quantités de nickel, de molybdène et de magnésium pour améliorer les caractéristiques mécaniques et de résistance à la corrosion de la pièce moulée. Dans les petites pompes à chaleur, certains composants nécessitent l'utilisation d'acier allié pour réduire le poids. Selon le type de fluide de travail utilisé (ammoniac, eau ou chlorofluorocarbures), la tuyauterie du système de pompe à chaleur peut nécessiter de l'acier inoxydable ou de l'aluminium résistant à la corrosion. Dans les systèmes où la cohérence des propriétés thermodynamiques est plus critique, les tubes en cuivre peuvent améliorer l'efficacité. Abritant la plupart des composants de la pompe à chaleur, les boîtiers sont fabriqués en tôle d'acier au carbone doux. Le reste de la tuyauterie, des raccords, des vannes et des raccords est en acier inoxydable.

Toutes les pompes à chaleur nécessitent un fluide de travail pour transférer l'excès d'énergie d'une source de chaleur à une autre. Traditionnellement, les chlorofluorocarbures (CFC) ont été utilisés comme fluides de travail en raison de leurs propriétés thermodynamiques supérieures. En raison des effets nocifs connus des CFC sur l'environnement, ils ont été progressivement retirés de la production. Au lieu de cela, l'eau, les hydrocarbures et l'ammoniac sont fréquemment utilisés dans les systèmes de pompe à chaleur malgré leur manque d'efficacité dans certaines conceptions de pompe à chaleur.

Conception

Les pompes à chaleur ont toutes les mêmes composants de base. Ces composants se composent d'une pompe, d'un condenseur, d'un évaporateur et d'un détendeur. Malgré les similitudes relatives de ces composants, les conceptions de pompes à chaleur varient considérablement en fonction de l'application spécifique de la pompe. Les deux conceptions principales, la compression de vapeur et l'absorption, utilisent des principes thermodynamiques différents, mais toutes deux incluent des composants similaires et offrent des efficacités de système similaires.

Les pompes à chaleur font preuve d'une polyvalence remarquable en fournissant à la fois la climatisation et le chauffage dans le même système en inversant simplement le sens d'écoulement du fluide de travail. À cet égard, les pompes à chaleur éliminent le besoin de systèmes doubles afin de maintenir une température souhaitée. Cependant, cela sera coûteux car cela nécessite un système capable de pomper dans les deux sens. Dans des climats extrêmement défavorables, les pompes à chaleur perdent une partie de leur efficacité et peuvent nécessiter une source de chaleur supplémentaire. Cette chaleur d'appoint peut provenir de l'eau chauffée par géothermie ou de radiateurs électriques.

Le fonctionnement typique de la pompe à chaleur utilise le fluide de travail pour recevoir la chaleur d'une source située à proximité de l'évaporateur. Au niveau de l'évaporateur, le fluide se vaporise en une vapeur à basse pression. En entrant dans la pompe, la vapeur est comprimée à haute pression et pénètre dans un condenseur qui renvoie la vapeur à un liquide et libère finalement sa chaleur stockée à la source souhaitée. Un détendeur permet alors au système de revenir à son état liquide basse pression, et le cycle recommence.

Le processus de fabrication

La pompe est généralement achetée en tant qu'unité finie et installée dans le système en l'intégrant avec des composants de couplage et de tuyauterie. Conçue pour la taille spécifique et les besoins en fluide du système, la pompe peut être expédiée, selon sa taille, directement sur le site d'installation. Cela se produit généralement avec de grandes pompes à chaleur commerciales fournissant de la chaleur et/ou de la réfrigération aux immeubles de bureaux. Les modèles résidentiels plus petits peuvent avoir la pompe installée dans un ensemble qui comprend le condenseur, l'évaporateur et diverses tuyauteries. Ces unités, enfermées dans un boîtier en tôle, seront constituées de divers sous-ensembles pour le condenseur et l'évaporateur afin de boulonner chaque composant au boîtier ou entre eux. Certains des supports utilisés formeront la base de l'unité où la pompe sera boulonnée à un plateau métallique et connectée à un moteur à courant alternatif.

Encastrements

• 1 Assemblés à partir de plusieurs tôles différentes, les boîtiers d'enrobage sont cisaillés sur mesure dans une presse à cisailler. Après avoir été découpés aux dimensions appropriées, de petits trous d'assemblage sont percés dans le métal à l'aide d'une poinçonneuse à commande numérique par ordinateur (CNC). Ces poinçonneuses ont soit une table mobile pour déplacer la tôle, soit une matrice mobile capable de percer des trous à différents endroits du métal. Les poinçonneuses sont souvent dirigées vers l'emplacement de poinçonnage par un programme de conception assistée par ordinateur (CAO). Des outils de poinçonnage de différentes formes sont stockés dans la machine, ce qui lui permet de percer tous les trous nécessaires en changeant simplement le programme informatique.
• 2 Après le poinçonnage, la feuille se déplacera vers une presse plieuse à commande numérique (NC), où elle sera pliée dans différentes formes et configurations. La presse plieuse plie le métal en de nombreuses formes différentes à l'aide de matrices ou d'outils. Contrairement à la poinçonneuse CNC, la presse plieuse nécessitera un changement manuel d'outillage pour effectuer un pli différent. La tôle est alors prête à être soudée, rivetée ou boulonnée aux autres tôles et supports. Une fois assemblées, ces feuilles offrent la plus grande partie de la stabilité des unités autonomes.

Condenseur et évaporateur

• 3 Le condenseur et l'évaporateur sont constitués de nombreux petits tubes minces en cuivre ou en aluminium, qui sont pliés autour de matrices incurvées par des cintreuses de tubes. Les cintreuses de tubes à commande numérique seront programmées pour fournir le même cintrage exact sur chacun des tubes, leur permettant d'être empilés les uns sur les autres. Ces tubes seront ensuite attachés à des plaques ou des ailettes à travers lesquelles les tubes passeront et seront joints par expansion de tube ou soudure de joint. Cela crée un système hermétiquement fermé. L'ensemble tube et plaque agira comme un échangeur de chaleur en permettant au fluide de travail de traverser le système à l'intérieur des tubes, tout en cédant la chaleur dans le condenseur à un autre fluide fluide passant entre les plaques et acquérant la chaleur dégagée à travers les tubes .
• 4 Afin de fournir une résistance ou une connectivité aux composants, les petits supports sont découpés dans de l'acier au carbone doux. Les supports sont généralement découpés dans une bobine d'acier qui est d'abord alimentée en continu par un dérouleur. Une fois déroulé, il est cisaillé, plié et formé en un seul processus continu. Ceci est fait avec une configuration de matrice progressive, où le support reste attaché à la bobine lorsqu'il se déplace de station en station. Chaque station ajoute quelque chose au support, soit un trou ou une encoche, et l'envoie à la station suivante, jusqu'à ce qu'il soit finalement cisaillé de la bobine. Ce processus peut être sous-traité à des fournisseurs qui se spécialisent dans les opérations de matrices progressives ou de presses à transfert et peuvent offrir un meilleur contrôle des coûts.

Tuyauterie

• 5 Plus de tubes sont fabriqués et pliés pour fournir le reste de la tuyauterie nécessaire pour connecter la pompe au condenseur et à l'évaporateur. Divers raccords et composants de connexion sont utilisés. Le détendeur, qui est contenu dans certaines des conduites de tuyauterie, est un autre composant acheté dans son ensemble. Le détendeur est un raccord conçu qui permet l'expansion du fluide de travail et la connexion de tubes de plus petit diamètre avec des tubes de plus grand diamètre. Dans les petites unités résidentielles, la vanne est contenue dans le boîtier principal, tandis que dans les unités commerciales plus grandes, elle peut être installée sur place dans le système de tuyauterie.

Peinture/revêtement

• 6 Les composants, sous-ensembles, supports et/ou plaques sont peints ou enduits de poudre pour une résistance à la corrosion. Avant de peindre, cependant, certaines pièces sont traitées avec un solvant spécial pour éliminer toute graisse ou huile laissée par les opérations de fabrication. Cela se fait généralement en immergeant les pièces dans de grands réservoirs remplis de solvant, puis en les séchant dans un four spécial. Certaines pièces, spécialement revêtues de zinc, de nickel ou de chrome, passeront dans un bain acide avant d'être plongées dans des réservoirs de solution de revêtement. Une fois nettoyées, les pièces sont chargées manuellement sur des plateaux ou accrochées sur des supports spécialement conçus et introduites dans une cabine de peinture. La peinture est appliquée avec un distributeur de peinture sous pression qui pulvérisera de la peinture dans chaque crevasse.

Emballage

• 7 Après avoir passé des inspections rigoureuses, la pompe à chaleur est envoyée dans un emballage, où le système sera emballé et expédié sur le site d'installation.

Installation

• 8 Généralement, les pompes à chaleur seront installées sur le chantier. Le compresseur et l'évaporateur seront construits avec des tubes massifs de 3 pouces (7,5 cm) de diamètre et auront des chambres plus grandes, où le fluide de travail changera de phase. La pompe elle-même sera boulonnée à une dalle de béton et connectée avec un gros moteur à courant continu ou un générateur au gaz naturel. Les raccords et les vannes seront expédiés et installés dans le système de tuyauterie, tout en étant soutenus par des supports et des entretoises ancrés aux murs existants. Ces installations présentent des défis techniques importants et nécessitent souvent une coopération entre l'entrepreneur et le fabricant de pompes à chaleur.

Contrôle qualité

Chaque composant acheté auprès d'un fournisseur extérieur sera généralement inspecté pour vérifier sa conformité dimensionnelle avant d'être assemblé. D'autres composants seront vérifiés lors de leur fabrication pour assurer la qualité. L'assemblage final sera ensuite testé en le remplissant du fluide de travail approprié et en connectant le système à une source d'alimentation pour faire tourner la pompe. En mesurant, avec des transducteurs ou des commutateurs, les niveaux de température et de pression du fluide à différentes étapes, le système final peut être vérifié par rapport à des critères prédéterminés.

Le futur

Avec l'augmentation des coûts de l'énergie, la demande pour une pompe à chaleur efficace va augmenter. Le coût initial élevé sera remboursé intégralement à mesure que la consommation globale d'énergie diminuera. La pompe à chaleur polyvalente profitera aux organisations qui visent à accroître leur exposition aux nouveaux développements technologiques. À mesure que la technologie s'améliore, la pompe à chaleur produira en fin de compte un chauffage et un refroidissement plus rentables. Le développement de produits générera une concurrence entre les industries, ce qui entraînera une diminution des coûts de fabrication élevés. La technologie des fluides de travail continuera de se développer grâce à plusieurs études expérimentales conçues pour répondre aux futures préoccupations environnementales.