Brevet FR2238127A1 — publié le 19750214

La présente invention concerne un dispositif collecteur de chaleur solaire, qui se compose dtau moins un tuyau traversé par un fluide absorbant la chaleur et la restituant, ainsi que de nervures de tôle reliées à conduction thermique avec le tuyau et absorbant la chaleur de rayonnement du soleil. Sous le nom de coll ecteur de chaleur, on entend ici une installation, au moyen de laquelle la chaleur apportée par le rayonnement solaire est transmise à un organe échangeur de chaleur, qui se trouve dans un état d agrégat liquide, en vapeur ou en gaz. Dans un mode de construction connu de - collecteurs solaires de ce genre, on utilise pour l'absorption de la chaleur de rayonnement provenant du soleil, des tôles métalliques qui sont constituées en une matière spécialement bonne conductrice de la chaleur, telLe que par exemple, du cuivre, et dont la surface exposée au soleil est noircie. Ces tôles métalli métalli e type de collecteur solaire remplit son rôle d'une manière presque idéale, dans la; mesure où, dans les conditions posées relatives à la surface de transmission de chaleur du tuyau, tout le flux de chaleur provenant du rayonnement solaire qui frappe les tôles conductrices de la chaleur s'élevant à environ 400 kcal, par mètre carré/heure, est concentré à 5 à 10 fois la valeur ci-dessus. D'autre part, les fluides d'échange de chaleur à utiliser, soit en raison d'une grande vitesse dtécoulement dans le tuyau, ou en raison de changement de l'état d'agrégat, c'est-à-dire lors du passage de l'état liquide à un état de vapeur, sont capables avec une chute de température très faible, d'absorbeur des flux de chaleur de l'ordre de grandeur de 3000 à 4000 kcal/M2. De tels collecteurs de chaleur solaire possèdent, en outre, une capacité calorifique extrêmement réduite, de sorte que la totalité du collecteur solaire, y compris le fluide d'échange de chaleur contenu dans le tuyau est échauffé en un temps très court jus 3ien que de tels collecteurs solaires soient avantageux, leurs frais de fabrication et de matériau sont cependant tellement élevés que, jusqu'a' maintenant, une mise en pratique n'a pas pu être atteinte pour des raisons purement économiques. La présente invention a pour but de réaliser un collecteur solaire du type en question, qui puisse etre fabriqué à prix spécialement bas et qui cependant, présente une liaison de transmission de chaleur particulièrement bonne entre les nervures absorbantes de la chaleur solaire et le tuyau parcouru par le fluide d'échange de chaleur. Dans ce but, l'invention est caractérisée en ce que les ner vures, ainsi qui il est déjà connu dans la technique de chauffage de plafonds, présentent chacune une gorge s1 étendant dans l'axe longitudinal du tuyau en question, servant au support de celui-ci, adaptée à son diamètre extérieur, espace intermédiaire compris entre l'enveloppe extérieur du tuyau et la surface intérieure de la gorge concave qui lui fait face étant remplis avec de 11 asphalte, du goudron ou autre substance organique ou minérale de meme conductibilité calorifique, viscosité et température de fusion. L'emploi d'asphalte, de goudron ou autre substance analogue pour remplir l'espace entre le tuyau et la gorge, est dtune importance particulière parce que lors d1un échauffement des nervures liées au tuyau, -le goudron ou une substance analogue devient pâteux, de sorte que-le tuyau, avec sa surface extérieure tournée vers la gorge s'insère étroitement dans 11 asphalte, et réalise ainsi, sur la totalité de sa surface d'application, une liaison intensément conductrice de là chaleur entre la nervure et le tuyau.Cette liaison conductrice de la chaleur est ainsi toujours assurée lorsque la nervure, en raison de l'échauffement et également du refroidissement subit une modification de longueur par rapport au tuyau Si les tuyaux ainsi que les nervures correspondanteisont constitués, par exemple, en matériaux qui présentent des coefficients de dilatation différents, il est judicieux de prévoir que sur le tuyau, en direction de- sa longueur, sont disposées un certain nombre de nervures l'une derrière l'autre, avec chaque fois, entre les bords se faisant face sur deux nervures voisines, un espace intermédiaire qui permet une dilatation différente des nervures par rapport --au- tuyau.Grâce à cette mesure, il est par exemple possible de constituer les tuyaux en acier, et par contre1 les nervures qui servent à la captation de la chaleur, en aluminium, bien que le coefficient de dilatation thermique de l'aluminium soit environ le double de celui de l'acier. Si par contre, on préfère une nervure continue équilibrer les différentes longueurs de di latation, de prévoir que cette nervure continue présente des sail lLes bombées espacées entre elles et transversales à l'axe du tuyau, qui sont en mesure de compenser les longueurs de dilatation différentes se produisant entre les portions indisiduelles de la nervure Dans ces conditions, les parties inférieures des bombements qui entourent le tuyau sont bombées vers extérieur et les parties de bombements, qui se raccordent à ces parties de chaque côté, extérieures et -rectilignes prévues dans les ailes de nervure de chaque côté de la gorge concave, sont bombées, soit dans le mdme sens, soit dans le sens opposé. La transition entre les parties bombées entourant le tuyau et les parties bombées dans les ailes rectilignes peut etre facilement réalisée dn point de vue de la tectuique de fabrication, dans lie cas d'épaisseurs de tôle très grandes, lorsque, dans le domaine de cette transition des bombe- mentis, sont prévues des parties estampées En vue d'assurer, dtune part, le montage des nervures sur le tuyau, et, d'autre part, une bonne application des nervures sur l'enveloppe extérieure du tuyau, il est, en outre, avantageux de prévoir que l'angle d'enroulement de la gorge concave de chaque nervure- est supérieur à 180 , par exemple égal à 210-2400. De cette maniere, lors de l'engagement du tuyaudans 1a gorge des nervures, les bords des gorges s'écartent l'un de l'autre, puis, an raison de l'élasticité propre de la matière, ils reviennent dans leur position initiale et s'appliquent ainsi avec pression élastique contre l'enveloppe extérieure du tuyau la dépense de matière pour les nombreuses nervures qui sont nécessaires peut, en outre, être réduite à un minimum en prévoyant que la section trsnrversale des ailes des nervures diminue vers les tords extérieurs, et que la section t'ransversale des gorges diminue en direction de leur fond. Ce rétrécissement de l'épaisseur de paroi des gorges a également pour résultat une plus grande élasticité de la gorge et assure ainsi un effet de serrage meilleur de la nervure dans le cas d'un angle d'enroulement supérieur a' 1800. Dans la construction de telles installations' de collectewrsw de chaleur solaire, on prévoit un grand nombre de tuyaux ainsi pourvus de nervures qui sont disposés en rangées l'un près de l'autre et qui sont réunis entre eux de chaque côté par des tuyaux collec- teurs de fluide. Une liaison particulièrement simple et sure est obtenue, conformément à l'invention, par le fait que les extrémités de chaque côté, de tous les tuyaux parallèles entre eux sont engagées dans l'intérieur du tuyau collecteur commun, à travers des perçages qui sont d'-un diamètre supérieur à celui des extrémités des tuyaux Dans ce cas, l'étanchéité de'la jonction est assurée au moyen de pièces intermédiaires en forme de douilles ou de tuyaux souples, enfilées sur les extrémités des tuyaux à nervures, et constituées en une matière élastique, notamment-un élastomère, dont le diamètre extérieur est supérieur au diamètre intérieur des perçages prévus dans le tuyau collecteur commun, de telle sorte que, après leur insertion dans le perçage-qui lui est affecté, chaque pièce intermediaire subisse, dans la zone de son bord extérieur, une contraction de rétrécissement assurant l'étanchéité du joint. Afin que, le cas échéant, chacun des tuyaux individuels pourvus de nervures puisse être séparé du tuyau collecteur commun, et inséré à nouveau dans celui-ci, il est avantageux de prévoir que le rapport entre le diamètre extérieur du tuyau pourvu de nervures et sa longueur soit égal à environ 1/250. Un tel dimensionnement du tuyau le rend suffisamment souple pour que,, lorsqu'on le soulève en son milieu, il se produise un raccourcissement de sa longueur suffisamment grand pour qué ses deux extrémités libres puissent, etre extraites des deux tuyauxcollecteurs communs, sans que, pour autant, la distance entre lesdeux tuyaux collecteurs doive être augmentée pour permettre cette extraction. La description ci-après se rapporte à plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titres d'exemples non Iimitaties et expliqués avec référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un premier exemple de réalisation la figure 2 est une vue en plan de cette forme de réalisation en direction de la flèche k la figure 5 est une représentation analogue à la figure 1 d'un deuxième exemple de réalisation la figure 4 est une vue en coupe par la ligne IY-IV avant l'insertion du tuyau dans la gorge continue d'une nervure la figure 5 montre une installation de collecteur de chaleur solaire équipée avec plusieurs tuyaux à ner2uxearde l Mnvention, et les figures 6 et 7 sont des vues en coupe de la jonction entre un tuyau à nervures et un tuyau collecteur commun. Le collecteur de chaleur solaire représenté dans les figures 1 et 2, qui est monté sur la surface supérieure d'une plaque inférieure fixe 1, est constitué comme un tuyau à nervures 2, dont le noyau est un tuyau d'acier 3, dont le diamètre extérieur est dirigé par D. Sur ce tuyau d'acier-3 sont disposées à conduction de chaleur en rangées ltune derrière l'autre des nervures 4, qui sont constituées elles-m8mes en une matière bonne conductrice de la chaleur, telle que par exemple l'aluminium, et dont les surfaces extérieures 5 sont noircies en vue de l'absorption de la chaleur du rayonnement solaire. t'emploi d'un tuyau en acier 3 de ce genre est économique, aussi bien du point de vue de son prix qu'également de sa résistance mécanique. En outre, un tel tuyau en acier, dans le cas d'utilisation alun fluide intérieur d'échange de chaleur faiblement alcalin, présente un comportement favorable à l'égard de la corrosion. Comme matière pour les nervures 4, l'aluminium est par contre préférable, car cette matière, du point de vue de son pouvoir de transmission de la chaleur, ainsi que de son prix est considérablement plus avan tapeuse que toutes les autres matières actuellement connues. Chacune des nervures mentionnées 4 présente, s'étendant dans la direction axiale du tuyau d'acier 3, et servant au support de celui-ci, une gorge continue 6, dont la convexité est tournée vers la surface fixe de support 1, et qui est adaptée dans son diamètre au diamètre extérieur du tuyau D. Les deux ailes 7 et 8 de la nervure se raccordent à cette gorge 6. Ces ailes sont inclinées par rapport au plan horizontal d'une -manière telle que leurs bords ex téríears d'extrémité 9 reposent sur la surface fixe de support 1, )a ligne de? liaison entre ces deux bords extérieurs 9 étant tangente à l'enveloppe extérieure 10 de la gorge 6. En vue de pouvoir réaliser, avec la dépense de matière la plus réduite possible, une transmission optimale de la chaleur captée par les ailes 7 et 8 de la nervure vers la gorge 6, ainsi que VESS le tuyau acier 3, les ailes 7 et 8 de la nervure présentent une section transversale en forme de coin qui-se rétrécit en forme de coin à partir des bords intérieurs il vers les bords extérieurs 9. Pour la même raison, la section transversale de la gorge 6 se rétrécit également à partir des deux bords supérieurs 12 vers le fond 13 de la gorge avec lequel celle-ci repose sur la surface de support 1. Comme le montre d'autre part la figure 1, l'espace interné diaire compris entre la surface intérieure 14 de la gorge 6 et la surface enveloppe~extérieure 15 du tuyau d'acier inséré dans la gorge, est rempli avec une mince couche 16 dtasphalte. Le remplissage de cet espace intermédiaire avec de l'asphalte s'effectue alors en munissant, soit le tuyau d'acier 3, soit -la gorge 6, soit les deux, d'un mince revêtement en asphalte. Après insertion du tuyau 3 dans la gorge 6, sous l'effet de la chaleur solaire, ce rev8tement d'asphalte se ramollit à l'état pâteux et assure ainsi, par cette fusion, une liaison bonne conductrice de la chaleur entre le tuyau d'acier 3 et la gorge 6. Avec une épaisseur de la couche de revêtement asphalte de, par exemple, seulement 0,3 mu, et dans le cas d'un flux de chaleur à travers cette couche d'asphalte, d'un ordre de grandeur de 4000 kcal. par m2/heure, il se produit, à travers cette couche d'asphalte 16 elle-m8me, une chute de température d'environ 2-0C dans le flux de chaleur transmis. En raison de l'effet de serrage de la gorge 6 sur le tuyau 3 et en raison du poids propre du tuyau, la distance entre la surface intérieure 14 de-la gorge 6 et la surface enveloppe extérieure 15 du tuyau 3 reste en pratique, cependant inférieure à 0,3 mm, de sorte que la perte de température est encore inférieure pratiquement à 1 C. Un autre avantage de l'emploi d'asphalte comme couche inter mêdiaire 16 conductrice de la chaleur réside encore en ce que l'asphalte, en raison de son état pâteux résultant de la mise en service du collecteur-de chaleur solaire, permet encore de légers déplacements de coulissement des nervures 4 par rapport au tube dladier. Cette possibilité de déplacement relatif des nervures par rapport au-tuyau prend une importance particulière parce que le coefficient de dilatation thermique de l'aluminium est environ le double de celui de l'acier du tuyau 3, ce qui, dans le cas d'une liaison rigide entre les nervures et le tuyau provoquerait une déformation de courbure et meme une destruction du tuyau d'acier. En vue de pouvoir absorber cette dilatation thermique im- portante des nervures 4, il est prévu de ménager, entre les nervures 4 alignées l'une derrière l'autre sur le tuyau 3, chaque fois un intervalle 17, dont la grandeur a se réduit lors drun échauffement des nervures, pour revenir cependant à sa dimension d'origine lors de leur refroidissement. Bien entendu, il-est également possible, au lieu d'un tuyau en acier, d'utiliser des tuyaux en une autre matière, telle que, par exemple, le cuivre, ltaluiinium, le zinc ou encore du verre silicieux ou une matière synthétique. En raison de la liaison déjà mentionnée, conductrice de la chaleur, mais également plas étique, entre le tuyau-3 et les nervures 4, il est possible de choisir dans chaque cas le couple de matières le plus avantageux. Les figures 3 et 4 montrent une autre forme- de réalisation du tuyau à nervures 2 conforme à l'invention, dans lagueale est prévue, au lieu de nervures individuelles 4, une nervure 18 égale- ment en aluminium, s7étdndant sur toute la longueur du tuyau d'acier 3, et qui présente également une gorge 19 servant à supporter le tuyau 3. Dans ce mode de réalisation, la paroi 20 de la gorge s'étend cependant en formant un angle d1 enroulement tomme dans l'exemple précédent, l'espace intermédiaire compris entre la gorge 19 et le tuyau d'acier 3 est rempli, de la même manière, avec une couche d'asphalte 16. Si le tuyau d'acier 3 est inséré par le haut dans la gorge 19, les bords de la gorge désignés par la référence 24, s'écartent l'un de l'autre, en raison de ce grand angle d'enroulement &alpha;, et ils reprennent, dès que le tuyau est engagé jusqu'au fond de la gorge, ennison de leur élasticité, leur position primitive repré- sentée dans la figure 3, tout en étant élastiquement appliqués et pressés contre la surface extérieure 15 du tuyau 3. En vue d'équilibrer, dans ce cas également, la dilatation thermique très importante, déjà mentionnée plus haut de la nervure continue 18 enaluminium, il est prévu, dans celle-ci des parties bombées en saillie 22, espacées l'une de l'autre, et transversales à l'ase longitudinal de la gorge 19. La partie du bombement 23, qui est entourée par la gorge est dirigée vers le bas et les deux parties 24 qui se trouvent dans le domaine des ailes de la nervure sont dirigées vers le haut. En vue d1éviter les difficultés qui pourraient résulter de la déformation de ces saillies bombées 23 et 24 dans la zone de transition 25 entre les ailes et le corps de la nervure, il est judicieux de prévoir dans cette zone de transition des estampages dans la matière de la nervure 18. La figure 5 montre une installation de captation de chaleur solaire équipée avec plusieurs tuyaux à nervures ou ailettes 2. Ces tuyaux sont disposés parallèlement l'un à coté de l'autre dans un caisson 26 constitué en une matière isolante de la chaleur et fermé par une plaque de couvercle 27 transparente aux rayons du soleil constituée en verre silicieux ou en matière synthétique. Au-dessous de cette plaque 27 est disposée une fewille transparente 28 pliée en forme de Zig-zag, qui s'oppose à un rayonnement en retour de la chaleur rayonnée par les tubes 2 vers la- volte du ciel. - Les tuyaux d'acier 3 parallèles entre eux sont reliés entre eus à leurs extrémités frontales, au moyen de tuyaux collecteurs 29 représentés dans les figures 6-et 7,par lesquels le fluide d'échange de chaleur est introduit et évacué. Si, dans ce mode de réalisation sont prévues des nervures partielles 4 telles que celles représentées dans les figures 1 et 2, celles-ei peuvent être disposées l'une près de l'autre perpendiculairement à l'axe des tuyaux dtacier 3. Mais elles peuvent également être réunies en unenervure multiple unique, les bords de chaque nervure individuelle se prolongeant directement dans le bord de la nervure voisine. La figure 6 montre d'une part, l'extrémité libre 30 de l'un des tuyaux d'acier, et, autre part, l'un des tuyaux collecteurs communs 29, en coupe transversale. Dans ce tuyau collecteur 29 sont prévus un nombre de perçages 31 égal au nombre de-s tuyaux à nervures 2 à raccorder. Le diamètre des perçages B est supérieur au diamètre D des tuyaux d'acier 3. Si l'extrémité 30 du tuyau-3 doit etre raccordée au tuyau collecteur commun 29, on enfile d'abord sur l'extrémité 30 du tuyau, un morceau de tuyau souple 32 constitué en une matière élastique.Ensuite, l'extrémité de tuyau 30, en commun avec ce morceau de tuyau souple 32, est introduite, dans le sens de la flèche 33, dans le perçage correspondant 31 du tuyau collecteur commun 29, jusqu'à ce que 11 extrémité de tuyau 30 bute, de la manière représentée dans-la-*fzgure;T, veson--bord bord taillé obliquement en biseau, contre la paroi intérieure 35 du tuyau col lecteur 29. Cependant, pendant l'insertion de l'extrémité de tuyau -30, le morceau de tuyau souple 32 est immahilisé par 1-Q bord du perçage 31, de telle sorte que dans le domaine de ce bord du per çage, se trouve formé dans la paroi extérieure du tuyau souple 32 un rétrécissement désigné par 36. En raison de cette contraction d'écrasement de la matière du tuyau souple dans la zone de ce rétrécissement 36, on réalise une étanchéité parfaite entre ltextrémité du tuyau 30 et le tuyau collecteur 29. Ce joint étanche peut cependant facilement être libéré en tirant le tuyau 30 en sens inverse de- la flèche 33 hors du tuyau collecteur 29. Si, dans le cas d'un tuyau en acier 3, le rapport entre le diamètre et la longueur du tuyau est égal à environ 1/250, il est possible, pour dégager le tuyau en acier de ce raccordement, de soulever simplement celui-ci, en son milieu, pour que, en raison du raccourcissement de longueur de la corde de cette courbure-, l-es deux extrémités 30 sortent des deux tuyaux collecteurs 29 prévus de chaque côté sans que soit nécessaire un déplacement de ces tuyaux collecteurs par- rapport au reste de la tuyauterie. ~~~~~ Bien entendu, l'invention ntest pas limitée aux exemples décrits et représentés. Diverses modifications restent possibles, notamment dans la construction des éléments, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. -RBVBN3)I CkT I0N- 1. Collecteur de chaleur solaire du type comprenant au moins un tuyau parcouru par un fluide absorbant la chaleur et la restituant, ainsi que des nervures ou ailettes en tôle, reliées à conduction thermique avec le tuyau et absorbant la chaleur de rayonnement du soleil, collecteur caractérisé en ce que les nervures présentent chacune une gorge s1 étendant suivant l'axe longitudinal du tuyau d'acier, servant au support de celui-ci, étant adaptée dans sa section transversale au diamètre extérieur du tuyau, Espace intermédiaire compris entre la paroi d'enveloppe extérieure du tuyau d'acier et la surface intérieure qui lui fait face, de la gorge concave étant rempli avec de l'asphalte, du goudron, ou autre matière organique ou minérale ayant les mêmes propriétés de transmission de chaleur, de viscosité et qe température de fusion. solaire 2. Collecteur de chaleur, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que sur le tuyau d'acier, en sa direction longitudinale, sont disposées l'une derrière l'autre plusieurs nervures, un espace intermédiaire étant prévu entre les bords se faisant face de deux nervures voisines. 3. Collecteur de chaleur solaire, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que sur le tuyau d'acier est disposée une nervure continue, qui s'étend sur presque. toute la longueur du tuyau d'acier et qui présente des bombements en saillie dirigés transversalement à l'axe,et espacés les uns des autres. 4. Collecteur de chaleur solaire, suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la partie de bombement qui entoure le tuyau d'acier est bombée vers l'extérieur, et les parties de bombements qui se raccordent à celle-ci, de chaque côté, qui sont formées dans des ailes de nervure prétendant de chaque côté de la gorge sont bombées dans la même direction, ou également dans la direction opposée. 5. Collecteur de chaleur solaire, suivant la revendication 4, caractérisé en ce que des estampages sont prévus dans la zone de transition des bombements. 6. Collecteur de chaleur solaire, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'angle suivant lequel la gorge concave entoure le tuyau placier est supérieur à 180o. 7. Collecteur de chaleur solaire, suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'angle suivant lequel la gorge concave entoure le tuyau d'acier est compris entre 210g et 2400. 8. Collecteur dé chaleur solaire, suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la section transversale des ailes des nervures va en se rétrécissant en allant vers leur bord extérieur, et la section transversale de la gorge va en se rétrécissant en direction du fond de la gorge. 9. Collecteur de chaleur solaire, suivant la revendication 1, caractérisé en ce outil comprend, pour les tuyaux d'acier, des tuyaux collecteurs de fluide communs dans lesquels les deux extrémités des tuyaux d'acier pénètrent à travers des perçages dlun diamètre supérieur à celui de ces extrémités, 11 étanchéité du joint étant assurée au moyen de pièces intermédiaires en matière élastique élastomère glissées sur les extrémités des tuyaux d'acier et dont le diamètre extérieur est supérieur à celui des perçages du tuyau collecteur, de telle sorte que, après engagement dans le perçage correspondant, chaque pièce supporte, au voisinage de son bord, un rétrécissement élastique par écrasement de la matière élastomère. tO. Collecteur de chaleur solaire, suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre extérieur des tuyaux d'acier et leur longueur est égal à environ 1/250.