Brevet FR2355253A1 — publié le 19780113

La présente invention se rapporte à un appareil pour 1' absorption d'énergie de rayonnement, de préférence un absorbeur du type "corps noir", et à un dispositif de chauffage ou d'échange de chaleur utilisant un tel appareil d'absorption, par exemple des dispositifs de chauffage domestiques, d'alimentation en eau chaude, de dessalement ou de distillation d'eau saumStre. Les appareils connus d'absorption d'énergie sontgéné- ralement constitués par des tubes å section circulaire, groupés en batterie, en serpentin ou autre orientation ; le plus souvent, ils comprennent une plaque métallique plane à laquelle sont fixés une pluralité de tubes circulaires. En variante, ils sont obtenus å partir de deux tôles métalliques dont Ltune ou les deux sont profilées de manière à former des passages de fluide lorsqutelles sont soudées ensemble, leur aspect étant alors voisin de celui d' un radiateur de chauffage central à eau chaude. Dans tous les cas, le rapport de la quantité de chaleur produite et transférée dans le fluide à la quantité de chaleur du rayonnement incident fait apparaître un faible rendement pratique. La présente invention a pour objet un appareil dont le rendement est sensiblement le double de celui des appareils d'absorption de chaleur existants. Les dispositifs connus sont généralement logés dans un châssis, une structure, une cuve ou un autre équipement isolé thermiquement. L'appareil suivant l'invention peut être incorporé dans n'importe quel équipement de ce type, par les procédés usuels de mise en place et maintien en position des éléments de l'appareil. D'une manière générale, l'appareil suivant l'invention peut être raccordé à tout circuit et équipement de chauffage. L'appareil d'absorption d'énergie suivant l'invention comprend une pluralité de conduits tubulaires pour la circulation d'un fluide de transfert de chaleur eta en situation d'échange de chaleur avec ces conduits, des surfaces d'absorption d'énergie de rayonnement qui sont inclinées les unes par rapport aux autres, de façon à ce qu'au moins une partie importante de l'énergie de rayonnement réfléchie par une surface d'absorption soit reçue par une autre de ces surfaces d'absorptione Les surfaces et les conduits sont réalisés en matière ayant une conductivité thermique élevée, de préférence en métal, par exemple acier, cuivre, 1aluminium, ou alliage d'aluminium.Les surfaces et les conduits peuvent Btre fabriqués par tout procédé approprié, par exemple emboutissage, mou lage ou extrusion. Les surfaces d'absorption d'énergie ont de préférence un état de finition approprié pour l'absorption thermique. Elles peuvent, par exemple, Autre teintées en noir mat par oxydation, re vtement avec une peinture appropriée ou, dans le cas de ltalumi- nium, par anodisation. Les équipements basés sur la préente invention peuvent être dimensionnés, conçus et fabriqués en fonction des caractéristiques particulières désirées pour/application concernée. Les surfaces d'absorption d'énergie peuvent être solidaires des conduits tubulaires ou autre formées séparément de ces derniers. Par exemple, des tubes de section triangulaire peuvent être disposés parallèlement les uns aux autres dans un plan, pour constituer un arrangement ayant une section transversale en dents de scie ou en zigzag. En variante, on peut plier une feuille de matière ayant des caractéristiques appropriées d'absorption de chaleur, pour obtenir un profil en dents de scie, les conduits étant placés en communication thermique avec cette feuille. Dans une autre forme de réalisation, les surfaces d'absorption énergie peuvent constituer un ensemble de projections, par exemple des dd- mes ou pyramides, qui sont en communication avec les conduits tu bullaires. Lorsque les conduits forment eux-mtmes les surfaces d' absorption d'énergie, des chicanes de division du ddbit de fluide peuvent être incorporéesdans les conduits, pour empocher le contact direct entre le fluide de transfert de chaleur et la face inverse des surfaces d'absorption d'énergie. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de ses formes de réalisation, non limitatives, reprdsen- tées sur les dessins annexés. Fig. 1 représente des exemples de sections transversales de conduits tubulaires incorporant les surfaces d'absorption d'énergie. Fig. 2 montre des exemples de sections transversales de conduits combinés avec des surfaces d'absorption d'énergie et comportant des séparations. Fig. 3 est un graphique du rendement d'échange de chaleur pour un appareil usuel et pour un appareil conforme à la présente invention (voir Nota page 7). Fig. 4 est une section transversale d'une forme de réa lisation d'un appareil suivant l'invention, et Fig. 5 est une vue en plan partielle de l'appareil, équipé d'une vanne thermostatique pour le réglage de- la température minimale. On voit, sur les figures 1 et 2, que la- section transversale des surfaces d'absorption d'énergie peut être à faces droites, convexes, concaves, en ogive, ou une combinaison de deux ou plusieurs de ces formes. L'angle compris entre des -surfaces adjacentes d'absorption d'énergie est de préférence au plus égal à 300, pour obtenir un fort pourcentage de réception du rayonnement réfléchi sur une surface adjacente. Les conduits tubulaires sont déterminés, en dimension, angle et position, afin de recevoir de façon optimale et d'absorbeur la plus grande quantité possible de rayonnement direct, réfléchi et diffus. Les conduits sont de préférence interconnectés de manière à former un passage continu pour un fluide de transfert de chaleur. Le choix des angles et des dimensions ainsi effectué permet d'obtenir un meilleur rendement, pour plusieurs raisons a) Indépendamment des variations de 11 angle d'incidence de l'énergie de rayonnement, les lois de la lumiere étant respectées, une très petite partie de la chaleur de rayonnement est réfléchie hors de 1' appareil une fois qu'elle y a pénétré. b) Le rapport de la surface d'absorption de chaleur à la surface occupée par l'appareil est de l'ordre de 5/1, alors que dans les dispositifs connus ce rapport dépasse rarement 2/1. c) Sensiblement plus de 66% du rayonnement ré-émis, qui est une fonction du coefficient dtémissivité de la matière et de la puissance quatre de la température absolue, rayonnant hémisphériquement à partir des surfaces d'absorption de chaleur, sont également contenus dans la construction angulaire et réabsorbés sur une nouvelle surface d'absorption. Le phénomène thermodynamique, qui intervient pour un absorbeur à plaque plane, peut être défini par neuf équations de base indiquées ci-après, l'équation ( étant le résumé des huit autres. (1) Pe = Pr - Gp + Ge + yp Me + U1 + U2 + U3] (2) Pr = P Cos a Cos ss (3) Gp = [Pr (1-p1) + Pr(1-p2)] (4) Ge = [Pr x a] x 0,666 (5) Mp = Pr -[Gp + (Ga x a)] x p (6) (7) K1 Me = E[T/Q]4 U1 = TD x [] L1 TC - TA TC - TA (8) U2 (9) U3 = L1 L2 L3 - + - + R1 + R1 K K1 K2 1 K3 î Les symboles utilisés dans les équations ont la signification suivante :: Symbole Siqnification Unités Pe Entrée d'énergie dans l'eau W/m Pr Intensité d'énergie par m2 de panneau " Gp Energie réfléchie par le couvercle en verre Ge Energie émise par le couvercle en verre " Mp Energie réfléchie par la plaque d'absorbeur " Me Energie émise par la plaque d'absorbeur " U1 Déperdition de l'appareil par convexion U2 Perte par convexion à travers l'air et le verre U3 Perte par conduction à travers la base f' isolante P Intensité globale incidente, au soleil " a Angle d'incidence par rapport à la position du soleil et à l'inclinaison du panneau Angle d'incidence par rapport à l'azimuth du soleil et à la déviation du panneau P1 Indice de réflexion pour la première surface de verre, pris pour 0,96 P2 Indice de réflexion pour la deuxième surface de verre, pris pour 0,97 a Facteur d'absorption de chaleur de rayonne ment du verre, pris pour 0,13 p Facteur de réflexion du revêtement sélectif, pris pour 0,2 E Coefficient d'émissivité du métal de la pla que de base de l'absorbeur, pris pour 0,8 T K = C + 273 Q Constante de Boltzman, prise pour 64,5 TD Différence de température plaque d'absorbeur- C plaque de verre K1 Conductivité thermique de l'air à la température moyenne appropriée W/m C m Symbole Siqnification Unités L1 Epaisseur effective de l'intervalle d'air m TC Température de la plaque d1absorbeur OC TA Température de l'air ambiant OC L2 Epaisseur effective du verre m0 K2 Conductivité thermique du verre W/m C m R Résistance de surface à la différence de température appropriée verre-air L3 Epaisseur effective d'isolation m K3 Conductivité thermique de l'isolation W/m C m R1 Résistance de surface à la différence de température appropriée base-air Les points suivants sont à noter : 1.Chaque processus thermodynamique étant multiple en-nature et inter-réactif, les équations 3, 4 et 5 doivent être répétées plusieurs fois, et les valeurs corrigées jusqutà ce qu'on obtienne la valeur totale finale de transfert d'énergie. 2. Dans l'équation (4), le coefficient 0,666 est introduit parce que l'énergie absorbée par le verre est réémise vers l'extérieur dans le rapport des 2/3 et d-'1/3 vers l'intérieur. 3. L'équation (6) se rapporte à l'effet de serre bien connu et, bien que les pertes réelles soient négligeables et qu'on puisse par conséquent-ne pas en tenir compte, cette équation est indiquée pour que l'exposé soit complet. Les équations ci-dessus sont applicables à des conceptions courantes d'absorbeur à plaque plane. Pour calculerl'absor- beur suivant la présente invention, il faut faire les modifications suivantes t (i) Dans l'équation (5), la première valeur Mp calculée doit être multipliée par 0,2 car 80% de la première réflexion sont réabsorbés. (ii)-Dans l'équation (6), la valeur Me obtenue doit être multipliée par 0,312 car 68% du rayonnement émis sont réabsorbés par les surfaces d'absorption thermique supérieures de la présente invention. (iii) Dans les équations (7), (8), (9), les épaisseurs effectives de L1 et L2 sont respectivement 10,26 x 10 3 et 2,86 x 10 3 puisque l'absorbeur suivant l'invention a un rapport de surfaces de 4/1. Les figures 4 et 5 représentent une forme préférée de réalisation de l'invention. L'exemple d'application choisi est celui d'un absorbeur d'énergie solaire. Dans ce type d'application, et afin de compenser partiellement les différences d'énergie solaire entre l'hiver et Isété, l'appareil est de préférence-incliné dgun certain angle en fonction du degré de latitude de son emplacement, de façon à obtenir le rendement maximal possible de transfert thermique en combinaison avec un angle de tube maximal de -300. On voit, sur les figures 4 et 5, que des surfaces 1 dt absorption de chaleur, disposées longitudinalement, sont montées sur une plaque support 2 par paires inclinées, les surfaces d'une méme paire formant entre elles un angle de 300 environ. On obtient ainsi une pluralité de conduits parallèles 3A, de section triangulaire et étanches à l'eau0 Le rapport du côté à la base du triangle est de 2/1. Les faces-externes des surfaces d'absorption et les conduits sont interconnectés par des tubes 3 pour former un passage d'écoùlement continu pour un fluide de transfert de chaleur, de l'eau dans ce cas.Le dispositif est monté dans un cadre 4 supportant une double vitre So En variante, mais moins avantageusement, on peut utiliser une feuille unique de matière transmettant la lumière. Le cadre 4 porte également une plaque intermédiaire 6 à surface supérieure réfléchissante, une -zone d'isolation 7 et une plaque de base 8. Les figures 4 et 5 ne sont pas à l'échelle. La figure 5 représente une variante de réalisation, dans laquelle une vanne thermostatique 9 est utilisée pour recycler l'eau dans l'appareil de chauffage solaire jusqu'à ce qu'elle atteigne une température prédéterminée. Ensuite seulement, l'eau peut circuler hors de l'appareil pour son utilisation en chauffage. Une conduite 10 amène le fluide froid et une conduite 11 sert de sortie pour le fluide chaud. L'inclinaison relative des surfaces d'absorption d'un conduit suivant un angle de 300 et le dimensionnement en section transversale du c8té à la base du triangle dans le rapport 2/1 permettent d'obtenir, à une latitude de 530, une réflexion des rayons solaires incidents (Royaume-Uni : en hiver 530 et en été 90 par rapport à l'horizontale) qui ne sont pas immédiatement absorbés sur une surface dtabsorption, de cette dernière sur une autre surface d'absorptionO De mime, tout rayonnement émis, par exemple la chaleur, est réabsorbé par de nouvelles surfaces d'absorption thermique. Par conséquent, au total, il y a relativement peu de rayonnement reçu par l'appareil suivant l'invention qui ne soit pas absorbé par celui-ci. Dans une variante de réalisation de l'appareil des fi gures 4 et 5, 11 intervalle d'air 7 qui constitue la zone d'isolation thermique est remplacé par une mousse de matière plastique qui peut etre préparée in situ ou préformée en blocs ou feuilles de forme appropriée. De préférence, dans un tel dispositif, la plus grande partie et de préférence tous les interstices à l'intérieur de l'appareil sont garnis de mousse afin d'obtenir l'isolation thermique optimale. Dans le dispositif décrit ci-dessus, la source de rayonnement est le soleil. Le dispositif suivant l'invention peut également être utilisé comme panneau de transfert de chaleur dans une chaudière ou un four dans lequel la source de chaleur est un bzQ- leur à combustible liquide, gaz, charbon ou coke, sans sortir du cadre de l'invention. On voit qutune caractéristique importante de la présente invention réside dans la communication thermique entre les surfaces d'absorption d'énergie et les conduits de fluide, en particulier lorsque les surfaces et les conduits ne sont pas solidaires. Dans ce dernier cas, il est préférable qutau moins une partie de-la section transversale d'un conduit ait une forme qui s'adapte aux parties correspondantes des surfaces d'absorption d'énergie. Dans le cas où on utilise par exemple une feuille à plis parallèles comme surface d'absorption d'énergie, il ntest pas nécessaire d'associer chaque ouverture triangulaire longitudinale à un conduit. Dans un exemple de réalisation, seulement une ouverture sur quatre ou cinq est ainsi associée à un conduit. NOTA : Sur la Fig 3 les rendements étant en ordonnées la courbe inferieure est celle d'un collecteur usuel 9 plaque plane et la courbe superieure, celle du dispositif suivant l'invention. Les graduations en abscisses correspondent à la formule tespérature de plaque - Température d'air ambiant Intensité de rayonnement REVEJDICATIONS 1. Dispositif d'absorption d'énergie de rayonnement, comprenant une pluralité de conduits pour la circulation dun fluide de trans fert de chaleur et des surfaces d'absorption de rayonnement en position d'echange de chaleur avec ces conduits, caractérisé en ce que les surfaces d'absorption de rayonnement sont inclines les unes par rapport aux autres de façon a' ce qu'au moins une grande partie de l'énergie de rayonnement réfléchie ou émise par une surface d'absorption soit reçue sur une autre surface d'absorption, les dites surfaces d'absorption de rayonnement etant de préférence inclinées de 300 au plus lune par rapport à l'autre. 2. DisDositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de surfaces d'absorption de rayonnement dont les axes longitudinaux sont disposes parallèlement dans un plan commun, les dites surfaces formant un ensemble à section transversale globalement en zigzag. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque surface dsabsorption d'énergie de rayonnement est plane. 4. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque surface d'absorption d'énergie de rayonnement est incurve, avec une courbure convexe ou concave par rapport au rayonnement incident. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, ca ractérisé en ce que la matière des surfaces d1absorption déner- gie et/ou des conduits est choisie parmi des métaux tels cue cuivre, fer, acier, aluminium et alliage d'aluminium. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, ca ractérisé en ce que les conduits sont brasés ou soudés aux sur faces d'absorption d'énergie. 7o Dispositif suivant l'une quelconque des revendications I a 5, caractérisé en ce que les surfaces d'absorption d'énergie de ra yonnement comprennent une feuille pliée, en matiere rigide de bonne conductivité thermique, les conduits ayant de préférence une section transversale telle qu'ils s'ajustent dans les plis de ladite feuille et sont maintenus en contact avec elle par brasage ou autre moyen approprié. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé/en ce qu'au moins une surface d'absorption d'énergie de rayonnement est formée intégralement avec chaque conduit. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque surface d'absorption est teintée en noir mat pour améliorer son absorption d'énergie. 10.Dispositif suivant l'ùne quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte un cadre support, une vitre in terposée entre la surface d'absorption de rayonnement et la source de razonnement, et une plaque de réflexion arrière, une vanne thermostatique état de préférence prévue pour recycler le fluide de transfer de chaleur dans le dispositif jusqu'à ce que le fluide atteigne une température prédéterminée. 11.Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un équipement de chauffrage solaire, ou de dessale ment, ou de distilation d'eau saumâtre.