Brevet FR2348457A1 — publié le 19771110

L'invention se rapporte à un dispositif d'échange de chaleur comprenant un élément de circuit primaire de liquide et deux chambres séparées à fluides secondaires, dont l'une au moins est destinée à recevoir un fluide de prélèvement de chaleur sur le dispositif et ledit élément de circuit de liquide primaire ainsi que les chambres à fluides secondaires sont disposés à l'intérieur a tune enveloppe commune. Les dispositifs connus d'échange de chaleur comprenant un circuit primaire à liquide et deux circuits secondaires séparés à fluide comprennent couramment deux échangeurs de chaleur séparés. Il en est ainsi par exemple dans un dispositif d'échange de chaleur destiné à l'utilisation de l'énergie solaire et pouvant sélectivement ou simultanément délivrer de l'énergie calorifique à une installation de chauffage et à une installation de production d'eau chaude courante, les fluides des circuits secondaires pouvant aussi être utilisés au choix comme fluides d'accumulation de chaleur.Il faut donc des réservoirs séparés et un système correspondant de canalisations équipé de la robinetterie et des régulateurs nécessaires. L'inconvénientslajeur de ces dispositifs connus réside dans les pertes relativement élevées de chaleur et aussi, lorsque les deux échangeurs séparés sont montés en série, dans la faible utilisation de l'énergie primaire en raison de la chute de température entre les deux échangeurs successifs. L'invention a donc pour objet un dispositif d'échange de chaleur qui constitue un groupe unitaire compact et permet de transférer l'enthalpie du circuit primaire simultanément à deux fluides secondaires séparés, eeux-ci pouvant tous deux être dirigés directement à une utilisation de chaleur ou en variante l'un des fluides secondaires ou les deux sont utilisables en fluides d'accumulation Selon une particularité essentielle du dispositif d'échange de chaleur selon ltinvention, l'enveloppe commune délimite extérieurement une chambre extérieure à fluide et celle-ci enveloppe une chambre interne à fluide qui pénetre en elle et qui, supportée par une structure de fixation et d'étanchéité disposée dans cette chambre extérieure, forme au moins partiellement la délimitation interne de cette dernière et la cloison de la chambre à fluide interne fait partie de l'élément de circuit à liquide primaire. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale d'un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention la figure 2 est une vue de face du dispositif de la figure 1 ; la figure 3 est une coupe selon la ligne III - III de la figure 1 ; et la figure 4 représente en développé l'un des deux éléments de circuit du fluide primaire visibles sur la figure 3. La référence générale 1 des figures 1 à 3 désigne la cuve d'un dispositif d'échangeur de chaleur se composant essentiellement d'une enveloppe 2, d'une cloison antérieure 3, d'une cloison arrière 4, d'un col 5 ressortant du panneau frontal 3 et d'une bride 6 de ce col. Le panneau 3 supporte des tubulures 7 et 8 de raccord à l'arrivée et au départ d'un premier fluide et le panneau arrière 4 peut être équipé de traversées 9 et 10 de passage ou de connexion de canalisations ou câbles d'arrivée et de retour d'un dispositif échangeur de chaleur auxiliaire 11 représenté schématiquement en ligne brisée et ayant par exemple la forme d'un serpentin ou d'un corps de chauffe électrique placé à l'intérieur de la cuve 1. La référence générale 15 désigne un groupe échan geur de chaleur se composant essentiellement d'un réservoir 16 de préférence pratiquement cylindrique et comprenant un fond bombé 17 et une bride 18. Des tubulures 19 et 20 de raccord montées sur cette bride sont destinées à l'admission et à l'évacuation d'un second fluide. Un groupe de canalisations 22 fixé sur l'enveloppe cylindrique 21 est subdivisé dans le cas particulier et comme bien montré sur la figure 3 en deux circuits individuels 22.1 et 22.2 dont l'un se trouve à gauche et l'autre à droite du plan vertical de symétrie 23 du groupe échangeur de chaleur 15. Chaque circuit 22.t et 22.2 est équipé d'une tubulure inférieure de raccord 24.1 et 24.2 ainsi que d'une tubulure supérieure de raccord 25.1 et 25.2 d'arrivée et de départ d'un troisième fluide.La figure 4 représente en développé l'un de ces circuits de canalisations. Ceux-ci peuvent être formés de la manière représentée par soudage de profilés en étrier dont l'ouverture est tournée vers l'enveloppe 16 du réservoir, les différentes sections des circuits de canalisations étant disposées en creneaux dans la sequence a, b, c, d, e ... n-2, n-1, n sur la moitié concernée de l'enveloppe du réservoir. La section adoptée des canalisations est de préférence rectangulaire avec un rapport des côtés de 3-6 à i, de manière que le troisième fluide ait une grande surface de contact avec l'enveloppe du réservoir 16. Les tubulures de raccord 24.1, 24.2, 25.1 et 25.2 desdits circuits de canalisations passent par des trous correspondants de la bride 18 du réservoir sur laquelle elles sont soudées de manière étanche et dont elles ressortent vers l'extérieur. Les profilés en étrier soudés sur l'enveloppe du réservoir 16 et constituant le groupe de canalisations 22 peuvent bien entendu tre remplacés par une construction dans laquelle les éléments du circuit primaire disposés en créneaux peuvent aussi être intégrés directement dans la paroi du réservoir de la même manière qu'un corps de chauffe en galette dans lequel des éléments de tôle de la cloison extérieure sont appliqués les uns contre les autres et soudés de manière à réaliser une barrière au liquide tandis que ce dernier peut circuler entre les éléments qui ne sont pas serrés les uns eontre les autres. La bride 18 du réservoir comporte un trou central 26 obturé par un couvercle 27. Le trou 26 permet l'accès à l'intérieur du réservoir 16, par exemple pour les contrôles et les nettoyages. Le couvercle 27 peut comporter des trous 28 et 29 destinés à loger des capteurs et appareils de mesure de la température, ainsi qu'un trou 30 de préférence central et destiné au montage d'une anode de protection. La figure 2 montre de face la bride 18 et le montage du couvercle 27 sur elle. Le mode de réalisation spécial représenté du dispositif échangeur de chaleur-selon l'invention est conçu pour être appliqué à une installation d'utilisation de l'énergie solaire conprenant un circuit d'eau chaude courante et un circuit d'eau chaude destinée au chauffage d'un immeuble. Plusieurs de ces dispositifs et de préférence deux du type illustré peuvent être assemblés en batterie d'accumulation et d'échange, la forme prismatique de la cuve 1 telle que représentée sur les figures 1 à 3 permettant alors non seulement de faire une économie de place, mais étant aussi favorable pour l'isolation thermique. Dans la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre possible du dispositif échangeur de chaleur représenté, le groupe de canalisations 22, c'est-à-dire ses circuits 22.1 et 22.2 fixés sur la surface extérieure de l'enveloppe cylindrique 21 du groupe échangeur 15 sont affectés à un système de circulation d'un liquide primaire pouvant comprendre par exemple un ou plusieurs collecteurs solaires destinés à réchauffer par exemple un mélange liquide d'eau et d'antigel. Le liquide primaire passe par thermosyphon ou par circulation forcée (pompe) dans le groupe de canalisations 22 dont les deux circuits peuvent se brancher d'une manière qui sera décrite plus bas.Le liquide primaire chaud arrive dans le mode de réalisation des figures 1 à 3 par les tubulures de raccord 24.1, 24.2 et repart par les tubulures de raccord 25.1, 25.2, ou inversement selon que la circulation a lieu à courants parallèles ou à contre-courant. Il est donc clair d'après la représentation de la figure 3 que la disposition particulière selon l'invention des canalisations 22, c'est-à-dire de leurs éléments de circuit 22.1 et 22.2 sur le réservoir 16 permet de réaliser deux chambres indépendantes à fluide 31 et 32 dont le contenu entre directement en contact avec certaines parties de la surface des canalisations 22 de manière qu'il se produise un transfert direct de chaleur. Donc, le fluide de la chambre extérieure 31 ainsi que celui de la chambre interne 32 peuvent servir de fluide d'accumulation lorsque le dispositif est en service, un échange direct de chaleur ayant lieu entre les deux chambres dans les interstices 33 compris entre deux sections voisines a, c, e, etc (figures 31 4) et dans la zone du fond 17 à travers la paroi du réservoir 16. En admettant que la chambre extérieure 71 doit contenir de l'eau destinée au chauffage de locaux et que la chambre interne 72 doit contenir de l'eau chaude courante, le mode de fonctionnement du dispositif échangeur de chaleur représenté est le suivant Lorsque le soleil luit, son rayonnement porte le liquide primaire à une température par exemple de 700C à l'arrivée dans la tubulure d'admission du groupe de canalisations 22 et il quitte ce dernier à une température par exemple de 500C.En admettant que le rapport du débit d'eau passant dans la chambre extérieure 71 à celui qui passe dans la chambre interne est approximativement égal au rapport de la surface des canalisations 22 tournée vers la chambre extérieure à leur surface tournée vers la chambre interne, les températures de l'eau dans les deux chambres sont pratiquement les mêmes, c'est-à-dire sont en moyenne à environ 550C en régime établi, c'est-à-dire sans arrivée ni départ d'eau. Lorsque par contre de l'eau chaude est soutirée sur la chambre interne, la température moyenne descend dans cette dernière, de sorte qu'il se produit un flux auxiliaire d'énergie en provenance d'une part du groupe de conduits 22 et d'autre part de la chambre extérieure de manière à rééquilibrer la température de l'eau dans la chambre interne. L'eau se trouvant dans la chambre extérieure 71 assume donc dans ce cas la fonction de fournisseur de chaleur jusqu'à ce que l'équilibre des températures se soit rétabli. Il se produit de la même manière un flux auxiliaire d'énergie en sens inverse lorsque de la chaleur est soutirée de la chambre extérieure 31 par transfert à l'installation de chauffage. lorsqu'il ne faut aucune énergie de chauffage, par exemple en été, la totalité du volume de liquide de la chambre extérieure 31 constitue un accumulateur de chaleur. Donc, dans une application particulière, la chambre extérieure pourrait en principe être exploitée en accumulateur de chaleur rempli de préférence d'un fluide ayant une très grande capacité d'accumulation. Lorsque la quantité de chaleur apportée par le liquide primaire et prélevée sur le collecteur solaire ne suffit pas à compenser la chute de température résultant du prélèvement d'eau et d'énergie sur la chambre interne 32 ainsi que sur la chambre extérieure 31, il est possible soit d'élever en conséquence l'apport d'énergie calorifique par le liquide primaire -au moyen d'un circuit de chauffage se trouvant à l'extérieur du dispositif échangeur de chaleur représenté - soit en augmentant l'apport de chaleur par des éléments chauffants auxiliaires montés dans la chambre extérieure et tels que représentés en 11 sur la figure 1. Lorsque la chambre extérieure 31 contient un fluide servant uniquement d'accumulateur de chaleur, l'élément 11 peut être un échangeur de chaleur monté par exemple dans un circuit de chauffage et alimentant ce dernier en chaleur prélevée sur le fluide accumulateur. Comme mentionné précédemment, le groupe de canalisations 22, c'est-à-dire ses circuits 22.1 et 22.2 représentés sur la figure 3 sont disposés sur le groupe échangeur de chaleur 15 de manière que le dispositif puisse fonctionner suivant le principe à contre-courant ou suivant le principe à courants parallèles selon l'entrée adoptée de l'alimentation, c'est-à-dire selon que celle-ci est constituée par les tubulures 24.1, 24.2 ou par les tubulures 25.1, 25.2.Lorsqu'un échange de chaleur à courants croisés est désiré, il faut monter le groupe échangeur 15 en lui faisant subir une rotation de 900, les circuits 22.1, 22.2 illustrés de part et d'autre du plan vertical de symétrie 23 sur la figure 3 étant alors superposés horizontalement et leurs tubulures de raccord 24.1; 24.2 ainsi que 25.1, 25.2 se trouvant de part et d'autre de l'horizontale 34. Dans ce cas, une tubulure auxiliaire 35 telle que représentée en ligne brisée sur la figure 4 est montée à la jonction des'sections des circuits 22.1 et 22.2 situées de part et d'autre du plan vertical de symétrie, cette tubulure servant à la ventilation pour le circuit supérieur et à la purge pour la section inférieure. La disposition des circuits 22.1 et 22.2 illustrée sur la figure 3 montre bien que le dispositif échangeur de chaleur de l'invention peut comprendre plus d'un circuit individuel de li quide primaire qui transmettent de l'énergie provenant de différentes sources de chaleur aux fluides devant subir le réchauffage. Ainsi, par exemple, l'un des deux circuits peut être relié à une batterie de collecteurs solaires, tandis que l'autre peut être affecté à un circuit de chauffage auxiliaire. La disposition dans laquelle le groupe échangeur de chaleur a subi une rotation de 900 par rapport à celle qui est représentée sur la figure 3 permet non seulement la circulation à courants croisés dans le circuit primaire, mais aussi des circulations simultanées à courants parallèles et à contre-courant, car il suffit de relier l'admission du liquide primaire à la tubulure auxiliaire de raccord 35 (figure 4) se trouvant dans ce cas au sommet ou au fond, la sortie du liquide primaire s'effectuant par les tubulures 24.1, 24.2 ainsi que 25.1, 25.2 qui se trouvent alors de part et d'autre de l'horizontale 34. L'avantage essentiel du dispositif échangeur de chaleur de l'invention réside surtout dans le fait qu'il est possible de loger à l'intérieur de la même enveloppe extérieure plusieurs circuits individuels de fluide qui sont en relation d'échange de chaleur, un unique gradient de température existant entre le fluide primaire et chaque fluide secondaire, de sorte que l'énergie peut être mieux utilisée que dans les dispositifs échangeurs de chaleur de l'art antérieur. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échange de chaleur comprenant un élément de circuit de liquide primaire (22) et deux chambres individuelles à fluides secondaires (31, 32) dont l'une au moins est destinée à contenir un fluide affecté au prélèvement de chaleur sur le dispositif, ledit élément de circuit de liquide primaire ainsi que les chambres à fluides secondaires étant logés à l'intérieur d'une enveloppe commune, caractérisé en ce que l'enveloppe commune (2) délimite extérieurement une chambre extérieure à fluide (31) dans laquelle pénètre une chambre à fluide intérieure (32) enveloppée par elle et supportée par une structure de fixation et d'étanchéité (3, 5, 6) disposée dans la chambre extérieure dont la délimitation interne est formée au moins partiellement par cette chambre interne dont la cloison (16) fait partie de l'élément de circuit de liquide primaire (22). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de circuit de liquide primaire est subdivisé en plusieurs circuits indépendants (22.1, 22.2) dont chacun est équipé d'une tubulure d'entrée et d'une tubulure de sortie. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins certains desdits circuits indépendants sont équipés de tubulures auxiliaires de raccord à un circuit de liquide (35) qui sont raccordées entre lesdites tubulures d'entrée et de sortie (figure 4). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de circuit de liquide primaire (22) est constitué de profilés en forme de canalisations qui sont soudés sur la surface extérieure de la paroi (16) de la chambre interne à fluide (32),ces canalisations étant ouvertes sur le côté tourné vers la paroi de cette chambre qui forme ainsi un élément de la paroi tubulaire (figure 3). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de circuit de liquide primaire est intégré dans la paroi de la chambre interne à fluide. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins la chambre à fluide extérieure (31) est équipée d'une surface auxiliaire d'échange de chaleur (il). 7. Dispositif selon les revendications 1 et 4 prises ensemble, caractérisé en ce qu'au moins la chambre extérieure à fluide est équipée d'un dispositif auxiliaire de chauffage (11).