Brevet FR2345674A1 — publié le 19771021

La présente invention a pour objet, selon un premier aspect, un dispositif d'échange thermique par captation d'énergie radiante. I1 s'agit en ltoccurence d'un dispositif de captation d'un rayonnement, combinant le dispositif de captation proprement dit et le moyen d'utilisation de la chaleur captée. Selon un autre de ses aspects, la présente invention vise plus particulièrement la mise en oeuvre d'un tel échangeur thermique et des systèmes ou appareils destinés à l'utilisation de l'énergie so- laire, en particulier en vue du chauffage des bâtiments et la production d'eau chaude sanitaire. Dans ce qui suit, et pour fixer les idées, on se référera le plus souvent, pour décrire l'invention, à la captation de l'énergie solaire. Mais il est bien entendu que l'invention a trait à tous dispositifs de récupération d'une énergie radiante, la captation du rayonnement direct et diffus d'origine solaire n'étant qu'une application particulière du dispositif de l'invention. L'art antérieur a fait connattre nombre de dispositifs de l'espèce ; en général, les capteurs proprement dits sont constitués de surfaces orientées dans la direction du rayonnement-(solaire par exemple), ces surfaces étant protégées de l'extérieur par une paroi transparente dans la direction du soleil, et par des parois opaques isolantes sur les autres faces. La face orientée vers le soleil est généralement revêtue d'un revêtement absorbant ou sélectif vis-à-vis du rayonnement, dont le but est d'absorber au maximum le rayonnement de faible longueur d'onde, et de limiter au minimum possible le rayonnement de grande longueur d'onde, ou rayonnement parasite, émis par le capteur luimême, du fait de la température à laquelle le porte la captation d'énergie. Or, le prix des revêtements sélectifs est généralement assez élevé et la sélectivité aux rayonnements de diverses longueurs d'ondes est un élément capital pour l'obtention d'une bonne effi cacité de rétention de la chaleur captée par la surface. L'un des buts du revêtement sélectif est précisément de réduire au minimum le rayonnement parasite qui est souvent émis par une fraction importante de la surface de captation. Le problème que l'invention vise à résoudre est donc de réaliser un tel dispositif d'échange thermique par captation d'énergie radiante qui pallie les inconvénients sur le plan économique, du revêtement absorbant et sur celui énergétique, du rayonnement parasite dans les meilleures conditions possibles grâce à une disposition particulière du système de captation du rayonnement, cette disposition pouvant être utilisée simplement pour réchauffer un fluide, de l'eau par exemple, ou encore pouvant être utilisée dans un système intégrant, dans une construction par exemple à usage d'habitation, la captation du rayonnement solaire et les diverses utilisations de la chaleur ainsi récupérée : production d'eau chaude sanitaire, chauffage des locaux par sol ou parois chauffantes, radiateurs, convecteurs ou ventilo-convecteurs utilisant l'eau chaude à température modérée provenant des capteurs. Cette même disposition devra pouvoir être utilisée dans des conditions très favorables également, tant pour la captation de l'énergie solaire que d'un rayonnement quelconque comme, par exemple, celui de surfaces chaudes, de métaux en fusion et similaires. A cet effet, l'invention propose un dispositif d'échange thermique par captation d'énergie radiante du type comportant despan- neaux capteurs généralement revêtus sur leur face orientée d'un revêtement absorbant approprié et associés de manière à définir entre eux des canaux de circulation d'un fluide caloporteur, qui est caractérisé en ce qu'il est constitué d'un panneau capteur unique sensiblement plan et d'au moins un tube de circulation dudit fluide caloporteur, ledit tube étant solidarisé de façon continue audit panneau le long de la génératrice de sa surface extérieure au contact dudit panneau. Cette disposition améliore notablement la transmission de la chaleur vers les moyens d'utilisation évitant ainsi une élévation exagérée de la température de la surface de captation et, par conséquent, une augnentation de sa perte calorifique par rayonnement et convection vers l'extérieur. Selon une caractéristique de l'invention, ledit tube de circulation se présente sous forme d'un faisceau comportant, entre des coudes de changement de direction, une pluralité de tronçons longitudinaux sensiblement parallèles. Selon une forme de réalisation préférentielle, ledit panneau présente des sillons de section appropriée dans lesquels est partiellement encastré ledit faisceau des tubes de circulation, ces derniers étant solidarisés de façon continue auxdits sillons par tout ou partie de sa surface extérieure au contact. Avec des moyens très économiques, on assure ainsi une extraction optimale du rayonnement capté au niveau du panneau. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit panneau présente en outre un profil ondulé. Dans l'une des formes de réalisation, ledit profil ondulé est situé dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction générale desdits tubes et desdits sillons, les crêtes et les dépressions desdites ondulations étant sensiblement équidistantes desdits sillons. Avantageusement, lesdites ondulations ont une forme définissant entre des crêtes et des dépressions curvilignes, des sections droites, lesdits sillons et lesdits tubes qui y sont logés étant alors situés sensiblement au centre desdites sections droites. On soulignera. l'importance de cette caractéristique de l'invention : en effet, ce profil ondulé de la surface de captation permet de simplifier -sinon de supprimer- le revêtement absorbant ou sélectif, le matériau restant à l'état brut ou simplement oxydé. En effet, la surface susceptible de recevoir le rayonnement extérieur, directement ou après réflexions successives, est, en général, supérieure à la surface susceptible d'émettre un rayonnement parasite. Ainsi qu'on le constatera au cours de la description, une fraction de rayonnement réfléchie par la surface du panneau capteur, est renvoyée en direction de cette même surface absorbante, ce qui fait que, sur le plan du bilan énergétique, la surface ab absorbante est égale ou même supérieure au développement de la surface ondulée ; par contre, le rayonnement parasite global est, lui, limité à la surface équivalente à celle de la projection Flane de la surface ondulée. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit panneau présente, en outre, dans un sens sensiblement parallèle audit tube de circulation, une forme ondulée définissant au moins un profil en U à ailes allongées. Ainsi qu'on l'expliquera par la suite, l'une quelconque des formes de réalisation de l'échangeur thermique selon l'invention se prête à la constitution de batteries d'éléments échangeurs branchés selon des modes série ou parallèle. Avantageusement, une telle batterie d'éléments échangeurs est associée, en échange thermique, à un dispositif diffuseur d'énergie, notamment du type ventilo-convecteur. Cette association offre l'avantage de bénéficier du rendement plus élevé du ventilo-convecteur lorsque le fluide caloporteur est à température modérée, ce qui est généralement le cas des capteurs de l'espèce. Préférentiellement, lesdits tubes sont solidarisés audit panneau par soudure à l'étain. D'autres caractéristiques de l'invention précisent la section desdits sillons, la disposition des tubes qui y sont associés ainsi que les matériaux constitutifs des-panneaux et des tubes. Ces caractéristiques et les avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple non limitatif d'une forme de réalisation préférentielle de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en perspective du dispositif d'échange thermique selon l'invention comportant un panneau muni de sillons dans lesquels sont logés les tubes échangeurs - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un dispositif selon la figure 1, le panneau comportant des ondulations de type sinusodal - la figure 3 est une vue en perspective agrandie, montrant le détail du logement d'un tube dans son sillon ; - les figures 4 et 5 représentent une forme de réalisation de l'invention dans laquelle les ondulations ont été réalisées dans le sens longitudinal des tubes de circulation. C'est à dessein qu'on été omis des figures les éléments ou coffrages dans lesquels sont incorporés les panneaux capteurs selon l'invention et qui font partie de l'état de la technique. On ne les décrira pas en détail ci-après pour ces mêmes raisons. D'une façon générale, la surface absorbante au rayonnement est disposée à l'intérieur d'un coffrage, de base généralement rectangulaire, et de forme prismatique, vitré sur la face exposée au rayonnement préférentiel, les autres faces de ce coffrage étant constituées de parois opaques et isolées thermiquement. Dans le cas où le système est appliqué à la récupération du rayonnement solaire, direct et diffus, en vue du chauffage des bâtiments, des coffrages de ce type sont disposés sur les faces externes des murs extérieurs et toitures - et peuvent même se -subs- tituer à ces; murs extérieurs et toitures -dont ils assurent les fonctions de protection et d'isolation en plus de la fonction de captation d'énergie radiante. On se référera maintenant plus particulièrement aux figures 1 et 2. La surface absorbante proprement dite de l'échangeur de base est constituée d'une feuille généralement métallique 1, solidaire l'un faisceau 2 de tubes 3 à l'intérieur desquels circule le fluide, dit fluide caloporteur, chargé d'absorber la chaleur captée et de la transmettre aux points d'utilisation. Cette feuille de métal peut être, par exemple, en tale d'acier noir ou galvanisé, brute ou oxydée, ou en cuivre ou alliage, de préférence revêtue d'une couche d'oxyde de manière à augmenter son coefficient d'absorption. La feuille de métal 1 et les tubes 3 précités sont solidarisés par tous moyens connus et appropriés, préférentiellement par soudage le long de la génératrice de contact. Ainsi qu'il ressort plus particulièrement de la figure 3, ce contact entre feuille et tube peut être amélioré grâce à une rainure en forme 4, semi-cylindrique par exemple, pratiquée dans la feuille de métal 1, et dans laquelle se loge à profondeur appropriée chacun des tubes 3 de circulation du-fluide caloporteur. La soudure est dans ce cas déposée par exemple au fond 5 de la rainure, le tube étant pris sur tout ou partie de sa surface au contact. La figure 2 met en évidence une réalisation privilégiée de l'invention ; la feuille métallique 1 solidaire des tubes, est ondulée suivant un profil approximativement sinusoïdal, ou constitué, en profil, d'une succession d'arcs de cercles 6 et de segments linéaires 7, ce profil étant situé dans un plan orthogonal au plan de la base vitrée du coffrage. La feuille métallique 1 peut être d'une largeur égale à celle du coffrage, ou être divisée en un nombre quelconque de bandes de largeur plus faible. Dans ce dernier cas, ces bandes, de largeur plus faible et sous-multiple, par exemple, de la largeur du coffrage, sont disposées de manière jointive et sont chacune solidaires d'un tube ou d'un faisceau de tubes où circule le fluide caloporteur. Dans une variante de cette réalisation, qui utilise des bandes de feuille métallique ou feuillards de faible largeur, ondulées par exemple selon le profil sinusoldal ou similaire de la figure 2, le plan de ce profil, perpendiculaire à la surface de la feuille, peut être incliné, par rapport au plan de la base vitrée du coffrage, l'angle de ces deux plans pouvant être choisi à une valeur quelconque entre O et 900. Le ou les tubes, solidarisés avec la surface absorbante 1, sont disposés en serpentin, de manière à intéresser la totalité de cette surface, dont ils extraient la chaleur captée par rayonnement. Dans le cas où la surface est ondulée selon un profil sinu soldat ou similaire, les tubes sont orientés selon les génératrices de la surface. Dans la forme de réalisation de la figure 2, le ou les tube(s) sont disposés sensiblement au milieu des parties linéaires 7 reliant entre elles crêtes et dépressions 6. Mais il est aussi prévu que chaque ondulation de la surface comporte un ou plusieurs tubes, chaque passage étant relié au précédent et au suivant, par un coude d'extrémité. Une réalisation avantageuse de ce serpentin est obtenue par cintrage d'un tube continu entre chaque passage. Dans une autre variante de réalisation, selon les figures 4 et 5, les tubes, solidaires avec la surface absorbante, sont cintrés selon le même profil sinusoSdal ou similaire, que cette surface. Ces éléments affectent alors la forme d'U ou d1S à ailes allongées et parallèles, ou d'une succession de ces profils, les tubes étant munis de raccords d'extrémités 8. La juxtaposition d'une pluralité de ces éléments crée un faisceau tubulaire dont les tubes peuvent, par raccordement convenable des éléments entre eux, être tous parcourus -par le liquide caloporteur soit en série, soit en parallèle soit en série-parallèle. Ainsi qu'on l'a mentionné plus haut, le panneau capteur selon l'invention est d'un prix de revient nettement inférieur à ceux des dispositifs connus à ce jour. Mais il vient sty ajouter un-second davantage, déjà évoqué aussi, lié aux performances d'échange thermique. En effet, en se reportant à la forme de réalisation de la figure 2, et en supposant un rayonnement incident selon la flèche F, on notera que tous les tubes sont frappés par ce rayonnement mais qu'au niveau des parties linéaires des ondulations, les réflexions parasites engendrent des réflexions multiples sur les ondulations, l'absorption globale étant ainsi nettement augmentée. Ainsi qu'on l'a signalé, la surface réceptrice correspond à la surface développée du panneau, la surface susceptible de réver- bération parasite étant limitée à la projection plane de cette surface, les déperditions étant ainsi réduites à un minimum. Le panneau et les tubes peuvent être soit métalliques soit en matière plastique traitée par moulage ou thermo-formage, le matériau pouvant être le même dans ce dernier cas. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ou représentées mais englobe toute variante d'exécution. REVEND i CAT IONS 1. Dispositif d'échange thermique par captation d'énergie radiante du type comportant des panneaux capteurs généralement revê- tus sur leur face orientée en direction de l'énergie radiante d'un revêtement absorbant approprié et associés de manière à définir entre eux des canaux de circulation d'un fluide caloporteur, ledit dispositif caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison, un panneau capteur constituant support d'un tube continu, façonné en serpentin, de circulation dudit fluide caloporteur, ledit serpentin étant encastré par ses tronçons longitudinaux dans des sillons du panneau capteur et solidarisé au fond desdits sillons, préférentiellement sur toute la longueur, et par tout ou partie de la surface extérieure au contact desdits tronçons longitudinaux, et en ce que ledit panneau présente un profil ondulé, définissant entre des parties de raccordement curvilignes des segments linéaires et en ce que lesdits sillons et ledit tube, qui y est logé et solidarisé par ses tronçons longitudinaux, sont situés sensiblement au milieu desdits segments linéaires. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le panneau présente ledit profil ondulé dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction générale desdits tronçons longitudinaux, les dépressions des ondulations définies par lesdits segments linéaires et leurs parties de raccordement curvilignes étant orientées en direction générale de l'énergie radiante. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit panneau présènte dans un sens sensiblement parallèle aux tron çons longitudinaux dudit serpentin une forme ondulée définissant au moins un profil en U à ailes allongées. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube étant de section cylindrique, lesdits sillons ont une section complémentaire appropriée. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit panneau est en métal. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau constitutif dudit panneau, notamment sa surface orientés est à l'état brut. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau constitutif dudit panneau, notamment sa surface orientée, a subi un traitement par oxydation superficielle. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé en ce que ledit tube est solidarisé audit panneau par soudure à ltétain. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit panneau est en un matériau synthétique façonné par moulage ou thermo-formage. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit tube de circulation est réalisé en matériau sensiblement identique à celui dudit panneau, et est associé audit panneau par tous moyens connus. 11. Dispositif de récupération de l'énergie radiante, notamment du rayonnement direct et diffus d'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins un dispositif d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est constitué par une pluralité desdits dispositifs d'échange thermique dont le tube de circulation présente des raccords d'extrémités permettant le branchement dudit tube en série, en parallèle ou en série-parallèle. 13. Dispositif selon la revendication 71 ou 12, caractérisé en ce qu'il est associé, en échange thermique, à un dispositif diffuseur d'énergie, notamment du type ventilo-convecteur. 14. Dispositif d'échange thermique à panneau capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit panneau capteur de profil ondulé définissant un volume suscepti ble-d'être logé entre deux plans parallèles entre eux, celui-ci est disposé à l'intérieur d'un coffrage comportant notamment une surface vitrée parallèle auxdits plans et orientée en direction moyenne du rayonnement préférentiel. 15. Dispositif selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écartement desdits plans est sensiblement voisin du pas du profil ondulé dudit panneau.