Brevet FR2361622A1 — publié le 19780310

La présente invention concerne un générateur solaire destiné à chauffer de l'air ou d'autres gaz et présentant une grande efficacité pour transférer l'énergie solaire qui le frappe à un courant gazeux, ainsi qu'une plaque d'échange de chaleur perfectionnée utilisée dans ledit générateur A cause de l'augmentation du coût des combustibles classiques, on a preté de plus en plus d'attention à l'énergie solaire en tant que susbtitut, au moins en partie, à d'autres sources de combustible, en vue de chauffer des maisons ou d'autres constructions. Beaucoup de générateurs d'énergie solaire proposés pour de telles applications sont semblables dans leurs principes de fonctionnement. De façpn classique, un tel générateur d'énergie solaire comprend une feuille de verre ou d'une autre matière qui est transparente aux rayons chauds du soleil et qui forme une paroi d'un conduit pour un courant de fluide. En dessous de la feuille transparente, dans le conduit, est disposée une feuille ou. plaque conductrice de la chaleur, comportant un revêtement approprié d'une matière noire qui absorbe l'énergie radiante solaire passant à travers la feuille transparente et qui convertit cette énergie radiante en chaleur, ce qui entraine l'élévation de la température de la plaque. Un fluide, généralement de l'air ou un autre gaz, passe à travers le conduit et est chauffé par contact avec absorption d'énergie.Le courant de fluide chauffé qui quitte le générateur est ensuite utilisé de manière classique appropriée pour chauffer une maison ou une autre construction, ou pour conditionner des céréales (séchage de blé, déshydratation de luzerne, etc...). La capacité d'un tel générateur de chaleur solaire à constituer un susbtitut pour d'autres sources d'énergie dépend de l'efficacité avec laquelle l'énergie solaire est collectée et transférée au courant de fluide et également de la quantité de puissance nécessaire pour maintenir le courant de fluide en mouvement à travers le générateur. Evidemment, il est souhaitable de maximiser le taux du transfert de chaleur de la plaque absorbante d'énergie au courant de fluide, tout en minimisant la quantité de puissance nécessaire pour faire passer le fluide à travers le générateur solaire. Cependant, un générateur de chaleur solaire qui remplit simultanément ces deux conditions soulève une diffi culté, puisque les conditions qui tendent à accroître l'un des effets, tendent également à réduire l'autre.Ainsi, afin de maximiser le taux de transfert de la chaleur entre la plaque absorbant l'énergie et le courant de fluide, l'aire disponible pour le transfert de chaleur de la plaque au fluide devrait être relativement élevée. Un accroissement de l'aire du transfert de chaleur peut être obtenu de façon connue en utilisant des ailettes conductrices de chaleur faisant saillie par rapport à la surface de la plaque absorbant la chaleur qui est en contact avec le courant de fluide. Alors que l'utilisation d'ailettes entraîne un accroissement souhaitable de l'aire pour le transfert de chaleur, une telle utilisation présente cependant un autre effet qui tend à réduire le taux de transfert total de chaleur.Cet effet non souhaitable provient du fait que lorsqu'un fluide, tel qu'un gaz, circule généralement parallèlement à une surface fixe, en contact avec celle-ci, telle qu'une ailette, il y a toujours à l'interface, entre la surface et le courant gazeux, une couche limite de gaz relativement stagnante qui présente un effet isolant et tend à abaisser le taux de transfert de chaleur entre l'ailette et la masse principale de gaz. Cette couche stagnante tend à s'accroître en épaisseur le long de l'ailette en direction du fluide gazeux et ainsi l'effet isolant est plus grand à l'extrémité aval d'une ailette qu'à son extrémité amont. Un autre inconvénient provenant de l'utilisation d'ailettes est que la friction entre le courant gazeux et les-ailettes accroît la quantité d'énergie nécessaire pour maintenir le courant en mouvement à un débit donné.Tandis que l'effet isolant de la couche limite peut être réduit en limitant la longueur des ailettes et en agençant celles-ci de façon étagée pour maintenir une aire d'ailettes constante , un agencement étagé tend cependant à accroître les forces de friction et par conséquent la quantité de puissance nécessaire pour déplacer le courant gazeux. Selon l'invention, le générateur de chaleur solaire comporte une plaque de transfert, absorbant la chaleur et pourvue d'ailettes, qui fournit à la fois un rendement sensiblement amélioré pour le transfert de chaleur et un accroissement relativement faible de puissance, par rapport aux plaques non pourvues d'ailettes. La plaque de transfert de chaleur utilise un système d'ailettes qui sont agencées de manière que l'effet isolant de la couche limite de gaz est réduit sans que, en même temps, la puissance nécessaire pour mouvoir ie courant gazeux soit augmentée de façon indue.En général, la plaque de transfert de chaleur conforme à l'invention utilise des ailettes de longueur relativement petite, qui sont agencées par rangées uniformément espacées, transversalement à la direction du courant gazeux, les ailettes de chaque rangee étant décalées latéralement d'une distance constante, relativement courte, par rapport aux ailettes de la rangée adjacente en amont. Les figures du dessins annexés feront bien comprendre coxrerit l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en perspective d'une plaque d'échange de chaleur, conforme à l'invention, cette figure montrant que les ailettes s'étendent en chicane vers l'extérieur depuis- un côté de la plaque. La figure 2 est une vue de dessus de la plaque de la figure I, des plaques semblables étant agencées, sur les bords supérieurs et de gauche de la plaque afin de former une structure composée plus grande. La figure 3 est une vue en perspective, schématique, d'un générateur d'énergie solaire utilisant la plaque d'échange de chaleur de la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe le long de la ligne IV-IB de la figure 3, montrant la plaque d'échange de chaleur en position dans le générateur solaire. La figure 5 montre, à plus grande échelle, une partie de la plaque de la figure 2. Comme montré par les figures 1 et 2, la plaque d'échange de chaleur 10 conforme à l'invention est formée par une plaque de base mince 11, sur une face de laquelle sont fixées une pluralité d'ailettes 12 orthogonales. La plaque il et les ailettes 12 sont faites en une matière mince, conductrice de la chaleur, telle que l'aluminium ou un autre métal, la surface de ladite matière étant traitée (par exemple : polie) afin de faciliter le transfert de chaleur entre la plaque et un courant de gaz en contact avec celle-ci, an accord avec les principes connus de l'homme de l'Art.Dans le mode de réalisation représenté, chacune des ailettes 12 est carrée ou rectangulaire, quoique, tout en restant dans le cadre de l'invention, on puisse utiliser des ailettes présentant d'autres formes, par exemple trapézoidale ou en forme d'arc. On comprendra que lorsqu'on se réfère ci-après àune dimension d'une ailette, par exemple sa longueur, on indique sa dimension moyenne. Comme montré sur la figure 2, les ailettes 12 sont agences en rangées suétendant transversalement, et de préférence perpendiculairement, a la direction du. courant d'air. 0.uoiqu'il soit préfèrable que chacune des ailettes 12 soit perpendiculaire à la plaque 11, c'est-a-dire que les ailettes forment un angle d'environ 900 avec la plaque de base, les angles entre les ailettes et la plaque de base peuvent différer de 900. Toutes les ailettes d'une rangée sont généralement parallèles à la direc tion du flux gazeux et réparties de façon équidistante le long de la rangée. Les ailettes de n'importe quelle rangée, (par exemple 12 sur la figure 5), sont décalées latéralement d'une distance constante D par rapport aux ailettes (par exemple 12a sur la,figure 5) de la rangée amont adjacente.La direction de déplacement ( c'est-a-dire vers la- droite ou gauche) est constante à travers la plaque. Alors que les dimensions réelle des ailettes 12 utilisées dans une plaque d'échange de chaleur 10 particulière, conforme à l'invention, dépendent des exigences particulières, par exemple la charge calorique, la quantité désirée d'air à échauffer et la température à -communiquer au courant gazeux, les dimensions relatives des ailettes et les écarts de celles-ci sur la plaque peuvent être précisés. Pour un agencement dans lequel l'écart entre les ailettes 12 adjacentes est égal à S (voir la figure 5), la longueur L (figure 5) des ailettes est comprise entre environ 0,75 S et 5 S, et de préférence entre 1 S et 3 SU tandis que la hauteur H (figure 1) de l'ailette est environ comprise entre 1 S et 5 S et de préférence entre 1,375 S et 4,13 S, tandis que le déplacement latéral D (figure 5) entre les ailettes d'une rangée et les ailettes de la rangée voisine dans la direction du courant gazeux est compris entre environ 0,1 S et 0,5 S et, de préférence,entre 0,125 S et 0,375 S. Dans le mode de réalisationpréféré de l'invention, montré sur les figures, on voit qi'il n'y a pas de chevauchement, dans la direction du déplacement de l'air, entre l'extrémité des ailettes d'une rangée et le commencement des ailettes de la rangée aval, c'est- - dire que les projections des extrémités d'ailettes adjacentes sont alignées. On remarquera cependant qu'un chevauchement jusqu'à 0,îS ou un trou jusqu'à 0,1 S entre les extrémités des ailettes de rangées adjacentes peut être également utilisé. Comme montré sur la figure 1, deux bords contigus de la plaque de base 11 sont pourvus des lèvres décalées 13 et 14, ce qui permet à une pluralité de plaques 10 individuelles d'être assemblées avec un bord libre de la plaque de base 11 reposant sur les lèvres 13 et 14 de la plaque adjacente et supporté par lesdites lèvres. De cette manière, une surface d'échange de chaleur composite peut présenter toute taille désirée par juxtaposition de plaques individuelles telles que celle montrée sur la figure 1. Une portion d'un tel agencement est montrée sur la figure 2, chaque plaque alternativement étant supportée et supportant par les levures 13 et 14 des plaques individuelles. Dans un tel assemblage, on peut utiliser un moyen de fixation approprié entre les plaques adjacentes, tel que rivet, soudage, brasage ou équivalent. Comme il a été mentionné ci-dessus, quoique les dimensions réelles des ailettes utilisées dans des modes de réalisation particuliers de llinvention varient en accord avec les exigences spécifiques de l'usage particulier, les avantages de l'invention peuvent être obtenus à condition que les proportions décrites ci-dessus concernant la hauteur, de l'écart et le décalage des ailettes soient observées. La plus grande utilisation de l'invention est probablement le chauffage et le refroidissement d'espaces, le conditionnement de céréales ou analogue.En ce qui concerne les dimensions du générateur de chaleur, qui sont appropriées pour de telles applications, on a trouvé que l'espace S entre les ailettes pouvait avantageusement être de l'ordre due 2,54 cm, les autres dimensions étant dans les proportions antérieurement indiquées. Un générateur de chaleur solaire, conforme à la présente invention, et qui est utilisable pour le chauffage et le refroidissement de maisons est illustré sur les figures 3 et 4. Comme montré, le générateur comprend un cadre formé de deux parois latérales 21 et d'un fond 22, fixés à des éléments de support latéraux 23, tous ces éléments étant faits de bois où d'une autre matière thermiquement isolante. Au sommet de la structure, et maintenant l'écart entre la parois latérales 21, est disposée une plaque 24, de verre, matière synthétique ou d'une autre matière qui est transparante pour l'énergie solaire. La feuille 24 est supportée le long de ses bords extérieurs par des entretoises isolantes 26 et maintenue par des moyens de fixation classiques 27.En variante, notamment en vue de l'application de l'invention dans les climats relativement froids, une seconde feuille 28 de verre ou de matière synthétique transparente peut être montée à une faible distance en dessous de la plaque de verre 24. La couche d'air comprise entre les feuilles 24 et 28 forme une isolation pour éviter la perte de chaleur depuis le générateur. A une faible distance en dessous de la feuille 28, est monté un agencement d'échange de chaleur du type montré par la figure 2, la plaque de base 11 étant disposée de façon que les ailettes 21 soient dirigées vers le bas. La face supérieure 31 de l'agencement, c'est-à-dire la surface sur laquelle l'énergie radiante transversant les plaques 24 et 28 arrive, est de préférence traitée pour faciliter l'absorption de l'énergie radiante, par exemple par un revêtement de peinture noire ou par tout autre matière appropriée, d'une façon connue de l'homme de l'Art. Juste en dessous des bords inférieurs des ailettes 21 est disposée une couche a'une matière thermiquement isolante appropriée, telle qu'une couche de fibres de verre, afin d'éviter les pertes de chaleur depuis le générateur. Le dispositif de la figure 4 forme un conduit pour le courant d' air, conduit qui est fermé à sa partie supérieure par la feuille 24 (ou, en variante, par la feuille 28), du côté du fond par la face supérieure de la couche isolante 29 et latéralement par les supports isolants 23 et les entretoises 26. Le conduit est pour'jeu de façon convenable de moyens de commande (non représentés) pour controler l'entrée et la sortie du courant d'air L'air à chauffer est introduit dans le conduit de toute manière appropriée et, en le traversant, est mis au contact de l'ensemble de la plaque d'échange de chaleur, ql transfère la chaleur provenant de l'absorption de ltenergie solaire radiante au courant d'air, comme indiqué schématiquement sur la figure 3. Un dispositif selon l'invention, tel que celui des figures 3 et 4, a une dimension d'environ 18cm entre la plaque de verre 24 et le fond 22 de l'ensemble; la distance entre les plaques 24 et 28 et entre la plaque 28 et la face supérieure de la plaque d'échange de chaleur 10 est d'environ 2cm; les ailettes 21 peuvent avoir une longueur et une largeur d'environ 2,5cm; le décalage latéral entre la rangée d'ailettes consécutives peut être d'environ 0,6cm; la largeur du dispositif est d'environ 1,2 m et sa longueur peut être d'environ 2,4 m. L'efficacité du générateur de chaleur selon l'invention est particulièrement bonne, puisque l'on a mesuré que la température de l'air passant à travers le générateur n'est inférieure que de 50C à la température de la plaque de transfert. Par comparaison, toutes choses étant égales par ailleurs, mais sans utilisation d'ailettes sur la plaque échangeuse de chaleur, la différence de température entre la plaque et l'air est supérieure à 20 C. L'accroissement du rendement du transfert de chaleur est obtenu sans accroissement important de puissance. La description détaillée précédente a été donnée à des fins de bonne compréhension, mais il va de soi que cette dernière n'est pas limitée au mode de réalisation décrt,mais comporte toutes les variantes qui sont évidentes à l'homme de l'Art. R E V E N D I C A T I O N S L.- Plaque d'échange thermique apte à transférer de la chaleur à un courant-de fluide se déplaçant dans une direction généralement parallèle à ladite plaque et en contact avec une face de celle-ci, caractérisée en ce qu'elle comprend une plaque de base en une matière conductrice de la chaleur de forme généralement aplatie, une pluralité d'ailettes minces conductrices de la chaleur fixées sur ladite plaque de base et saillant par rapport à une face de celle ci, lesdites ailettes étant agencées en une pluralité de rangées adjacentes transversales à la direction du courant de fluide, toutes les ailettes d'une rangée étant gXne- ralement Parallèles à la direction du courant de fluide, l'écart latéral entre les ailettes adjacentes dans toutes les rangées étant sensiblement constant, chaque rangée d'ailettes étant déca- lee latéralement dans une direction à partir de la rangée amont adjacente, alors que si l'écart latéral entre les ailettes adjacentes dans une rangée est égal à S, la longueur des ailettes est comprise entre 0,75 S et 5 S, la hauteur desdites ailettes étant comprise entre 1 S et 5 S et l'écart latéral entre les ailettes de rangées adjacentes étant compris entre 0,1 S et 0,5 S. 2.- Plaque d'échange thermique selon la revendication 1, caracté- risée en ce que, l'écart latéral entre les ailettes adjacentes dans une rangée étant égal à S, la longueur de chaque ailette est comprise entre 1 S et 3 S, la hauteur de chaque ailette étant comprise entre lue375 S et 4,13 S, et le déplacement latéral entre des ailettes de rangers adjacentes étant compris entre 0,125 S et 0,375 S 3.- Plaque d'échange thermique selon la revendication 2, caracterisée en ce que les ailettes sont rectangulaires. 4.- Plaque dSechange thermique selon la revendication 3, caracterisée en ce gué la grandeur S a une valeur de l'ordre de 2,5 cm 5.- Plaque d'échange thermique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la longueur de chaque ailette est d'environ 2,54 cm, la hauteur de chaque ailette est d'environ 2,54 cm, l'écart entre les ailettes adjacentes d'environ 2,54 cm et le décalage latéral entre les rangées adjacentes est d'environ 0,6 cm. 6.- Plaque d'échange thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la face de la plaque, opposée à celle sur laquelle sont fixées les ailettes, est recouverte d'un-- revêtement absorbant la chaleur. 7.- Panneau pour la génération de chaleur solaire, comprenant une première feuille d'une matière transparente à l'énergie radiante solaire, une matière thermiquement isolante agencée en dessous de ladite première feuille, un support maintenant espacées ladite feuille et ladite matière thermiquement isolante, ledit support définissant avec ladite première feuille et ladite matière thermiquement isolante un conduit ayant une entrée à travers laquelle un fluide à chauffer peut être introduit ét une sortie à travers laquelle ledit fluide peut sortir, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque d'échange thermique snécifiée sous la revendication 6, ladite plaque d'échange thermique étant disposée dans ledit conduit, sous la première feuille et parallèlement à elle, avec ses ailettes dirigées vers ladite matière thermiquement isolante et étant maintenue par ledit support de manière espacée par rapport à ladite première feuille et à ladite matière thermiquement isolante, la face de ladite plaque dirigée vers ladite première feuille étant adaptée pour absorber et convertir l'éner- gie radiante solaire incidente. 8.- Panneau selon la revendication 7, caractérisé en ce qu vil comprend une seconde feuille d'une matière qui est transparente à l'énergie radiante solaire, ladite seconde feuille étant agencée entre ladite première feuille et ladite plaque d'échange thermique et espacée de celles-ci 9.- Panneau selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'écart latéral entre les ailettes adjacentes dans une rangée est S, la longueur de chaque ailette est comprise entre environ 1 S et 3 S, la hauteur de chaque ailette est comprise entre environ 1,375 S et 4,135 S et le déplacement latéral entre les ailettes des rangées adjacentes est compris entre environ 0,125 S et 0,375 S. 10.- Panneau selon la revendication 9, caractérisé en ce que les ailettes sont rectangulaires. 11.- Panneau selon la revendication 10, caractérisé en ce que S a une valeur de l'ordre de 2,5 cm. 12.- Panneau selon la revendication 10, caractérisé en ce que la longueur de chaque ailette est d'environ 2,54 cm, la hauteur de chaque ailette étant d'environ 2,54 cm, l'écart entre des ailettes adjacentes d'environ 2,54 cm et le déplacement latéral entre les rangées adjacentes environ 0,6 cm.