Brevet FR2363775A1 — publié le 19780331

La présente invention concerne un procédé ainsi qu'un dispositif de récupération d'énergie thermique d'un milieu ambiant dans lequel simultanément ou de façon pré- pondérante pendant certaines périodes de temps, sont disponibles de l'énergie sous forme de radiation électromagnétique et de l'énergie sous forme d'énergie thermique contenue dans un fluide, énergies qui en sont séparées, par l'intermédiaire d'une paroi séparatrice d'échangeur de chaleur, à partir d'un fluide échangeur de chaleur servant à dériver de l'énergie thermique usuelle. Pour la récupération d'énergie thermique du milieu ambiant, on se sert, dans la mesure où il s'agit de l'énergie de radiation de la lumiere solaire, de collecteurs d'énergie solaire, tels que ceux décrits dans le brevet allemand OS NP2.505.522. Les systèmes de collecteurs d'énergie solaire comprennent un support radio-absorbant de canalisation contenant un fluide échangeur de chaleur.Etant donné que la température du fluide échangeur de chaleur de la canalisation ainsi que la surface supérieure du support radioabsorbant est, en fonctionnement, généralement supérieure à la température ambiante, il faut s'assurer que le support radio-absorbant ou sa surface supérieure soit isolé par rapport au milieu ambiant, afin qu'il n'y ait pas de pertes en énergie thermique par thermoconduction et par convection de la surface supérieure du support vers le milieu ambiant plus froid. Cette isolation prend, dans les collecteurs d'énergie solaire connus, la forme d'un recouvrement transparent au rayonnement solaire utile, par exemple en vitre de verre. Une autre possibilité connue de récupération d'énergie du milieu ambiant consiste à exploiter des installations à pompes de chaleur dont le circuit comprend un échangeur de chaleur qui enlève de la chaleur à un fluide ambiant, par exemple de l'eau stagnante, de l'eau souterraine ou de l'air ambiant. On sait que les échangeurs de chaleur pour systèmes de pompes de chaleur doivent assurer une résistance aussi faible que possible à la transmission de chaleur ambiante au fluide échangeur de chaleur, par l'intermédiaire de la paroi séparatrice de l'échangeur de chaleur, afin de donner lieu à un fonctionnement économique. Etant donné que, d'un côté, un système à pompe de chaleur ne permet qu'une récupération d'énergie fortement dépendante du temps, que, d'autre part, les collecteurs d'énergie solaire permettent l'exploitation d'une énergie entrante à densité plus élevée ( les collecteurs d'énergie solaire délivrent une énergie thermique de 200 à 400 watts par mètre carré de surface de collecteur alors que les systèmes à pompe de chaleur n'extraient que 50 watts d'énergie thermique par mètre carré de surface échangeuse de chaleur, du milieu ambiant ), on s'efforce d'installer simultanément les deux systèmes de récupération d'énergie, par exemple pour le chauffage des locaux et la préparation d'eau chaude.Les surfaces qui sont en pratique disponibles sur les terrains et sur les immeubles, pour le montage des collecteurs d'énergie solaire ou des échangeurs de chaleur sont toutefois limitées; c'est pourquoi on s'e heurté- jusqu'à présent à des difficultés d'installation les uns à côte des autres, de collecteurs d'énergie solaire connus et d'échangeurs de chaleur connus d'installations à pompes de chaleur et de placement simultané des deux systèmes de récupération d'énergie. L'invention a pour but de concevoir un procédé et une installation du type décrit succinctement ci-dessus, qui, au moyen d'une seule installation" présentant une construction comparativement simple ainsi qu'un faible encombrement ou une faible demande en surfacas d'absorbtion d'énergie, puisse, au choix, soit collecter de l'énergie de radiation, en particulier la radiation de la lumière solaire, ou fonctionner en régime de pompe de chaleur. Conformément à l'invention, ce but est atteint par le fait qu'une couche apte à absorber le rayonnement électromagnétique, de la paroi séparatrice de l'échangeur de chaleur, séparant le milieu ambiant du fluide échangeur be chaleur,est, de façon selective, soit séparée dudit milieu ambiant par une couche thermiquement isolante, transparente à la radiation, soit couplée audit milieu ambiant, de manière thermoconductrice. La séparation de la couche radio-absorbante du milieu ambiant peut être effectuée pendant'les périodes de prédominance de la radiation électromagnétique, mais elle a toujours lieu lorsque la température du milieu ambiant est plus faible que celle de la surface supérieure de la couche radio-absorbante ou que la température du fluide échangeur de chaleur. La commutation de la séparation entre la couche radio-absorbante de la paroi séparatrice et le milieu ambiant au moyen de la couche thermiquement isolante au couplage thermoconducteur de la couche radio-absorbante de la paroi séparatrice avec le milieu ambiant a lieu, de préférence, de façon automatique et simultanément à la commutation du circuit du fluide échangeur de chaleur du système à collecteur d'énergie solaire au système à pompe de chaleur. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé énoncé ci-dessus est caractérisé en ce qutil comprend un é- changeur de chaleur à paroi séparatrice, qui présente une couche support thermoconductrice et radio-absorbante, reliée de façon thermoconductrice à une canalisation de fluide échangeur de chaleur, couche support sur laquelle peut être engendrée, lorsque cela est désiré, la couche thermiquement isolante, transparente à la radiation. Pour réaliser la couche transparente à la radiation, thermiquement isolante, on peut disposer sur la surface supérieure de la couche support, une matière en plaque, transparente à la radiation et thermiquement isolante. Une autre possibilité consiste en ce qu'au-dessus de la couche support thermoconductrice et radio-absorbante de l'échangeur de chaleur, est disposé un espace rempli dtun fluide thermoconducteur qui est séparé du milieu ambiant par une couche de barrage transparente à la radiation et présentant, en direction perpendiculaire, un coëfficient de conductibilité thermique relativement élevé, espace d'où, pour la formation de la couche thermiquement isolante et transparente à la radiation, le fluide thermoconducteur peut être vidé. Une autre possibilité encore, qui représente un dispositif selon un mode d'exécution préféré, une couche de barrage, présentant en direction perpendiculaire un coëffient de conductibilité thermique relativement élevé,est disposée au-dessus de la couche support thermoconductrice et radio-absorbante, ladite couche de barrage pouvant être soulevée à l'écart de la face supérieure de la couche support pour la formation de la couche transparente au rayonnement et thermiquement isolante, en particulier au moyen d'un fluide transparent au rayonnement et thermiquement isolant, w qui peut être introduit entre la couche support et la couche de barrage. D'autres détails et particularités de l'invention ressoriront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif, de plusieurs modes d'exécution de ltinvention, avec référence aux dessins, dans lesquels La figure la représente une vue en coupe à travers un échangeur de chaleur à paroi séparatrice, en régime de collecteur d'énergie solaire, La figure lb représente une vue en coupe à travers un échangeur de chaleur à paroi séparatrice, en régime de pompe de chaleur, La figure 2a représente une vue en coupe, sthéma- tique, d'un autre mode d'exécution d'un échangeur de chaleur, en régime de collecteur d'énergie solaire, La figure 2b représente une vue schématique, en coupe, de l'échangeur de chaleur selon la figure 2a, en régime de pompe de chaleur, La figure 3 représente une vue schématique, simplifiée, d'un agencement utilisable, au choix, en tant que collecteur d'énergie solaire ou d'installation à pompe de chaleur, La figure 4 représente une vue schématique, simplifiée, d'une variante d'exécution par rapport à la figure 3, Les figures 5 à 7 représentent des vues schémå- tiques, en coupe, d'échangeurs de chaleur à paroi séparatrice, suivant un mode d'exécution préféré, La figure 8 représente une vue en perspective, partiellement en coupe, d'un échangeur de chaleur présentant certaines améliorations et modifications par rapport aux échangeurs de chaleur selon les figures 5 à 7 et La figure 9 représente un détail de l'échangeur de chaleur selon les figures 5 à 8, en coupe et à plus grande échelle. L'échangeur de chaleur selon la figure 7a com- prend une couche support radio-absorbante et thermoconductrice, à laquelle est reliée, de façon thermoconductrice, la paroi 2 d'une canalisation. ta canalisation contient un fluide échangeur de chaleur 3 gaze!x ou liquide, qui parcourt un circuit qui appartient à un système de pompe de chaleur, mais peut traverser un autre échangeur de chaleur d'un système de collecteur d'énergie solaire. La face supérieureWéloignée de la paroi 2 de la canalisation, de la couche support 1, est dirigée vers le milieu ambiant libre 4 et en est séparée par une couche 5 transparente au rayonnement, thermiquement isolante.Sur le côté opposé au milieu ambiant-4, de la canalisation, on a une couche thermiquement isolante 6, par exemple un matelas de laine de verre ou un matelas de laine de laitier ou analogue. Il faut faire remarquer ici que la couche support 1 ne doit pas nécessairement être constituée par une couche distincte ; mais elle peut être formée par la-paroi 2 de la canalisation, en particulier lorsque la canalisation est fabriquée par " soufflage " d'une couche composite, comme cela est bien connu dans la fabrication de parois échangeuses de chaleur dans les appareils frigorifiques. Dans tous les cas, la face supérieure de la couche support 1 est réalisée de manière qu'elle présente une bonne capacité d'absorbtion de la radiation incidente du milieu ambiant 4, par exemple de la lumière solaire. On peut prévoir des faces supérieures de la couche support qui sont noircies. Même lorsque la face supérieure de la couche support 1 acquiert,par chauffage du au rayonnement de'la lumière solaire, une température considérablement plus élevée que l'air du milieu ambiant 4, aucun transfert thermique n'a lieu de la couche support 1 en direction du milieu ambiant libre 4 étant donné que la couche transparente au rayonnement et thermiquement isolante 5 empêche la formation de courants de convection ainsi que d'une conduction thermique. Si, par contre, on enlève la couche transparente à la radiation et thermiquement isolante 5 parce que l'on commute l'installation de récupération d'énergie du régime en collecteur d'énergie solaire au régime de pompe de chaleur, des courants de convection sont engendrés sur la face supérieure de la couche support 1 en direction du milieu ambiant 4 et une conduction thermique a lieu, ce qui. est représenté schématiquement à la figure lb par les flèches P. L'échangeur de chaleur selon la représentation schématique de la figure 2a, présente, au-dessus de la couche support 1 thermoconductrice et radio-absorbante, un espace 7 qui est séparé du milieu ambiant 4 par une couche de barrage 8 transparente à la radiation et présentant, en direction perpendiculaire, un coëfficient de conductibilité thermique relativement élevé. La couche de barrage 8 peut être constituée par une matière en plaque ou une matière en film, qui est soit réalisée en une matière à bonne conductibilité thermique ou qui est suffisamment fine pour obtenir, en direction perpendiculaire, le coëfficient de conductibilité thermique relativement élevé. Pour former la couche transparente à la radiation et thermiquement isolante, l'espace 7 est soit mis sous vide , soit rempli par un~fluideyaauvais~conducteur~de.chaleur0 Dans le cas où l'espace 7 est mis sous vide, des moyens de support de la couche de barrage 8 sont prévus dans l'espace 7, moyens qui ne gênent pas sensiblement la radiation incidente du milieu ambiant 4 et qui n'ont pas été représentés à la figure 2a. Lorsque l'échangeur de chaleur à paroi séparatrice selon la figure 2a ne doit plus travailler en régime de collecteur d'énergie solaire,mais être inséré dans une installation de pompe de chaleur, on évite la présence de la couche transparente à la radiation et thermiquement isolante en remplissant l'espace 7 d'un fluide thermoconducteur 9. Ce fluide vermet un transfert thermique depuis la couche de barrage 8 qui présente, en soi, un coëfficient de conductibilité thermique relativement élevé, à la couche support 1, par thermoconduction et convection, de sorte que l'énergie thermique du milieu ambiant 4 peut parvenir au fluide échangeur de chaleur 3. La figure 3 représente un agencement de récupération d'énergie dans lequel le dispositif de commutation, soit en régime de collecteur d'énergie solaire, soit en régime de pompe de chaleur, est représenté par un symbole fonctionnel 10. Un élément en plaque 11, en matière thermiquement isolante, est capable de coulisser sur la paroi séparatrice de l'échangeur de chaleur associé à cet agencement, pour la formation de la couche transparente à la radiation et thermiquement isolante, au moyen d'une commande 12 qui peut être enclenchée dans un sens ou dans l'autre par des appareils appropriés du dispositif 10, lorsque l'on désire réaliser un changement de régime.L'agencement selon la figure 3 présente toutefois l'inconvénient qu'il faut pré voir des surfaces additionnelles pour l'élément en plaque 11 à l'état retiré de l'échangeur de chaleur, il peut toutefois convenir lorsque ces surfaces ne peuvent pas, sans plus, e- tre utilisées comme surfaces d'accueil du rayonnement ou dela chaleur. On évite l'inconvénient d'un besoin accru en surface dans le dispositif selon la figure 4, par le fait que l'élément en plaque est réparti en lamelles individuelles 13 qui peuvent être posées sur l'échangeur de chaleur ou basculées à l'écart de la couche support radio-absorbante de celui-ci; ces lamelles sont, à leur tour, réalisées en une matière transparente à la radiation et thermiquement isolante et elles sont reliées à une commande 14 qui correspond, sur le plan opératoire, à la commande 12 du mode d'exécution décrit ci-dessus.Des moyens complémentaires de commande peuvent, dans un développement de ce mode d'exécution, provoquer un actionenent de la commande 14 tel qu'à l'ét rabattu vers le haut des lamelles 13, celles-ci sont alignées en direction de la radiation incidente afin de réduire les pertes au maximum. Un dispositif avantageux, du point de vue de la construction et dlun actionnement particulièrement simple correspond au montage de l'échangeur de chaleur à paroi séparatrice selon les figures 5 à 9. Dans ce mode d'exécution, les tubes 15 d'une canalisation en forme de serpentin, peuvent être reliés à une couche support réalisée au moyen d'une tôle noircie 16 de manière telle que les tronçons individuels de tube sont logés dans des inflexions en forme de moulures, de la tole support et qu'ils sont reliés à la tôle support mécaniquement et thermiquement par soudure, comme cela est représente en détail à la figuré 9. Sous l'unité constituée. par la tôle support et la serpentin tubulaire, on a un corps isolant 17 en mousse de résine de polystyrene ou en mousse de résine de polyuréthane, qui assure également à la. canalisation un- support mécanique. Un film 18 transparent à la radiation et présentant, en direction perpendiculaire, un coefficient de conductibilité relativement élevé, est tendu sur la face supérieure, dirigée vers le milieu ambiant 4, de la tôle support 16. Dans le mode d'exécution de l'échangeur de chaleur selon la figure 5, le corps isolant 17 présente un bourrelet marginal 19 qui maintient le film 18 hors de contact avec la face supérieure de la totale de support 16, de sorte qu'un espace 20 se crée entre la totale support et le film 18, espace qui forme la couche transparente à la radiation et thermiquement isolante, séparant la paroi séparatrice de l'échangeur de chaleur du milieu ambiant, aussi longtemps que le dispositif en cause travaille en régime de collecteur d' énergie thermique Lorsque l'échangeur de chaleur selon la figure 5 doit constituer un élément d'une installation de pompe de chaleur, l'espace 20 est mis sous vide au moyen d'une pompe à vide 22, par l'intermédiaire d'un canal 20 qui traverse le corps isolant 17, de sorte que le film 18, qui est suffisamment élastique, se colle à la face supérieure de la tôle support 16, comme cela est clairement illustré à la figure 5 par la ligne en traits mixtes. Lorsqu'à nouveau l'espace 20 reçoit de l'air par le canal 21, le film 18, en raison de son élasticité, retourne à la position de régime représentée à la figure 5 par la ligne en trait plein. Le mode d'exécution d'échangeur de chaleur selon la figure 6 se distingue de celui selon la figure 5 en ce que la face supérieure de la tôle support 16 et du corps isolant 17 est pleine et que le film transparent à la radiation 18 repose, normalement, sur la face supérieure de la tôle support 16, en raison de la tension et de son élasticité. Pour former la couche transparente à la radiation et thermiquement isolante, au-dessus de la face supérieure radio-absorbante de la tôle support IG, on introduit entre le film 18 et la face supérieure de la tôle support 16, un fluide transparent à la radiation, mauvais conducteur de chaleur, par le canal 21, de sorte qu'il se forme un espace 20 rempli par le fluide et que le film 18 est bombé au dessus de la couche support. Le mode d'exécution de l'échangeur de chaleur selon la figure 7 présente, par rapport à ceux des figures 5 et 6 l'avantage que le film transparent à la radiation 18 ne doit plus être extensible élastiquement étant donné que la convexité de la face supérieure courbe de la tôle support 16 est choisie pour avoir exatement la même grandeur que la face supérieure du film transparent à la radiation 18 De cette manière, on évite la formation de boursouflures lorsque le film 18 est aspiré contre la face supérieure de la tale support 16. En outre, il ne faut craindre aucune fatigue du film 18 en raison de ses extensions et retraits constants. La figure 8 illustre un dispositif dans lequel le film 18 est relié à la face supérieure de la tale support 16, le long de lignes de contact 23, par exemple par collage ou soudure. Le film 18 se gonfle donc en plusieurs arcs sur la face supérieure de la tôle support-16, dès-que l'es- pace 20, divisé de façon multiple, est soumis à la pression par l'intermédiaire du canal 21. Le film 18 présente en conséquence, dans son état correspondant à ce régime, une meil leuiestabilîté de forme et, donc, une capacité accrue de résistance aux forces du vent ou analogues. Enfin, la figure 8 fait encore apparaître que la face supérieure de la couche support 1 présente des rainures 24 de faible:section qui permettent un écoulement complet du remplissage 20 lorsque celui-ci est mis sous vide par le canal 21 et que l'échangeur de chaleur passe au régime de pompe de chaleur, de manière qu'il ne puisse pas se former des inclusions en forme de bulles entre le film 18 et la face su périeure de la tôle support 16. Conformément à un perfectionnement non représenté dans les figures 5 à 9, on prévoit un revêtement de silicone ou de téflon sur au moins l'une des faces supérieures dirigées l'une vers l'autre, du film 18 et de la tôle support 16, afin que ces couches ne puissent pas adhérer l'une contre l'autre, même au cours de périodes prolongées du régime de pompe de chaleur, de l'installation. Comme cela va de soi et comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution décrits; elle embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVE-DICtTIO.iS 1. Procédé de récupération d'énergie thermique d'un milieu ambiant dans lequel simultanément ou de façon prépondérante pendant certaines périodes de temps, sont disponibles de l'énergie sous forme de radiation électromagnétique et de l'énergie sous forme d'énergie thermique contenue dans-un fluide,énergies qui en sont séparées, par l'intermédiaire d'une paroi séparatrice d'échangeur de chaleur, à partir d'un fluide échangeur de chaleur servant à dériver de l'énergie thermique usuelle, ce procédé étant.caractéri- sé en ce qu'une couche de la paroi séparatrice, apte à absorber la radiation électromagnétique, est, de façon sélective, soit -sétarée dudit milieu ambiant par une couche thermiquement isolante, transparente à la radiation, soit couplée audit milieu ambiant de manière thermoconductrice. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séparation de la couche radio-absorbante de la paroi séparatrice de ltéchangeur, par rapport au milieu ambiant, est effectuée pendant les périodes de prépondérance de la radiation électromagnétique. 3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le couplage thermoconducteur avec le milieu ambiant a lieu aussi longtemps que la température du milieu ambiant est plus élevée que la température du fluide échangeur de chaleur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par une commutation automatique de la séparation de la couche radio-absorbante de la paroi sé séparatrice de ltéchangeur de chaleur, par rapport au milieu ambiant, au moyen de la couche thermiquement isolante, au couplage thermoconducteur de la couche radio-absorbante de la paroi séparatrice avec le milieu ambiant. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fluide échangeur de chaleur est, au choix, en circulation dans un circuit de collecteur d'énergie solaire ou dans un circuit de pompe de chaleur. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur à paroi séparatrice, qui présente une couche support thermoconductrice et radio-absorbante, (1) reliée de façon therrioconductrice à une canalisation (2) de fluide échangeur de chaleur (3), couche support sur laquelle peut être engendrée, lorsque Cela est désiré, la couche thermiquement isolante, transparente à la radiation (5, 7, 11, 13 ou 20). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au-dessus de la couche support (1) thermoconductrice et radio-absorbante de l'échangeur de chaleur, est disposé un espace rempli d'un fluide thermoconducteur (9) qui est séparé du milieu ambiant (4) par une couche de barrage (8) transparente à la radiation et présentant, en direction perpendiculaire, un coëfficient de conductibilité thermique relativement élevé, espace d'où, pour la formation de la couche (7) thermiquement isolante et transparente à la radiation, le fluide thermoconducteur peut être vidé. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'espace cité ci-dessus peut être mis sous vide. Dispositif selon la revendication 6, caracté risée ce qu'unecouche de barrage (18), présentant en direction perpendiculaire un coëfficient de conductibilité thermique relativement élevé, est disposée au-dessus de la couche support thermoconductrice et radio-absorbante, ladite couche de barrage pouvant être soulevée à l'écart de la face supérieure de la couche support (16) pour la formation de la couche transparente au rayonnement et thermiquement isolante (20) , en particulier au moyen d'un fluide transparent au rayonnement et thermiquement isolant, qui peut etre introduit entre la couche support et la couche de barrage. 10. Dispositif selon la revendication 9, carac- térisé en ce-que la couche de barrage transparente a' la radiation (18) est constituée par un film flexible. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le film et/ou la face supérieure de ladite couche support (16) est ou sont recouverte(s) de silicone ou de téflon, pour éviter le collage mutuel. 12. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que le film (18) est fixé par points ou le long de lignes sur la face supérieure de ladite couche support (16). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que la face supérieure dirigée vers la couche de barrage transparente à la radiation (18), de la couche support (16), est munie de rainures longitudinales ou canaux (24) présentant une faible section transversale, qui servent à dégazer les inclusions de fluide entre la couche de barrage et la face supérieure de la couche support. 14. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une matière isolante en plaque (11 ou 13), transparente à la radiation et thermiquement isolante, peut prêtre amenée sur la face supérieure de la couche support (1), pour la formation de la couche transparente à la radiation et thermiquement isolante. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, caractérisé en ce que sous la couche support thermoconductrice et radio-absorbante, se trouve une couche thermiquement isolante (6 ou 17).