Brevet FR2388218A1 — publié le 19781117

La présente invention concerne des appareils du type chaudière asso- ciés à des chauffe-eau et à des panneaux solaires utilisant l'effet de serre, permettant de chauffer simultanément de l'eau glycolée pour le chauffage central et de l'eau potable à usage sanitaire et autres. Dans les dispositifs de ce genre il est connu - d'une part, des appareils permettant de chauffer de l'eau en petite quantité soit en basse pression, soit sous forme de vapeur à haute pression. - d'autre part, des appareils ou chaufferies de très grande capacité permettant d'utiliser de la vapeur d'eau à l'usage des industries ou des zones urbaines collectives. Au niveau du capteur solaire de petite capacité la technique connue n'a pas encore dépassé le stade expérimental ou seules quelques applications particulières ont été réalisées et publiées. Tous ces appareils n'ont pas été conçus pour le chauffage central individuel domestique, sous forme de module, adaptés au problèmed'économie tout en offrant une grande souplesse en utilisation et permettant de réaliser une rentabilité optimale à court terme. En.effet, ces appareils, pour le problème de chauffage central individuel sont, soit surdimentionnés, soit sous dimensionnés, ou combinés avec d'autres éléments faisant intervenir d'autres facteurs techniques et financiers. I1 est souvent difficile de les utiliser d'une manière générale, rationnelle, économique et de les faire accepter-par des petites bourses. Les inconvénients majeurs de ces appareils sont - court des investissements élevé. - production en kilo-calories mal adaptée donc gaspillage d'énergie et augmentation du prix de revient du chauffage. - principe et modèle nécessitant souvent pour leur mise en oeuvre et leur bon fonctionnement, en toute sécurité, une main d'oeuvre spécialisée, donc d'un emploi très difficile et couteux pour un particulier d'un niveau moyen. Les appareils actuellement généralisés et les plus utilisés permettent de produire de l'eau chaude par éléments séparés - pour le chauffage central une chaudière traditionnelle - pour le chauffage de l'eau sanitaire des chauffe-eau genre cumulus ou à débits instantanés - des chauffe-eau solaires dont les dispositifs de régulation connus ne permettent pas la maitrise de l'énergie solaire en offrant toutes les sécurités nécessaires et indispensables aux installations sanitaires. La présente invention a pour but de créer un module de chauffage économique mixte combiné permettant d'éliminer la majeure partie de ces inconvénients, tout en utilisant les anergies traditionnelles et 1' énergie solaire. Le but principal de ce module est de permettre par rapport aux moyens existants genéralisés, de réaliser les gains suivants -: GAINS CHIFFRABLES : - gains dé 70 % environ sur la consommation en énergie traditionnelle onéreuse. - réduction de 70 % environ du prix de revient du chauffage central individuel et de l'eau chaude sanitaire. - réduction de 30 % du prix de revient de fabrication et d'installation du moyen de chauffage. Par la combinaison des éléments entre eux s - réduction du nombre d'appareils à installer tant sur le plan des éléments de production et de distribution d'eau chaude que sur tous les éléments de régulation automatique thermostatique, électrique et thermodynamique comportant chacune une sécurité manuelle. - Réduction importante de la surface au sol à utiliser, des volumes et des masses jusqu'ci nécessaires. GAINS NON CHIFFRABLES : - Augmenter la souplesse d'utilisation dans les différents locaux à chauffer1 par la mise en place d'un moyen de chauffe à basse pression adapté et basé sur le rapport P = Vs Cp ( t2 - ti ) K = 860 T P = Puissance installée en kW V = Volume en dm3 Cp = Chaleur spécifique en kcal/kg/oC Q = Densité t2 = Température finale de l'eau glycolée en degrés " TI ti = Température initiale de l'eau glycolée en degrés " OC n K = Coéfficient de déperdition T = Temps de chauffage en heure - - Réduction des bruits de fonctionnement - Réduction ou élimination de la pollution suivant le type d'énergie onéreuse utilisée. - Augmenter les possibilités d'interchangeabilité du nouveau moyen sur une installation existante utilisant la circulation d'eau chaude. Le module de chauffage milite et combiné, objet de 1 'invention comporte t - un réservoir accumulateur rationnel de kilocalories rempli d'eau glycolée qui est propulsée par une pompe de circulation dans des tuyauteries et un vase d'expansion en circuit fermé. Le volume de ltensemble de ce circuit est régulé par un limitateur de niveau automatique. A l'intérieur de ce réservoir circule de l'eau potable ou de consommation à l'aide d'un serpentin alimenté en eau par un deuxième réseau. Les kilocalories sont produites d'une part par un générateur utilisant une énergie traditionnelle et d'autre part par un capteur solaire demi-sphérique concave animé en rotation par un motoréducteur effectuant un tour en 24 heures. - Une régulation automatique temporisée qui comprend Au niveau du réservoir un thermostat à sonde réglable de O à 200 OC, une vanne automatique thermostatique réglable et une minuterie permettant au module utilisant à 100 46l'électricite de programmer le fonctionnement total ou partiel des thermoplongeurs en tarif de nuit et de programmer aux heures creuses la consommation éventuelle de Jour. Au niveau du capteur solaire demi-sphérique concave nn obturateur réflé chissant animé en rotation par un motoréducteur électrique synchrone à deux sens de marche. Une capsule thermostatique commande alternativement les deux réseaux électriques en agissant, par variation de température maxi-mini du réseau-d'eau de retour, sur des minirupteurs. Le motoréducteur à deux sens de marche ( avant et arrière ) laisse l'obturateur ouvert tant que la température de l'eau du circuit aller n1 excède pas 90 C. Au-delà la capsule thermostatique agit sur l'un des minirupteurs et commande ainsi la fermeture de l'obturateur réfléchissant qui vient en butée sur un inverseur électrique et met sous tension le deuxième réseau de commande. Lorsque la température de l'eau du circuit aller atteindra 80 OC par exemple. la capsule thermostatique agira sur un deuxième minirupteur et commandera le deuxième sens de marche du motoréducteur et provoquera le retour arrière ou l'ouverture de l'obturateur. Les risques, engendrés par une surchauffe dans un contexte défavorable, sont donc martyrisés. La surface concave du capteur a été choisie pour les zones recevant, annuellement et pendant la période froide une =olation moyenne. De ce fait, il est réglable en position et est animé par une rotation de un tour par 24 heures de manière à recevoir une exposition solaire optimale et par sa forme intérieure de demi Polyèdre concave à section octogonale il récupère à 90 % les rayons ultraviolets et les rayons infrarouges réfléchis. Pour les zones recevant annuellement une isolation moyenne importan- la surface du capteur pourra être convexe en comportant les mêmes dispositifs de régulation et d'exposition que celui représenté par la figure nO 3. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des dessins annexés représentant, à titre-d'exemple, le module équipé de thermoplongeurs utilisant l'énergie électrique. La figure 1 montre une coupe faite sur l'ensemble du module complet à travers une forme de réalisation dans laquelle le réservoir est équipé de thermoplongeurs électriques régulés et temporisés en automatique et le capteur solaire est un demi Polyèdre concave à section octogonale. La figure 2 montre une coupe faite à travers lermservoir, accumulateur de kilocalories produites par l'énergie électrique, installé dans un local bien isolé thermiquement. La figure 3 montre une coupe faite à travers le capteur solaire concave, réglable en position et en rotation, entièrement régulé par des éléments simples et fiables et doté d'une très bonne isolation thermique. Tel qu'il est représenté schématiquement en coupe sur la figure 2, f'éle- ment combiné se compose d'un réservoir 1, assis sur un berceau~23, équipé d'un trou d'homme 1', muni d'une bonde avec soupape de sécurité 8 et d'un limitateur de niveau électrique 9, qui commande l'électrovanne 10. A l'intérieur du réservoir 1, un serpentin 2, fixé sur le support perforé 3, immergé totalement dans liteau glycolée 4, alimenté en eau froide potable par le canal 16 et distribuant de l'eau chaude par le canal 17. Les kilocalories sont produites dans un premier temps, en totalité et au tarif de nuit, par des thermoplongeurs électriques 24, logés dans des tubes étanches permettant le remplacement de l'un d'eux sans interrompre la marche du module, disposés symétriquement sur les extrémités hémisphériques du réservoir de manière à réduire les convexions tDtrmiques. Le nombre et la puissance des thermoplongeurs varie en fonction du nombre de kilocalories à accumuler pendant 8 heures consécutives dans l'eau glycolée 41 portée à une température de 95 "C à 100 OC maxi, et nécessaires pour chauffer les volumes variables des locaux. La température maxi de l'eau glycolée est visualisée par la sonde thermométrique 6, et régulée par le thermostat à sonde 20, en accord avec la pression interne indiquée par le manomètre 7. L'horloge à programme 21, temporise l'alimentation en électricité des thermoplongeurs pendant les heures de nuit et les heures creuses à tarifs réduits. Le rhéostat manuel 19 permet, par mesure de sécurité, d'enclencher en tout ou partie les thermoplongeurs en dehors des horaires à tarifs réduits. La pompe de circulation 14, propulse l'eau chaude dans le tuyau 15, vers les radiateurs et le vase d'expansion. Le retour s'effectue par le tuyau 25 en passant par le répartiteur qui établit l'alimentation en eau du capteur solaire par le tuyau 27, et le retour au réservoir par le tuyau 26. Le robinet 28, assure la sécurité manuelle de l'électrovanne 10 sur le tuyau de remplissage et de maintient de niveau du réservoir. La vanne 13, permet de couper le circuit d'alimentation d'eau chaude dans le cas de réparation ou de remplacement de la pompe de circulation. La prise de terre 33, assure la sécurité de masse de l'installation électrique. L'isolant 32, permet une bonne isolation thermique et phonique du local dans lequel est installé l'élément. Ce local comportera systématiquement un bac cimenté de retenue d'eau d'une capacité aq- mqins égale au volume total de l'eau glycolée contenue dans l'ensemble dei'installation, La vanne29, permet de fermer manuellement le circuit de retour du tuyau 26 ou le circuit 93, d'alimentation en calories venant du capteur solaire, ou les deux simultanément pour des causes imprévues. Tel qu'il est représenté schématiquement en coupe sur la figure 3, le capteur solaire comporte une calotte sphérique composée d'une coquille en isolant thermique 67, prise en sandwich entre la coquille extérieure en matière inoxydable 63 et la coquille intérieure 57, sur laquelle est fixé le serpentin 56, du circuit d'eau glycolée, alimenté par le tuyau 52 et le collecteur 53, dont le débit d'arrivée est régulé manuellement par la vanne 54.La vanne 55, permet de régler le débit de retour pour permettre un temps d'exposition de l'eau glycolée adapté au besoin La calotte sphérique 58, recouverte d'une peinture absorbante NOIR MAT, résistant aux conditions thermiques ambiantes, est en contact sur toute sa surface avec le serpentin 56 et capte les rayons infrarouges producteurs de calories qui s'accumulent dans l'eau glycolée circulant à ltintérieur. Le chassis en cornières 66, supporteles plaques de verre qui acceptent la presque totalité du rayonnement solaire mais qui refuse absolument de laisser passer le rayonnement infrarouge de ltensemble capteur qui est chauffé. Ces plaques de verre ont pour but de provoquer l'effet de piège appelé communément effet de serre. Au centre l'ensemble axe 70, solidaire du chassis 66 supporte l'obturateur 65, composé de secteurs sphériques entraînés en rotation par le deuxième étage du motoréducteur synchrone à deux sens de marche 69 rendu étanche aux effets atmosphériques par le capot 71. Les galets cylindriques 68, fixés sur le chassis 66 et les galets 75 fixés sur la couronne 100, réduisent considérablement les coëfficients de frottements lors de l'ouverture et la fermeture de l'obturateur sphérique 65. L'ensemble calotte sphérique rendu solidaire de l'ensemble support manchon 59, est réglable en position angulaire sur le support épaulé 60, suivant un plan de rotation incliné à 45 alpha. L'angle d'inclinaison réglable de l'axe du capteur solaire sera de 120 béta environ, par rapport au sol, et nul par rapport au centre du rayonnement solaire. La trappe d'accéss en deux parties 62, est boulonnée sur la coquille 63, et serrée par le collier 96, sur le support manchon 59. L'ensemble capteur est entraîné en rotation par la roue 86, rendue solidaire de l'ensemble arbre support 81, et animé en rotation, par le pignon 85, du motoréducteur 84, fixé sur le support équerre 88, à raison de un tour par 24 heures apres un réglage préalable en accord avec la position du soleil. Les motoréducteurs 69 et 84, sont conçus et réalisés avec des éléments tropicalisés permettant un fonctionnement normal et fiable dans des températures ambiantes de l'ordre de + 1250 C. La liaison des circuits d'eau glycolée aller et retour du capteur est réalisée par les ensembles de tuyaux coaxiaux dont le circuit aller passe par la voie 50, et le circuit retour par la voie 5fil. Le noyau 101, de l'ensemble arbre support supérieur 81 tourillonne dans le roulement à bille 83, sur l'ensemble support inférieur 76 et assure l'étanchéité des ensembles tuyaux coaxiaux supérieurs et inférieurs avec des joints souples et des joints toriques.Le noyau 98, de l'ensemble support manchon 59, assure la liaison et l'étanchéité avec ltensemble arbre supérieur à l'aide de joints souples et Joints toriques. La capsule thermostatique .89, réagit aux variations de températures du circuit d'eau aller 50 et commande le minirupteur 90 qui met en circuit le premier réseau électrique de la couronne statique 79 lorsque l'eau atteint une température supérieure à + 900 C. Lorsque la température baisse vers 700 C sous l'effet de rétraction la capsule 89 commande le minirupteur 91 qui met en cirduit le deuxième réseau électrique de la couronne statique 79. L'ensemble support contact mobile 80 transmet l'alimentation du premier ou du deuxième réseau électrique par l'intermédiaire de cables blindés 64 et met sous tension le circuit électrique sélectionné par l'inverseur électrique 74, commandant ainsi la rotation sens aiguille ou sens inverse du motoréducteur deux sens de marche 69, soit l'ouverture ou la fermeture de ltobturateur réflechissant 65. Le minirupteur 73 commande en fin de course l'arrêt du mouvement de rotation , de ltouverture ou de la fermeture de l'obturateur sphérique réfléchissant qui vient en butée sur l'inverseur du réseau électrique 74. Lorsque la température de l'eau du circuit de retour 51, atteint par exemple + 600 C la vanne thermostatique automatique 30, de la figure 2, fermera le passage de l'eau insuffisamment chauffée et ne rétablira le passage unique que pour laisser passér une eau réchauffée à + 700 C par exemple L'embase 87 offre une bonne assise et permet de sceller au sol l'ensemble capteur complet. Le capotage 94, doublé d'un isolant thermique 95, assure les protections nécessaires et dont l'étanchéité est réalisée par la bague souple 97 La bonde 92 et le raccord 93 permettent, éventuellement, d'établir un deuxième réseau en circuit fermé pour réchauffer une piscine aux intersaisons ou en été par exemple. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation pré-citée,- décrit ci-dessus et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans ppur celà sortir du cadre de l'invention. Le module combiné, objet de la présente invention, peut-être utilisé dans tous les cas où l'on a besoin de produire de l'eau chaude, pour le chauffage central utilisant la basse pression, et pour la consommation courante, ceci à un prix de revient t:rès bas par rapport aux moyens généralisés actuellement, tout en préservant la qualité de la vie de l'environnement en éliminant les déchets polluants. Conçu pour être utilisé tout particulièrement dans les maisons individuelles d'habitation, dans les appartements en copropriété dont l'équipement en chauffage sera individuel. Il peut être utilisé aussi pour chauffer les locaux commerciaux, industriels, hospitaliers, hôteliers dont le volume à chauffer serait compatible avec la capacité minimum ou maximum de ce module combiné, limité volontairement en masse, en volume et en surface au sol occupée. Les petits exploitants agricoles producteurs de fleurs, de fruits et de légumes précoces trouveront dans ce module un moyen de chauffer leurs installations et de réaliser une économie optimale en production compte tenu d'un investissement bien adapté au besoin. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de chauffage mixte basse pression à circulation d'eau chaude, constitué d'éléments producteurs et accumulateurs de kilocalories avec chauffage en simultané de l'eau potable pour une distribution différée, temporisés et régulés au niveau de l'alimentation et de la distribution, assemblés et combinés entre eux, caractérisé par un capteur solaire à effet de serre figure 3, de forme intérieure de demi-polyèdre concave à section octogonale, réglable en position, animé en rotation à raison de un tour par 24 heures et équipé d'une régulation thermique entièrement automatique. 2 - Dispositif de chauffage, suivant la revendication 1, dont le capteur à effet de serre comporte un masque mobile de régulation thermique, caractérisé par le fait que ce masque est un obturateur à secteurs sphériques concaves réfléchissants 65, animé en rotation par un motoréducteur à deux sens de marche 69, luimême commandé par la capsule thermostatique 89, agissant sur les minirupteurs intermédiaires 90 et 91 qui mettent en circuit le premier ou le deuxième réseau électrique. 3 - Dispositif de chauffage, suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par les tuyaux coaxiaux de circulation d'eau de l'ensemble capteur solaire, assemblés par des manchons, à ailettes rotatifs, étanches par des joints souples et toriques, permettant pendant la circulation d'eau la réduction des pertes en calories du circuit d'eau réchauffée 51. 4 - Dispositif de chauffage, selon les revendications 1 à 3 combinant des capteurs d'énergie solaire avec des moyens traditionnels de chauffage, caractérisés par des moyens de régulation tels que l'horloge à programme à alimentation électronique 21, pour la temporisation automatique jour-nuit, le rhéostat 19 qui permet une sécurité manuelle au niveau de l'enclenchement en tout ou partie des thermoplongeurs, la sonde thermostatique 20 qui coupe le circuit d'alimentation lorsque le fluide atteint la température maxi, le limitateur de niveau d'eau 9 qui commande l'électrovanne 10 et assure le remplissage correct permanent du réservoir, la vanne thermostatique 30 de la figure 2 qui ferme le circuit 51 lorsque la température de l'eau venant du capteur se trouve au seuil en degré choisi et évite de perdre des calories. 5 - Dispositif de chauffage, suivant les revendications 1 et 4, caractérise par l'implantation symétrique des éléments de chauffe 24, à l'intérieur des extrémités hémisphériques du réservoir de manière à réduire les convexions thermiques et à augmenter le rendement. 6 - Dispositif de chauffage, suivant les revendications 1 et 5, caractérisé par l'immersion totale du serpentin 2 dans l'eau glycolée 4, et fixé suivant un plan concentrique par rapport aux éléments de chauffe 24.