Brevet FR2415272A1 — publié le 19790817

La présente invention se rapporte à un chauffe-eau solaire t elle vise, plus particulièrement, un chauffe-eau solaire à changement de phase qui est à auto-régulation, à auto-pompage et n'utilise pas de pièces mobiles. Les dispositifs connus de chauffage d'ambiance et de chauffe-eau domestiques à énergie solaire ont une fiabilité et des caractéristiques très limitées, pour plusieurs raisons. Le méca- nisme de transfert de chaleur est peu sOr et a un mauvais rendement. Le système usuel à circulation forcée de liquide nécessite une pompe de circulation qui consomme de lténergie électrique. La différence de température entre le collecteur et le réservoir d' eau est relativement grande, de l'ordre de 17 C. Le fluide réfrigérant est en général corrosif et sujet au gel. De nombreux fluides réfrigérants sont très toxiques et par conséquent dangereux s'ils s1 introduisent dans le circuit d'eau chaude.Les moyens de commande sont compliqués et ne peuvent pas empêcher le transfert de chaleur de l'eau chaude au collecteur. Les installations habituelles de ce type ne sont donc ni fiables ni optimales. L'avantage thermique d'un système à ch-angement de phase sur un système à circulation de liquide apparait lorsqu'on tient compte de la chaleur latente pour le transport d'énergie, au lieu de la chaleur sensible. La chaleur absorbée dans le cas d'une circulation de liquide est exprimée par q . m Cp (Ts ~ Te) où m est le débit de liquide en circulation, Cp est la chaleur spécifique du liquide et T5 et T sont les températures du liquide à la sortie et à entrée du collecteur. L'expression comparable pour le système à changement de phase, dans lequel le liquide est introduit dans le collecteur, bout sans changement de température et sort sous forme de vapeur, est 2 q = m (h g - hf) où h g et hf sont les enthalpies de la vapeur et du liquide respectivement, leur différence étant la chaleur latente de vaporisation. La chaleur latente d'un réfrigérant usuel tel que le Fréon 114 dépasse 22,4 Cal/Kg, à comparer à la chaleur spécifique de l'eau qui est de 1,0 Cal/Kg. C. Cela montre que le débit de circulation du fluide pour le système à changement de phase peut titre une petite fraction de celui d'un système à circulation de liquide, cette diminution étant accompagnée d'une réduction comparable de l'énergie de pompage extérieure. La diminution du débit de circulation dans le système à circulation de liquide provoquerait des températures de collecteur plus élevées, accompagnées par des pertes au collecteur plus grandes. Le dispositif usuel à pompage de fluide réfrigérant ne peut ni maintenir des conditions isothermiques à l'intérieur du collecteur ni fournir le transfert maximal automatique de chaleur dans lapartie transitoirement refroidie du réservoir, lorsque l'eau froide entre, du fait de l'action de condensation accrue en ce point. En outre, l'augmentation du transfert de chaleur, liée à un système de changement de phase, comme indiqué plus haut, provient seulement du collecteur. Aucune chaleur n'est perdue par la partie supérieure du réservoir qui a été précédemment chauffée. Ainsi, une stratification avantageuse est maintenue dans le réservoir d'eau, malgré la présence du condenseur. La présente invention évite, d'une manière nouvelle, les divers inconvénients ci-dessus. L'invention a pour objet un appareil totalement à autorégulation. Suivant une autre caractéristique de l1invention, l'appareil ne peut pas geler. L'invention vise également un appareil à transfert de chaleur amélioré par utilisation du changement de phase du fluide de transfert de chaleur. L'appareil suivant l'invention a encore pour avantages de ne pas comporter de parties mobiles, autre plus fiable et facile à entretenir que les appareils connus, de ne pas nécessiter de commandes extérieures et de supprimer de nombreux composants coû- teux et délicats. L'invention a également pour objet un appareil qui ne présente pas de perte de chaleur du réservoir à travers le collecteur solaire. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, de l'appareil utilise un fluide/transfert de chaleur non corrosif et de très faible toxicité. L'invention vise également un appareil comportant un collecteur à auto-équilibrage et isothermique. L'appareil suivant l'invention a encore pour avantage d'améliorer la stratification dans le réservoir d'eau chaude. L'invention a encore pour objet un appareil dans lequel la chaleur s'écoule toujours directement vers le point le plus froid, ce qui améliore le rendement. L'appareil suivant l'invention permet d'obtenir un transfert de chaleur supérieur et des tempéra tures plus élevées, avec un collecteur et des capacités de réservoir inchangés par rapport aux appareilWusuels. L'invention vise également un dispositif de maintien d'un rendement élevé même si le collecteur devient partiellement isolé du soleil pendant une partie de la journée, par exemple à cause d'un arbre ou d'un bâtiment. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le fonctionnement reste bon mEme si l'installation nécessite des orientations différentes d'une partie du collecteur, par exemple des collecteurs à la fois sur les pentes est et ouest d'un toit. L'invention a également poub objet un dispositif de con truble de bon fonctionnement du dispositif ainsi qu'un dispositif de recherche de fuite, mtme très petite, dans le circuit. L'appareil suivant l'invention, pour le chauffage solaire de l'eau,est caractérisé en ce qu'il utilise un transfert de chaleur à changement de phase et comprend un condenseur immergé dans un réservoir d'eau, un collecteur solaire qui évapore le fluide de transfert de chaleur et un accumulateur qui agit comme un régulateur système. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme de réalisation, non limitative, représentée sur le schéma annexé. Sur la figure 1, qui illustre les caractéristiques générales de l'invention, le chauffe-eau solaire, globalement désigné par le repère 10, comprend un condenseur Il ayant une entrée supérieure 12 et une sortie inférieure 13. Ce condenseur Il est immergé dans une masse d'eau 20. L'eau est contenue dans un réservoir isolant 14, comportant une sortie supérieure 15 et une entrée inférieure 16 pour l'introduction de liteau. Un accumulateur 17 est placé au-dessous du condenseur Il et il est raccordé à la sortie inférieure 13 par un premier conduit 26. Dans la formeréférée de réalisation, l'accumulateur 17 est du type à vessie. Il comporte une vessie 18, une entrée 19 et un dispositif 21 de régulation de la pression autour de la vessie 18. Ce dispositif 21 peut etre du type "EXTROL", fabriqué par Amtrol Inc. à West Warwick, R.I. et décrit dans les brevets aéricains nO 2 695 753 et 3 035 614. Un collecteur solaire 22, du type "SOLECTORw fabriqué par Sunworks Manufacturing, à Somerville, N.J. est placé au-dessus de l'entrée de l'accumulateur et au-dessous de la sortie du condenseur. Le collecteur solaire comporte une sortie supérieure 23 qui communique avec entrée supé rieure 12 du condenseur par un deuxième conduit 27, et une entrée inférieure 24 qui communique avec l'entrée 19 de l'accumulateur par un prolongement du premier conduit 26.A l'intérieur du collecteur solaire lui-mtme est prévu un conduit intérieur 25 qui relie la sortie 23 du collecteur à entrée 24 du collecteur et qui expose un fluide 28 de transfert de chaleur, qui se trouve à certains moments dans le conduit, aux effets de l'énergie solaire. Ce liquide de transfert de chaleur est contenu, d'une manière générale, dans un circuit fermé constitué par le condenseur, le premier conduit, la vessie, le conduit du collecteur solaire et le deuxième conduit. La vessie 18 est avantageusement en un élastomère, notamment le néoprène. Le fonctionnement du dispositif suivant L'invention sera mieux compris à la lumière de la description ci-dessus. A lté- tat initial, le fluide 28 de transfert de chaleur à l'état liquide, qui est de préférence du Fréon 114, est sensiblement contenu dans la vessie 18 de l'accumulateur 17. Dans cet état initial, le niveau liquide du Fréon 114 se trouve au-dessous de l'entrée 24 du collecteur. Une certaine pression, de l'ordre de 5 bars, est appliquée à la vessie 18 par l'intermédiaire du dispositif 21 de régulation de pression. Cela oblige le fréon liquide 28 à monter dans le dispositif et en particulier dans le conduit 25 du collecteur solaire. Le fréon exposé à l'énergie du soleil 30 s'évapore immédiatement.Il en résulte une augmentation de la pression de vapeur dans le circuit fermé et la vapeur plus légère monte dans le conduit du collecteur, s'échappe par la sortie 23 et se dirige vers le condenseur par l'intermédiaire du deuxième conduit 270 A cet instant initial, l'eau 20 est froide. La vapeur de fréon se condense et communique ainsi son énergie à lteau à travers les parois du condenseur. Du fait de la position du réservoir d'eau au-dessus du collecteur 22 et de l'accumulateur 17, la pesanteur oblige le fréon condensé à l'état de liquide à revenir vers la vessie 18.Pour reprendre l'exemple ci-dessus, la pression de vapeur du Fréon 114 est de l'ordre de 4,9 bars à 60tu. Par conséquent, ce cycle d'évaporation et de condensation se poursuit jusqu'à ce que la tem pérature de l'eau 20 devienne légèrement supérieure à 60 C. A ce moment, la pression de vapeur dans le circuit fermé dépasse légèrement 4,9 bars. Du fait de cette pression plus forte, qui s'exerce à l'intérieur de la vessie, cette dernière se dilate et par conséquent le niveau liquide du fréon s'abaisse. Lorsque le niveau du fréon descend au-dessous de l'entrée 24 du collecteur et que le fréon liquide ntest plus exposé à l'énergie solaire, l'évaporation s'arrête et avec elle le transfert de chaleur.Au bout d'un certain temps, si l'eau 2Çgse refroidit au-dessous de 600C, la pression de vapeur diminue. Par suite, la vessie 18 se contracte et le fréon est à nouveau refoulé dans le collecteur 22 et le cycle recommence. Le rendement du système est encore amélioré par la caractéristique d'auto-équilibrage du système à changement de phase, qui oblige le collecteur 22 à fonctionner isothermiquement et par suite au rendement le plus élevé. En raison de la nature du fluide de transfert de chaleur, le transfert de chaleur est concentré au point le plus froid à 11 intérieur du réservoir 14 d'eau chaude, ce qui améliore encore le rendement et les caractéristiques du dispositif.Lorsqu'une certaine quantité d'eau froide est introduite par l'entrée 16, de l'eau chaude étant évacuée par la sortie 15, il en résulte une condensation rapide autour de la partie inférieure du condenseur 11, ce qui concentre le chauffage en ce point. Cela abaisse encore la pression de vapeur et la température dans le circuit du fréon. La température dans le collecteur 22 diminue également,ce qui augmente encore le rendement du collecteur. De plus, il n'y a pas de déperdition de chaleur à la partie supérieure du réservoir 14 pendant cette situation transitoire,ce qui préserve lahtratification avantageuse à l'intérieur du dispositif. Les caractéristiques ci-dessus permettent également un passage en cascade de l'eau chaude dans deux ou plusieurs réservoirs, tandis que les serpentins de fréon fonctionnent en parallèle. L'autorégulation de la température finale et la concentration du chauffage au point le plus froid dans les réservoirs améliorent le fonctionnement. Cela permet également une forme plus basse pour les réservoirs et facilite par conséquent leur adaptation à l'intérieur d'un plus grand nombre de types d'habitation. Un trait particulier du dispositif suivant l'invention réside en ce qu'aucune chaleur ne peut titre transférée du réservoir 14 d'eau chaude au collecteur 22. Cela provient de ce que, si le collecteur 22 est plus froid que l'eau chaude 20, le liquide reste entièrement à l'intérieur du collecteur et la pression de vapeur est inférieure à celle qui est nécessaire pour provoquer la condensation dans le condenseur 11. Par suite, aucun transfert de chaleur ne peut avoir lieu. Si l'eau chaude 20 entourant le serpentin de condenseur 11 est plus froide que le collecteur 22, la condensation de la vapeur commence et un transfert efficace de chaleur s'effectue entre le collecteur 22 et lleau chaude 20. La différence de température est en général inférieure à 2,8 C. On voit que le dispositif contient son propre thermostat, comme s'il existait une thermodiode, de sorte que la chaleur peut seulement s'écouler dans la direction convenable. De plus, I1 accu- mulateur à vessie empêche l'échappement de fréon à l'atmosphère et protège le dispositif. Lorsque le réservoir d'eau chaude ne peut pas être placé au-dessus du collecteur, une autre forme de réalisation du dispositif utilise un condenseur situé au-dessus du collecteur et non à l'intérieur du réservoir ou solidaire de celui-ci. a chaleur est transférée de ce condenseur au réservoir par l'intermédiaire d'une pompe de circulation qui oblige l'eau du réservoir à traverser le condenseur. On obtient ainsi la plupart des avantages du dispositif décrit plus haut, m8me si l'emplacement optimal duiéservoir de stockage ne peut pas être respecté. On possède également un moyen de contrôle du bon fonctionnement du dispositif puisque le manomètre 32 indique la température réelle de fonctionnement du collecteur jusqu'à ce que la pression de consigne soit atteinte. Il indique également le bon fonctionnement du dispositif. Il est possible d'obtenir une vérification effective pour de très petites fuites dans le circuit, lorsqu'on utilise du fréon, puisqu'il existe un détecteur de fuite connu du type à halogène qui fonctionne très bien. Cet appareil permet de vérifier facilement et effectivement l'intégrité du circuit. Suivant un trait préféré de l'invention, les conduits, notamment, 26 et 27, sont en tube de cuivre désoxydé, avec des raccords en cuivre forgé, brasés à l'argent, sous une atmosphère de gaz inerte, au moyen dtune torche à hydrogène. Il est entendu que des modifications de détail peuvent titre apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. REVElrDICATIONS 1. Appareil de production d'eau chaude par énergie-solaire, utili sant un transfert de chaleur à changement de phase, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison 2 a) un condenseur (11) comportant une entrée supérieure (12)- et une sortie inférieure (1 3), ce condenseur étant en contact avec une masse d'eau (20) ;; b) un accumulateur (17) comportant des moyens (21) de régulation de sa pression intérieure et ayant une entrée supérieure (9), ledit accumulateur étant situé entièrement au-dessous du condenseur t c) un collecteur solaire (22) comportant une entrée inférieure (94) et une sortie supérieure (23) et contenant un conduit (25) qui relie la sortie du collecteur à l'entrée du collec teur,ce conduit étant conçu pour exposer à l'énergie solaire un fluide de transfert de chaleur contenu dans le conduit, la sortie du collecteur étant située au-dessous de la sortie du condenseur, l'entrée du collecteur étant située au-dessus de l'entrée de l'accumulateur ;; d) un premier conduit (26), étanche à l'air, qui relie la sortie de l'accumulateur, l'entrée du collecteur et la sortie du con denseur t e) un deuxième conduit (27),étanche à l'air, qui relie la sortie du collecteur à l'entrée du condenseur ; et f) un fluide liquide (28) de transfert de chaleur, à changement de phase, contenu dans un circuit fermé constitué par les C oiidui LSI dits/ le condenseur, l'accumulateur et le collecteur. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de transfert de chaleur est du Fréon 114. 3. Appareil suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'accumulateur est du type à vessie (18). 4. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la vessie est en néoprène. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, ca ractérisé en ce que le condenseur est placé dans un réservoir d'eau à enveloppe isolante (14) ou fixé à ce dernier, le ré servoir d'eau comportant une entrée inférieure (16) et une sor tie supérieure (15) pour l'eau. 6. Appareil suivant ltune quelconque des revendications 1 à 5, ca ractérisé en ce que le conduit du collecteur solaire, les pre mier et deuxième conduits et le condenseur sont disposés de fa çon à ce qu'il n'existe à l'intérieur de ces éléments aucun piège de vapeur qui limiterait la circulation de la vapeur. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les premier et deuxième conduits sont en tube de cuivre désoxydé, avec des raccords en cuivre forgé,dé soxydé, qui sont brasés à l'argent sous atmosphère de gaz inerte et avec une torche à hydrogène.