Brevet FR2435007A1 — publié le 19800328

La présente invention concerne un échangeur de chaleur tellurienne et plues particulièrement un tel échangeur destins à être utilisé conjointement avec un système de pompe de chaleur pour le chauffage et la réfrigération d'espaces clos, tels que des habitations ou d'autres bâtiments. L'utilisation de la terre, en tant que réservoir de chaleur à température approximativement constante, pour des échanges de chaleur, est bien connue. L'utilisation de la terre pour des échanges de chaleur avec un système de pompe de chaleur comprenant un compresseur, un condenseur, une soupape de détente et un évaporateur, avec l'évaporateur réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur enterré dans le sol, est aussi bien connue. Un tel système de pompe à chaleur est décrit, par exemple, dans le brevet américain n" 2.513.373 en date du 4 juillet 1950. Cependant, pour conserver son efficacité, un échangeur de chaleur tellurienne doit rester en contact permanent et intime avec le sol, de manière que celui-ci puisse agir comme ut source froide ou une source chaude ' efficace.Cependant, le fait d'utiliser le même échangeur de chaleur en hiver pour recueillir à basse température la chaleur provenant du sol et en été pour évacuer la chaleur dans le sol, entraîne des variations considérables de la température de fonctionnement de l'échangeur de chaleur et par conséquent des dslatations et des contractions de celui-ci. De plus, et plus particulièrement dans les climats nordiques, à l'occasion du gel et du dégel, le sol bouge considérablement, avec une périodicité de tout juste un an. Pour toutes ces raisons, un échangeur de chaleur enterré dans le sol, perd rapidement son efficacité pour les échanges de chaleur, du fait de la création de vides ou poches d'air entre les faces de l'échangeur de chaleur et le sol adjacent.Ces échangeurs de chaleur sont normalement réalisés en acier, afin d'en réduire le prix et pour obtenir une bonne conductivité thermique. Acier rouille cependant très vite dans la terre.L'application d'une couche de peinture sur les surfaces en acier, réduit, il va de soi, la conductivité thermique au contact de-ces surfaces avec le sol. C'est donc l'objet général de la présente invention, que de four nir un échangeur de chaleur tellurienne du genre décrit ci-dessus, avec lequel on éviterait les inconvénients énumérés ci-dessus, par le fait que cet échangeur conserverait pendant très longtemps ses qualités de conductibilité thermique entre lui-même et le sol ot il est enterré, ceci malgrè des contractionset des dilatations répétées et malgrè les mouvements du sol. Un autre objet de la présente invention est de fournir un échangeur de chaleur tellurienne du genre décrit ci-dessus, pourw de moyens pour remplir automatiquement avec une matière conductrice de la chaleur, tous les vides ou poches d'air qui se formeraient entre le sol et les faces de l'échangeur de chaleur. Un autre objet de la présente invention est de fournir un échangeur de chaleur tellurienne du genre décrit ci-dessus, comportent des moyens pour un remplissage facile avec la matière conductrice de la chaleur. Un autre objet de la présente invention est de fournir un échangeur de chaleur du genre décrit ci-dessus, dans lequel la matière conductrice de la chaleur servant à boucher les vides est une'braisse thermique" qui recouvre les faces de l'échangeur de chaleur et empêche ces faces de rouiller. Les objets de l'invention décrits ci-dessus et d'autres encore, vont apparaître plus clairement au cours de la description ci-dessous et si l'on se réfère au dessin dont les différentes figures montrent Figure 1 : une vue en perspective de l'ensemble de l'élément échangeur de chaleur selon l'invention; Figure 2 : une coupe partielle vue selon les flèches 2-2 de la figure 1; Figure 3 : une vue partielle en plan et en coupe selon la ligne 3-3 de lafigure 2; Les figures 4,5 et 6 sont des coupes partielles de la plaque et du serpentin de-l'échangeur de chaleur, correspondant à trois réalisations différentes et la figure 4 est une vue en plan de la disposition préfére pour le serpentin de circulation du fluide, qui fait partie de la plaque de l'échangeur de chaleur selon l'invention. Dans ces dessins, des chiffres repères identiques, indiquent de bout én bout des éléments analogues. L'échangeur de chaleur tellurienne selon l'invention, porte d'une manière générale, le repère 1 cet il comprend une plaque métallique rectangulaire plate 2, de forme allongée et une paire de tubes verticaux d'extrémités 3 dont chacun comporte une fente 4 qui s'étend dans le sens vertical , dans la partie correspondant à son extrémité inférieure. La 2 fente 4 correspond approximativement à la hauteur de la plaque/ de sorte que celle-ci pénètre dans le tube 3, ainsiqu'on l'a représenté dans la figure 3. La fente 4 comporte, espacés sur sa longueur, un certain nombre de doigts 5 orientés vers l'intérieur, disposés sur chaque bord de la fente et s'appuyant avec un contact glissant sur les faces opposées de la plaque 2.Les portions de la fente 4 comprises entre les doigts 5 successifs, définissent les orifices 6 disposés de part et d'autre de la plaque 2, ces orifices étant en communication avec l'intérieur du tube 3. La plaque 2 disposée entre les tubes 3, porte un serpentin 7 pour la circulation d'un fluide, ce serpentin s'étend sur toute la surface de la plaque et à ses extrémités 8, il est inséré dans le circuit d'une pompe de chaleur utilisée comme système de chauffage et/ou de réfrigération pour une maison ou pour un bâtiment analogue. Chaque tube 3 est rempli la avec une matière conductrice de/chaleur 9 susceptible de fluer, de s'é- couler, qui esi maintenue sous pression constante à l'intéreur du tube 3 au moyen d'un poids 10 pouvant coulisser librement à l'intérieur du tube 3 et reposant au-dessus de la matière 9. La pression exercée par le poids 10 est suffisante pour refouler la matière 9 à travers les orifices 6, le long des faces de la plaque. La plaque 2 est prévue pour être enterrée dans le sol G, dans un plan vertical, avec les tubes verticaux 3 s'étendant au-delà du bord supérieur de la plaque pour déboucher àla surface du sol~. L'extrémité ouverte de chacun des tubes est fermée normalement au moyen d'un chapeau amovible il auquel est attaché un câble ou une corde 12 qui pend mollement à l'intérieur du tube 3 et dont l'extrémité inférieure est attachée au poids 10. Ainsi, on peut toujours extraire le poids en le ti rant hors du tube et refaire le remplissage de celui-ci avec de la matière conductrice de la chaleur 9, chaque fois qu'on le juge nécessaire. L'extrémité inférieure de chaque tube 3 est obturée. La matière 9 est, de préférence, une graisse, telle que la graisse utiliséecomme lubrifiant pour les voitures, contenant un métal conducteur de la chaleur sous forme de poudre. Cette graisse peut être une graisse au silicone, telle que la graisse au silicone fabriquée par la Dow Chemicals Limited, qui contient de l'oxyde de cuivre sous forme de poudre disséminé dans la masse de la graisse. Ceci est une graisse dite "graisse thermique" ou graisse conductrice de la chaleur, ayant un coefficient de conductibilité thermique K = 0/0010, comparable avec la conductibilité moyenne du sol qui est 0,0023. Le coefficient du cas ci-dessus, indique la quantité de chaleur exprimée en calories pas centimètre carré, par degré celsius, par seconde - par centimètre d'épaisseur. Avant d'enterrer la plaque 2, on enduit complètement ses deux faces avec de la graisse thermique et, une fois qu'elle est enterrée, on remplit les tubes 3 avec de la graisse thermique. En cours d'utilisation, toute poche d'air qui vient à se former entre la plaque et le sol, est rapidement bouchée avec la graisse thermique sous pression, refoulée à travers les orifices 6 des tubes 3, la graisse se déplaça't le long des deux faces de la plaque pour remplir les vides ou poches d'air. On a calculé qu'une lame d'air de 0,5 millimètre seulement, séparant le sol de la surface de la plaque, réduirait l'efficacité d'échange de chaleur de cet échangeur de chaleur, au moins dans un rapport de cinq. C'est ainsi qu'un échangeur de chaleur étudié normalement pour transmettre 29,3 kilojoules par seconde, n'aurait dans de telles conditions, qu'une efficacité de 5,86 kilojoules par seconde. On a constaté que déjà, après une période de fonctionnement de six mois seulement, de telle poches d'air étaient formées sur la quasi totalité de l-a surface de-s deux faces de la plaque. Ceci est dO aux mouvements du sol qui accompagnent le gel et le dégel, ainsi qu'aux variations de la tempérarure de fonctionnement de l'échangeur de chaleur qui peuvent atteindre 55,5 degrés celsius, entre le régime d'hiver et le régime d'été.Avec une telle variation de température, la dilatation ou la contraction de la plaque peuvent atteindre au total 1,27 centimètre pour une longueur de Zi77 t. t longueur que l'on devrait donneur. à cette plaque, en supposant une largeur de 90 centimètres, pour pouvoir assurer la puissance d'échange de chaleur nécessaire pour une pompe de chaleur dimensionnée pour chauffer et pour refroidir une maison de taille normala CettecoUraction et cette dilatation sont absorbées tout simplement par un enfoncement plus ou moins profond dela plaque à l'intérieur des tubes verticaux 3 disposés à ses extrémités. Il va de soi que la graisse thermique protège aussi la plaque contre l'oxydation et élimine ainsi une autre barrière susceptible de s'opposer à l'échange de chaleur, la plaque étant fabriquée normalement en cuivre ou dans un alliage d'aluminium et de zinc. En été, la chaleur dessèche le sol et il peut alors être nécessaire, chose connue, d'humidifier la surface du sol dans la zone où se trouve l'échangeur de chaleur, par exemple au moyen d' un tube arroseur perforé 13, raccordé à une distribution d'eau au moyen diun tuyau 14, ce dernier étant muni d'une éleotrovalve 15, commandée automatiquement par un capteur 16, réagissant à l'humidité et enterré dans le sol. Si la terre est trop sèche, le tuyau 14 envoie de l'eau tout autour de l'échangeur de chaleur 1. En hiver, l'humidité du sol migre vers la plaque 2 et on n'a pas besoin d'un tel arrosage. Le serpentin d. circulation du fluide 7,ce fluide étant par exemple du fréon, fréquemment utilisé dans les systèmes frigorifiques, peut prendre différentes formes ainsi qu'on l'a représenté dans les figures 4,5 et 6. Le serpentin 7 peut être simplement constitué par un tube 17, en cui vre, en aluminium ou en quelque autre métal convenable, ou en acier, soudé directement sur l'une des faces de la plaque 2, par exemple au moyen de cordons de soudure 18. En variante, un tube 17-t courbé de manière à réaliser un serpentin peut être inséré entre deux demi plaques 2' réunies au moyen de points de soudure disposés entre.. les tubes et travaillés de manière à prendre une forme de tales ondulées, ainsi qu'on le voit dans la figure 5. Selon une autre variante, on peut prévoir des nervures ou ailettes hélicoidales à l'intérieur des tubes, pour améliorer le transfert de chaleur entre le fluide et la plaque. Selon encore une autre variante, les tubes 17 ou 17+ sont complètement supprimés et les deux demi plaques de forme ondulée, sont juxtaposées et réunies au moyen de soudure par points, en ménageant des passages 20 pour le fluide caloporteur 21. Le tube peut suivre un tracé quelconque, à la demande, par exemple un simple tracé en zigzag, comme on l'a indiqué dans la figure 1. On préfère cependant construire le serpentin de manière à obtenir le tracé représenté dans la figure 7 avec deux ensembles de tracés parallèles, raccordés de manière à obtenir des débits de fluide approximativement égaux dans chacun des ensembles et aussi des débits égaux dans toutes les branches d'un ensemble, ce système étant disposé de manière à obtenir des longueurs de parcours égales pour toutes les branches et aussi, par conséquent, des valeurs identiques de la résistance à l'écoulement. Plus spécifiquement, nous avons deux ensembles de tubes parallèles, respectivement 23 et 24, disposés côte à côte sur la longueur de la plaque 2. Les tubes des deux ensembles ont la même longueur. Le tube d'arrivée commun 25 est replié en 26, vers l'arrière en forme de "U",- réalisant ainsi une branche 27 qui constitue le collecteur d'alimentation pour les tubes 23 du premier ensemble. Ces tubes sont raccordés à un collecteur de sortie commun 28 qui constitue une branche parallèle au tube de sortie commun 29/qui communique avec celui-ci en 30. La disposition est inversée pour le deuxième ensemble de tube 24, à savoir : le collecteur d'entrée 31 constitue une branche secondaire du tube d'alimentation commun 25, il est parallèle à la branche 27 de celui-ci et communique avec cet+e branche en 32, à l'une des extrémités du collecteur d'entrée 31, tandis qu'à leur extrémité opposée, les tubes 24 sont reliés directement au tubel de sortie 29. La disposition est telle que la longueur dF trajet à travers l'un quelconque des tubes 23 cu 24, est la inênie, en allant du point d'alimen tation commun 32 au point de sortie commun 30. Il va de soi que les diamètres des tubes 23 et 24 sont identiques et que d'autre part les diamètres de la branche 27-du tube de sortie 29 du collecteur de sortie 28 et du collecteur d'alimentation 31 sont également les mêmes. Avec la disposition décrite ci-dessus, on obtient un système d'é coulementsparallèles avec un débit de fluide accru, et en même temps, le débit dans tous les tubes 23 et 24 est approximativement le même, ce qui permet d'obtenir une efficacité d'échange de chaleur uniforme pour toute la surface de la plaque 2. REVENDICATIONS 1. - Echangeur de chaleur tellurienne caractérisé par le fait qu'il comporte pour son fonctionnement, une plaque en matière conductrice de la chaleur, avec deux bords latéraux opposés et portant un serpentin et en parcouru par un fluide, disposé dans le plan de ladite plaque/ liai- son de conduction thermique avec celle-ci, ledit serpentin étant préw pour être raccordé à ses extrémités avec un circuit contenant un fluide, des échanges de chaleur devant s'effectuer entre ce fluide et le sol, avec deux tubes, chacun de ceux-ci comportant une fente longitudinale s'étendant à travers sa paroi, chacun de ces tubes correspondant à l'un desdits bords latéraux opposés de la plaque qui s'engage à frottement glissant dans ledit tube, les parois desdits tubes comportant des orifices faisant communiquer l'intérieur desdits tubes avec les deux faces extérieures opposées de la plaque et avec une matière "fluable", conductrice de la chaleur, maintenue pour le fonctionnement à l'intérieur desdits tubes et pouvant s'écouler sous pression vers l'extérieur à lesdits travers / . orifices vers les faces extérieures opposées de ladite plaque et remplissant les espaces et intervalles pouvant exister éventuellement entre ladite plaque et le sol environnant. 2. - Echangeur de chaleur tellurienne selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des moyens sont prévus pour maintenir sous pression ladite matière fluabie, conductrice de la chaleur. 3. - Echangeur de chaleur tellurienne selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit moyen de pression comprend un poids reposant librement au-dessus de ladite matière, à l'intérieur dudit tube 4. - Echangeur de chaleur tellurienne selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits tubes s'étendent en formant appro- ximativement des angles droits avec l'un des bords longitudinaux de ladite plaque, avec l'une de leurs extrémités disposée au-dessus dudit bord longitudinal, lesdits tubes étant ouverts à ladite extrémité. 5. - Echangeur de chaleur tellurienne selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits tubes sont verticaux et ouverts à leur extrémité supérieure, comportant en outre, un poids à l'intérieur de chacun desdits tubes, ledit poids reposant librement au-dessus de la matière contenue dans le tube, un chapeau obturant d'une manière amovible ladite extrémité supérieure et un moyen tel qu'une corde réunissant ledit chapeau audit poids. 6. - Echangeur de chaleur tellurienne selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune desdites encoches a une largeur plus grande que l'épaisseur de ladité plaque, avec la partie terminale de ladite plaque pénétrant à l'intérieur dudit tube, les bords des fentes étant formés avec des doigts orientés vers l'intérieur de la fente et opposés les uns aux autres venant en contact glissant avec ladite partie terminale de la plaque, lesdits orifices étant définis par les par ties de ladite fente comprise entre les doigts précités. 7. - Echangeur de chaleur tellvr gelon qu'il comporte pour son fonctionnement, une plaque diéchange de la chaleur de forme allongée, conçue pour être disposée dans un plan vertical, dans le sol, une paire de tubes verticaux ayant chacun une partie terminale supérieure qui s'étend vers l'extérieur par rapport au sol et une partie terminale inférieure pourvue d'une fente latérale longitudi nale s'étendant à travers la paroi dudit tube, recevant avec possibilité de glissement, une extrémité conjuguée de la plaque et autorisant un glissement de la plaque dans la fente correspondante par rapport aux tubes selon les contractions et les dilatations de la plaque, chacune des fentes formant des orifices faisant communiquer l'intérieur du tube avec les faces extérieures opposées de ladite plaque, avec un serpentin de circulation pour un^fluide porté par ladite plaque dans le plan de celle-ci approximativement sur toute l'étendue de ladite plaque et en bonne liaison thermique avec celle-ci, ledit serpentin étant préw pour être raccordé à ses extrémités à un circuit contenant un fluide, des échanges thermiques devant.être réalisés entre ce fluide et le sol avec une matière fluable, bonne conductrice de la chaleur, ayant une consistance de graisse contenue dons lesdits tubes verticaux et avec des moyens de pression prévus dans les extrémités supérieures desdits tubes verticaux refoulant la matière dans lesdits tubes pour obtenir un écoulement vers l'extérieur, à travers lesdits orifices, contre lesdites faces extérieures opposées, pour remplir les espaces et intervalles se formant éventuellement à la surface de contact entre ladite plaque et le sol, à la. suite des contractions et des dilatations de la plaque.