Brevet FR2446449A1 — publié le 19800808

L'invention se rapporte a un dispositif pour l'accumulation et la cession de la chaleur fournie par un fluide réchauffé par le soleil, ce dispositif comportant un récipient pour un liquide, dans lequel se trouvent des moyens pour l'échange de chaleur entre le fluide amené par une canalisation et le liquide contenu dans le récipient ainsi que des moyens pour céder la chaleur accumulée dans le liquide en vue de son utilisation. Lorsqu'on capte la chaleur fournie par le soleil, il se pose un problème du fait que la chaleur captée présente de très fortes variations en quantité ainsi qu'en ce qui concerne le niveau de température du fluide directement soumis au rayonnement solaire. On connait des dispositifs du type mentionné ci-dessus dans lesquels le réservoir de liquide est un réservoir d'eau chaude, qui fait partie d'un système de distribution d'eau chaude contenant des organes de commande qui distribuent l'eau dans ce système dans des parties présentant les unes par rapport aux autres des gammes de température différentes selon le niveau de température dans l'accumulateur. Dans ces dispositifs, le réservoir de liquide sert effectivement de chauffe-eau pour le système de distribution d'eau chaude et il est parcouru par l'eau du système. L'invention, par contre, a pour but de procéder de façon différente afin d'obtenir un effet utile plus élevé de la chaleur captée.Pour cela, on se base sur le fait bien connu que lorsqu'on ne soumet pas le liquide dans un accumulateur de chaleur a une circulation forcée, il est possible de conserver les températures différentes qui règnent dans les différents niveaux et qui montent vers le haut du réservoir d'accumulation sans qu'il ne se produise un mélange trop important, si l'on prend des mesures pour que les températures qui montent au fur et a mesure qu'on s' élève dans le réservoir restent conservées dans les différents niveaux. Selon l'invention un dispositif du type décrit est carac térisé par la présence de dispositifs supplémentaires pour 1'échange de chaleur formés par au moins deux et de préférence par trois échangeurs de chaleur disposés a des hauteurs différentes correspondant aux plages de températures de plus en plus élevées du liquide dans le réservoir au fur et mesure qu'on s'élève dans le réservoir, alors que pour la cession de la chaleur accumulée le dispositif comporte au dessus de chacun des échangeurs de chaleur ci-dessus au moins un autre échangeur de chaleur pour échange de chaleur entre un fluide et l'eau à la température de la plage de température du niveau correspondant; le dispositif comportant en outre les thermomètres mesurant la température dans les fluides et dans les différentes tranches de l'eau du réservoir et commandant des soupapes de réglage assurant la régulation du débit du fluide dans les échangeurs de chaleur du premier groupe d'échangeurs cidessus ainsi qu'une pompe de circulation pour le fluide. Le réservoir de liquide d'accumulation comporte donc dans les différentes tranches successives disposées les unes au-dessus des autres, dans le bas, un échangeur de chaleur échangeant la chaleur entre le fluide de chauffage et le liquide du réservoir et au-dessus un échangeur de chaleur servant à céder la chaleur de cette tranche de liquide du réservoir d'accumulation à un système de distribution d'eau chaude. Un système de régulation commandant des soupapes a pour rôle de distribuer le fluide réchauffé par les cellules solaires selon sa température dans les échangeurs de chaleur des différentes tranches à un niveau plus ou moins élevé dans un réservoir pour assurer une utilisation optimale de la chaleur. Selon l'invention, les différentes tranches successives peuvent correspondre aux gammes de température suivantes : endessous de 40-50 C; entre env. 40-50 C et 70-800 C et au-dessus de 70-800 C. S'il s'agit d'un système d'accumulation et de cession de chaleur utilisant la chaleur du fluide d'une installation de chauffage solaire donnant de très hautes températures dans le fluide - pour fixer les idées des températures bien au-dessus de 1000 C - alors selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le réservoir de liquide peut être un réservoir fermé sous pression et il peut être muni dans sa zone supérieure d'au moins un échangeur de chaleur supplémentaire destiné à la cession de chaleur, lequel fait partie d'un circuit de vapeur comportant une machine à vapeur ou un groupe analogue. De cette façon il est possible de faire fonctionner une machine à vapeur à l'aide de la chaleur solaire captée, ce qui peut étre important surtout lorsque le système de régulation doit prélever aussi peu d'énergie que possible de l'extérieur. S'il s'agit d'une installation relativement importante, alors un mode de réalisation particulier de l'invention prévoit que l'une au moins des tranches correspondant à une plage de température élevée puisse fournir proportionnellement une plus grande quantité d'eau à température relativement élevée, cela en perfectionnant le dispositif d'accumulation, c'est-à-dire en disposant dans la tranche du réservoir correspondant à cette plage de température en haut au moins un échangeur de chaleur supplémentaire pour cession de chaleur à proximité immédiate de la tranche correspondant à la plage de température immédiatement supérieure cet échangeur de chaleur supplémentaire faisant partie d'un circuit liquide qui comporte une pompe à chaleur ainsi qu'un échangeur de chaleur pour cèder de la chaleur, à un niveau plus élevé que celui de la température du liquide, dans l'échangeur de chaleur supplémentaire susdit au système de distribution d'eau qui appartient à l'échangeur de chaleur pour cession de chaleur de la tranche de température correspondante du réservoir de liquide. On comprendra mieux l'invention en se réfèrant à la description d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limïtatif et au dessin annexé qui donne un schéma de ce mode de réalisation. Dans ce dessin, le repère 1 désigne l'ensemble d'un réservoir de liquide. Dans le mode de réalisation représenté, le réservoir est du type fermé et il a, pour fixer les idées, une capacité de plusieurs milliers de litres. La partie supérieure en forme de dome la du réservoir I porte à sa partie supérieure une vanne D. Dans le réservoir 1 on distingue trois tranches désignées du bas vers le haut par 1C, lB et 1A. Le réservoir est en pratique entièrement rempli de liquide. Le liquide dans le réservoir - qui forme un système à part - doit avoir une chaleur spécifique relativement élevée. En dehors de l'eau, contenant éventuellement dés sels dissouts, on peut envisager d'autres liquides convenant à cette application et qui sont bien connus, l'aspect du prix de revient jouant un rôle important dans le choix du liquide. Le réservoir 1 est entouré d'un revêtement calorifuge non représenté sur la figure - et dans le cas présent, sa résistance est calculéepour qu'il puisse résister aux surpressions résultant de la production de vapeur lorsque la température s'élève à l'intérieur du réservoir. Dans le réservoir 1 des échangeurs de chaleur 5C, 5B et 5A sont disposés respectivement dans les zones 1C, 1B et 1A dans l'ordre des températures croissantes. Les échangeurs de chaleur 5C, 5B et 5A font partie d'un système de canalisations 3a, 3b qui amène le fluide réchauffé par le rayonnement solaire de ces échangeurs de chaleur et qui après échange de la chaleur avec le liquide du réservoir 1 dans un échangeur ramène ce fluide à une batterie de tubes de chauffage du fluide, qui est indiquée schématiquement dans la figure par 2. Cette batterie est formée de façon connue par plusieurs cellules solaires, c'est-a-dire par des tubes associés à des surfaces réfléchissantes disposées de façon à réfléchir les rayons solaires sur les tubes afin de chauffer le fluide dans les tubes. Dans le système de canalisations 3a, 3b se trouve aussi une pompe de circulation 4, ainsi que plusieurs soupapes A, B, C. Ces soupapes sont comme le montre la figure des vannes à 3 voies. Les flèches Al, B1 et C1 indiquent le sens de circulation du fluide dans les soupapes A, B et C lorsque ces soupapes sont réglées pour envoyer le fluide de la canalisation 3a directement dans les échangeurs 5A, 5B et 5C tandis que les flèches A2, B2 et C2 indiquent le sens de circulation du fluide dans les soupapes A, B et C lorsqu'elles sont réglées pour ne pas envoyer le fluide de la canalisation 3a vers les échangeurs de chaleur 5A, 5B, 5C mais pour l'envoyer à la soupape suivante ou à la canalisation de retour du fluide 3b, qui renvoit le fluide à la batterie de chauffage 2. Le dispositif a pour but de céder le maximum de chaleur emmagasinnée dans le fluide amené par la canalisation 3a au liquide du réservoir 1 dans les zones 1A, 1B ou 1C par l'intermédiaire des échangeurs de chaleur 5A, 5B et SC. La température dans les zones 1C, 1B et 1A citées ci-dessus du réservoir 1 sont - dans l'ordre - en dessous de 40-500 C, entre 40-50 C et 70-800 C et au-dessus de 800 C. Dans les zones 1A, 1B et 1C du réservoir et dans la batterie 2 se trouvent placés en outre des thermomètres P, Q, R et S qui font partie d'un système de régulation automatique assurant la commande des soupapes A, B et C ainsi que de la pompe de circulation 4. Dans chacune des tranches 1A, 1B et 1C se trouve dans la partie supérieure un autre échangeur de chaleur 6A, 6B et 6C. Cela permet de céder la chaleur accumulée dans le réservoir à plusieurs circuits d'eau correspondant à une certaine gamme de température. Les échangeurs de chaleur 6A, 6B et 6C seront désignés ci-apres comme échangeurs pour cession de chaleur. L'échangeur pour cession de chaleur 6A est parcouru par de l'eau fournie par le système de distribution d'eau froide par une cana lisation 16a. Cette eau doit être réchauffée jusqu'à une température qui doit être au moines supérieure à 700 C de façon que l'eau chaude envoyée par la canalisation 16b à un ballon d'eau chaude 6a puisse être fournie par une canalisation 6c et utilisée pour les diverses applications ménagères, pour la cuisine, le bain, la douche etc. L'échangeur pour cession de chaleur 6B fait partie d'un circuit d'eau à une température-au-dessus de 400 C env. et ne dépassant pas 800 C - et qui est utilisée pour le chauffage domestique, le chauffage de bureaux etc. - dans un système de chauffage central qui comporte une chaudière indiquée en 6b. L'échangeur pour cession de chaleur 6C fait partie d'un système destiné au chauffage d'une piscine par l'intermédiaire des canalisations 36a, 36b. Dans le schéma on trouve en 6c les raccords pour le branchement des canalisations 36a, 36b sur la piscine. Dans la tranche 1B du réservoir - qui correspond ici à une hauteur moyenne dans le réservoir - se trouve au dessus de l'échangeur pour cession de chaleur 6B un échangeur pour cession de chaleur supplémentaire 106B. Cet échangeur fait partie d'un système de fluide auxiliaire indique en points et tirets sur la figure et qui comporte dans la chaudière de chauffage central 6b un échangeur de chaleur 1053. Ce système auxiliaire comporte en outre une pompe à chaleur 106. Le but de ce système auxiliaire avec la pompe à chaleur, les canalisations 106a, 106b et les échangeurs de chaleur 106B et 105B est d'assurer le chauffage central pendant les périodes ou le niveau de température dans la tranche 1B du réservoir 1 est insuffisant, en assurant d'une part une quantité suffisante de chaleur grâce à la fourniture d'une quantité de fluide suffisante à un niveau de température plus bas que la température nécessaire pour le chauffage central et d'autre part en assurant malgré cela grâce à la pompe à chaleur un niveau de température suffisant à l'èau de la chaudière de chauffage central. On n'insistera pas ici sur le principe connu d'ùne telle pompe à chaleur, à l'aide de laquelle on peut amener la chaleur contenue dans une quantité relativement importante de liquide à un niveau de température relativement bas, à un niveau de température considérablement plus élevé dans un liquide circulant en plus circuit fermé, avec un débit considérablement/faible. L'emploi d'un tel perfectionnement depend évidemment du capital disponible pour les investissements. Tout en haut du réservoir de liquide 1, au-dessus de l'échangeur pour cession de chaleur 6A pour la pré pharlation d'eau chaude 6a, 16a, 16b, un échangeur pour cession de /Supplémentaire 106A est indiqué en points et tirets. Cet échangeur 106 A alimente par les canalisations 116a et 116b une machine à vapeur.Cette possibilité n'est utilisable que si la température du fluide réchauffé dans la batterie 2 dépasse considérablement 1000 C de sorte que l'échangeur pour cession de a chaleur 106A puisse fournir de la vapeur à la machine/vapeur M. I1 faut évidemment dans ce casque le réservoir 1 soit calculé pour résister à la surpression qui se produit à l'intérieur par suite du niveau de température élevé du liquide et il doit comporter les dispositifs de sécurité correspondants. En ce qui concerne la manière selon laquelle le fluide chauffé par le soleil dans la batterie 2 est reparti grace au système de régulation par la conduite 3a à l'aide des positions appropriées des soupapes ABC sur les échangeurs 5A, 5B et 5C on se reportera au schéma de régulation donné plus loin. Pour le fonctionnement de ce système de régulation, il y a en outre une cellule photo-électrique 7. Cette cellule détecte le rayonnement solaire et indique si le rayonnement solaire frappe les réflecteurs de la batterie 2 ou s'il y a des heures sans soleil ou des heures peu ensolleillées. Dans le schéma de régulation donné plus loin on distingue selon l'ensoleillement - détecté par la cellule photo-électrique entre d'une part les périodes ensoleillées de 8h à 15h30, et d'autre part entre les périodes essentiellement sans soleil et les périodes - avec ciel essentiellement dégagé - entre env. 15h 30 l'après-midi et 8h du matin le lendemain. En effet après 15h 30 la force du rayonnement solaire diminue rapidement de sorte qu'il y a intérêt à capter la chaleur à une température plus basse qui est atteinte plus rapidement et qui entraine moins de pertes par rayonnement. Dans le schéma de régulation les lettres P, Q, R et S désignant non seulement les thermomètres pour la régulation de température mais aussi les températures mesurées par ces thermomètres. C'est ainsi que p. ex. P Le système de régulation sert non seulement à la commande des soupapes A, B et C mais il assure aussi la mise en route éventuelle de la pompe de circulation conformément aux indica tisons des deux dernières colonnes à droite. Les positions indiquées en bas dans la 2e colonne à partir de la gauche pour les soupapes A, B et C à savoir A2, B2 et C1 montrent dans quelles positions la pompe de circulation est en service ou non : c'est ainsi que si la température du fluide dans la batterie mesurée en S est supérieure à R + 100 C la pompe tourne, alors qu'elle est arrêtée lorsque la température mesurée avec le thermomètre S est inférieure à R + 20 C. SCHEMA DE FONCTIORiEMENT DE LA REGULATION Cellule photoélectrique (7) Pompe de circulation de d'ensoleillement Période sans Marche Arrêt de 8h à 15h 30 soleil ou de 15h 30 à 8h P Al - B2 - C2 - S > P + 10 C S + 2 C P > 800C A2 - B1 - C2 S > Q + 10 C S + 2 C Q > 550 A2 - B2 - C1 - S > R + 10 C S + 2 C A2 - B2 - C1 S > R + 10 C S R + 2 C I1 est évident que le mode de réalisation décrit ci-dessus et représenté selon le schéma ne constitue qu'un exemple parmi les nombreux modes de réalisation possibles selon l'invention, et que de nombreuses variantes sont possibles tout en restant dans le cadre de l'invention.On peut en particulier choisir pour les plages de température des limites différentes de celles indiquées et on peut prévoir un nombre plus grand de tranches de température selon les possibilités d'emploi des systèmes de distribution d'eau à des températures différentes. Les applications mentionnées plus haut pour l'eau des chaudières, l'eau pour le chauffage central et le chauffage de piscines sont des possibilités que l'on rencontre fréquemment et c'est la raison qui a guidé leur choix comme exemple de réalisation. En outre on a prévu dans le mode de réalisation décrit la possibilité d'emploi dans le haut du réservoir de tempéra tures loin au dela de la température d'ébulition de l'eau. Si dans de telles applications le liquide d'accumulation au lieu d'être de l'eau est constitué par un liquide ayant un point d'ébulition beaucoup plus élevé, p. ex. par de l'huile, il n'est pas nécessaire de prévoir un réservoir résistant aux pressions. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'accumulation et la cession de la chaleur fournie par un fluide rechauffé par le soleil, comportant ùn réservoir de liquide dans lequel se trouvent des dispositifs pour l'échange de chaleur entre le fluide chauffé par le soleil, amené par une canalisation, et le liquide dans le réservoir ainsi que d'autres dispositifs pour céder ia chaleur accumulée dans le liquide a des circuits d'utilisation, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs dispositifs pour l'échange de chaleur entre le fluide chauffé par le rayonnement solaire et le liquide de l'accumulateur constitués par au moins deux et de préférence trois échangeurs de chaleur disposés dans des tranches de liquide superposées dans le réservoir et correspondant à des plages de températures croissantes du bas vers le haut, chacun de ces échangeurs étant associé à au moins un échangeur de chaleur disposé à une certaine distance au dessus des échangeurs susdits pour échange de chaleur-entre le liquide du réservoir et de l'eau pour un circuit d'utilisation à une température correspondante, le dispositif comportant en outre un thermomètre dans le fluide chauffé par le rayonnement solaire et un thermomètre dans chacune des plages de température dans le réservoir, ces thermomètres étant reliés à un système de régulation commandant des soupapes assurant la régulation de débit de fluide chauffé par le rayonnement solaire à travers les échangeurs du premier groupe ainsi que la marche d'une pompe de circulation dans la canalisation du fluide chauffé par rayonnement solaire. 2. Dispositif d'accumulation et de cession de chaleur selon la revendication 1 caractérisée par le fait que les tranches de liquide correspondent à trois plages de températures croissantes - la première en-dessous d'env. 40-500 C - la seconde entre 40-500 C et 70-80 C*la troisième au-dessus de 70-800C env. 3. Dispositif d'accumulation et de cession de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par la fait que le réservoir de liquide est un réservoir fermé, résistant à la pression qui comporte dans sa partie supérieure au moins un échangeur pour cession de chaleur supplémentaire, qui fait partie d'un circuit de distribution de vapeur comportant une machine à vapeur ou un ensemble analogue. 4. Dispositif d'accumulation et de cession de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait de la présence d'au moins un échangeur pour cession de chaleur supplémentaire situé en haut dans l'une des tranches de température du réservoir au voisinage de la tranche de température immédiatement supérieure, qui fait partie d'un circuit de liquide qui comporte une pompe à chaleur ainsi qu'un échangeur de chaleur extérieur au réservoir pour céder de la chaleur à une température plus élevée que celle du liquide de la région du réservoir sur laquelle elle est prélevée.