Brevet FR2454590A1 — publié le 19801114

La présente invention concerne un dispositif de transmission de chaleur destiné à compenser une perte entre un aucun mulateur de chaleur ou un échangeur de chaleur et une source de chaleur disposée nettement plus haut, en particulier pour des systèmes de chauffage fonctionnant avec l'énergie solaire, dans lesquels un ensemble collecteur de chaleur, qui consiste en tuyaux vaporisateurs contenant un liquide et/ou en réflecteurs, qui sont reliés, par l'intermédiaire de conduites tubulaires constituées comme transmetteurs de chaleur, et par l'intermédiaire d'une pompe de circulation entratnée par moteur, à un échangeur de chaleur monté dans un récipient à eau chaude de consommation. La transmission de chaleur entre le collecteur et l'échangeur de chaleur s'effectue, d'une manière connue, par circulation de liquide ou d'air. Cependant, on connalt également des systèmes de transmission de chaleur, dans lesquels, à l'intérieur des collecteurs solaires, le transport de la chaleur a lieu au moyen de tuyaux, dénommés "tuyaux de chaleur", et dans lesquels la suite de la transmission vers l'accumulateur de chaleur s'effectue par une circulation d'un liquide à travers des conduites qui relient 1échangeur de chaleur, installé dans l'accumulateur, avec le collecteur solaire, qui délivre ainsi sa chaleur au circuit d'utilisation. Dans la conduite de transmission de chaleur sont montés, en plus d'une ou plusieurs pompes, des soupapes de by-pass, des soupapes à trois voies et des soupapes de trop plein, ainsi que des thermostats de réglage. Dans cette installation connue, l'accumulateur de chaleur est placé dans la cave ou dans le jardin de l'habitation dans le cas où, en plus de l'alimentation en eau chaude de la maison, il faut encore réaliser le chauffage de l'eau d'une piscine Suivant une autre conception de l'accumulation de la chaleur fournie par les collecteurs solaires, l'accumulateur de chaleur est disposé au point le plus haut de la maison, par exemple sur le grenier. On utilise dans ce cas un accumulateur fonctionnant presque sans pression (voir la publication 'Sonnenenergie" publiée par 9. Matthöfer, dans la série "Forschung Aktuel". L'inconvénient de ces dispositions connues réside cependant dans le fait que, dans le cas où l'accumulateur est placé dans la cave de l'immeuble, il est nécessaire de prévoir une ou plusieurs pompes, entraînées par une énergie extérieure, ainsi que diverses soupapes qui doivent elles-m8mes être commandées, par des techniques de construction compliquées et coûteuses, au moyen de thermostats, de mesureurs de débit, ou électroniquement. Dans le cas d'une conception avec disposition de l'accu mateur de chaleur au même niveau que le collecteur solaire, ou directement au-dessous de la surface du collecteur, par exemple sur le grenier , il existe cependant un risque que, avec ce système d'accumulateur à fonctionnement presque sans pression, la surface du collecteur se vide, en cas de vaporisation du liquide en été, ou par un froid extrême en hiver.Il est donc nécessaire de prévoir des collecteurs à charge thermi que très élevée et ainsi très coûteux, La présente invention a pour but de réaliser un dispositif de transmission de chaleur, dans lequel le fluide de transmission de chaleur entre le collecteur solaire et l'accumulateur de chaleur est transporté sans apport énergie extérieure, en particulier lorsqu'un accumulateur de chaleur est disposé à un niveau nettement inférieur à celui du producteur de chaleur, ce dispositif devant entre à régulation autonome, c'est-à-dire sans nécessiter de circuit de régulation supplémentaire. Dans ce but, le système de transmission de chaleur conforme à l'invention est caractérisé en ce que la pompe pour la remise en circulation du condensat est entratnée par un dispositif d'entrainement chargé par l'énergie propre produite par la conversion de l'énergie solaire dans le système collecteur d'énergie solaire, la surface intérieure des tuyaux vaporisateurs présentant une conformation d'accroissement de surface extérieure pour augmenter l'effet capillaire. L'avantage de ce système de transmission de chaleur conforme à l'invention réside en particulier dans le fait que, pour assurer la remise en circulation du condensat de l'échan- geur de chaleur vers le collecteur solaire, aucune pompe entrat- née par énergie extérieure n'est plus nécessaire. Le pompage de retour du condensat dans le collecteur solaire s'effectue par une pompe entraînée par un moteur à vapeur, ce moteur étant disposé dans la canalisation de départ et la pompe étant disposée dans la conduite de retour du condensat.Etant donné que, lors d'un échauffement croissant, et ainsi une production de vapeur croissante, le moteur à vapeur tourne plus vite, et que la pompe ramène alors une quantité accrue correspondante du fluide de transport de chaleur condensé dans le vaporisateur, le transport de remise en circulation du condensat est assuré d'une manière simplex La dépense d'énergie pour le pompage est très faible, car, avec des tuyaux collecteurs constitués comme "tuyaux de chaleur", il suffit de mettre en circulation une faible quantité de liquide. Etant donné, en outre, que la transmission de chaleur n'est instituée que lorsqu'est atteinte dans le collecteur une température plus élevée que celle présente dans l'accumu- lateur de chaleur, aucun organe de commande ou de régulation n' est nécessaire. Une transmission de chaleur est provoquée par le fluide vaporisé dans le collecteur solaire, très rapidement vers l'utilisateur de chaleur, et elle se termine dès que la même température existe dans les deux organes, ou lorsque, dans le collecteur solaire, se trouve une température plus faible que dans l'utilisateur. le fait d'éviter la prévision des organes de commande habituellement nécessaires permet une solution particulièrement économique Afin qu'une transmission de chaleur ne puisse pas se produire de l'accumulateur. de chaleur vers le collecteur, l'échangeur de chaleur est de préférence disposé dans llutilisa- teur de chaleur, de telle sorte que le fluide condensé dans l'échangeur puisse s'écouler immédiatement. Il est ainsi exclu que la chaleur puisse passer en retour, par exemple de l'accumulateur de chaleur échauffé dans le collecteur solaire, par exemple refroidi au cours de la nuit. En vue d'éviter la gelée du liquide dans le collecteur, les canalisation d'amenée au producteur de chaleur, ainsi que ce producteur lui-meme, présentent, dans la zone de risque de gelée, des pentes telles que liteau puisse à chaque instant s' écouler en retour dans 1' échangeur de chaleur. Dans le cas d'emploi d'autres fluides, c'est-à-dire de fluides ne risquant pas de geler, de telles pentes ne sont pas nécessaires. D'autres formes de réalisation possibles du dispositif conforme à l'invention, en particulier en ce qui concerne l'en- traînement de la pompe et les tuyaux vaporisateurs dans les collecteurs solaires sont du domaine de l'invention. C'est ainsi, par exemple, qu'unie augmentation de la surface intérieure des tuyaux vaporisateurs du collecteur solaire se révèle particulibrement avantageuse, car une quantité déterminée du fluide de transport de chaleur peut alors rester adhérente à cette surface et assurer un mouillage constant pour l'évaporation. En outre, il est possible de prévoir sur le tuyau vaporisateur, répartis sur sa longueur, de petits réservoirs à liquide, de telle sorte que, lors de la mise en service du collecteur solaire, une quantité suffisante de liquide est aussitôt disponible pour l'évaporation. La description ci-apres se rapporte à des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limistatifs, et expliqués avec référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure i montre un tuyau évaporateur, dénommé "tuyau de chaleur" conforme à l'état connu de la technique la figure 2 est une vue d'un premier exemple de dispositif de transmission de chaleur conforme à l'invention la figure 3 est une vue de détail d'une pompe entraîné par la vapeur la figure 4 est une vue d'un second exemple de dispositif de transmission de chaleur conforme à l'invention, et les figures Sa à 5e montrent différentes formes de réalisation dlun tuyau vaporisateur, chacune dans une vue en coupe longitudinale et une vue en coupe transversale. Dans la figure 1, est représenté un tuyau 1 fermé, placé sous vide, qui est rempli en partie avec un fluide porteur de chaleur, de préférence un liquide. Lors de l'amenée de chaleur, représentée par les flèches 2, le fluide porteur de cha leur se vaporise. Tandis que, par exemple, l'extrémité de gauche 1' dans la figure est maintenue chaude, et que l'extrémité de droite 1" reste cependant froide, il se produit un transfert;d'é- nergie constant, suivant les flèches 3, de l'extrémité chaude 1', vers l'extrémité froide 1", la chaleur arrivant ainsi à l'extrémité froide 1" du tuyau 1, étant délivrée à l'environne- ment suivant les flèches 2'.Etant donné que le transfert de chaleur a lieu très rapidement, il ne se produit finalement, entre les deux extrémités 1' et 1" du tuyau, qu'une différence de température minimale. Le principe du tuyau de chaleur, connu en soi, représenté dans la figure 1, est utilisé dans la constitution d'un dispositif de transmission de chaleur conforme à l'invention. Dans la figure 2, l'extrémité 1' du tuyau de transmission de chaleur 1 est reliée, par une conduite tubulaire 4, à l'extrémité 1" constituée comme échangeur de chaleur 5, cet échangeur de chaleur 5 étant disposé, en position inclinée, dans un accumulateur de chaleur 6, par exemple une cuve à eau de consommation. La vapeur qui est produite dans le tuyau 1, de préférence un collecteur d'énergie solaire, s'écoule à travers la conduite tubulaire 4 dans l'échangeur de chaleur 5 et y abandonne sa chaleur à l'environnement, par exemple à de l'eau de consommation. le condensat ainsi formé s'écoule, à travers une conduite de retour 7 dans le collecteur solaire et pénètre dans celui-ci à son extrémité 1' où il est à nouveau échauffé et vaporisé. Dans la conduite 4 est monté un moteur à vapeur 8 qui peut être constitué comme une turbine ou un moteur à piston, et qui entraîne, par un arbre commun 9, une pompe 10, telle qu'une pompe centrifuge. Cette pompe 10 ramène le condensat dans le collecteur solaire 1. La figure 3 est une vue de détail de la constitution générale du moteur à vapeur 8 et de la pompe 10 qui lui est accouplée. les deux parties de carter sont assemblées entre elles à joint étanche, le long de l'arbre 9, avec garnitures d'étanchéité 11, de telle sorte que, d'une part, aucune vapeur ne peut parvenir dans la pompe à condensat 10, et que, d'autre part, aucun condensat ne peut parvenir dans le moteur à vapeur 8. La figure 4 montre une seconde forme de réalisation du système de transmission de chaleur, dans laquelle deux ou plusieurs échangeurs de chaleur 5, 5' sont disposés, superposés, dans l'accumulateur de chaleur 6. lies deux échangeurs de chaleur 5 et 5' sont réunis entre eux par une conduite de liaison 12. Dans la conduite 4 est monté un thermostat 13, et, entre la conduite 4 et la conduite de liaison 12, est disposée une soupape 14, commandée par ce thermostat 13. Lorsque le fluide porteur de chaleur provenant du collecteur d'énergie solaire 1, par exemple sous forme de vapeur, est plus chaud que l'eau contenue dans l'accumulateur de chaleur 6, l'arrivée du fluide de chaleur est commandée par le thermostat 13 et la soupape 14, de telle manière que, tout d'abord, le premier étage de l'échan- geur de chaleur 5' est mis en circuit, après quoi, le fluide porteur de chaleur parvient dans l'échangeur 5 à travers la conduite de liaison 12, auquel cas la chaleur restant dans le fluide est transmise à l'eau de consommation dans l'accumulateur de chaleur 6.Lorsque l'eau de consommation se trouve à une température sensiblement identique à celle du fluide porteur de chaleur qui vient du collecteur solaire, seul l'échangeur de chaleur 5 est traversé par le courant de fluide. les échangeurs de chaleur 5 et 5' sont disposés de préférence en position inclinée dans l'accumulateur de chaleur 6, de sorte que le condensat peut s'en écouler, aussitôt formé, sans risquer d'être entrainé avec la vapeur qui arrive à nouveau. Dans les modes de réalisation du tuyau de vaporisation 1 qui sont représentés dans les figures 5a à 5e, la surface extérieure de la paroi intérieure est augmentée à l'aide de différents moyens, de telle manière qu'elle soit totalement mouillée par le fluide porteur de chaleur qui y reste adhérent par effet de capillarité. En même temps, on obtient une surface plus grande disponible pour l'échange de chaleur. C'est ainsi, par exemple, que, suivant la figure Sa, la surface intérieure du tuyau évaporateur 1 est pourvue de rainures longitudinales 15, tandis que, dans la figure 5b les rainures 16 s'étendent en direction du pourtour circonférentiel du tuyau 1. Une autre forme de réalisation consiste en ce que, à l'intérieur du tuyau vaporisateur 1, est monté un ressort en spirale 17 (figure 5c). il est également possible de pourvoir la surface intérieure du tuyau 1 d'une couche poreuse 18 (figure Sd) ou de la garnir avec un treillage de fil métallique 19 (figure 5e). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples représentés dans les dessins. C'est ainsi, par exemple, que, pour le retour du condensat hors des échangeurs de chaleur 5, 5t, on peut utiliser, au lieu d'une pompe 10, un diffuseur ou un injecteur, ce qui simplifie encore la surveillance et l'entretien de l'installation. il est également possible, conformément à l'invention, de prévoir une batterie de cellules photo-électriques en combinaison avec les tuyaux vaporisateurs0 Grâce à la constitution conforme à l'invention du système de transmission de chaleur, et à l'emploi de vapeur ou de gaz au lieu d'un liquide porteur de chaleur, on n'a besoin pour le fonctionnement, que d'une fraction de la quantité de liquide sans cela habituellement nécessaire dans le système. On obtient ainsi une réaction nettement plus rapide de l'installation, en particulier dans le cas de variations de l'ensoleillement. il en résulte que, par rapport aux installations de grande capacité, on peut transmettre, par évaporation, une quantité d'énergie nettement plus grande, dans un temps plus court, qu'avec une circulation de liquide. -REVENDICÂTIONS- 1. Dispositif de transmission de chaleur pour compenser une perte entre un accumulateur de chaleur, ou transmetteur de chaleur, et une source de chaleur disposée à un niveau plus élevé, en particulier dans des installations de chauffage fonctionnant avec l'énergie solaire, dans lesquelles un dispositif collecteur d'énergie solaire consistant er tuyaux vaporisateurs contenant un liquide, et/ou en réflecteurs, qui sont reliés, par des conduites tubulaires constituées comme transmetteur de chaleur et une pompe de circulation entratnée par moteur, à un échangeur de chaleur monté dans un conteneur d'eau chaude de consommation, dispositif caractérisé en ce que la pompe (10) pour le retour du condensat est entraînée par un dispositif d'entratnement (8, 9 10) chargé par une énergie propre produite par l'énergie solaire.dans le système collecteur (1) par conversion de l'énergie solaire, la surface intérieure des tuyaux vaporisateurs (1) de conversion d'énergie étant pourvue d'une conformation accroissant la surface pour augmenter l'effet de capillarité. 2. Dispositif suivant la revendication- 1, caractérisé en ce que le dispositif d'entralnement (8, 9, 10) est constitué par un moteur à vapeur auquel est accouplée la pompe. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'entraînement (8, 9, 10) est constitué par une turbine à vapeur connue en soi. 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'entratnement (8, 9, 10) est constitué par une pompe à piston à entraînement par vapeur. 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyaux vaporisateurs (1) du collecteur d'énergie solaire sont pourvus, sur leur surface intérieure, de rainures longitudinales (15). 6. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyaux vaporisateurs (1) sont pourvus de rainures circonférentielles (16). 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par des ressorts hélicoïdaux (17) disposés dans l'espace inté rieur des tuyaux vaporisateurs (1). 8. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface intérieure des tuyaux vaporisateurs (1) est pourvue d'une couche poreuse (18). 9. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface intérieure des tuyaux vaporisateurs (1) est garnie avec un treillage de mince fil métallique (19)o 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la surface intérieure des tuyaux vaporisateurs est accrue à l'aide d'une combinaison des moyens suivant les revendications 3 à 7. 11. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie propre produite par l'énergie solaire est une énergie électrique obtenue par des cellules solaires photoélectriques, pour le dispositif d'entraînement (8, 9, 10) actionnant la pompe (10) de retour de condensat0 12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'une batterie de cellules solaires est disposée en combinaison avec les tuyaux vaporisateurs (1, 1', 111)e