Brevet FR2476282A3 — publié le 19810821

FR 2476282 A3 19810821 FR 8003222 A 19800214 Captage du rayonnement solaire par effet thermodynamique en utilisant un fluide de la gamme des hydrocarbures chlorofluprés, avec l'application des procédés de chauffage J.P.F. en découlant. Le rayonnement solaire chauffe le fluide thermique du capteur qui passe de l'état liquide à l'état vapeur sous une pression correspondant a la température d'ébullition. La vapeur chaude se condense dans l'échangeur du réservoir d'eau en cèdant sa chaleur et revient a l'état liquide par gravité. Au fur et a mesure que l'eau du réservoir se réchauffe la température d'ébullition du fluide thermique stéleve ainsi que la pression a l'intérieur du circuit. La pression a l'intérieur du circuit suit la relation "pression-température" du fluide thermique qui se trouve être un fluide de la gamme des hydrocarbures chlorofluorés dont les caractéristiques physiques se prêtent a ce procédé de chauffage. Le fluide qui actuellement présente les caractéristiques les plus intéressantes se trouve etre le trichlorofluorométhane dont la formule chimique est C Cl3 F. Ce fluide présente les avantages suivants - courbe "pre s s ion-température " admettant de faibles pressions pour les températures usuelles retenues pour l'eau chaude sanitaire et le stoc kage des calories en vue d'un chauffage par le sol, soit : a + 240 C 0 bar de pression relative dans le circuit. a + 400 C 0,75 bar " " (t . a + 600 C 2,20 bar . a + 700 C 3,15 bar " lt - temperature de fusion-solidification ............ - 1110 C - température critique (impossibilité de condensats) + 1980 C - ininflammable, inexplosible - non toxique - grande stabilité thermique et chimique - non corrosif - température de décomposition bien au-del de la température critique. Le réservoir tampon n'est prévu que si le fluide en circulation dans le capteur ne peut etre stocké en totalité a l'état liquide dans l'échangeur du réservoir d'eau. En effet, en-exploitation, la vanne thermostatique placée a la sortie du réservoir ou de l'échangeur coupe le circuit liquide de retour, l'ébullition totale du fluide du capteur remplit alors l'échangeur où il est piégé. Nous n'avons alors dans le capteur que de la vapeur surchauffee, ce qui évite une élévation de la pression. Soit une pression maximum dans le circuit de 3,15 bar si la température de réglage de l'eau chaude est de + 700 C. Le refroidissement du capteur en cours de chauffage arrête l'é- bullition et le liquide se comporte comme un liquide sous-refroidi, sans risque de refroidissement de l'eau chaude du ballon. Le clapet de retenue n'est prévu que pour éviter un transfert du liquide sous-refroidi plus dense vers le liquide retour qui, lui, est à une température égale a celle de l'eau chaude stockée. Les avantages de ce procédé sont les suivants - Installation simple (pas de circulateur, pas de régulation différentielle, pas de vase d'expansion) - Fonctionnement sans apport d'énergie - Réchauffement de l'eau dès que le capteur se trouve a une température supérieure a l'eau du réservoir - Le liquide retour est a la température de l'eau chaude du -.ballon, son réchauffement n'est donc pas a prévoir au ni veau du capteur, l'ébullition est instantanée sous l'effet du rayonnement solaire, ainsi que l'apport de calories - Le fluide a l'état liquide dans le capteur étant en ébullition se trouve moins dense que le liquide de retour ; pour com penser ltouverture du clapet il suffit que le haut du capteur soit simplement plus bas de 0,30 m environ que la partie basse de l'échangeur ou du réservoir - Du fait que l'on utilise la chaleur latente d'ébullition et non la chaleur spécifique du liquide, le recyclage en poids du fluide thermique est tres faible - La vapeur et le liquide se véhiculant a très faible vitesse on peut utiliser des capteurs a circuits soufflés genre "Roll Bond" à très faible volume On peut réaliser ainsi des instal lations avec très peu de fluide en circulation - Absence d'inertie thermique au niveau du capteur, la remontée en température du fluide après un arrêt prolongé est très ra pide du fait de son faible volume Si le stockage de l'eau chaude à un niveau supérieur à celui des capteurs pose un problème, on peut adopter ce même procédé au niveau du principe thermodynamique, mais l'installation est à modifier comme le cas n" 2 d'application à un chauffage de pavillon (Cf. ci-après). 1 - lb - It : Capteurs solaires plans 2 - 2b - 2t : Cuves isolées avec couvercles isolés 3 - 3b - 3t : Echangeurs de réchauffage de l'eau 4 - 4b - 4t : Echangeurs d'eau chaude sanitaire 5 - 5b : Résistances électriques d'appoint 6 - 6b - 6t : Vannes thermostatiques réglables de + 50 à + 700 C 7 - 7b - 7t : Clapets de retenue sur retour- liquide 8 - 8b - 8t : Couplage éventuel des capteurs sur vapeur avec vannes d'isolement (non représenté) 9 - 9b - 9t : Couplage éventuel des capteurs sur liquide avec vannes d'isolement (non représenté) 10 - 10b : Tuyauteries communiquantes hautes 11 : Tuyauteries communiquantes basses 12 : Tuyauterie d'eau basse température 13 : Tuyauterie d'eau haute température 14 :Echangeur sur cheminée fonctionnant par thermosyphon ou chaudière "brûle tout", ou condenseur d'une pompe à chaleur 15 : Circulateur de chauffage avec clapet anti-retour 16 : Vanne thermostatique 3 voies réglable de + 25 à + 450 C sur circuit chauffage 17 : Vanne thermostatique de réglage de la température des pièces 18 : Serpentins de chauffage par le sol 19 : Vanne thermostatique 3 voies reglable de + 25 à + 450 C sur circuit sanitaire 20 : Alimentation lave-linge 21 : Alimentation lave-vaisselle 22 : Alimentation douches 23 : Alimentation eau chaude cuisine avec appoint électrique instantané éventuel Nota Toutes les tuyauteries sont isolées Pavillon isolé aux normes E.D.F. "Chauffage électrique". L'idée directrice est d'utiliser le soleil en accumulant les calories dans de l'eau stockée dans des cuves isolées. L'intérêt de stocker ces calories dans trois réserves indépendantes est de pouvoir les puiser progressivement dans la cuve 3t, puis 3b, pour terminer par la cuve nO 3. Nous avons la cuve 3t qui se trouve à un niveau thermique plus faible que les suivantes, ce qui augmente le rendement thermique des capteurs travaillant sur cette dernière. En branchant en parallèle tous les capteurs 1, lb, It nous aurions ainsi toute la surface de captation sur la cuve 3t, ce qui permettrait une montée en température trois fois plus rapide. L'appoint est fourni pour les journées non ensoleillées, soit par une cheminée avec récupérateur de chaleur qui fonctionne par thermosyphon, soit par des résistances de nuit qui prennent le relais si la température requise au niveau des cuves n'a pas été atteinte de jour. Le chauffage prévu est un chauffage par le sol permettant d'utiliser de l'eau à une température relativement basse (+ 25 à + 360 C env.) suivant la période annuelle et l'échange au sol choisi. Le fonctionnement de cette installation est le principe de base décrit ci-avant, la particularité d'un système où les capteurs seraient montés en parallèle, serait d'ajouter sur les circuits"retour liquide" un réservoir accumulateur. Cette disposition présente l'avantage d'avoir tous les capteurs sur la cuve la plus froide, par contre sur le plan fiabilité nous disposons d'un seul circuit au lieu de trois. Le fait d'utiliser directement l'eau des cuves dans le circuit chauffage est d'éviter la pose d'un vase d'expansion volumineux compte tenu du volume d'eau mis en jeu dans un chauffage par le sol. 1 - lb - it : Capteurs solaires plans 2 - 2b - 2t : Cuves isolées avec couvercles isolés 3 - 3b - 3t : Echangeurs de réchauffage de l'eau 4 - 4b - 4t : Echangeurs d'eau chaude sanitaire 5b - St : Résistances électriques éventuelles 6 : Thermostat de régulation de la température de l'eau (coupe la pompe nO 7) 7 : Pompe de fluide thermique 8 : Clapet de retenue 9 : Réservoir collecteur 10 : Sonde sensible au rayonnement solaire (commande la pompe n0 7) 11 : Vanne mélangeuse 3 voies sur circuit chauffage 12 :Appoint calorifique par chaudière tous combustibles L'idée directrice est la même que le cas nO 1, mais l'équipement est complété pour. pouvoir fonctionner avec des capteurs plans placés à un niveau supérieur à celui des cuves de stockage. Le principe de la condensation au point le plus froid des vapeurs engendrées par le rayonnement solaire reste identique, mais le retour ne pouvant se faire par gravité, celui-ci est assuré par une petite pompe. Le chauffage se fait comme suit - Pendant le rayonnement solaire, le liquide est recyclé en excès et en permanence du réservoir collecteur nO 9 aux capteurs disposés en parallèle par la pompe nO 7. - Sur le retour des capteurs au réservoir collecteur qui véhi cule du liquide et de la vapeur, un piquage permet de récupe rer la vapeur qui va se condenser en cèdant sa chaleur à la cuve la plus froide, c'est-à-dire la cuve nO 2 dont la chaleur est puisée en premier. Le retour des condensats se faisant par gravité au réservoir nO 9. - La pompe nO 7 est commandée par une cellule sensible au rayon nement (nO 10), ce qui permet une coupure ou un enclanchement instantanés. L'inertie thermique des capteurs permet l'ébulli- tion éventuelleduliquide restant après l'arrêt de la pompe. - Lorsque la température de l'eau est atteinte, le thermostat n"6 coupe la pompe nO 7. En cas de refroidissement des capteurs, ceux-ci vont condenser une partie du liquide du réservoir nO 9, entraînant un refroi dissement du fluide stocké. Pratiquement, les capteurs étant pleins de liquide lors de l'arrêt, l'évaporation, donc le re froidissement de ce liquide (du réservoir) sera très faible. La vapeur qui se trouve alors surchauffée dans les échangeurs des cuves plus légère que la vapeur humide est piégée, évitant tout risque de refroidissement de l'eau. - Pratiquement, on peut comme dans le cas nO 1, être assuré de capter toute l'énergie solaire dûe au rayonnement, dans la mesure où la température des capteurs dépasse celle des ré serves d'eau. Dans le bilan global seul le rendement propre des capteurs est à prendre en compte. - Comme pour le cas nO 1, le chauffage par le sol est à retenir avec vanne trois voies mélangeuse. L'eau chaude sanitaire res te distribuée de la même'façon. L'apport complémentaire de calories étant également identique. REVENDICATIONS - Du système de chauffage utilisant le rayonnement solaire par effet thermodynamique grâce à l'utilisation d'un fluide de la gamme des hydrocarbures chlorofluorés, avec l'utilisation d'un clapet de re tenue et d'une vanne thermostatique de régulation. - De l'application de ce procédé à des ensembles de chauffage de -pa- villons et de chauffage d'eau chaude sanitaire, avec des capteurs plans qui peuvent être placés au-dessus ou au-dessous des réserves d'eau de stockage des calories.