Brevet FR2495289A1 — publié le 19820604

Installation de transfert de chaleur. La présente invention concerne une installation de transfert de chaleur, également appelée ci-après "installa- tion", qui, fonctionnant partiellement dans le domaine des pressions inférieures à la pression atmosphérique et utili- sant un caloporteur liquide, est constituée par au moins un échangeur de chaleur plat destiné à absorber et à transmet- tre de la chaleur, un système de canalisation formé de tuyaux et équipé d'une pompe de circulation et de raccords et d'appareils de robinetterie usuels, un échangeur de cha- leur de type classique et un dispositif régulateur de pres- sion. L'installation peut être employée par exemple en tant que partie d'une installation de chauffage destinée à uti- liser l'énergie solaire ou également à chauffer des locaux au moyen d'échangeurs de chaleur de forte étendue situés au niveau de murs, de planchers ou de plafonds. Dans la demande de brevet allemand publiée n0 2 714 901 est décrit un élément échangeur de chaleur consti- tué par une double bande de tissu enduite des deux côtés et qui peut être utilisé à la fois comme absorbeur de chaleur en vue de l'utilisation de l'énergie solaire et en tant qu'élément chauffant se présentant comme un tapis. Cet élé- ment est soumis à une pression interne accrue par rapport à la pression atmosphérique. Les forces énormes produites en raison de la grande surface sont absorbées par de nombreux fils de liage par lesquels les tissus supérieur et infé- rieur sont solidement reliés entre eux. La fabrication de tels échangeurs de chaleur plats est très coûteuse. Dans la demande de brevet allemand publiée nO 2 818 154 et la demande additionnelle correspondante, à sa- voir la demande de brevet allemand publiée no 2 909 027, est décrit un capteur destiné à absorber de l'énergie solai- re et constitué par deux feuilles rinces erntre lesquelles se trouve tne couche fo;mant mem.brane formée par exempl e d'un voile ou d'une tère alolare oTie in.diqé dans la demande additionnelle, les feuilles minces sont re-ives la couche for-rwant membrane psa collage ocu sOud2.d. ou bien la couche forn-t membr"n-e est p;erce de trous en d nom br3ux endroits de srt-e que lec feuilles minces evrent e-re directcmenxt collées ou sondées l'ne 1 '-autre ern ces endroits. I.a únb-rication de ces échangeurs de chaleur plats est égaleme-'- coCteuse. la construction Laisse supposer gue ces échangeuxr de chaleur plats sont destinés à fonctionner sous une pression supérieure à eelle atmosphérique, comoe eel. a est hab.ituel pour des installatiens de chauffage. La composante de force agissant perpendiculairement à. la sur- face collée nui" à la durabilité de ces éléments échangeurs de chaleur. Or on connait également des installations de trans- fert de chaleur qui fonctionnent entièrement ou partielle- ment dans un domaine de pression inférieur à la pression atmosphêrique, Ainsi la demande de brevet allemand publiée n 2 601 673 décrit un procédé et mun dispositif destinés àmet- tre à profit l'énergie solaire et utilisant la chaleur d'évaporation pour le transfert thermique. De l'eau sert notamment de fluide caloporteur. Etant donné aue sous la pression atmosphérique la température d'ébullition de l'eau dans le capteur n'est pas atteinte, il faut soigneusement faire le vide dans l'installation. La pression très faible dans le système ne peut être maintenue que difficilement. En outre, dans la demande de brevet allemand publiée n 2 809 690 est décrit un dispositif qui, prévu à des fins de chauffage et destiné à utiliser l'énergie solaire, peut fonctiornner sous des pressions variées, c'est-à-dire égale- ment sous une pression inférieure à celle atmosphérique. Il s'agit là d'un système clos dans lequel la pression n'aug- mente pas au-delà de la limite des valeurs admissibles par suite de variations de volume dues par exemple à des varia- tions de température pour une pression initiale donnée qui est inférieure ou égale à la pression atmosphérique. De ce fait il n'est pas nécessaire de prévoir une soupape de su- reté et les éléments constitutifs de l'installation peuvent avoir des dimensions réduites. La façon dont cette pression inférieure à celle atmosphérique est obtenue n'est pas in- diquée. Indépendamment de cela, il n'est pas possible de purger l'installation en cours de fonctionnement lorsque la pression dans l!espace rempli de gaz au-dessus de la mem- brane est inférieure à la pression atmosphérique. Cette installation n'est donc pas apte à fonctionner constamment dans le domaine des pressions inférieures à celle atmosphé- rique. La présente invention a pour objet de créer une ins- tallation de transfert de chaleur permettant d'utiliser des échangeurs de chaleur plats légers, construits de manière simple, dont les zones de liaison ne sont soumises à aucune composante de force agissant perpendiculairement à celles- ci. Ce but est atteint suivant l'invention en prévoyant une installation de transfert de chaleur fonctionnant par- tiellement dans le domaine des pressions inférieures à cel- le atmosphérique et qui est caractérisée en ce que les tuyaux du système de canalisation qui s'étendent verticale- ment vers le bas sont dimensionnés en fonction du débit de la pompe de circulation de telle manière que la vitesse d'écoulement du liquide caloporteur soit supérieure à 0,5 m/s et en ce que le dispositif régulateur de pression règle la pression dans le système de canalisation de façon que, quelle que soit la température du fluide caloporteur dans l'échangeur de chaleur plat, cette pression soit in- férieure à la pression atmosphérique et reste à peu près constante en cours de fonctionnement. La vitesse d'écoulement supérieure à 0,5 m/s est né- cessaire pour permettre aux gaz dus à d'éventuels défauts d'étanchéité ou à un dégazage du liquide caloporteur et/ou *. _, 2495289 présents lors de la mise en service de l'installation d'ê- tre refoulés dans la partie soumise à une pression supéri- eure à celle atmosphérique et dans laquelle ils sont élimi- nés du circuit de façon connue par exemple par une soupape de purge commandée par flotteur. La pression peut être réglée de différentes manières. Dans le cas d'un système de canalisation ouvert le réglage se réalise de manière simple par l'intermédiaire d'une colonne de liquide communiquant avec le système de canalisation et exposée à l'air libre, la hauteur de cette colonne étant maintenue à un certain niveau au-dessous de l'échangeur de chaleur plat. Ceci se fait de la manière la plus simple en prévoyant sur le tuyau horizontal inférieur du système de canalisation un tuyau vertical s'étendant vers le haut en direction d'un récipient. Si l'on ne dispose pas de suffisamment de place pour un tel récipient, le niveau peut également être maintenu constant à l'aide d'un déversoir. Dans ce cas la tubulure ouverte sur l'atmosphère et équipée d'un déversoir et d'une rigole annulaire peut également être incorporée directement dans le tuyau descendant du système de canalisation au-des- sous de l'échangeur de chaleur plat. Le liquide caloporteur en excès s'écoule alors par l'intermédiaire du déversoir dans la rigole annulaire pour passer ensuite par un tuyau qui l'amène dans un réservoir situé plus bas. S'iln'yapas de place pour le réservoir au-dessous de la tubulure, alors le niveau dans la tubulure peut éga- lement être réglé par une pompe de remplissage commandée par exemple à l'aide de capteurs de niveau usuels. Dans toutes ces formes de réalisation le dispositif régulateur de pression ouvert sur l'atmosphère peut égale- ment être utilisé pour purger l'installation de sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir des soupapes de purge. De telles soupapes de purge commandées par exemple par flot- teur sont au contraire absolument indispensables dans un système de canalisation clos et doivent etre mont6es de telle façon dans la partie soumise à une:ression sup6rieure à celle atmosphérique qu'aucun gaz ne risque de s'accumuler dans le dispositif régulateur de pression, c'est-àdire qu'elles doivent être montées devant ou sur le dispositif régulateur de pression. Dans ce cas le dispositif régulateur de pression est constitué par un récipient fermé par exemple au moyen d'une membrane, d'un soufflet ou d'un piston et sur la fermeture aisément déplaçable duquel agit une force constante, par exemple un poids. Le récipient et la fermeture doivent alors être dimensionnés de façon que le mouvement effectué par la fermeture sous l'effet de variations de volume ne produise pas de forces importantes. L'installation suivant l'invention permet d'utiliser à des fins de transfert de chaleur des échangeurs de cha- leur plats de forte étendue composés de deux feuilles min- ces qui, superposées et reliées de manière étanche aux gaz entre elles exclusivement au niveau de leurs bords, sont séparées l'une de l'autre par une couche intermédiaire po- reuse et résistant à la compression qui est formée par exem- ple d'une matière alvéolaire à pores ouverts ou d'un voile. En remplacement de la couche intermédiaire les feuilles minces peuventégalement présenter des zones en relief qui en fonction des conditions d'utilisation résistent à des Tressions d'au moins 5xlO4Pa et maintiennent les feuilles écartées sous cette pression de sorte que l'espace entre celles-ci peut être parcouru librement par le liquide calo- porteur. Etant donné que l'échangeur de chaleur plat n'est sollicité que par des forces extérieures,qui sont absorbées par les moyens d'écartement, les zones de liaison sensibles des feuilles ne se trouvent pratiquement pas chargées. Cela non seulement simplifie la fabrication de tels échangeurs de chaleur plats mais leur confère en même temps une durée de vie considérablement accrue. Etant donné que le liquide caloporteur n'est pas ap- pelé à s'évaporer, la perte de pression de l'échangeur de chaleur plat est limitée. Au niveau de l'entrée la pression du liquide caloporteur doit être inférieure à la pression atmosphérique, en présentant par exemple une valeur de 9x104Pa dans e cas la perte de pression totale de l'échan- geur de chaleur plat ne doit pas excéder la différence, di- minuée de 104 Pa entre ia pression atmosphérique-et la pression d'ébullition du liquide calaporteur pour la tempé- rature de fonctionnement concernée qui peut atteindre au maximum 80 C. Si l'eau est utilisée comme fluide calopor- teur, la perte de pression maximale admissible es de 43x1042-a.Cette pertde pe ressir totalresnu lt; de la résis- tance a l'eeouiedlent et de la hauteur s -ique dans le cas d'un. échangeur de chaleur plat qui n'est Las disposé hori- zontalement. Pour faciliter ia mise en marche de l'instal- lation il est prévu au voisinage immédiat& de l'échangeur de chaleur plat, n tuyau de dérivation muni. d'une soupape de purge. - U'invention est é.lucidée ci-dessous à l'aide d'exem- ples de xréaisation illustré aux dessins anmexés sur les-. quels: la figure! mcntre me premiere re de.réalisation de l 'instal lation suivant 1' inrention comporta-nt un système de canalisation ouvert et u dis positif régulateur de pres- sion sous la forme d'mu récipient- egalisateur; ia figure 2 montre une deuxième forme de réalisation de l'installation suivant l'invention comportant un système de canalisation ouvert et un réservoir séparé de ce dernier, le disposit régulateur de pression étant dans ce cas in- tégrë dans!d s ystème de canalisation et eonstitué par un déversoir et une rigole annulaire; 1a figure 3 montre encore une autre forme r e realisa- tion de installation suivant linvention comportant un système de alisation ouvert t un reervoir séparé de ce dernier, le:ispositif régulateu-r de pression étant ici constitué par une tub-lure ouverte et des capteurs de ni- veau qui commandent une pompe de remplissage de façon à maintenir constant le niveau de liquide; la figure 4 montre une variante de l'installation suivant l'invention comportant un système de canalisation clos et dans laquelle le dispositif régulateur de pression est constitué par un récipient fermé au moyen d'une membra- ne chargée d'une plaque pesante; A-4 '- -1:,; -.j: à la figure 5 montre un dispositif régulateur de pres- sion analogue à celui de la figure 4 mais comportant un soufflet au lieu de la membrane; la figure 6 montre également un dispositif régula- teur de pression analogue à celui de la figure 4 mais com- portant un piston au lieu de la membrane. Dans toutes les formes de réalisation des figures 1 à 4 les tuyaux descendants du système de canalisation 2 sont dimensionnés en fonction du débit de la pompe de cir- culation 4 de telle manière que la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur soit supérieure à 0,5 m/s,et le disposi- tif régulateur de pression 5 règle la pression dans le système de canalisation de telle manière que, quelle que soit la température du fluide caloporteur dans l'échangeur de chaleur plat 1, cette pression soit inférieure à celle atmosphérique et reste à peu près constante en cours de fonctionnement. Dans le cas de l'installation de la figure 1 le dis- positif régulateur de pression 5 est constitué par un ré- cipient qui, monté au-dessous de l'échangeur de chaleur plat 1, communique par l'intermédiaire d'unconduit vertical 6 avec le système de canalisation 2 et est ouvert sur l'at- mosphère, le diamètre du récipient étant suffisamment grand pour que celui-ci puisse recevoir le volume de dilatation du fluide caloporteur sans variation importante du niveau de remplissage. Dans l'installation de la figure 2 le dispositif ré- gulateur de pression 5 est constitué par une tubulure qui, située au-dessous de l'échangeur de chaleur plat 1 et ou- verte sur l'atmosphère, comporte un déversoir 7 et une ri- gole annulaire 8 et.est incorporée dans le tuyau descen- dant du système de canalisation 2. Le liquide caloporteur en excès s'écoule par l'intermédiaire du déversoir 7 dans la rigole annulaire 8 et est ensuite amené dans un réser- voir 10 situé plus bas en passant par un conduit 9. Au besoin, par exemple lors du remplissage de l'installation ou lorsque le volume de liquide circulant diminue par suite d'un abaissement de la température, une pompe de remplissa- ge 12 commandée par exemple par un flotteur permet au li- quide caloporteur d'être retourné à partir du réservoir dans le système de canalisation 2 en passant par le conduit 11. Dans l'installation de la figure 3 le dispcsitif ré- gulateur de pression 5 est constitué par une tutbulure qui, située au-dessous de l'échangeur de chaleur plat il et communiquant avec le système de canal satlon 22, est ouverte sur l'atmosphère et comporjte par exemple des cap- teurs de niveau usuels 13 qui commanet la pompe de rem- plissage 12 dont le sens de refoulecmert peut être inver- sé. La pompe communique par l'i -rmédiaed' ondit il avec la tubulure et avec le réservoir 10. i.nstallation de la figure 4 est du type à système de canalisation clos 2. Dans ce cas le dispositif régula- teur de pression 5 est constitué par:n récipient fermé par une membrane 14 facilement déplaçable sur laquelle agit une force constante, par exemple un poids 17 À Dans la partie soumise à une pression supérieure à le atnos- phérique un moyen de dégazage automatique 18 e:t alors prévu devant et/ou sur ce dispositif régulateur de pres- sion. La membrane i4 du dispositif r gulateur de pres- sion C de la figure 4 peut être remplacée par um soufflet 15 ou un piston 16, comme représente respectivement sur les figures 5 et 6o Les éechiangeurs de chaleur plats J des installations des figures i à 4 sont constitués par deux feuilles minces 19, 20 qui, superposées et reliées de manière êtanche en- tre elles exclusivement au niveau de leurs bords, sont sé- parées l'une de l'autre par une couche intermédiaire po- reuse 21 ou par des parties en relief prévues sur les feuilles et servant d'éléments d'espacement. Pour faciliter la mise en route de l'installation il est prévu au voisinage immédiat de l'échangeur de chaleur plat 1 un conduit de dérivation 22 muni d'une soupape de purge. L'installation est complètement remplie en fai- sant passer le liquide caloporteur par le conduit de déri- t vation 22 et non pas par l'échangeur de chaleur plat 1. Au cours de cette opération le dispositif régulateur de pression 5 est avantageusement séparé du système de cana- lisation 2. Puis la pompe de circulation 4 est mise en action et le dispositif régulateur de pression 5 à nou- veau mis en communication avec le système de canalisation 2. Etant donné que dans la partie supérieure de l'instal- lation une pressioni inférieure à celle atmosphérique s'est établie entre-temps, on peut à présent faire entrer l'échan- geur de chaleur plat I lentement en action. Une mise en route plus rapide peut être obtenue en réduisant la pres- sion dans l'échangeur de chaleur plat 1 déjà lots de l'opération de remplissage. Pour cela il convient d'utiliser notamment une pompe à jet d'eau 23 qui est montée dans le système de canalisation 2 à l'endroit o le conduit de dérivation 22 débouche, dans le sens d'écoulement, à nou- veau dans le système de canalisation 2. Le liquide calo- porteur s'écoulant à partir du conduit de dérivation 22 dans le système de canalisation 2 constitue le Set d'en- traînement. REVENDICATIONS 1 - InstaUliation de transfert de chaleur, également appelée ci-après "installa-tio2", qui, fonctionnrmant partiel- lement dans le domzaine des3 ei.us....e s à l a pres- a-on atmospàér-.q4 a et >.ii constituée pas au moins ru haY.geur de pl1aleu - p.at dest:- à absorbe- et/oua à. ie aau u.',. système de oanallsa-t-io qu-"i. dên t pu; 4-P. e --uleio un Po'he ?eha geur de cnaleii et,n d". - r +egL-eur d.-p -e.-JL carac.ó-rle eSnce qute ïe ri.-3 cl.s-leeme due e Oan lsatio. - (2) cqui - t' e+nd:en- ver+ ioa!emenrj, F; ets!e as s'nt. en- sionu-ls en fcnr i - a "- C. irlaion (i d.apo s e c io (4) de telia manies-'- que l: -+ze r S eleen.. du..loeorteur soi;7, su"rieure CL o5.11S'S çX e+ e -.le ie dispiDex4 - éi- 1.lJatGur dje pressi oe (5) li.a.;....sîon.i darn.--e de Calaiisation de =çon Yque, qus;- qGue SoiL ia temi-rature du fLuide c1o-cere- da..-na 1, chan geur de. i.haleur '!at (I), cete e ssion soit i-f-,ies^., a - a p.. e..,atms.h-r'ria.ue etX reste - -eu près c is.ant'en couzrs de 2onc* - - Eant. ' 2 - Initalation eui-ant la revendioationL 1. carat- térisée en ce que le dispositif régulateur de presi ( 5) -5 est cotitu iar uni récipient Qui - -us de l'echangeur - chaleur plat (1) et ouvrert sur a,.:,osphère, comu:mqe avec le système de canalisation (2) et peust re- cevoir au moils le volume de dilatation du liqu.de calopor- teur sans vriati.orn importante du niveau de remplissage. 3 - installation suivant la revenidication 1, carac- térisée en ces qu'il est prévu en tanrt que dispositif régu- lateur de pression (5) une tubulure qui, disposée au-dessous de l'échangeur de chaleur plat (1) et ouverte sur l'atmos- ph're, est incorporée dans le système de canalisation (2) et coroorte un déversoir (7) et une rigole annulaire (8), laquelle communique par l'intermédiaire du conduit () avec le réservoir (10) situé au-dessous de la tubulure et à par- tir duquel un conduit (11) équipé d'une pompe de remplissa- ge (12) commandée par exemple par un flotteur permet au li- quide d'être retourné à la tubulure. 4 - Installation suivant la revendication 1, carac- .: -'.:. i. térisée en ce qu'il est prévu en tant que dispositif régu- lateur de pression (5) au-dessous de l'échangeur de chaleur plat (1) unetubulure qui, ouverte sur l'atmosphère et com- muniquant avec le système de canalisation (2), comporte un régulateur de niveau à commutation comme par exemple des capteurs de niveau de remplissage usuels (13) et est en communication par l'intermédiaire d'un conduit (11) et de la pompe de remplissage (12), qui est commandée par le ré- gulateur de niveau à commutation et dont le sens de refou- lement peut être inversé, avec un réservoir (10) disposé de manière quelconque. - Installation suivant la revendication 1, carac- térisée en ce qu'il est prévu en tant que dispositif régu- lateur de pression (5) pour un système de canalisation clos un récipient fermé par exemple au moyen d'une membrane (14), d'un soufflet (15) ou d'un piston (16) et sur la fermeture aisément déplaçable duquel agit de façon constante une for- ce comme par exemple un poids (17) et en ce que dans la partie soumise à une pression supérieure à celle atmosphé- rique un moyen de dégazage automatique (18) est prévu de- vant et/ou sur le dispositif régulateur de pression. 6 - Installation suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisée en ce que l'échangeur de cha- leur plat (1) est constitué par une feuille mince inféri- eure (19) et une feuille mince supérieure (20) qui ne sont reliées,de manière étanche aux gaz,entre elles qu'au niveau de leurs bords,par exemple par collage ou soudage, ainsi que par un moyen d'espacement (21) situé entre les feuilles (19,20) et formé par exemple de matière alvéolaire à alvé- oles ouverts, d'un voile ou de parties en relief des feuil- les elles-mêmes. 7 - Installation suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisée en ce que l'échangeur de cha- leur plat (1) présente une perte de pression totale qui est inférieure d'au moins 104 Pa à la différence entre la pression atmosphérique et la tension de vapeur du fluide caloporteur à la température de fonctionnement, laquelle peut atteindre au maximum 801C. - - 2495289 8 - Installation suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un conduit de dérivation (22) équipé d'une soupape de plurge et situé au voisinage immédiat de l'échangeur de chaleur plat (1). 9 - Installation suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisée en ce qu'à l'endroit o le conduit de dérivation (22), observé dans le sens d'écoule- ment, débouche à nouveau dans le système de canalisation (2) est prévu un dispositif produisant un vide relatif, comme par exemple une pompe à jet d'eau (23).