Brevet FR2500141A1 — publié le 19820820

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à convection naturelle et olus précisérient un échangeur 3 fonctionnement réversible particulièrement adapté aux échanges thermiques entre le fluide de travail et l'air extérieur. Le but de l'invention est de réaliser un échan aeur-capteur conçu pour fonctionner en pompe à chaleur en vue de récupérer le maximum du rayonnement solaire direct et diffus et du rayonnement infra-rouge de tous corps environnants ainsi que de la chaleur contenue dans l'air extérieur et la Pluie. A cet effet, l'invention a pour objet un échan geur de chaleur air-liquide caractérisé en ce qu'il est constitué d'une série de tubes parallèles définissant un plan dont la normale est orientée dans la direction Nord-Sud et dont l'inclinaison est fonction de la latitude du lieu d'utilisation et d'ailettes pour faciliter les échanges thermiques entre le fluide circulant dans les tubes et l'air extérieur, solidaires desdits tubes. Suivant un mode de réalisation particulièrement intéressant, les tubes sont.disposés à l'horizontale et les ailettes sont constituées par des éléments ou lames plats, minces, disposés côte à côte parallèlement et verticalement. Un tel échangeur, lorsqu'il est utilisé comme évaporateur-capteur dans un système du type pompe à chaleur, permet de récupérer au maximum les calories issues du rayonnement solaire ou infra-rouge direct ou indirect provenant de l'environnement dans lequel est placé l'échangeur ainsi qu'un partie des calories présentes dans l'eau de pluie en contact avec l'appareil et dans l'air circulant autour de ce dernier, la structure de l'échangeur favorisant à la fois les échanges par convection, une absorption globale plus importante du rayonnement direct du soleil et l'évacuation de l'eau condensée. D'autres caractéristioues et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de modes de réalisation d'un tel échangeur, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard du dessin annexé sur lequel - Fig. 1 représente une vue partielle en perspective c'un échangeur conforme à l'invention - Fig. 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'un evaporateur-capteur selon l'invention - Fig. 3 illustre une variante d'utilisation de l'evapora- teur de la Fig. 2 - Fig. 4 représente un autre mode de réalisation d'un éva porateur-capteur selon l'invention, et - Fig. 5 illustre une variante du dispositif de la Fig. 4. L'échangeur de chaleur représenté sur la Fig.l est constitué essentiellement d'un certain nombre de tubes 1 en un matériau bon conducteur de la chaleur tel que le cuivre, disposés parallèlement en formant un plan et sur lesquels est rapporté par tous moyens anpropriés un jeu d'ailettes échangeuses 2 en un matériau également bon conducteur de la chaleur tel que l'aluminium. Sur la Fig. 1 les ailettes 2 sont constitués par des lames identiaues, planes, parallèles entre elles et sénarées par des intervalles constants de l'ordre de 4-5 R^, par exemple. En outre,chaaue lame 2 est commune a tous les tubes 1 parallèles et est sertie, encastrée, soudée, etc... sur chacun des tubes qui la traverse, perpendicnîairener.t celui-ci. Les ailettes 2 sont ayantageusement recouvertes d'un revêtement noir (par exele une peinture noire mate) absorbant le rayonnement solaire et infra-rouge. Un tel échangeur étant destiné à servir nota:: ment d'évaporateur-capteur dans un système par exemple de pompe a chaleur pour la fourniture d'eau chaude sanitaire ou le chauffage de locaux, le plan défini par les tubes 1 est de préférence orienté et incliné de la manière suivante afin d'avoir le meilleur rendement possible. La normale audit plan est orientée dans la direction Nord-Sud et l'inclinaison du plan correspond sensiblement à la latitude du lieu d'utilisation de l'échangeur lorsque ce dernier fonctionne tout au long de l'année. Cette inclinaison est modifiée et égale à la latitude du lieu plus 15 environ pour une utilisation de l'appareil pour le cha::-- fage au cours de l'biser uniquement. La Fia. 2 représente schématiquement un évanora- teur-capteur dont la structure d'échange est identique à celle représentée sur la Fig. 1. Cet évaporateur comporte des tubes 1 parallèles sur lesquels sont rapportées des ailettes 2 planes parallèles. A une extrémité les tubes 1 débouchent dans un collecteur 3 relié à un comnresseur (non représenté) cepen- dant ou'à l'autre extrémité les tubes 1 sont tous reliés à un distributeur de liquide symbolisé en 4, lui-même relié Dar l'intermédiaire d'un détendeur thermostatique sumbolïsé en 5, au condenseur (non représenté) d'un système à pompe à chaleur. Le distributeur de liquide 4 est un organe couramment utilisé dans les machines frigorifiques et qui permet de répartir régulièrement le fluide frigorigène dans chacune des sections de l'évaporateur , il n'a donc pas besoin d'être décrit plus en détail. I1 en est de même pour le détendeur thermostatique 5. Dans le mode de réalisation de la Fig. 2, les ailettes sont disoosées à l'horizontale, 1'évaporateur-can- teur étant, lors de son emploi, placé à l'extérieur et exposé au soleil, au vent et à la pluie, l'orientation et l'ircli- naison du plan défini par les tubes 1 étant conforme aux exnlications données plus haut à propos de la Fig. 1. La température de cet évaporateur est en général inférieure à celle du milieu dans lequel il est placé et il captera donc une énergie thermique de différentes origines. Cette énergie nroviendra d'une nart du ravonne- ment solaire direct et diffus, l'évaporateur fonctionnant comme un capteur solaire conventionnel. L'énergie Droviendra egalement du rayonnement infra-rouge de tous les corps qui environnent l'évaporateur et qui sont à une température supérieure à la sienne (er. cé- néral le sol, les bâtiments et constructions voisins, les nuaaes, la véaétation, etc...). Par suite, on a intérêt a c ac le revêtement des ailettes 2 soit ordinaire, c'erst-à- dire non sélectif,(excepté pour les régions à fort ensoleil- lement). L'énergie peut Provenir aussi de l'air atmos- sphérique environnant, l'air en se refroidissant au contact de l'évaporateur cédant sa chaleur au fluide frigorigène. Lorsqu'il y aura du vent, cet échange sera amélioré du rait du déploiement en lamelles parallèles des ailettes 2. Si l'air est humide, la vapeur d'eau contenue dans l'air condense partiellement et la chaleur latente de vaporisation de liteau sera ainsi récupérée. Enfin, cette énergie pourra provenir de la pluie dans la mesure où celle-ci tombe à une température supérieure à celle du capteur. Ces divers échanges thermiques dépendent évi- demment des paramètres météorologiques suivants : soleil, vent, température extérieure, humidité, nébulosité, pluie. Quoique ces conditions climatiques ne varient pas simultane- ment dans le même sens, il y en aura toujours une ou plusieurs qui seront à un moment ou à un autre favorable à une récupéra- tion partielle par l'évaporateur-capteur selon l'invention des calories environnantes, récupération loin d'être négli- geable et qui contribuera à une marche plus régulière du compresseur de l'installation à pompe à chaleur et, par suite, à un meilleur rendement de celle-ci. Il est à remarouer que pour favoriser tous ces échanges l'évaporateur-capteur de l'invention ne comporte ni vitrage-en vue d'obtenir un effet de serre, ni isolation ther miaue sur la façade arrière de l'appareil. L'inclinaison et l'orientation de l'apparoir peuvent, bien entendu,être modifiées au besoin dans un sens cu dans l'autre sans grand changement pour le bilan énergétique global. I1 est à noter également qu'un tel échangeur est parfaitement adapté en cas de réversibilité du système dans lequel il est incorporé. En effet, dans un cycle ae pro- duction de froid, l'appareil selon l'invention devent =- denseur et sa structure à ailettes favorisant les r.-ouvc-:rcr-s de convection naturelle lui permet de perdre aise tent s leur. Dans la variante de réalisation ce la Fi; les tubes 1 sont disposés à l'horizontale, l'évaporateur- capteur ayant les mêmes orientation et inclinaison que @@@@ la Fie. 1. Par suite, le plan des lames formant les ailettes 2 est vertical ce qui permet l'évacuation aisée de l'eau condensée, une absorption globale du rayonnement direct du soleil plus importante et favorise les echanges par convection naturelle. Dans ce cas, l'alimentation en fluide frigorigène peut être moins complexe et réduite a une alimentation en série de tous les tubes 1', comme représenté à la Fig. 4. Le détendeur thermostatique 5 est relié directement au premier tube 1' de l'échangeur dont le dernier tube est relié au compresseur. La Fig. 5 illustre une variante de réalisation de l'appareil de la Fig. 4 suivant laquelle le détendeur 5 est relié, d'une part, au premier tube 1" mais également à un tube intermédiaire 1" (ou plusieurs). L'évaporateur est ainsi divisé en sections parallèles, les tubes de sortie 1"' étant reliés à une canalisation commune elle-meme reliée au compresseur. D'une manière générale, la structure selon l'invention peut s'appliquer a tout échangeur liquide-air extérieur en favorisant ainsi les échanges par convection. Enfin, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment celles concernant la forme, les dimensions et la disposition des ailettes 2 ou analogues, lesquelles peuvent être discontinues, circulaires, hélicoidales, voire orientables soit d'ellesmêmes sous l'action du vent, soit manuellement ou mécaniquement. R E V E N D I C A T I O N S 1. Echangeur de chaleur air-liquide caractérisé en ce qu'il est constitué d'une série de tubes (1) parallèles définissant un plan dont la normale est orientée dans la direction Nord-Sud et dont l'inclinaison est fonction de la latitude du lieu d'utilisation et d'ailettes (2) pour faciliter les échanges thermiques entre le fluide circulant dans les tubes (1) et l'air extérieur, solidaires desdits tubes. 2. Echangeur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les ailettes (2) sont constituées par des éléments ou lames plats, minces disposés côte à côte, parallèlement et perpendiculairement à l'axe desdits tubes (1). 3. Echangeur suivant la revendication 2 caracteri- sé en ce que les tubes (1) sont disposés à l'horizontale, les plans des ailettes (2) étant verticaux. 4. Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 3, plus particulièrement destiné à servir d'évaporateur dans un système du type pompe a chaleur., caractérisé en ce que l'une des extrémités des tubes (1) est reliée par l'inter- médiaire d'un distributeur de liquide (1) et d'un des thermostatique (5) au condenseur dudit système, l'autre extré- mité étant reliée par un collecteur (3) au compresseur un système. 5. Echangeur suivant la revendication 3, plus particulièrement destiné à servir d'évaporateur dans un tème du type pompe à chaleur, caractérisé en ce que les tulles (1') sont reliés en série, le tube d'entrée étant connecté par l'intermédiaire d'un détendeur thermostatique (5) au dcr.- denseur du système, le tube de sortie étant relié au compresseur dudit système. 6. Echangeur suivant la revendication 3, plus particulièrement destiné à servir d'évaporateur dans un sys- tème du type pompe à chaleur, caractérisé en ce qu'il compor- te plusieurs sections de tubes reliés en série, les tubes d'entrée (1") de ces différentes sections étant aliments e parallèle par l'intermédiaire d'un détendeur thermostat (5) cependant que les tubes de sortie (1"') se ces sect c. sont reliés au condenseur du système. 7. Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérise en ce que chaque tube (1) comnorte son proDre jeu d'ailettes, de contour géométrique quelconque. 8. Echangeur suivant la revendication 7, carac térisé en ce que les ailettes sont hélicoldales. 9. Echangeur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les ailettes sont orientables sous l'action du vent, manuellement ou mécaniauement.