Brevet FR2510242A1 — publié le 19830128

L'invention est relative à une vanne de régulation naturelle et une installation de chauffage solaire. Elle trouvera notamment son application dans le chauffage domestique et les chauffe-eau. Actuellement, il existe deux types d'installations de chauffage solaire. L'installation en thermo-siphon qui est constituée d'un ballon de réserve de liquide caloporteur placé en hauteur d'un capteur solaire, celui-ci étant parcouru par le fluide issu du ballon et y retournant après passage dans le capteur. La circulation du liquide caloporteur se fait naturellement par variation de densité due à la variation de temperature, la vitesse de circulation du liquide étant sensiblement proportionnelle à l'élévation de temperature du liquide dans le capteur. Ce dispositif a l'avantage d'être simple, malheureusement il oblige à placer le ballon au-dessus du capteur, or dans les habitations celui-ci est généralement placé sur le toit et donc, il n'est pas possible de mettre en oeuvre ce type de chauffage solaire dans cette application, car le ballon ne peut trouver sa place. Son utilisation est donc limitée. Dans les installations avec circulateur, la circulation du fluide caloporteur entre le ballon et les capteurs est assurée au moyen d'un pompe. La mise en oeuvre de cet organe moteur permet de faire cir- culer le fluide indépendamment de la position relative du capteur visà-vis du ballon. Il sera donc possible de placer le capteur sur le toit d'une habitation et le ballon au rez-de-chaussée. Cependant, la mise en oeuvre d'une telle installation nécessite quelques précautions d'utilisation. En particulier, il sera nécessaire d'equiper l'installation d'une logique de commande dont le but est d'arrêter toute circulation du fluide au cas où la température du fluide à la sortie du capteur deviendrait inferieure à celle du ballon, en effet, toute circulation de fluide aurait alors pour conséquence de refroidir la température du ballon. En général, les logiques de commande fonctionnent en tout ou rien et donc, outre le coût de la logique de commande, le présent dispositif ne présente plus les avantages d'auto-régulation du type d'installa- tion précédent. Dans ce cas, le débit du fluide caloporteur n'est plus proportionnel à son échauffement dans le capteur solaire, mais il est imposé par le débit du circulateur. Ainsi, en cas de faible ensoleillement, la vitesse de circulation du fluide caloporteur imposée par le circula teur est souvent trop importante pour qu'un echauffement important puisse être réalisé lors du passage du fluide dans le capteur solaire, et donc la température du fluide en sortie de capteur est trop faible pour être utilisee directement. Le but principal de la présente invention est de proposer une installation de chauffage solaire équipee d'une vanne de régulation naturelle qui permet de cumuler les avantages des deux types d'installations existants actuellement, à savoir, positionnement indifférent du ballon d'accumulation du fluide caloporteur vis-à-vis du capteur solaire et auto-regulation du debit de circulation du fluide caloporteur au travers du capteur solaire en fonction de l'échauffement qu'il subit lors de son passage à travers le capteur. L'installation ainsi proposée est d'une mise en oeuvre très simple et ne fait pas appel à des circuits de commande logiques annexes, ce qui la rend à la fois plus fiable. Un but secondaire de la présente invention est de proposer une installation de chauffage solaire utilisant une vanne de régulation naturelle qui lui permet de se mettre en position hors gellorsque la température exterieure diminue fortement. Il est-ainsi possible d'utiliser un fluide caloporteur démuni d'antigel. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif,- et qui n'a pas pour but de limiter l'invention. La vanne de régulation naturelle placée entre une conduite parcourue par un fluide en circulation forcée et une conduite parcourue par un fluide en circulation naturelle est caraclérisée par le fait qu'elle présente des moyens pour déverser toute ou partie du débit du fluide en circulation naturelle dans la conduite parcourue par un fluide en circulation forcée, et reprendre une même quantité de débit de fluide dans la conduite à circulation forcee et la redéverser dans la conduite de fluide en circulation naturelle. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la description ci-dessous, ainsi qu'aux dessins en annexe qui en font partie intégrante. La figure 1 schematise à titre d'exemple un mode de réalisa- tion particulier de la vanne de régulation naturelle selon la presente invention. La figure 2 schématise une variante du mode de réalisation de la vanne de régulation naturelle selon la présente invention. La figure 3 schématise une installation de chauffage solaire comprenant notamment une vanne de régulation naturelle. L'invention est destinée à cumuler les avantages des circuits parcourus par un fluide sous circulation forcée, dont le débit est fixé par un organe moteur et dont le débit est pratiquement indépendant de la disposition respective des différents organes places -sur le circuit, et des circuits à circulation naturelle de fluide dont le débit est fonction d'une variable physique telle que par exemple la densité ou la temperature qui sont d'ailleurs liées. Ainsi, selon l'invention, il sera possible de positionner les différents organes d'une installation quelconque sans tenir compte des différences de hauteur puisqu'un circulateur assurera le déplacement du fluide de façon régulière entre les différents organes et une vanne de régulation naturelle permettra de moduler ou d'asservir le debit d'une quantité physique comme par exemple les calories en fonction d'une variable telle que la température. Dans la pratique, la vanne de régulation naturelle fera la jonction entre une conduite dans laquelle circule un fluide en circulation forcée et une seconde conduite dans laquelle circule un fluide en circulation naturelle. La vanne disposera de moyens tels que toute ou partie du débit du fluide dans la conduite en circulation naturelle soit déversée dans la conduite à fluide en circulation forcée et que une même quantite de fluide soit prélevée dans la conduite à circulation forcée pour être réintroduite dans la conduite à circulation naturelle. Il est important que les divers points de prélèvement et de réintroduction du fluide dans le circuit forcé soient tels, de par leur forme et leur position que le circuit forcé ne joue aucun rôle significatif dans le débit de fluide de la circulation- naturelle. En effet, si le fluide du circuit forcé avait une influence significative sur le débit du circuit à circulation naturelle, celui-ci rentrerait dans la categorie des circuits à circulation forcee et ce serait sortir du cadre de la présente invention. En résumé, il convient que les points de prélèvement et de réintroduction de fluide dans le circuit à circulation forcée soient des points de même pression de points d'arrêt afin qu'ils n'influencent pas la circulation naturelle de ce circuit. La figure 1 schématise un mode de réalisation d'une vanne de régulation naturelle selon l'invtention. Elle se présente sous la forme d'un croisillon 1 placé à l'intersection d'une conduite 2 de fluide 3 en circulation force, et d'une conduite 4 de fluide 5 en circulation naturelle. Dans le mode de représentation choisi, les branches du croisillon 1 formant les éléments de conduite 2 et 4 sont orthogonales et coaxiales deuxà deux. Cette condition n'est pas imperative et d'autres mises en oeuvre peuvent être envisagées pourvu- que soit respectee la condition-d!equipression des points de prélèvement et de reintroduction du fluide à circulation forcée, ce pour que le circuit forcé n'influence pas la circulation naturelle dè ce circuit. Cette obligation est remplie avec le croisillon de la figure 1, pour des raisons de symétrieparrapport à la conduite forcée 2. Lorsqu'une certaine quantité de fluide 5 arrive dans la vanne derégulation naturelle 1, à l'intersection avec le fluide 3 venant du circuit force, celui-ci a tendance à entrainer dans son passage cette quantité de fluide 5 avec lui, et à poursuivre son chemin dàns la conduite 2. Dans la mesure où le débit forcé est supérieur au début naturel, pratiquement tout le fluide de la circulation naturelle parvenant à la vanne 1 est entrainé dans reflux de fluide forcé formant le mélange 6. Par contre, le fluide 7 en circulation naturelle prélevé dans la conduite forcée 2 au niveau de la vanne 1 est compose du fluide 3 venant de la conduite 2. Dans la mesure où le débit forcé est superieur au debit naturel, le fluide prélevé comprend uniquement du fluide en provenance de la conduite forcée 2 avant que celui-ci soit un mélange 6 avec le fluide 5 issu de la conduite naturelle. Dans le cas particulier ou le fluide 5 de la conduite naturelle 4 est un fluide chaud, le débit de la conduite naturelle 4 étant par exemple sensiblement proportionnel à la différence de température par rapport au fluide forcé 3, il y aura un circuit force dont le-debit est constant pouvant alimenter divers organes et un -circuit naturel dont le debit est variable tel que tout le fluide chaud 5 du circui-t naturel soit injecté dans- la conduite forcée alors que cette dernière alimente en fluide relativement plus froid le circuit naturel' il y a ainsi un echange d'autant plus important qu'il y a de différence de tem pérature entre les deux circuits amont à la vanne naturelle 1. La La figure 2 illustre une variante de réalisation de la vanne a régulation naturelle. Cette vanne 1 est parcourue par un fluide en circulation forcée 3 véhiculé dans une conduite 2. Une conduité 4 de fluide en circulation naturelle présente deux points de branchement sur la vanne à régulation naturelle 1. Le premier point de branchement permet tra de prélever une quantité de fluide 7 parmi le fluide 3 en circulation forcée parcourant la vanne 1. Le second point de branchement permettra de rejeter une même quantité de fluide 5 dans le fluide en circulation forcée 3 pour former un mélange 6 à la sortie de la vanne 1. Dans un mode préférentiel de réalisation de la vanne de ré-, gulation naturelle, le point de prélèvement du fluide dans la conduite à circulation forcee sera situé-sensiblement en amont de ce circuit vis-à-vis du point de réintroduction du fluide du circuit à circulation naturelle dans le circuit à circulation forcée. Ainsi, le fluide prélevé ne proviendra pas directement, même en partie, de la réintroduction de fluide de la conduite à circulation naturelle dans la conduite à circulation forcée. Pour certaines applications, il peut être intéressant de créer une perte de charge entre les points de prélèvement et des dé- versements du liquide en circulation naturelle, dans la conduite de liquide en circulation forcée. Il est ainsi possible de superposer au phénomene décrit, un pourcentage de circulation force dans la circulation naturel le. La perte de charge que l'on peut régler à un seuil aussi petit que l'on veut, peut être obtenue par exemple en jouant sur la distance entre le point de prélèvement et le point de déversement, ou en adoptant des angles d'incidence differents pour le point de' prélèvement et le point de déversement par rapport à la circulation de fluide forcée, ou encore par exemple en plaçant un dispositif d'étranglement de la circulation de fluide forcée entre les points de prélèvement et de déversement. L'angle d'incidence étant l'angle que font entre eux les filets d'écoulement de fluide naturel et les filets d'écoulement de fluide forcé. La figure 3 schématise un mode de réalisation d'un chauffage solaire comprenant un circuit primaire 8 et un circuit secondaire 9. Le circuit primaire 8est composé d'une conduite 10 montée en boucle autour d'un capteur solaire 11. Le fluide 12 du circuit primaire 8 peut circuler en circuit fermé dans la conduite 10 et le capteur so laire 11. La circulation naturelle de ce fluide 12 dans la conduite 10 se fera dans le sens des flèches 13 par convection naturelle, le débit étant sensiblement praportionnei à 1 'échauffement que subit le fluide durant son passage à travers le capteur solaire 11. Le principe de fonctionnement naturel de la circulation du fluide 12 dans la conduite 10 peut être expliqué en considerant le tron çon 16 de la conduite 10 qui correspond à la partie de cette conduite situé au niveau du point inférieur 14 de la conduite 10 à l'entrée du capteur solaire et du point supérieur 15 de la conduite 10 à la sortie du capteur solaire, le tronçon consideré 16 étant extérieur au capteur 11. Lorsque le capteur 11 n'est pas exposé aux rayons solaires, le fluide 12 dans tout le circuit primaire 8 est à la meme temperature, donc à la même densité, aucune dissymétrie n'est créée et le fluide 12 est au repos. Lorsque le capteur 11 est frappe par des rayons lumineux, le fluide situé à l'intérieur de ce capteur s'échauffe et par consequent la densité de ce fluide diminue par rapport à la densité du fluide situé dans le reste de la conduite, en particulier à celui compris dans le tronçon de conduite 16. Cette dissymétrie de densité, par appli-cation du principe des vases communicants, créé un déplacement du fluide dans le sens indique par les flèches 13, pour tenter de retrouver un equilibre. Mais, le fluide introduit dans le capteur par l'entrée 14 continue à s'échauffer durant la traversee du capteur et ressort de ce capteur en .15 avec une densité plus faible, et le mouvement de circulation continue. Le débit de cette circulation naturelle sera d'autant plus important que T'échauffement du fluide et donc la variation de densité durant le passage du capteur 11 est plus importante. Le circuit secondaire 9 comporte une canalisation 17 à l'in térieur de laquelle circule un fluide caloporteur 18 en boucle sur un échangeur 19, la circulation du fluide 18 étant forcée par un circulateur 20. L'échangeur 19 pourra être de tout type connu comme par exemple un convecteur ou comme dans le cas représenté un serpentin 21 plongé dans un ballon 22 rempli d'eau qui sera'chauffée. Le circulateur 20 oblige le fluide 18 à se déplacer le long de la canalisation 17 selon un sens indique par les flèches 23. Le fluide 18 chaud se refroidira dans le serpentin 21 au contact de l'eau du ballon 22 qui sera ainsi réchauffée. Selon la présente invention, une vanne de régulation naturelle de -débit sera placee à l'intersection du circuit primaire 8 et du circuit secondaire 9. Cette vanne de régulation 24 fera en sorte que toute ou partie du débit du fluide 12 dans le circuit primaire 8 à la sortie du capteur solaire 11 soit introduit dans la conduite 17 de fluid 18 du circuit secondaire 9 et que une réme quantité de fluide 18 du cir cuit secondaire 9 soit injectée dans le circuit primaire 8 en amont du capteur solaire 11. Ainsi, le fluide 18 du circuit secondaire 9 passera en partie dans le circuit primaire 8 d'abord au travers du tronçon de canalisation 16 puis dans le capteur solaire 11, où il subira un échauffement, puis retournera dans le circuit secondaire 9 au niveau de la vanne 24.Dans un mode préférentiel de réalisation, la vanne de régulation naturelle 24 sera située à une hauteur superieure à cel-le du capteur solaire, comme représenté à la figure 2. Il faut noter d'ailleurs qu'en modifiant la hauteur de la van ne par rapport au capteur solaire, on peut proportionnellement accélérer ou ralentir le débit de circulation naturelle. Lorsque le capteur 11 sera frappé par les rayons solaires, le fluide 12 situé à l'interieur s 'échauffera et sa densité diminuera par rapport au fluide présent dans la section 16, ce dernier étant en provenance du fluide du circuit secondaire. La densité du fluide dans le capteur solaire étant plus faible que celle du fluide' dans la section 16, il y aura circulation dans le circuit primaire, avec passage de tout ou partie du fluide chaud en sortant du capteur dans le circuit secor daire 9 au niveau de la vanne 24. Par contre, lorsque le capteur n'est plus soumis aux rayons solaires, il n'y a plus de déséguilibre de densité entre le fluide dans le capteur et celui dans la section 16 et donc plus de circulation. Il n'y a également plus d'échange au niveau de la vanne 24 et le circuit secondaire tourne en circuit fermé, il n'y a ainsi pas d'évacuation de calories. La vanne 24 agit donc automatiquement lorsqu'il y a échauffement du fluide primaire dans le capteur, toute ou partie de ce fluide chauffé passe dans le circuit secondaire 9, par contre, lorsqu'il n'y a plus chauffage du fluide primaire dans le passage du capteur 11, il n'y a plus d'échange entre le circuit primaire et le circuit secondaire. Il ne peut donc y avoir qu'échauffement du circuit secondaire 9. On peut moduler le principe décrit, en branchant les points de prélèvement et de déversement du circuit primaire à des endroits dif férents du circuit secondaire, de façon à créer une perte de charge entre les points de prélèvement et de déversement, comme il est expose dans le cas de la figure 2. La faible perte de charges qui existe, permet de superposer au phénomène naturel décrit, un pourcentage, réglable en ajustant la perte de charge , de circulation forcée dans la circulation naturelle. On peut ainsi engendrer, dans le circuit primaire, * débit de fluide réglable à un seuil aussi petit que l'on veut. Lorsque le fluide caloporteur utilisé est de l'eau, il est possible de mettre à profit une caractéristique physique particulière de l'eau pour la mise hors gel de l'installation. En effet, l'eau a la propriété de se contracter entre 0 "C et 4 "C. En supposant l'installation à une température voisine de 4 bC et le capteur, géneralement situé à l'extérieur, soumis à une temperature inférieure, l'eau présente dans le capteur à une température plus faible que 4 OC aura une densité plus faible que celle présente dans la section 16 à 4 C.Par conse- quent, il y aura circulation d'eau dans le circuit primaire 8, l'eau arrivant à Ta base du capteur avec une plus forte densité et en sortant avec une densité plus faible par suite de son refroidissement. Il y aura échange entre les circuits primaire 8 et secondaire 9 au niveau de la vanne 24, et l'installation fonctionnera en mode inverse pendant un temps très court, nécessaire pour ramener la température du capteur vers 4 OC, c"est-à-dire que le capteur sera réchauffe par le reste de l'installation. Il y a ainsi un phénomene d'auto-protection qui se crée lorsque la température descend au-dessous de 4 "C. L'utilisation de la vanne de régulation naturelle de débit permet d'économiser l'antigel dans le fluide caloporteur si ce dernier est de l'eauj ou tout autre fluide présentant des caracteristiques similaires. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit n'est donné qu'à titre indicatif, et d'autres mises en oeuvre de la présente invention, à la portée de l'Homme de l'Art, pourraient être adoptées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. En particulier, la vanne peut s'appliquer,à tout générateur de frigorie. Auquel cas, le capteur solaire est remplacé par un génerateur de frigorie ou un radiateur, et la vanne doit être située plus bas 'que ledit générateur de frigorie ou le radiateur. REVENDICATIONS 1. Vanne de régulation naturelle de debit placée entre une conduite parcourue par un fluide en circulation forcee et une conduite parcourue par un fluide en circulation naturelle, caractérisée par le fait qu'elle présente des moyens pour déverser toute ou partie du fluide en circulation naturelle dans la conduite parcourue par un fluide en circulation forcée, et reprendre une même quantité de debit de fluide dans la conduite en circulation forcée et la redéverser dans la conduite de fluide en circulation naturelle. 2. Vanne de régulation naturelle selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les points de déversement et de preleve- ment du fluide en circulation naturelle dans la conduite en circulation forcée sont situés en des lieux de même pression du fluide à circulation forcee afin que celui-ci n'ait aucune influence dans l'écoulement naturel de la conduite naturelle. 3. Vanne de régulation naturelle selon la revendication- 1, caractérisée par le fait que l'on introduit une perte de charge adaptee , entre les points de déversement et de prélèvement du fluide en circulation naturelle dans la conduite en circulation forcée. 4. Vanne de régulation naturelle selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le prélèvement d'une certaine quantité-de fluide (7) dans la conduite à circulation forcée, se fait sensiblement en amont du déversement du liquide (5) issu de la conduite à circulation naturelle (4) dans la conduite à circulation forcée (2). 5. Vanne de régulation naturelle selon les revendications précédentes, caractérisée par le fait que les moyens se --présentent sous la forme d'un croisillon orthogonal (1) formant l'intersection de deux conduites (2) et (4), en communication dans ce croisillon (1) les branches coaxiales de ce croisillon formant des éléments d'un même type de conduite à circulation forcee (2) ou naturelle (4). 6. Vanne de régulation naturelle selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les liquides dans les deux conduites sont de meme nature et que la circulation naturelle se fait par convection. 7. Installation de chauffage solaire comprenant notamment un circuit de chauffage primaire dans lequel circule un fluide caloporteur en circulation naturelle dans une conduite placee en boucle sur un capteur solaire, un circuit de chauffage secondaire dans lequel circule un fluide caloporteur en circulation forcée par un circulateur, ce cir cuit etant par exemple place en boucle sur un échangeur, caractérisée par le fait qu'elle met en oeuvre la vanne selon la revendication 1 à l'intersection des circuits primaire et secondaire. 8. Installation selon la revendication7 , caractérisée par le fait que la vanne de régulation naturelle est située à-une hauteur. réglable supérieure a celle du capteur solaire. 9. Installation de chauffage solaire avec protection automatique hors gel du capteur solaire, selon les revendications 7 et 8 , caractérisée par le fait que le fluide caloporteur utilisé dans les-cir- cuits primaire et secondaire est de l'eau. 10. Installation de chauffage selon la revendication 7 dans laquelle un générateur de frigorie ou radiateur remplace le capteur solaire, caractérisée par le fait que la vanne de régulation naturelle est positionnée au-dessous du générateur de frigorie ou radiateur.