Brevet FR2511140A1 — publié le 19830211

La présente invention concerne les dispositifs de transfert de chaleur, en toutes directions, particulièrement en descente, sans y apporter d'énergie autre que la chaleur. Des dispositifs de ce genre ont été décrits dans la demande de brevet de Grande-Bretagne N O 8 025 792 En plus de cette demande antérieure, un dispositif est également décrit dans le brevet de Belgique N O 867 468 du 15 mai 1978, lequel est analogue à la demande précédente, mais nécessite une différence de température sensiblement plus élevée entre la chaleur de la source et celle d'utilisation. Un dispositif analogue à celui de l'invention est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 160 444 ( 10 juillet 1979), mais dans lequel deux conduits de chaleur sont associés et o la chaudière et le réservoir du fluide de condensa- tion sont au même niveau, avec en plus un mécanisme extérieur de distribution, ne branchant que l'un des éléments, chaudière ou réservoir. Dans le présent dispositif la chaleur est transférée en évaporation et condensation d'un fluide convenable, étant consti- tué d'un évaporateur ou chaudière,d'un condenseur et d'un réservoir de condensat, situé à un niveau supérieur à la chaudière, des conduits et soupapes ou obturateurs automatiques de retenue reliant ces trois éléments principaux. Les objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre de six réalisations préférées et des figures 1 à 6 insérées qui en sont des schémas. Sur la figure 1 sont représentés un évaporateur ou chaudièrelun conduit 2 amenant les vapeurs au condenseur 3, une soupape de retenue 4, un conduit 5 transférant le condensat au réservoir 6, une soupape de retenue 7 et un conduit 8 ramenant le liquide à la chaudière 1 La chaleur étant apportée à la chaudière, les vapeurs dégagées libèrent la chaleur dans le condenseur 3. Simultanément le liquide doit être élevé dans le réservoir 6, ce qui est réalisé lorsque les températures relatives chaudière- condenseur sont telles que la différence des pressions de vapeur du fluide porteur à ces températures est égale à la hauteur de la colonne liquide comprise entre le réservoir et le condenseur (le réservoir étant supposé à la même température que le condenseur). Le dispositif contient le fluide porteur (ayant par exemple une tension de vapeur de quelques bars dans la gamme prévue de températures) en phases liquide et vapeur La pression exercée sur la surface libre du liquide dans le réservoir 6 est égale à sa tension de vapeur à la température du réservoir Dans la phase de transfert de chaleur, la pression au réservoir est inférieure à celle sdans la chaudière correspondant à la hauteur de la colonne de liquide entre 6 et 3, augmentée de la perte de charge éventuelle (dans le présent cas très faible et négligeable). Le liquide ne s'écoulera pas spontanément de 6 à 1 et le débit de vapeur entre 1 et 6 est empêché par la soupape ou obturateur 7 de retenue Pour obtenir l'écoulement de liquide de 6 à 1, nécessaire pour un fonctionnement semi-continu, on doit rendre pratiquement égale la pression de 6 à 1 Cet état peut être réalisé par réduction de la différence de pressions de 1 à 6, ou augmentation de pression de 6 à 1, et, pour un dispositif semi-continu, l'équilibre des pressions doit ttre réalisé sans interruption d'apport de chaleur à la chaudière 1. Ces deux solutions sont possibles et exposées ci- dessous 1 Equilibrage des pressions par réduction de la pression dans la chaudière 1. On obtient ce résultat comme exposé dans ladite demande de GrandeBretagne, la chaudière étant conduite jusqu'à son assèchement (pour éviter une surchauffe excessive celle-ci doit avoir un fond plat de chauffage et une inertie thermique suffisante) La pression y est alors réduite, par le condenseur, à la tension de vapeur du fluide à sa température Si la température du fluide dans le réservoir n'est pas inférieure à celle dans le condenseur, la pression du liquide dans le réservoir est au moins la même que celle du coté chaudière-condenseur, de sorte que le liquide du réservoir 6, peut s'écouler librement vers la chaudière par le conduit 8 et la soupape 7 de retenue. 251 1 1 40 Comme dans le dispositif décrit dans ladite demande de Grande- Bretagne, il faut empocher que le liquide, atteignant la chaudière 1, vienne en contact direct avec la surface de chauffe (brûlante), de sorte qu'un dispositif de chargement (tel le siphon de ladite demande) doit être installé dans la chaudière. Pour obtenir un fonctionnement correct, la tempéra- ture du réservoir 6 doit être au moins aussi haute que celle du condenseur 3 Ceci est obtenu habituellement de manière automatique, parce qu'il n'y a que le liquide amené du condenseur 3 qui soit accumulé dans le réservoir 6 Cependant il peut se produire, parti- culièrement si la température d'environnement du réservoir est très basse, ou si la température au condenseur est relativement élevée que la température du réservoir soit trop basse, relativement à celle de 3, pour obtenir un écoulement uniforme du liquide de 6 vers 1 Pour éviter cette situation, un simple conduit classique de chaleur établira une liaison thermique entre condenseur 3 et réser- voir 6, tout en assurant que le réservoir n'atteindra jamais une température inférieure à celle du condenseur 3. La figure 2 représente un dispositif comme décrit, dans lequel l'équilibre des pression est obtenu par réduction de la pression de la chaudière. 2 Condition d'équilibrage des pressions, par augmentation de celle du réservoir 6. Cette condition peut être obtenue facilement par alimentation directe de vapeur, à partir de la chaudière 1 dans le réservoir, à l'aide d'un second conduit reliant la chaudière au réservoir, ce conduit étant normalement fermé par un obturateur qui ne sera ouvert qu'à l'instant convenable A cette ouverture, la vapeur de la chaudière 1 est dirigée et condensée dans la partie supérieure du réservoir 6, en augmentant ainsi sa température jusqu'à celle de la chaudière La pression du réservoir 6 est à ce moment assez élevée pour déplacer le liquide de 6 vers 1. L'obturateur de contrôle d'écoulement de vapeur, avec ce nouveau conduit, est actionné par la variation du niveau, soit du fluide reçu dans le réservoir, soit du fluide encore contenu dans la chaudière; dans le premier cas il y a augmentation de niveau, dans le second diminution Pour permettre une recharge suffisante 2511 I-40 du liquide à partir du réservoir 6 vers la chaudière 1, un certain retard devra être apporté entre les ouverture et fermeture de cet obturateur. Des exemples de ces deux solutions sont exposés ci-après: a) Obturateur actionné par augmentation du niveau du condensat dans le réservoir - Exemple 1 On voit sur la figure 3, que le réservoir est équipé alors d'un flotteur 10, qui maintient l'obturateur en posi- tion de fermeture, lorsque le récipient 12 est vide Pendant le fonctionnement, le condensat s'accumule dans le réservoir 6, mais le liquide n'ira au récipient 12 que lorsque son niveau atteint le coude du siphon 11 Le flotteur 10 ouvre alors l'obturateur 13, les pressions en 1 et 6 s'égalisent et le liquide du réservoir 6 s'écoule vers 1 Le siphon Il inverse alors l'écoulement, le réci- pient 12 est vidé et le flotteur 10 referme l'obturateur ce qui rétablit l'état initial. Exemple 2 On voit sur la figure 4 que le réservoir 6 est équipé d'un flotteur 10, qui maintient la fermeture de l'obtura- teur 13 par sa masse, lorsque le réservoir 6 est vide En fonction- nement, le liquide s'accumule dans le réservoir et son niveau augmente Le flotteur 10 est cependant maintenu en position basse, non seulement par sa masse, mais de plus par l'effort magnétique entre le barreau 14 et l'aimant 15 Lorsque le niveau dans le réser- voir est devenu suffisant, l'effort du flotteur est assez élevé pour ouvrir l'obturateur L'équilibre des pressions est atteint et le liquide s'écoule de 6 vers 1 La réduction importante de l'effort magnétique permet une variation sensible du niveau liquide du réservoir 6 avant que l'obturate ur soit refermé, ce qui à nouveau rétablit l'état initial. b) Obturateur actionné par baisse du niveau de liquide dans la chaudière 1. Exemple On voit sur la figure 5 que la chaudière est équipée d'un flotteur 16 qui referme l'obturateur 13 lorsqu'elle est remplie 2511 140 de liquide En fonctionnement l'obturateur 13 est également fermé par la différence de pressions entre 1 et 6 Lorsque le niveau est assez abaissé, la masse du flotteur est suffisante pour surmonter l'effort différentiel de pressions entre 1 et 6, et l'obturateur s'ouvre L'équilibre des pressions est atteint et l'obturateur 13 reste ouvert jusqu'à ce que le niveau du liquide à la chaudière soit suffisant pour soulever le flotteur et refermer l'obturateur, ce qui rétablit l'état initial En dehors des exemples exposés, d'autres dispositifs peuvent être envisagés, par exemple le flotteur peut agir sur l'obturateur par l'intermédiaire d'un levier 5 ou, encore, peut avoir une pièce magnétique agissant sur un obturateur également magnétique, etc Le fait est que les ouverture et fermeture de l'obturateur sont déclenchées par la variation de niveau dans l'un ou l'autre, réservoir ou chaudière. Un avantage du dispositif à conduit 9 et obturateur 13 est de ne jamais laisser la chaudière à vide, et donc de ne pas risquer la surchauffe Au contraire, dans la phase initiale d'équi- librage des pressions, la température de chaudière est réduite du fait que la pression de fonctionnement est temporairement abaissée. Comme dans ladite demande de brevet, le dispositif de transfert de chaleur peut être intégré dans un collecteur d'énergie solaire La versiondécrite en 2 plus haut, convient particulièrement du fait qu'elle ne nécessite pas de vidange du collecteur, ce qui confère davantage de souplesse à l'étude Un exemple de ce dispositif intégré est donné par la figure 6. 25111 40 REVENDICATIONS l Dispositif de transfert de chaleur sans apport d'autre énergie, caractérisé en ce qu'il comprend un évaporateur ou chaudière ( 1), un condenseur ( 3), un réservoir ( 6) et au moins une soupape, ou obturateur automatique de retenue ( 4,7) pxurunfluide porteur ou de travail, le réservoir étant à un niveau supérieur à celui de la chaudière, dispositif dans lequel des moyens ( 8) ramènent le fluide du réservoir vers l'évaporateur. 2 Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le retour du liquide est obtenu par réduction de pression à l'éva- porateur ( 1) par rapport à celle du réservoir ( 6). 3 Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le retour du liquide est obtenu par l'augmentation de la pression au réservoir ( 6), jusqu'à celle de l'évaporateur ( 1) par des obtura- teurs actionnés par variation du niveau du liquide dans le réservoir et/ou dans l'évaporateur. 4 Collecteur d'énergie solaire utilisant le dispositif de l'une quelconque des revendications précédentes.