Brevet FR2518247A1 — publié le 19830617

La presente invention est du domaine du chauffage par captage d'énergie du milieu extérieur au moyen par exemple de capteurs solaires ou de pompes de chaleur et elle a plus précisément pour objet un procédé et des moyens visant à mettre hors gel l'échangeur extérieur propre à ces modes de captage. On sait que, en matière de captage des énergies douces, on doit avoir recours a une quantité assez importante de fluide caloporteur de manière à compenser la faible température liée à ces modes de captage par une grande masse calorifique du fluide ; généralement le fluide caloporteur est constitué par une solution aqueuse de glycol, si l'on désire que le glicol ait un effet antigel certain il convient que sa concentration dans l'eau soit de l'ordre de 20 %, concentration qui correspond, pour des volumes de fluide caloporteur de plusieurs mètres cube, à plusieurs centaines de litres de glycol. Ainsi, pour des installations de quelques mètres cube de fluide caloporteur, le coût du glycol est loin dlêtre négligeable ; ce coût devient rapidement rédhibitoire pour des installations plus importantes. On a proposé en vue de mettre hors gel les échangeurs extérieurs1 tels que les capteurs solaires, de les vidanger lorsque la température du fluide caloporteur dans l'échangeur descend au-dessous d'un certain seuil (20C par exemple) ; cette vidange,comme souvent l'indication thermomètrique qui la commande, est réalisée électriquement ; on peut donc craindre soit une panne des organes de mesure ou de commande, soit une panne de tension d'alimentation de ces organes ; de telles pannes en période de gel entraînent généralement la déterioration irrémédiable de l'échangeur ; la présente invention se donne pour but de proposer un systeme, c'est-à-dire un procédé et des dispositifs de mise en oeuvre de celui-ci assurant à faible coût et de façon très fiable la mise hors hel des capteurs extérieurs, quelle que soit la quantité de fluide caloporteur. Selon la présente invention, un procédé de mise hors gel de l'échangeur de chaleur d'une installation d'échange thermique dans laquelle un liquide caloporteur aqueux parcourt sous l'action d'une pompe de circulation un circuit fermé pouvant comporter un réservoir de stockage, est caractérisé d'une manière générale en ce que, lors de l'arrêt de la pompe de circulation, on effectue la substitution, dans l'échangeur, du liquide caloporteur par un liquide, dit de protection, non miscible au liquide caloporteur. De préférence ledit liquide de pro- - tection ayant été choisi tel que sa densité soit sensiblement différente de celle du liquide caloporteur, la substitution dans l'échangeur du liquide caloporteur par le liquide de protection résulte, lorsqu'elle est autorisée, de la différence de densité entre les deux liquides ; de préférence encore la substitution dans l'échangeur du liquide caloporteur par le liquide de protection est autorisée par l'arrêt de la pompe de circulation ; de préférence enfin, la substitution inverse, c'est-à-dire du liquide de protection par le liquide caloporteur , résulte de la pression hydrodynamique créée par la pompe de circulation. Dans un cas fréquent d'application qui est celui de capteurs solaires disposés sur le toit d'un immeuble, l'échangeur est situé au-dessus du réservoir de stockage qui lui se trouve généralement à l'entresol ; on choisira alors comme liquide de protection un liquide de densité inférieure à celle de l'eau : l'huile de paraffine s'est révélé être un excellent liquide de protection pour plusieurs raisons ; tout d'abord,~l'huile de paraffine est chimiquement très stable ; ensuite elle accuse une différence de densité importante avec l'eau (environ 0,2) ; elle est extrèmement peu miscible à celle-ci ;enfin sa chaleur specifique est faible ,et elle peut être mélangée par moitié au pétrole lapant On va maintenant décrire dans leur généralité les caractéristiques d'une installation rechange thermique permettant la mise en oeuvre du procédé sus-décrit. Selon la présente invention une installation d'échange thermique du type comportant un échangeur-récepteur sensible au gel, tel qu'échangeur- récepteur de capteur solaire ou de pompe de chaleur, et une pompe de circulation du liquide caloporteur, ladite installation étant destinee à permettre la mise en oeuvre d'un procédé. tel que cidessus définie dans sa généralité et ses particularités , est carac térisé d'une manière générale en ce qu'elle comporte des moyens, dits de contention, pour contenir ledit liquide de protection, des moyens, dits d'inversion, pour alternativement interdire, lorsque la pompe fonctionne,~l'écoulement spontané du liquide de protection en direction de l'échangeur, et permettre son retour dans lesdits moyens de contention, et autoriser, lorsque la pompe ne fonctionne pas, l'écoulement spontane du liquide de protection en direction de l'échangeur et permettre son remplacement dans les moyens de contention par le liquide caloporteur. S'agissant d'une installation dans laquelle l'échanaeur-capteur est situé à la partie supérieure de l'installation, les moyens de contention seront constitués par une capacité pourvue d'un orifice supérieur, d'un orifice intermédiaire et d'un orifice inférieur, le volume de ladite capacite compris entre l'orifice supérieur et l'orifice intermédiaire étant supérieur au volume du liquide de protection, ladite capacité étant située au-dessous de l'échangeur. Restant dans le cas de l'installation sus-visé les moyens d'inversion seront constitués par un système de clapet ayant pour fonction de mettre en relation un orifice inférieur de l'échangeur soit, suivant une première position dudit clapet, avec l'orifice supérieur du ballon soit, suivant une seconde position dudit clapet, avec l'orifice de sortie de la pompe, le système de clapet prenant sa première position sous l'action d'un ressort de rappel et sa seconde position sous l'action de la pression hydrodynamique de la pompe, à l'encontre dudit ressort. I1 résulte des dispositions susdécrites que l'arrêt de la pompe, que cet arret provienne soit de la commande d'un thermomètre de l'échangeur, soit d'une panne de la pompe, a pour effet de permettre le retour du clapet dans sa première position et, de ce fait, à l'huile de monter dans l'échangeur et d'y remplacer le liquide caloporteur qui s'y trouve, et que le fonctionnement de la pompe a pour effet de mettre le clapet dans sa seconde position et de chasser l'huile dans la capacité. Suivant une forme plus particu lière de réalisation, la capacité sus-visée est constituée par un ballon auxiliaire dont l'orifice inferieur est relié soit à un réservoir principal de liquide caloporteur, soit à un échangeur secondaire d'un tel réservoir. Suivant une autre forme de réalisation, la capacité est constituée par la partie supérieure d'un réservoir principal de liquide caloporteur. Suivant une forme particulière préférée de réalisation du système de clapet, celui-ci est constitué par un élément vertical de conduit relié vers le bas à l'orifice supérieur de ladite capacité et vers le haut à l'orifice inférieur de l'échangeur, ledit élément vertical comportant à sa base un premier clapet sollicité vers son siège par son propre poids, et par un élément horizontal de conduit relié d'un côté à l'élément vertical au-dessus du premier clapet et de l'autre côté à la sortie de la pompe, ledit éiément horizontal comportant un second clapet sollicité vers son siège en direction de la sortie de pompe par un ressort. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront à la description qui va être faite d'installations du cas le plus fréquent d'application ou l'échangeur-capteur est situé à la partie la plus haute de l'installation, permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention; des explications de leur fonctionnement seront données, ainsi que des exemples de réalisation du système de clapet, en relation avec les figures des planches annexées dans lesquelles - la fig.l est un schéma général d'installation explicatif du procédé de l'invention, - les fig.2, 3 et 4 illustrent trois phases distinctes du fonctionnement, - la fig.5 est le schéma d'une installation conforme à l'invention suivant une première forme de réalisation, - la fig. 6 est un schéma analogue suivant une deuxième forme de réalisation de l'invention, - la fig.7 illustre de façon schématique une première forme de réalisation du système de clapet, - la fig.8 en illustre une deuxième forme, - les fig.9 et 10 illustrent une variante de montage des moyens d'inversion et, - la fig. il illustre un tel montage adapté à une structure complexe d'échangeur. Sur la fig.1 une installation de captage de chaleur de l'air ambiant ou du rayonnement solaire comporte un echangeur-capteur 1, parcouru par un liquide caloporteur qui sera essentiellement de l'eau, et une pompe 2 de circulation du liquide caloporteur ; la pompe 2 est chargée de forcer la circulation du liquide dans l'échangeur puisque l'echangeur étant en partie haute, le liquide s'y trouve à la température la plus élevée c' est-à-dire à la densité la plus faible et en conséquence ne peut circuler de lui-même. Le reste de l'installation qui n'a pas été représenté sur la figure comportera des radiateurs pour restituer la chaleur et, avantageusement, un réservoir de liquide caloporteur permettant d'emmagasiner la chaleur pendant les périodes propices. Selon l'invention une certaine quantité d'huile 3 est contenue dans une capacité 4 et peut être transvasee dans le capteur 1, grâce à des moyens d'inversion 5 lorsque la pompe est à l'arrêt. La capacité 4 constituant les moyens de contention comporte un orifice supérieur 6, un orifice intermédiaire 7 et un orifice inférieur 8 ; le volumedela capacité entre les orifices 6 et 7 est supérieur au volume d'huile 3 lui-même légèrement supérieur au volume intérieur du capteur 1. Les moyens d'inversion 5 sont constitués par un système de clapet fonctionnant de manière telle que le capteur 1 est mis en relation soit avec la sortie 9 de la pompe lorsque cette dernière fonctionne soit avec l'orifice supérieur 6 lorsque la pompe ne fonctionne pas comme c'est le cas de la fig.l ; dans ce cas l'huile 3 monte dans le capteur àcause de sa plus faible densité et en chasse l'eau qui y est contenue ; la chasse de l'eau pourra s'effectuer de bas en haut si les conduits dans le capteur ont un faible section ou de haut en bas dans le cas contraire mais, dans tous les cas, au bout d'un certain temps, l'huile plus legère que l'eau aura rempli le capteur. Sur la fig.2 est représentée la situation consécutive à la situation de la figure précédente dans laquelle l'huile a totalement rempli le capteur Le capteur est alors hors gel. Si la température du capteur s'élève au-dessus d'un certain seuil, par suite d'ensoleille- ment par exemple s'il s'agit d'un capteur solaire, la pompe sera mise en fonctionnement. La fig.3 schématise la situation dans laquelle la pompe fonctionne ; les moyens d'inversion ont changé de position par rapport à la figure précédente et de l'eau représentée en 10 chasse l'huile vers la sortie supérieure du capteur ; l'huile retourne alors dans la capacité 4 par la conduite 11 ; dans la capacité 4 l'huile vient prendre spontanément la place de l'eau dans la partie supérieure de-la capacité et cela jusqu'à ce que l'huile est été chassée complètement du capteur. Sur la fig.4 l'installation est représentée dans son état normal de fonctionnement, état dans lequel la pompe fonctionne pour injecter à la partie inférieure du capteur de l'eau dite froide ; l'eau est réchauffée dans le capteur et ressort chaude à sa partie supérieure pour, sous l'effet de la pression dynamique de la pompe, redescendre et rentrer dans la capacité 4 par l'orifice intermédiaire 7, en ressortir par l'orifice inférieur 8 pour être utilisée, en transitant ou non par un réservoir principal, non représenté sur les figures, et retourner à la pope 2. Lorsque l'eau, ou tout autre liquide caloporteur1 ne sera plus suffisamment réchauffée dans l'êchangeur-capteur 1 l'arrêt de la pompe sera commandé et l'installation repassera dans les états des fig.l et 2 pour être mis hors gel et cela sur simple arret de la pompe et en l'absence de toute commande extérieure électrique ou mecanique. C'est la raison pour laquelle on qualifiera "de sécurité" le procédé de'mise hors gel de l'invention. On a remarqué qu'en relation avec les figures précédentes, on n'a pas précisé ce qu'étaient les moyens de contention ou capacité 4 1 ces moyens peuvent avoir en effet des structures très variées comme par exemple la structure de tuyau, de conduite, ayant un volume suffisant pour contenir l'huile nécessaire au capteur ; on va cependant décrire deux cas particuliérs de réalisation de ces moyens de contention. Sur la fig.5 la capacité 4 des figures precédentes et constituée par un ballon auxiliaire 14 dont l'orifice inférieur 8 est relié à un réservoir principal 15 de liquide caloporteur, dans lequel débouche en outre une sortie vers la pompe 2 et une entre et une sortie d'utilisation respectivement 16 et 17 ; le ballon est en outre pourvu d'un orifice supérieur 6 et d'un orifice intermédiaire 7 l'intérêt de la disposition de cette figure réside dans le fait que les modifications de l'installation existante se réduisent à l'interruption des conduites d'entrée et de sortie de l'échangeur et l'interposition sur celles-ci du ballon auxiliaire équipé de son inverseur. Sur la fig.6 la capacité 4 des Iigures précédentes est constituée par la partie supérieure 19 du réservoir principal (ou unique) 20 existant en général dans de telles installations de chauffage ; le réservoir principal 20 est aménage avec un orifice supérieur 6 relié aux moyens d'inversion 5 et avec tous ses autres orifices tels qu' intermédiaire 7, inférieurs 8 et d'entrée et de sortie 24 et 25 d'utilisation repectivement, au-dessous d'un niveau 26 correspondant au remplissage par l'huile de sa partie supérieure ; accessoirement une plaque déflectrice 27 peut être disposée à l'intérieur en regard de l'orifice intermédiaire de manière à faciliter la séparation de l'huile et de l'eau. Sur la fig.7 un ballon tel par exemple que le ballon 14 de la figure précédente est pourvu de moyens d'inversion 5 réalisés suivant une forme préférée ; dans cette forme de réalisation le système de clapet constituant ces moyens est constitué lui-même d'un élément vertical de conduits 26 relié vers le bas à l'orifice supérieur 6 de la capacité 14 et vers le haut à l'orifice inférieur non représenté de l'échangeur, et par un élément horizontal 27 de conduit relie d'un côté à L'élément vertical et de l'autre coté à la sortie de la pompe 2 ; l'élément vertical comporte à sa base un clapet 28 sollicité vers son siège 29 par son propre poids tandis que l'élément horizontal comporte un second clapet 30 sollicité vers son siège 31 en direction de la sortie de pompe par un ressort 32.On remarque en outre sur la fig.7 que l'orifice intermédiaire- 7 est constitué par un conduite verticale 33 pénétrant dans la capacité 14 par la face supérieure de celle-ci, et étant pourvu à sa base d'un orifice annulaire 34. Sur la fig.8 les moyens d'inversion sont constitués par un tube en T dont la branche norizontale 34 est reliée d'un côté à la sortie de pompe 2 et de l'autre côté à un orifice supérieur 6 de capacité d'huile et dont la branche verticaleest reliée à l'échangeur 1 ; dans la branche horizontale peut circuler un clapet 36 à l'encontre d'un ressort 37 situé du côté de l'orifice 6 ; lorsque la pompe est en charge, le clapet 36 est repoussé à l'encontre du ressort et le passage s'établit de 2 vers 1 ; dans le cas contraire, le ressort ramène le clapet à la position indiquée sur la figure et le passage s'établit de 1 vers 6. Suivant une seconde variante de réalisation d'installations conformes à l'invention dans lesquelles lesdits moyens de contention sont toujours constitués par une capacité pourvue d'un orifice supérieur, d'un orifice intermédiaire et d'un orifice inférieur, le volume de ladite capacité compris entre l'orifice supérieur et l'orifice intermediaire étant supérieur au volume du liquide de protection, ladite capacite etant située au-dessous de l'échangeur, lesdits moyens d'inversion sont, suivant cette seconde version, constitués par un système de clapet ayant pour fonction de mettre en relation un orifice supérieur de l'échangeur soit,suivant une première position dudit clapet,avec l'orifice supérieur de la capacité, soit,.suivant une seconde position dudit clapet, avec l'orifice intermédiaire de la capacité, la sortie de pompe étant en relation permanente avec un orifice inférieur de l'échangeur, le système de clapet prenant sa première position sous l'action d'un ressort de rappel et sa seconde position sous l'action de la pression hydrodynamique de la pompe, à l'encontre dudit ressort. Sur les fig.9 et 10 deux schémas d'installations sensiblement analogues aux installations des fig. 5 et 6 font toutefois apparaître deux différences la première différence réside dans le fait que la pompe 2 débite directement dans l'orifice inférieur de l'échangeur la seconde différence réside dans le fait que l'inverseur est relié à l'orifice supérieur de l'échangeur ; les figures représentent l'installation avec la pompe en état de marche et les flèches en traits pleins dans les inverseurs indiquent le sens du passage du fluide dans cet état, tandis que les flèches en pointillés indiquent l'écoulement de l'huile et du fluide dans l'état inverse ; dans ce second état qui est celui de l'arrêt de l'installation et de sa mise hors gel, le liquide caloporteur passe dans la pompe en'sens inverse jusqu'à ce que soientremplis d'huile les échangeurs. Cette seconde version de montage, dit à circulation inverse, est particulièrement applicable auxcas d'échangeurs à structure complexe telle que la structure parallèle-parallèle représentée en fig.11 ; sur cette figure chaque batterie 1', 1"etc... d'échangeur est pourvue d'un système de sécurité 10', 10"etc... comportant des élé- ments analogues à l'installation de la fig.9 à savoir un ballon 14 et un inverseur 5', ces systèmes de sécurité étant reliés par une conduite commune 40 par exemple à un réservoir général de stockage non représenté sur la figure, tandis que la pompe 2 débite par une conduite commune 41 directement dans les orifices inférieurs des échangeurs des batteries. On devra noter que le système de l'invention se prête non seulement à la mise hors gel des échangeurs extérieurs mais encore tout aussi bien à leur mise hors surchauffe ; on sait en effet que, même sous nos climats la chaleur développée par l'ensoleillement est parfois telle qu'elle entraine l'ébullition de l'eau des échangeurs lorsque celle-ci ne circule plus dans l'installation ; dès lors que le fluide de protection conforme à l'invention a un point d'ébullition très nettement supérieur à celui de l'eau, comme c'est le cas pour l'huile de paraffine, le risque d'ébullition est évité. Bien que l'on ait décrit et représenté des formes particulières d'application du procédé et de réalisation de ses moyens de mise en oeuvre, il doit être compris que la portée de l'invention n'est pas limitée à celles-ci, mais qu'elle est définie par les caractéristiques énoncées plus haut. RiVENDICATIONS 1.- Procédé de mise hors gel de l'échangeur de-chaleur d'une installation d'échange thermique dans laquelle un liquide caloporteur aqueux parcourt sous l'action d'une.pompe de circulation un circuit fermé pouvant comporter un réser voir de stockage, caractérisé : en ce que, lors de l'arrêt de la pompe de circulation, on effectue la substitution, dans l'échangeur, du liquide caloporteur par un liquide, dit de protection, non miscible au liquide caloporteur 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit liquide de pro tection ayant éte choisi tel que sa densité soit sensible ment différente de celle du liquide caloporteur , la sub stitution dans l'échangeur du liquide caloporteur par le liquide de protection résulte, lorsqu'elle est autorisée, de la différence de densité entre les deux liquides 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la substitution dans l'échangeur du liquide caloporteur par le liquide de pro tection est autorisée par l'arrêt de la pompe de circulation 4.- Procéde selon la revendication 3, caractérisé en ce que la substitution inverse c'est-à-dire du liquide de protection par le liquide calo porteur, résulte de la pression hydrodynamique créée par la pompe de circulation 5.- Installation d'échange thermique du epe comportant un échangeur-récepteur sensible au gel, tel qu'échangeur-réi cepteur de capteur solaire ou de pompe de chaleur, et une pompede circulation du liquide caloporteur, ladite instal lation étant destinée & permettre la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte - des moyens, dits de contention, pour contenir ledit liquide de protection, - des moyens, dits d'inversion, pour alternativement interdire, lorsque la pompe fonctionne, I'écoulement spontané du liquide-de protection en direction de l'échan geur, et permettre son retour dans lesdits moyens de contention, et autoriser, lorsque la pompe ne fonctionne pas , l'écoulement spontané du liquide de protection en direction de l'échangeur et permettre son remplacement dans les moyens de contention par le liquide caloporteur ; 6.- Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit liquide de protection comprend de l'huile de paraffine en quantité suffisante pour remplir ledit échangeur 7.- Installation selon la revendication 6 caractérisée en ce que lesdits moyens de contention sont constitués par une capacité pourvue d'un orifice supérieur, d'un orifice intermédiaire et d'un orifice inférieur, le volume de ladite capacité compris entre l'orifice supérieur et l'orifice intermédiaire étant supérieur au volume du liquide de protection, ladite capacité étant située au-dessous de l'échangeur, et en ce que lesdits moyens d'inver sion sont constitués par un système de clapet. ayant pour fonction de mettre en relation un orifice inférieur de l'échangeur soit, suivant une première position dudit clapet, avec l'orifice supérieur de la capacité , soit suivant une seconde position dudit clapet, avec l'orifice de sortie de la pompe, le système de clapet prenant sa première position sous l'action d'un ressort de rappel et sa seconde position sous l'action de la pression hydrodynamique de la pompe, à l'encontre dudit ressort, d'où il résulte que l'arrêt de la pompe, que cet arret provienne soit de la commande d'un thermomètre de l'échangeur, soit d'une panne de la pompe, a pour effet de permettre le retour du clapet dans sa première position et, de ce fait, à l'huile de monter dans l'échangeur et d'y remplacer le liquide caloporteur qui s'y trouve, et que le fonctionnement de la pompe a pour effet de mettre le clapet dans sa seconde position et de chasser l'huile dans la capacité 8.- Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite capacité est constituez par un ballon auxiliaire dont l'orifice infé rieur est relié soit à un réservoir principal de liquide caloporteur, soit à un échangeur secondaire d'un tel réservoir 9.- Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite capacité est constituée par la partie supérieure d'un réservoir prin cipal de liquide caloporteur 10.- Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit système de clapet est constitué par un élément vertical de conduit relié vers le bas à l'orifice supérieur de ladite capacité et vers le haut à l'orifice inférieur de l'échangeur, ledit élément vertical comportant à sa base un premier clapet sollicité vers son siège par son propre poids, et par un élément horizontal de conduit relié d'un côté à l'élément vertical au-dessus de premier clapet et de l'autre côté à la sortie de la pompe, ledit élément horizontal comportant un second clapet sollicité vers son siège en direction de la sortie de pompe par un ressort. 11.- Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de conten tion sont constitués par une capacité pourvue d'-un- orifi- ce supérieur, d'un orifice intermédiaire et d'un orifice inférieur, le volume de ladite capacité compris entre l'orifice supérieur et l'orifice intermédiaire étant supérieur au volume du liquide de protection, ladite capacité étant située au-dessous de l'échangeur, et en ce que lesdits moyens d'inver sion sont constitués par un système de clapet ayant pour fonction de mettre en relation un orifice supérieur de l'échangeur soit suivant une première position dudit clapet avec l'orifice supérieur de la capacité, soit suivant une seconde position dudit clapet avec l'orifice intermédiaire de la capacité, la sortie de pompe etant en relation permanente avec un orifice inférieur de l'échangeur, le système de clapet prenant sa première position sous l'action d'un ressort de rappel et sa seconde position sous l'action de la pression hydrodyna mique de la pompe, à l'encontre dudit ressort.