Brevet FR2518716A1 — publié le 19830624

La présente invention, qui se situe dans le domaine de la captation de l'énergie solaire irradiée, concerne un échangeur de chaleur susceptible de stocker cette dernière et de la restituer, et qui est associé à un dispositif apte à collecter de l'énergie solaire, plus couramment appelé capteur solaire. t1échangeur-stockeur, objet de l'invention, est du type de ceux constitués d'une enceinte hermétique isotherme renfermant deux circuits tubulaires noyés dans une substance apte à emmagasiner les calories cédées par un fluide primaire évoluant dans l'un des circuits et en relation avec un capteur solaire, pour les restituer à un fluide secondaire évoluant dans l'autre circuit et en relation avec un dispositif de consommation dudit fluide réchauffé. La demande de certificat d'addition français n02.352.255 décrit un tel échangeur raccordé à un capteur solaire et dans lequel l'enceinte est formée d'une cloche en matière calorifuge enterrée et la substance apte à accumuler des calories est de la terre. Cet échangeur présenteun grand inconvénient. En effet, l'enceinte est très volumineuse et doit être enfouie dans le sol pour le bon fonctionnement du capteur solaire. De plus, la terre, matériau dont le coefficient de conductibilité thermique est tres faible, constitue le seul moyen d'échange thermique entre les deux fluides primaire et secondaire. Il en résulte des vitesses de propagation de la chaleur tres lentes entre les deux fluides. D'autre part, durant ces dernieres années, quelques tentatives ont été entreprises afin d'intégrer aux capteurs solaires des dispositifs de stockage de l'énergie thermique fournie par ces derniers. Ainsi, des solutions techniques ont été proposées, telle celle décrite dans le brevet français n"2.303.250, qui consiste à délimiter entre deux panneaux isolants trois volumes indépendants dont l'un est en relation avec le fluide primaire, le deu xiême avec le fluide secondaire et le troisieme avec une masse de stockage, ou encore celle décrite dans le brevet français n"2.409.465 qui consiste à incorporer une réserve d'eau sous l'absorbeur du capteur solaires. Ces-dispo- sitifs présentent de nombreux inconvénients et ne sont pas performants car ils nécessitent notamment une conception particuliere du capteur solaire, adaptée au dispositif de stockage. En outre, en raison du faible coefficient de conductibilité thermique des substances d'accumulation de calories, les capacités de stockage de ces dernières sont très faibles et les temps de propagation de chaleur entre les fluides sont ralentis par la présence de cette substance qui joue, seule, le rôle d'agent de transmission entre le fluide primaire et secondaire.Aussi, les capteurs solaires munis de tels dispositifs de stockage d'énergie thermique ont un mauvais rendement'calorifique, ce qui explique que les diverses tentatives entreprises à ce jour aient généralement échoué. Faisant le bilan de cet état de fait, le demandeur a donc mené des recherches qui ont abouti à la conception d'un échangeur-stockeur de chaleur permettant d'obvier les inconvénients précités et susceptibles de s'intégrer, tout en demeurant indépendants, à la structure de tout type de capteur solaire, ceci sans nuire à l'esthétique d'ensemble de ce dernier Afin de mieux comprendre le but recherché par le demandeur lors de la mise au point de cet échangeur-stôckeur, il est utile prealablement de rappeler les quelques définitions calorimétriques suivantes. La quantité de chaleur est une grandeur mesurable définie par une unité, la calorie, qui est la quantité de chaleur qu'il faut fournir à un gramme d'eau pour élever sa température de 1"C. On appelle chaleur latente de changement d'état la quantité de chaleur nécessaire pour faire changer d'état l'unité de masse d'une substance, la température restant constante. Pour l'eau par exemple, cette chaleur latente est la quantité de chaleur qu'il faut enlever à un gramme d'eau à l'état liquide pour le transformer en un gramme d'eau à l'état solide, à une tempéra ture de 0 C. Conformément à l'invention, l'échangeur-stockeur.de chaleur, du type de celui constitué d'une enceinte hermétique isotherme renfermant deux circuits tubulaires noyés dans une substance apte à emmagasiner les calories cédées par un fluide primaire évoluant à l'intérieur de l'un des circuits en relation avec l'absorbeur d'un capteur solaire, pour les restituer à un fluide secondaire évoluant à l'intérieur de l'autre circuit en relation avec un dispositif de consommation dudit fluide réchauffé, est remarquable par le fait que - d'une part, la susdite substance d'accumulation est une matière à changement d'état dont la quantité de chaleur nécessaire pour la faire changer d'état est voisine de celle cédée,et/ou reçue par les fluides primaire et secondaire, - et d'autre part, les deux circuits tubulaires sont munis d'ailettes de conduction communes noyées dans ladite matière à changement d'état afin d'accroître les échanges thermiques simultanés entre le fluide primaire et le fluide secondaire et entre ces derniers et la matière à changement d'état. Un tel échangeur-stockeur présente de nombreux avantages et, parmi ceux ci - une capacité thermique de stockage très importante par l'utilisation de la chaleur latente de changement d'état de la matiere constituant la substance d'accumulation, ceci pour un volume réduit de cette dernière - une vitesse accrue de propagation de chaleur entre le fluide primaire et le fluide secondaire par la présence des ailettes de conduction communes qui permettent d'augmenter notablement la surface effective d'échange thermique directement entre les deux fluides et sans transiter par la susdite matière à changement d'état - et, de par son volume réduit, une intégration plus aisée dans un capteur solaire de construction classique. On comprend dès lors que l'échangeur-stockeúr selon l'invention assure les deux fonctions - échange et stockage d'énergie thermique - dans des conditions optima, ceci indépendamment ou simultanément selon la demande. Ainsi, lorsque celui-ci est intégré à un capteur solaire, le fluide secondaire, qui pourra par exemple etre de l'eau à usage domestique, puisera les calories nécessaires à ltélévation de son degré de température dans la matière à changement d'état et/ou directement dans le fluide primaire par conduction à travers les parois des circuits et les ailettes communes. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la matière à changement d'état est de la paraffine. La chaleur latente de changement d'état de cette dernière étant beaucoup plus importante que celle de l'eau, sa capacité de stockage d'énergie thermique en est d'autant plus grande pour un même volume. La paraffine est également insoluble dans l'eau et présente une grande résistance aux agents chimiques les plus énergiques. D'autre part, il est utile de préciser que, la température de fusion de cette matière étant de l'ordre de 45oC, cette dernière est très statique dans la gamme des températures observées dans les capteur solaires, de sorte que très peu de courants convectifs apparaissent à l'intérieur de l'enceinte de l'échangeur-stockeur. Aussi, la répartition de chaleur dans la paraffine -est- elle uniformisée par les ailettes de conduction communes et par la disposition particulière des circuits tubulaires. A cette fin, ces dernierstsont constitués d'au moins un faisceau de tubes-échangeurs parallèles reliés à leurs extrémités à deux tubes-collecteurs d'entrée et de sortie de fluide, et dans lesquels les fluides primaire et secondaire circulent simultanément en alternance et à contre-courant. Bien que les aspects de l'invention considérés -comme nouveaux aient été résumés ci-dessus, de plus amples détails concernant des méthodes préférées de réalisation et d'autres caractéristiques de celle-ci seront mieux~compris en se référant à la description détaillée ci-dessous et aux dessins l1accompagnant où La figure 1 est une vue en perspective de dessus partiellement écorchée d'un échangeur-stockeur de chaleur conforme à l'invention, La figure 2 est une vue partielle en perspeetive. de dessus d'une autre forme de réalisation d1un échangeur-stockeur conforme à l'invention, La figure 3 est une vue en coupe d'un- capteur solaire comportant un échangeur-stockeur de chaleur conforme à l'invention. Lléchangeur-stockeur de chaleur 1 représenté à la figure 1 est constitué d'un boitier parallélépipédique 2 constituant une enceinte hermétique isotherme susceptible de subir des dilatations et renfermant deux'circuits tubulaires 3 et 4 constitués chacun d'un faisceau de tubes-échangeurs 3 , 4 a parallèles aux'côtés longitudinaux du boiter 2, reliés à leurs extrémités par des tubes-collecteurs d'entrée 3bs 4bs et de- sortie 3c 4c de fluide et disposés en alternance.-Dans ces deux circuits tubulaires 3 et 4 évoluent deux fluides primaire P et secondaire S, en relation avec des circuits extérieurs du boîtier 2, au moyen des tubes-collecteurs d'entrée 3bs 4bs et de sortie 3c3 4 et se propageant dans les tubes-échangeurs 3a' 4a' simultanément et à contre-courant. Le fluide primaire P est en général porteur de calories qu'il est susceptïble de céder au fluide secondaire S circulant dans l1échangeur-stockeur 1 à un degré de température moins élevé que celui du premier. Les échanges thermiques s' opèrent de manière classique à travers les parois des tubes-échangeurs 3a 4 et à travers la substance remplissant le a boîtier 2 dans laquelle sont noyés les deux circuits tubulaires 3 et 4.Selon l'invention, cette substance est une matière à changement d'état, de préférence de la paraffine Ainsi, grâce à sa chaleur latente de changement d'état, la paraffine permet d'emmagasiner une grande partie des calories cé dées par le fluide primaire à travers les tubes-échangeurs 3a pour les restituer ensuite au fluide secondaire -S à travers les tubes-échangeurs 4a Cette matière possède donc une grande capacité thermique de stockage-et permet ainsi à l'échangeur l d'assumer simultanément sa fonction-de stockage. D'autre part, on remarquera la presence d'ailettes de conduction 5 noyées- dans la paraffine et constituées de plaques rectangulaires, parallèles aux côtés latéraux du boîtier 2 et découpées dans un matériau possédant un coefficient de conductibilité thermique élevé. Ces plaques 5, solidaires cha cune de l'ensemble des tubes-échangeurs 3 , 4 qui les traversent, permettent a a d'accroître considérablement la surface effective d'échange thermique des circuits tubulaires 3 et 4.Il en résulte d'une part que le transfert de calories du fluide primaire P ver-s le fluide secondaire S pourra s'opérer instantanément par conduction à travers les parois des tubes-échangeurs 3a 4a et les ailettesXcommunes 5, et d'autre part que les transferts de calories du fluide primaire P vers la paraffine et de cette dernière vers le fluide secondaire S se réaliseront uniformément dans la masse totale de paraffine. il va de soi, bien évidemment, que les différents transferts thermiques sont simultanés et/ou indépendants, selon l'offre et la demande de calories qui sont assurées respectivement par les deux fluides primaire P et secondaire S. Par exemple, si la demande de calories du fluide secondaire S est plus importante que l'offre de calories du fluide primaire P, le transfert thermique s'opérera directement par conduction et avec un temps de réponse tres court selon le trajet suivant : tubes-échangeurs 3a3 ailettes 5, tubes échangeurs 4 . Dans le cas où la demande du fluide S est inférieure à l'offre a du fluide P, une partie des calories excédentaires de ce dernier sera emmaga sinée dans la masse de paraffine afin de les restituer ultérieurement au fluide S. Il va de soi que les dimensions, matériaux et nombres des différents constituants de l'échangeur-stockeur 1 de l'invention seront adaptés par l'homme de l'art afin de donner le meilleur rendement calorifique entre l'entrée du fluide primaire P et la sortie du fluide secondaire S. Ainsi, il sera possible notamment de jouer sur les paramètres suivants - le pas des ailettes 5 lié à la valeur du coefficient de conductibilité thermique de la matière à changement d'état, - le nombre de couches de tubes-échangeurs 3 s 4a nombre lié à la masse de matière à changement d'état et à la hauteur du boîtier 2, - les diamètres des tubes du circuit primaire 3 et du circuit secondaire 4, liés à la masse des fluides à véhiculer, à leur viscosité, à leur chaleur massique, à leur conductibilité thermique3 etc... L'échangeur-stockeur 1 qui vient d'être ci-dessus décrit et représenté offre de nombreuses possibilités. En premier lieu, le tube-collecteur 4c de sortie du fluide secondaire S peut être, comme on peut le voir sur le dessin de la figure 2, muni d'un chauffage de secours 6 constitué par une résistance électrique 6 reliée au a tube 4 par d'autres ailettes de conduction parallèles 6bs solidaires dudit c tube qui les traverse et perpendiculaires aux ailettes 5. Ce chauffage 6 permet d'apporter au fluide secondaire S le complément d'énergie thermique né- cessaire à son réchauffement lorsque les calories cédées par le fluide primaire P et/ou par la matière à changement d'état sont insuffisantes. L'installation de ce chauffage électrique 6 dans le boîtier 2 est possible par le fait que les ailettes 5 et la disposition des tubes-échangeurs 3a' 4a' et la circulation à contre-courant des fluides P et S, empechent la convection de la matière à changement d'état, communiquant ainsi la chaleur produite par la résistance électrique 6 au tube 4 uniquement. a a En deuxième lieu, l'ensemble des organes (non représenté) nécessaires à la circulation des fluides primaire P et secondaire S et éventuellement à la mise en service de la susdite résistance électrique 6 sont sous le contrôle a d'une centrale de régulation électronique et/ou thermostatique qui permet par exemple de maintenir à température constante le fluide secondaire S sortant de l'échangeur-stockeur 1. En troisième lieu, ce dernier peut s'incorporer très aisément dans un capteur solaire 7 illustré à la figure 3 et constitué classiquement d'un corps transparent 8 et d'un corps absorbeur 9 entretoisés reposant à l'intérieur d'un coffre 10 sur un substrat isolant 11. Selon l'invention, l'echangeur-stockeur 1 et les organes nécessaires à la circulation des deux fluides primaire P et secondaire S sont intégrés au capteur 7 à l'intérieur du coffre 10 sous partie ou totalité du corps absorbeur 9, et noyés dans la masse du substrat ll augmentant l'isolation de l'enceinte isotherme dudit échangeur 1. Le fluide primaire P est alors constitué par le fluide caloporteur du capteur 7 qui évolue au moyen d'un circuit extérieur 3' raccordé au circuit intérieur 3 entre les tubes-échangeurs 3a et le corps absorbeur 9.Le fluide secondaire S, constitué par exemple par de l'eau, est connecté à un dispositif de consommation de ladite eau réchauffée par l'intermédiaire d'un circuit extérieur 4' raccordé au circuit intérieur 4. Bien évidemment, la circulation du fluide primaire P entre l'absorbeur 9 et 1'échangeur-stockeur 1 peut être naturelle (par thermosiphon), permettant ainsi un fonctionnemnet autonome du capteur-solaire 7, ou force (par circulateur). Un tel capteur solaire offre de nombreux avantages et, parmi ceux-ci - pas de risque de pollution ni de gel - une tuyauterie extérieure simplifiée - un faible coût de l'ensemble capteur et échangeur-stockeur - pas d'entretien - facilité de pose dans un faible volume. On comprendra que les réalisations et pratiques specifiques décrites dans le présent mémoire ne l'ont été qu'en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation et que de nombreuses modifications, combinaisons et substitutions peuvent être effectuées par l'homme de l'art sans s'éloigner ni de l'esprit ni de la portée de l'invention dans ses aspects les plus larges. R E V E N D I C A T I O N S 1. Echangeur-stockeur de chaleur d'un fluide primaire à un fluide secondaire, constitué d'une enceinte hermétique isotherme renfermant deux circuits tubulaires noyés dans une substance apte à emmagasiner les calories cédées par le fluide primaire évoluant à l'intérieur d'un des deux circuits tubulaires pour les restituer au fluide secondaire évoluant à l'intérieur de l'autre circuit, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE d'une part la susdite substance d'accumulation est une matière à changement d'état, et d'autre part les deux circuits tubulaires sont munis d'ailettes de conduction communes noyées dans ladite matière à changement d'état afin d'accroître les échanges thermiques simultanés entre le fluide primaire et le-fluide secondaire et entre ces derniers et la matière à changement d'état. 2. Echangeur-stockeur de chaleur selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE les susdits circuits sont constitués chacun d'au moins un faisceau de tubes-échangeurs parallèles relies à leurs extrémités à deux tubes-collecteurs d'entrée et de sortie de fluide à l'intérieur de l'enceinte, et dans lesquels les fluides primaire et secondaire circulent simultanément en alternance et à contre-courant. 3. Echangeur-stockeur de chaleur selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE la susdite matière à-changement d'état est de la paraffine. 4. Echangeur-stockeur de chaleur selon les revendications 1 et 2, CARAC TERISE PAR LE FAIT QUE les susdites ailettes communes qui augmentent les surfaces d'échange thermique des circuits tubulaires et la conduction thermique entre eux sont façonnées dans des plaques rectangulaires parallèles, découpées dans un matériau très conducteur et solidaires chacune de l'ensemble des tubes-échangeurs qui les traversent. 5. Echangeur-stockeur de chaleur selon les revendications l à 4 prises ensemble, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE la susdite enceinte adopte la formed'un boîtier parallélepipédique susceptible de subir des dilatations, et PAR LE FAIT QUE les tubes-échangeurs des susdits circuits sont disposés sur une ou plusieurs epaisseurs en alternance parallèlement aux côtés longitudinaux du boîtier, et les susdites plaques de conduction des ailettes communes sont disposées parallèlement aux côtés latéraux dudit boîtier. 6. Echangeur-stockeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le tube-collecteur de sortie de fluide secondaire est muni d'un chauffage électrique permettant d'apporter au fluide secondaire le complément d'énergie thermique nécessaire à son réchauffement, lorsque les calories cédées par le fluide primaire et/ou par la matière à changement d'état sont insuffisantes. 7. Echangeur-stockeur de chaleur selon la revendication 6, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le susdit chauffage électrique est eonstitue- par une résistance électrique reliée au tube collecteur de sortie de fluide secondaire par des ailettes de conduction parallèles, solidaires dudit tube qui les traverse et perpendiculaires aux ailettes de conduction des tubes-échangeurs. 8. Echangeur-stockeur de chaleur-selon les revendications 1 à 7 prises ensemble, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE l'ensemble des organes nécessaires à la circulation des fluides prinaire et secondaire et éventuellement à la mise en service de la susdite résistance électrique de chauffage sont sous le contrôle d'une centrale de régulation électronique et/ou thermique. 9. Capteur solaire constitué d'un~corps transparent et d'un corps absorbeur entretoisés reposant à l'intérieur d'un coffre sur un substrat isolant, équipé d'un échangeur-stockeur de chaleur selon les revendications 1 à 5 et- /ou 6 à 8 prises ensemble, dans lequel le fluide primaire est un fluide caloporteur évoluant en circuit fermé entre le corps absorbeur et l'échangeur et le fluide secondaire est.en relation avec un circuit extérieur de cpnsommation, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le susdit échangeur-stockeur de chaleùr est installé à l'intérieur du coffre du capteur solaire, sous la totalité ou partie de la surface du corps absorbeur et noyé dans la substance du substrat isolant. 10. Capteur solaire selon la revendication 9, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE les organes nécessaires à la circulation du fluide primaire caloporteur entre le corps absorbeur et l'échangeur-stockeur et/ou ceux nécessaires à la circulation du fluide secondaire- entre l7échangeur-stockeur et le circuit extérieur de consommation sont installés à l'intérieur dudit coffre.