Brevet FR2514477A1 — publié le 19830415

La présente invention concerne un appareil pour la préparation d'eau chaude sanitaire à partir de la chaleur fournie par un capteur solaire plan, le capteur, la pompe et le réservoir de stockage étant rassemblés sous forme compacte. Les systèmes les plus simples pour la préparation de l'eau chaude sanitaire comportent un capteur plan et un réservoir de stockage situé juste au-dessus du capteur plan, 1' échange de chaleur entre le capteur et le-dit réservoir se faisant par thermosiphon. Ces systèmes présentent plusi.eurs inconvénients - l'ensemble de l'appareil n'est pas esthétique et s'intègre difficilement dans l'enviyounement architectural la stabilité de l'apparei.l est mauvaise car l'élément le plus lourd ( le réservoir3 est situé en haut, - la résistance au vent n'est pas touåours bonne, - le rendement du capteur est réduit car la vitesse de circulation du liquide dans l'absorbeur est plus faible que dans une installation ayant une circulation forcée du liquide caloporteur. On connait également des appareils pour la préparation d'eau chaude sanitaire comportant un capteur plan et un réservoir de stockage situé au même niveau que le capteur plan et placé dans l'espace disponible à l'arrière du capteur, dans ces appareils le transfert de chaleur entre le capteur et le réservoir est en général assuré par une pompe électrique commandée par une régula tion électronique assurant la mise en marche de la pompe quand l'échauffement de l'eau du réservoir est possible. Ces systèmes ont l'inconvénient d'être dépendants du réseau d'alimentation électrique et ont un prix de revient nettement plue élevé que les dispositifs à thermosiphone On connaît également des installations constituées d'un capteur solaire et d'un réservoir de stockage d'eau chaude comportant un échangeur de chaleur, l'échangeur et l'absorbeur du Capteur constituant un circuit primaire contenant un fluide en équilibre liquide - vapeur, 1 échange de chaleur entre l'insolateur et l'é- changeur du réservoir se faisant par vaporisation et condensation (caloduc); ces installations n'ont pas un rendement satisfaisant lorsque le capteur solaire et le réservoir sont situés à un même niveau car l'échange inverse est possible : le capteur refroidissant le réservoir durant la nuit. L'appareil objet de la présente invention a les avantages d'un système compact comportant une circulation forcée produite par une pompe : esthétique, stabilité, rendement élevé, tout en étant autonome, fiable et d'un prix de revient peu élevé Cet appareil comprend en association izn ccpteur salaire plan, un réservoir de stockage de liquide chaud Sitl≈ au meme niveau que le-dit capteur dans l'espace disponible à l'arrière du capteur et comprenant un échangeur de chaleur. une pompe autonome de mise en circulation d'un fluide catoporteur e équilibre liquide vapeur dans le circuit primaire de l'installation constitué du capteur, de l'échangeur du réservoir de stockage et de la-dite pompe. Cette pompe utilise la différence entre la pression de vapeur de la partie du fluide en contact avec 'absorbeur du capteur solaire, et la pression de vapeur au fluide en contact avec l'é- changeur du réservoir de stockage, pour provoquer la mise en circulation des fluBes de l'installation. Dans un mode préférentiel de réalisation, le réservoir a une face plane placée contre la face arrière de l'insolateur de façon à réduire le volume et à bénéficier de l'isolation thermique du capteur pour isoler une partie de Wa surface du réservoir, cette position confère également une meilleure stabllité à l'ensemble et une résistance au vent accrue. La pompe est constituée des éléments suivants - une première chambre qui communique avec la partie supérieure de l'absorbeur du capteur solaire, - une deuxième chambre qui est située à un niveau plus élevé que celui de la première chambre, lesquelles chambres contiennent un mélange des phases liquide et vapeur du-dit fluide, - une canalisation qui relie la partie supérieure de la première chambre à la deuxième chambre, et qui est équipée d'une vanne automatique. - un circuit qui relie la partie inférieure de la première chambre à la deuxième chambre à travers l'échangeur du réservoir de stockage du liquide chaud. le fonctionnement est le suivant : lorsque le niveau de l'interface liquide-vapeur atteint un seuil supérieur dans la première chambre (ou un seuil inferieur dans la deuxième chambre), la vanne automatique se ferme et la pression de vapeur augmente dans la première chambre et chasse du liquide vers la deuxième chambre à travers l'échangeur du réservoir de stockage, la température du liquide s'abaisse au cours de ce transfert, et lorsque le niveau de l'interface dans la première chambre atteint un seuil inférieur (ou lorsque le niveau atteint un seuil supérieur dans la deuxième chambre), la vanne automatique s'ouvre provocant une égalisation des pressions de vapeur des deux chambres et le liquide s'écoule de la deuxième chambre vers la première sous l'action de la pesanteur, ét lorsque le niveau de l'interface dans la première chambre atteint à nouveau le seuil supérieur, un nouveau cycle recommence et le fluide caloporteur circule en transportant des calories de l'insolateur vers le réservoir de stockage. Les positions de l'absorbeur du capteur solaire et de l'échangeur du réservoir de stockage ne sont pas symétriques dans le circuit primaire de l'installation, de ce fait l'échange de chaleur se fait de façon privilé.giée de l'absorbeur vers 1' échangeur du réservoir de stockage et l'échange inverse est tres réduit. Cette propriété sera mise en évidence dans la description suivante se référant aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de dispositifs et de circuits construits selon la présente invention. - la figure I représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un chauffe-eau solaire selon l'invention. - La figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un chauffe eau solaire selon l'invention dans lequel le liquide a un mouvement unidirectionnel. - La figure 3 représente de façon plus détaillée une pompe de circulation correspondant à l'appareil présenté sur la figure 2. le chauffe eau solaire représenté par la figure I comporte un capteur solaire plan muni d'un absorbeur I et d'une isolation 16 à la face arrière, il comporte également un réservoir de stockage de liquide chaud 8 muni d'une isolation thermique I5, d'une arrivée d'eau froide I8 et d'une sortie d'eau réchauffée 17, il comporte enfin une pompe constituée d'une premiere chambre 3, d'une deuxième chambre 4 située au-dessus de la première chambre et d'une vanne automatique 5 commandée par un flotteur 7 plongeant dans le liquide de la chambre supérieure 4. les parties supérieures des chambres 3 et 4 communiquent entre elles à travers une canalisation 6 munie de la vanne automatique 5. Un circuit constitué des portions 9, IO et Il relie entre elles les parties inférieures des deux chambres 3 et 4 en passant par l'absorbeur I et l'échangeur 2. les chambres 3 et 4 reliées entre elles par les canalisarions 6, 9, IO, II forment un circuit fermé qui contient une quantité de fluide constante qui se trouve à l'état liquide et gazeux. L'appareil comporte également un support 19 assurant la sta milité sur un plan horizontal. l'ensemble constitué au capteur solaire, du réservoir de stockage et de la pompe est contenu dans l'espace entre deux plans formant un angle dièdre inférieur à 300 de sorte qu'il est possible de le poser directement sur un toit ayant une faible pente. Pour les toits à forte pente, une incorporation à la toiture est possible, seule la pompe dépasse alors du toit. le fonctionnement de la pompe de l'appareil représenté figure I est le suivant Au début du cycle la vanne 5 est fermée et la chambre 3 contient beaucoup de liquide et peu de vapeur. le liquide contenu dans la chambre 3 communique avec 1' absorbeur, source chaude. Il s'échauffe et la pression de vapeur croît dans la chambre 3, le liquide est chassé par la pression à travers le conduit 9, l'absorbeur I et l'échangeur 2. Il se refroidit en traversant l'échan- geur et remplit progressivement la chambre 4. Comme le liquide contenu dans la chambre 4 est à température plus basse, la pression de vapeur y est plus faible que dans la chambre 3 et le liquide circule sous l'effet de la différence entre les pressions de vapeur.La chaleur fournie par la source chaude est cédée en partie à 1' échangeur du réservoir de stockage et transformée en partie en énergie potentielle du liquide qui est refoulé à un niveau supérieur. lorsque le niveau du liquide atteint un seuil supérieur dans la chambre 4, le flotteur 7 commande l'ouverture de la vanne automatique 5, ce qui met en communication directe les parties supérieures des deux réservoirs à travers la canalisation 6. Ces deux réservoirs forment alors deux vases communicants et le liquide contenu dans le réservoir 4 s'écoule, par gravité vers le réservoir 3 à travers la canalisation II, IO, 9 jusqu'à ce que le niveau de l'interface liquide.vaDeur atteigne un seuil inférieur dans la chambre 4 qui est détecté par le flotteur qui commande la fermeture de la vanne 5, et un nouveau cycle recommence. Il faut noter que 1 liquide contenu dans la chambre 4 s'échauffe à l'ouverture de la vanne 5 par la mise en contact avec la vapeur provenant de la chambre 3, c'est donc un liauide réchauffé qui retourne à la source froide par la canalisation II. lorsque l'absorbeur de l'insolateur devient plus froid que le liquide chaud stocké dans le réservoir 8, la pression de vapeur dans la chambre 3 est plus faible que la pression de vapeur dans la chambre 4 qui communique avec l'échangeur 29 de ce fait la chambre 3 se remplit de liquide, la chambre 4 contient alors peu de liquide et la vanne 5 commandée par le flotteur 7 est fermée, cette position est stable; 1 n3y a donc pas d'échange de vapeur entre les chambres 3 et 4; l'échange de chaleur entre l'absorbeur I et l'échangeur 2 par l'intermédiaire du conduit IO est -tres faible compte tenu de la position basse du conduit TO. Ainsi le réservoir 8, les chambres 3 et 4 et les conduits Il et étant convenablement calorifugés, le réservoir 8 conserve la chaleur stockée lorsque la température de l'absorbeur I devient inff rieure à la température du liquide stocké dans le réservoir 8. Le réservoir 8 a été représenté sur la figure I comme un recez voir comportant un seul échangeur, et dans lequel la chaleur est stockée grace à la chaleur massique de l'eau, mais il est possible de stocker la chaleur en faisant changer d' état un corps soli de,la chaleur latente étant restituée lors de la solidification, dans ce cas le réservoir contiendrait un deuxième échangeur aboutissant aux raccords I7 et 18 de l'installation d'eau chaude sani taire. le réservoir 8 peut également comporter une résistance éle trique associée à un thermostat pour la mise hors gel de l'instar lation. le fluide du circuit primaire est avantageusement constitué d'eau mélangée avec un fluide plus volatil par exemple l'éthe et l'alcool qui permet d'augmenter la tension de vapeur et daubai ser la température de congélation. Il est clair qu'un fonctionnement sensiblement équivalent pourrait être obtenu en commandant la vanne automatique 5 par un flotteur plongé dans le liquide de la chambre 3, dans ce cas la vanne automatique 5 devrait se fermer par la montée du flotteur au delà d'un certain seuil, et la descente du flatteur ouvrirait la vanne automatique 5. L'intérêt de la disposition de la figure I est de permettre de vider completement le liquide de la chambre 3, à la fermeture de la vanne automatique 5 ce qui est pos- sible si le volume de la chambre 4 est supérieur à celui de la chambre 3. On peut également changer les niveaux des embouchures des conduits II et 6 dans le réservoir 4 sans sortir du cadre de l'invention. La figure 2 représenté un autre mode de réalisation de l'in vent ion qui diffère par le circuit de la pompe de flirculation les autres éléments étant analogues. Bans le mode de réailsation selon la figure 2, l'écoulement du liquide entre 11absorbeur et l'échangeur du réservoir de stockage est anidirecfiio*unel. et l'absorbeur est parcouru constamment de bas en haut, ce qui permet d'assurer un échange de chaleur plus satisfa sant entre l'insolateur et la réserve d'eau chaude. les parties homologues à celles de la figure I sont représentées par le même repère suivi de l'indice a. La différence d'altitude entre les niveaux des liquides dans les chambres 4a et 3a est suffisante pour que la pression statique correspondante permette au liquide de vaincre la résistance du clapet de non retour I3, placé sur le conduit I2 reliant le fond de la chambre supérieure à la source chaude. Le sens du clapet I3 est tel que le liquide issu du réservoir supérieur peut s'écouler uniquement en direction de la source chaude. Le fond de la chambre inférieure est relié à l'échangeur 2a par l'intermédi- aire d'un clapet I4 qui ne permet l'écoulement du liquide que dans le sens de la chantre 3a vers l'échangeur 2a. Le conduit IIa relie la partie inférieure de la source froide à la partie supérieure du réservoir 4a. L'une des chambres, de préférence la chambre 3a, comporte un flotteur commandant la vanne automatique 5a, qui se ferme lorsque le flotteur atteint un seuil haut- et s'ouvre lorsqu'il atteint un seuil bas. La deuxième chambre 4a a un volume supérieur à la première de manière à pouvoir absorber le volume supplémentaire dû à la dilatation du liquide avec la température sans que le fonctionnement de l'installation soit perturbé. Le fonctionnement de l'appareil selon la figure 2 est le suivant Au début du cycle, la chambre 3a est emplie de liquide jusqu'au niveau haut du flotteur. Par le fait de la communication avec la source chaude, le liquide s' échauffe et la pression croît dans cette chambre 3a, ce qui provoque l'explusion du liquide chaud au travers du clapet I4 vers l'échangeur du réservoir de stockage. Ainsi c'est du liquide ayant la température des parties les plus chaudes de l'absorbeur Ia qui atteint l'échangeur 2a, de ce fait l'inertie à la mise en marche est plus faible que celle de l'appareil de la figure I. Le liquide, après avoir été refroidi par la traversée de l'échangeur, progresse dans le conduit IIa et débouche dans la par- tie supérieure de la chambre 4a où il condense la vapeur. Cette condensation est favorisée par la présence d'un dispositif d'aspersion 20, ce qui provoque un effet d'aspiration favorable à l'écoulement du liquide. La vanne 5a s'ouvre automatiquement lorsque le niveau du flotteur atteint le seuil inférieur. L'égalisation des pressions de vapeur dans les deux chambres, consécutive à l'ouverture de la vanne 5a, provoque l'écoulement du liquide de la chambre supérieure vers l'absorbeur et la chambre inférieure au travers du conduit I2 et du clapet de non retour I3; lorsque le flotteur dans le réservoir 3a atteint le seuil supérieur un nouveau cycle recommence. Contrairement au dispositif de la figure I, sur un dispositS conforme à la figure 2, le volume des chambres 3 et 4 peut etre très inférieur à celui des canalisations et à celui de l'absor- beur et de l't'changeur par le fait que la circulation est unidirectionnelle et par le fait que le liquide parcours l'absorbeur de bas en haut, le liquide expulsé au travers du clapet 14 est ainsi à température élevée. La figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation d'une pompe équipant un dispositif tel que celui de la figure 2 comportant deux chambres, une vanne commandée automatiquement par un flotteur, deux clapets et des organes destinés à purger le circuit ou à améliorer la condensation des vapeurs dans la chambre supérieure lorsque la vanne commandée est fermée. Dans cette figure 3, les éléments homologues à ceux de la figure 2 sont désignés par le même repère suivi de l'indice b. L'appareil comporte quatre embouts filetés, les embouts 41 et 43 sont destinés à être raccordés à l'insolateur, les raccords 42 et 44 sont à relier à l'échangeur source froide. L'embout 41 a été placé au milieu du réservoir 3b pour diminuer la hauteur totale de l'appareil qui fait saillie au-dessus de l'insolateur auquel il est destiné à être raccordé . Les dimensions relatives des différents éléments de la figure 3 n'ont pas été respectés, en particulier la vanne automatique Sb a été agrandie pour permettre de représenter ses constituants. Cette vanne comporte un clapet 27, articulé autour d'un axe de rotation 28, un ressort 29 est fixé au clapet et à un point d'ancrage 30, de sorte que ce ressort soit légèrement comprimé. Les positions des points d'ancrage du ressort sont telles que le clapet a deux états stables dans sa rotat-on autour de l'axe 28. Dans l'un de ces états, le clapet obture le siege 31 situé à la partie supérieure; dans l'autre état stable, le clapet est ouvert. le clapet 27 est lié à une tige 32 par-un axe d'articulation 33, parallèle à l'axe 28, de façon que les mouvements ascendant et descendant de la tige provoquent respectivement l'ouverture et la fermeture du clapet. La tige 32 porte ceux butées 35 et 36. Le réservoir 3b contient un flotteur annulaire 34 pouvant coulisser librement autour de la tige 32 entre les deux butées 35 et 36. Le fonctionnement est le suivant; . lorsque le niveau du liquide monte dans le réservoir 3b, le flotteur 34 vient s'appuyer contre la butée 35, la poussée d'Archimede sur le flotteur provoque la montée du clapet 27 qui vient s'appliquer sur le siège 31. Après la fermeture du clapet, la poussée exercée par le- ressort 30 maintient le clapet fermé, la montée de la pression dans le réservoir 3b est favorable à cette fermeture. Dans l'appareil représenté figure 3, lorsque le niveau du liquide baisse dans le réservoir cylindrique 3b, le flotteur 34 coulisse sur la tige 32 et vient finalement prendre appui sur la butée 36, et lorsque le niveau du liquide continue à descenare, le poids apparent du flotteur croit et il finit par entraîner vers le bas la tige 32 et le clapet 27. Un dispositif d'aspersion 40 est situé à ltextrémité supérieure du conduit IIb dans lequel arrive le liquide provenant de la source froide. Ce dispositif d'aspersion est destiné à favoriser le contact entre le liquide froid entrant dans le réservoir 4b et la vapeur contenue dans ce même réservoir. Ce résultat est obtenu par un clapet 45 tres léger terminant le conduit IIb, ce clapet n'a par besoin d'être parfaitement étanche. Il s'ouvre au passage du liquide et augmente la vitesse d' éjection du liquide, cela est surtout sensible pour les faibles débits de liquide, le liquide pouvant ainsi atteindre tout le volume du réservoir 4b quel que soit le débit. L'organe mobile d'aspersion 45 pourrait être réalisé sous d'autres formes équivalentes. le conduit 6b reliant la vanne automatique 5b à la partie supérieure du réservoir 4b, comporte une vanne manuelle 46 et un isolant thermique 47. Ce conduit pénètre par la partie inférieure du réservoir 4b afin de rendre plus compact l'ensemble de l'appareil. L'isolant thermique 47 diminue les échanges thermiques entre le liquide contenu dans le réservoir 4b et le conduit 6b les autres éléments : réservoirs, conduits, sont également recouverts extérieurement d'un isolant thermique qui n'a pas été représenté pour ne pas surcharger la figure. La vanne manuelle 46 et le purgeur manuel 37 permettent une purge aisée de l'air contenu dans l'installation, lors de la première mise en service, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une pompe à vide : l'installation est au préalable remplie de liquide par l'orifice de remplissage 39 jusqu'à ce que du liquide apparaisse dans le réservoir 4b, on ferme alors le bouchon 39 et la vanne manuelle 46 et on ouvre le purgeur 37, l'augmentation de pression dans la source chaude et dans le réservoir 3b provorlur l'expulsion du liquide de ce réservoir et d'une partie du liquide de la canalisation conduisant à la source froide, ce liquide expulsé remplit le réservoir 4b et on ferme le purgeur 37 lorsque ce réservoir est plein de liquide. On peut alors ouvrir définitivement la vanne 46, l'installation étant alors purgée de l'air qu'elle contenait. En variante, l'opération de purge pourrait etre réalisée par une commande manuelle du clapet 27. Le réservoir 4b porte également une soupape de sécurité 38. Dans le cas où l'installation aurait une micro-fuite, de l'air peut pénétrer dans les cireuits lorsque l'installation se trouve en dépression par la baisse de température de la source chaude. Lorsque la source chaude remonte en température, la pression augmente dans l'ensemble du circuit et l'air contenu dans le circuit peut s'échapper par la soupape38, lorsque la pression est suffisante; le départ de cet air permet ensuite à l'installation de fonctionner normalement. L'ensemble de l'appareil est contenu dans une enceinte de protection 48. les clapets I3b et I4b sont de préférence du type battant. WTV7FjiNlTCATOS I. Dispositif pour la production d'eau chaude sanitaire caractérisé en ce qu'il comporte en associaf;ion - un capteur solaire plan - un réservoir calorifugé de stockage de liquide chaud situé au même niveau que le-dit capteur dan.s l'espace disponible à l'arrière du capteur, et comprenant un échangeur de chaleur, une entrée d'eau froide et une sortie d'eau réchauffée, - une pompe autonome de mise en circulation d'un fluide caloporteur en équilibre liquide-vapeur dans le circuit primaire de l'installation constitué de l'absorbeur du cafteur solaire, de l'échangeur du réservoir de stockage et de la-dite pompe qui utilise la différence entre la pression de vapeur de la partie du fluide en contact avec le-dit absorbeur, et la pression de vapeur du fluide en contact avec-le-dit échangeur, pour provoquer la mise en circulation du liquide de l'installation. 2. Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que le réservoir de stockage de liquide chaud comporte une face plante qui est placée contre la face arrière (non exposée au soleil) du capteur solaire, de sorte que le volume de l'appareil est ainsi réduit, et l'isolation thermique de l'insolateur permet d'isoler partiellement le réservoir de stockage de liquide chaud. 3. Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que la pompe de mise en circulation du fluide caloporteur comporte les éléments suivants - une première chambre (3) qui communique avec la partie supérieure de l'absorbeur du capteur solaire (I), - une deuxième chambre (4) qui est située à un niveau plus élevé que la première chambre, lesquelles chambres contiennent un mélange des phases liquide et vapeur du-dit fluide, - une canalisation (6) qui relie la partie supérieure de la première chambre à la deuxième chambre, et qui est équipée d'une vanne automatique (5), - un circuit qui relie la partie inférieure de la première chambre à la deuxième chambre à travers 1' échangeur du réservoir de stockage du liquide chaud. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la-dite vanne automatique (5) est commandée par un flotteur (7). 5. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la partie inférieure de la premiere chambre (3a) est reliée à la deuxième chambre (4a) par un circuit comportant un premier clapet de non retour (I4) et l'échangeur du réservoir d'eau chaude (2a) et un conduit (IIa), que le fond de la deuxième chambre (4a), est relié à la partie inférieure de l'absorbeur (la) par une canalisation (12) équipée d'un deuxième clapet de non retour (I3), et que la partie supérieure de l'absorbeur (Ia) est reliée au fond de la première chambre (3a), de sorte que lorsque la-dite vanne (5a) est fermée, la pression augmente dans la chambre inférieure, et le liquide s'écoule vers la chambre supérieure (4a) à travers l'échangeur (2a) et lorsque la-dite vanne est ouverte, le liquide de la chambre supérieure (4a) s'écoule par gravité vers la chambre inférieure (3a) à travers l'absorbeur (Ia). 6. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la-dite vanne automatique comporte un clapet 27 qui coopère avec un siège (31), lequel clapet est articulé autour d'un axe (28), et un ressort (29) qui est fixé au-dit clapet (27) et à un point d'ancrage (30) dont la position est telle que le-dit clapet a deux états stables, l'un appliqué contre le siège (31) et l'autre ouvert. 7. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la canalisation (6b) qui relie la partie supérieure de la première chambre à la deuxième chambre comporte un dispositif manuel d'obturation tel qu'une vanne manuelle (46) et en ce qu'il comporte un purgeur d'air (37) placé dans le haut de la deuxième chambre (4b), de sorte que l'on peut purger l'air de l'installation en fermant la-dite vanne manuelle (46). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7 caractérisé en ce que la canalisation (IIb) qui relie l'échangeur à la chambre supérieure (4b) débouche dans la partie supérieure de celle-ci contenant la phase vapeur et porte à son extrémité supérieure un dispositif (40) d'aspersion, par exemple un clapet battant (45). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que la chambre supérieure (4b) comporte une soupape de sécurité (38).