Brevet FR2531523A1 — publié le 19840210

Dispositif échangeur de chaleur L'invention concerne un dispositif échangeur de chaleur sphérique ou cylindrique pour le chauffage et la climatisation de locaux ainsi que pour la production d'eau chaude ou froide, sanitaire, comportant un échangeur et une volume de stockage intégré, ce dispositif ayant une enceinte intérieure constituant le volume de stockage du fluide caloporteur primaire, une enveloppe isolante entourant le volume de stockage et une surface d'échange de chaleur formée au moins en grande partie par le circuit caloporteur primaire, cette surface o d'échange étant prévue à l'extérieur de l'enveloppe d'isolation et elle comporte une enveloppe extérieure transparente, dispositif dans lequel le circuit du fluide calo porteuraest un circuit ouvert passant dans un échangeur à l'intérieur du volume de stockage, et comporte un réservoir de liquide caloporteur. On connaît déjà un tel dispositif échangeur de chaleur notamment un dispositif sphérique, comprenant un reservoir de stockage, sphérique, entoure d'un isolant puis de la surface d'échange de chaleur. Le circuit du fluide caloporteur se compose du volume de la surface d'échange de chaleur, relié à un échangeur de chaleur en forme de serpentin, placé à l'intérieur du volume de stockage. Dans la partie haute du dispcsitif, il est prévu une mise à air libre ou un réservoir de liquide calooorteur débouchant à l'air libre, et dans lequel s'écoule le liquide caloporteur à la sortie de I'échangeur-de chaleur du volume de stockage. Le liquide du réservoir de fluide caloporteur est envoyé par une pompe de circulation ou un circulateur à travers I'envelopee de l'échanqeur de chaleur sphérique pour revenir une fois chauffé, dans l'échangeur de chaleur du volume de stockage. La présente invention a pour but de décrire un dispositif échangeur de chaleur du type de celui décrit ci-dessus permettant d'assurer un meilleur échangeur de chaleur entre le liquide caloporteur et le liquide contenu dans le réservoir de stockage, tout en assurant cette amélioration par des moyens simples. A cet effet, l'invention concerne un dispositif échangeur de chaleur caractérisé en ce que le réservoir de liquide caloporteur est situé dans la partie haute du circuit de liquide caloporteur au-dessus de l'échangeur de chaleur du réservoir de stockage. Suivant une autre caractéristique, le réservoir de stockage et la surface d'échange de chaleur sont des surfaces sphériques, la surface d'échange de chaleur entourant le réservoir de stockage. Suivant une autre caractéristique, la surface d'échange de chaleur est subdivisée en deux parties, constituant des branches en parallèle pour le fluide caloporteur, ces deux parties constituant des branchements en parallèle entre la sortie de l'échangeur de chaleur logé dans le réservoir de stockage et le réservoir de fluide caloporteur placé dans la partie haute du circuit. Suivant une autre caractéristique, le circuit de fluide caloporteur est muni d'une pompe de circulation et en sortie de la pompe, le circuit se divise en au moins deux branches correspondant à des volumes d'échange différents avec l'extérieur correspondant à une orientation solaire différente, et qui sont susceptibles d'etre coupés du circuit de fluide caloporteur. Suivant une autre caractéristique, la réserve de-liquide caloporteur est intégré dans l'épaisseur de l'enveloppe isolante. Suivant une autre caractéristique, le réservoir de liquide caloporteur est muni dnun couvercle isolant. Suivant une autre caractéristique, le dispositif comporte des sondes de température commandant circulation du liquide caloporteur. Suivant une autre caractéristique, l'échangeur de chaleur en forme de serpentin, correspcnd à une surface hémisphérique ou conique placée dans la partie inférieure du réservoir de stockage. Grace à la disposition du réservoir de liquide caloporteur dans la partie haute, tant le volume de l'échangeur de chaleur extérieur que le volume de l'échangeur de chaleur logé dans le réservoir de stocka ge, sont toujours remplis de liquide caloporteur. Au niveau de l'échangeur de chaleur du volume de stockage, cela améliore considerablement le rendement de l'échange calorifique;et, par suite, le rendement d'ensemble du dispositif échangeur de chaleur. En disposant le réservoir de liquide caloporteur dans la partie haute du dispositif, cDest-à-dire au-dessus du serpentin, pratiquement a l'endroit ou debouche le liquide ayant circulé dans l'enveloppe d'échange de chaleur, extérieure, on évite l'accumulation de gaz dans la partie haute du circuit ainsi que les bouchons de gaz gênant la circulation du liquide caloporteur et réduisant de façon non négligeable le rendement de l'installation. On évite également tous les effets d'une surpression en cas de surchauffe ou de qelo puisque le liquide peut s'écouler librement dans le réservoir, ce réservoir étant lui-meme ouvert librement vers l'atmos phere ambiante. Bien qu'un tel dispositif d'échange de chaleur puisse se présenter sous la forme d'une surface d'échange planes il est particulièrement avantageux de realiser ce dispositif sous la forme d'une surface courbe, l'échangeur de chaleur avec l'extérieur étant situé à l'extérieur de la surface courbe et le réservoir de stockage à l'intérieur. De facon préférentielle, ce dispositif est réalisé sous forme sphérique. Cela facilite la fabrication, réduit l'encombrement et donne une surface d'exposition au soleil qui est constante quelle que soit la position du soleil. De facon particulièrement avantageuse, il est intéressant de répartir verticalement ou sensiblement verticalement le volume de 1'enveloppe d'échange de chaleur, extérieure, en au moins deux zones dont l'une est orientée vers le sud et l'autre vers le nord. Dans des conditions d'ensoleillement défavorables ou suivant des périodes de l'année, il est possible de réduire la circulation du liquide caloporteur dans la zone tournée vers le nord pour éviter toute perte inutile de chaleur si l'une des zones ne reçoit pas de rayonnement solaire. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif échangeur de chaleur, selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un schema d'un second mode de realisation. Selon la figure 1, le dispositif échangeur de chaleur qui, dans le cas present, est constitue par un ensemble de forme sphérique, se compose dBun pied 1 portant le dispositif échangeur de chaleur proprement dit et recevant les différents circuits de commande ainsi que la pompe de circulation, ou circulateur, les vannes, etc ..., et tous organes auxquels il faut pouvoir accéder. Le dispositif échangeur proprement dit se compose d'une enveloppe sphérique extérieure 2 délimitant avec une enveloppe spherique intérieure 3 un volume d'échange de chaleur qui est traversé par le liquide caloporteur A l'intérieur de l'envelopppe 3 se trouve une enveloppe isolante 5 entourant un réservoir 6 dont la forme est de préférence homologue à cèlle des enveloppes 2 et 3, c D est-à-dire dans le cas présent un réservoir sphérique. L'intérieur du réservoir 6 contient un échangeur de chaleur 7 en forme de serpentin faisant partie du circuit de circulation du liquide caloporteurO Le circuit du liquide caloporteur se compose du volume ou de l'enceinte 4 extérieure, dans laquelle circule le liquide caloporteur, soit pour recevoir, soit pour émettre de la chaleur. Le circuit se compose également de l'échangeur de chaleur 7 échangeant la chaleur (ou le froid) du liquide caloporteur avec le liquide stocke dans le réservoir 6. La production de froid se faisant par inversion du sens de circulation du fluide caloporteur. La partie basse, la sortie de l'échangeur de chaleur 7 est reliée à une pompe de mise en circulation 8 destinée à faire circuler le liquide caloporteur dans le sens des flèches A, B, dans le circuit de fluide caloporteur. En sortie, la pompe 8 est reliée à un T de dérivation 9 lui-meme relié à une conduite 10 et à une conduite 11. Ces deux conduites (leur nombre pourrait etre différent) sont reliees chacune à une partie du volume d'échange de chaleur 4. Bien que cela ne soit pas représenté, il est avantageux de subdiviser dans le sens vertical ou sensi blement vertical e le volume échangeur 4 en au moins deux parties dont l'une G est destinée à etre orientée vers le sud et l'autre 12 est destinée à être orientée vers le nord. Comme la conduite 11 comporte un réducteur de débit 13, il est ainsi possible de réduire ou de fermer la circulation du liquide caloporteur dans le sens de la flèche B, vers la partie 12 du volume d'échange de chaleur. Cela permet d'éviter que le liquide caloporteur ne puisse circuler dans la partie de l'enveloppe 12, qui n' est plus ensoleillée et qui émettrait alors un rayonnement thermique refroidissant le liquide caloporteur. Les deux volumes 4 et 12 débouchent dans la partie haute de l'installation dans unréservoir 14 par l'intermédiaire des sorties de liquide 15 Le réservoir 14 qui communique avec l'atmosphère extérieure, constitue un réservoir d'équilibrage permettant d'absorber les surpressions tout en évitant l'accumulation de gaz dans la partie haute du circuit de circulation de liquide caloporteur, accumulation de gaz qui pourrait former des bouchons genant la circulation du liquide caloporteur. La conduite 16 de sortie de l'échangeur de chaleur 7 comporte également un réducteur de débit 17 permettant d'arrêter ou de réduire la circulation du liquide caloporteur. Enfin, divers sondes de température 19, 20 sont prévues pour surveiller le fonctionnement de l'installation, mettre en route ou arrêter la pompe de circulation etc ... I1 convient de remarquer que le réservoir 14 est fermé par un couvercle isolant 21 prévu au niveau des arrivées supérieures de liquide 15. On constate ainsi que, grace à la situation haute en partie haute du reservoir 14, le circuit de circulation de liquide caloporteur est toujours rempli de liquide caloporteur d'une part, dans les volumes 4 et 12 du fait de la pompe de circulation 8 et, d'autre part, dans lgéchangeur-de chaleur 7, puisque, comne représenté, en fonctionnement, le liquide dans le réservoir 14, peut arriver au niveau 22 ou le dépasser. Conme l'échangeur de chaleur 7 est toujours rempli de liquide, cela améliore considérablement l'échan- ge thermique au niveau de cet échangeur 7 qui est, de préférence, en forme de serpentin, occupant le plus grand volume disponible dans la partie basse du réservoir 6, cSest-å-dire dans la partie du réservoir 6 dont le liquide de stockage est le plus froid. I1 est intéressant de réaliser l'échangeur 7 en disposant le serpentin de facon à favoriser les mouvements de convexion du liquide dans le réservoir 6, aussi efficacement que possible. Pour cela, il convient de disposer le serpentin suivant une surface hémisphérique, conique ou cylindrique, et de préférence dans la partie inférieure du réservoir 6. Pour éviter des problèmes de fatigue dus à des phénomènes de dilatation, il est intéressant de relier les conduits 10, 11 aux volumes 4, 12 de l'enceinte par des boucles 10a, lla. La figure 2 concerne un autre mode de réalisation qui se compose dDun premier circuit ou circuit principal de circulation dDun fluide caloporteur et d'un second circuit ou circuit auxiliaire dans lequel circule un fluide frigorigène complètant l'action du premier circuit et améliorant son rendement. Le premier circuit est analogue à celui du premier mode de réalisation, il se compose d'une surface d'échange 30 formant absorbeur, reliée à un réservoir 31 en partie haute et d'un collecteur 32 en partie basse ; le réservoir 31 est mis à l'air libre. Le circuit comporte également une pompe de circulation ou circulateur 33 faisant circuler le fluide caloporteur du circuit principal. Enfin le circuit comporte un échangeur 34 placé dans le réservoir de stockage 35. Le circuit auxiliaire se compose d'un échangeur 36 logé dans le réservoir gaut 31 fonctionnant comme condenseur et d'un échangeur 37 logé dans le collecteur 32 formant évaporateur. Ce circuit, muni de préférence d'un compresseur 38 comporte également une surface d'échange 39, plus ou moins importante. Le circuit contient un fluide caloporteur travaillant à une température plus faible que le fluide caloporteur du circuit principal ; ce fluide caloporteur est de préférence un fluide frigorigène cPest-a-dire un fluide effectuant des cycles d'évaporation compressioncondensation. En pratique, la surface d'rechange 39 du circuit auxiliaire est plus ou moins grand suivant les conditions d'utilisation du dispositif échangeur de chaleur. Cette surface d'échange 39 constitue en général une partie de l'enveloppe formant également la surface d'échange du circuit principal. Dans certains cas, la surface d'echange 39 est supprimée et le circuit auxiliaire se compose uniquement des deux échangeurs de chaleur 36, 37.L'échangeur 37 permet au fluide du circuit auxiliaire de récupérer de la chaleur résiduelle du fluide du circuit principal, pour la restituer àce fluide par l'échangeur 36 dans le réservoir 31 pour avoir un fluide pLus chaud à l'entrée de l'échangeur 34 du réservoir de stockage 35. Le fluide caloporteur du circuit primaire est réchauffé d'une part par l'énergie solaire absorbée et par le fluide frigorigène qui cède ses calories au niveau du condenseur. Dans une autre application, le fluide frigorigène circule directement dans l'absorbeur, ce qui lui permet d'utiliser une grande surface d'échange. Le côté sud représentera le condenseur et le côté nord lsévapo- rateur de la pompe à chaleur, celui-ci étant peint en blanc, avec ou sans effet de serre. Cette association permet un fonctionnement permanent indépendamment de la température ambiante et a pour résultat l'augmentation du coefficient de performance du dispositif, et l'augmentation de la température moyenne du liquide stocké. Un ensemble mécanique, hydraulique ou électronique permet un fonctiOnnement intermittent et la sélection du mode de fonctionnement (solaire, pompe à chaleur ou pompe à chaleur + capteur solaire). Suivant un autre mode de réalisation non représenté, le dispositif échangeur de chaleur se compose d'une enveloppe interne sphérique ou cylindrique dont la surface extérieure est décorée cette enveloppe étant elle-même entourée dsune double enveloppe de forme correspondante dans laquelle circule un fluide caloporteur noir. Le fluide noir vient cacher le paysage imprimé sur la sphère interne, au fur et à mesure que le liquide noir monte et vient récolter les calories solaires. Ce fluide coloré en noir absorbe la chaleur et la transfère au réservoir de stockage à travers un échangeur cylindrique ou sphérique et le fluide circule par gravité dans cet échangeur pour revenir dans la réserve qui, cette fois-ci, est placée dans le bas de l'échan- geur. A l'arret1 tout le liquide noir est récupéré dans la réserveg laissant ainsi apparaître un tableau ou paysage ; l'ensemble sert alors d'élément décoratif. REVEND I CA T IONS 1 ) Dispositif échangeur de chaleur pour le chaurfage et la climatisation de locaux ainsi que nouer la production d'eau chaud et froide, sanitaire, comportant un échangeur et un volume de stockage, ce dispositif ayant une enceinte intérieure cons-ituant le volume stockage du fluide caloporteur primaire, une enveloppe isolante entourant le volume de stockage et une surface d'échange de chaleur formée au moins en grande partie par le circuit caloporteur primaire, cette surface d'échange étant prévue à l'extérieur de l'enveloppe d'isolation et elle comporte une enveloppe extérieure transparente, dispositif dans lequel le circuit du fluide caloporteur est un circuit ouvert passant dans un échangeur à l'intérieur du volume de stockage, et comporte un réservoir de liquide caloporteur (14), dispositif caractérisé en ce que la réserve et la mise à l'air libre du liquide caloporteur sont situées dans la partie haute du circuit de liquide caloporteur au-dessus de l'échangeur de chaleur (7) du réservoir de stockage (6). 20) Dispositif échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en de que le réservoir de stockage (14) et lasurface d'échange de chaleur (4, 12) sont des surfaces sphériques, la surface d'échange de chaleur entourant le réservoir de stockage. 30) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface d'échange de chaleur est en une seule enveloppe ou subdivisée en deux parties (4, 12), constituant des branches en parallèle pour le fluide caloporteur, ces deux parties constituant des branchements en parallèle entre la sortie de l'échangeur de chaleur logé dans le réservoir de stockage et le réservoir (14) de fluide caloporteur placé dans la partie haute du circuit. 40) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de fluide caloporteur est muni d'une pompe de circulation ou circulateur (8) et en sortie de la pompe, le circuit se divise en au moins deux branches correspondant à des volumes d' & han- ge- (4, 12) différents avec l'extérieur correspondant à une orientation solaire différente, et qui sont suscep- tibles d'etre coupés (13) du circuit de fluide caloporteur. 50) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le réservoir ou un dispositif assurant la même fonction (14) de liquide caloporteur est intégré dans l'épaisseur de l'enveloppe isolante (5). 60) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réservoir (14) de liquide caloporteur est muni d'un couvercle isolant (21). 7 ) Dispositif selon lune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des sondes de température (19) commandant la circulation et le débit du liquide caloporteur. 80) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échange de chaleur (7) en forme de serpentin, correspond à une surface hémisphérique, cylindrique ou conique placée dans la partie inférieure du réservoir de stockage (6). 90) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit auxiliaire ayant deux échangeurs (36, 37), l'un (37) à la sortie de l'échangeur (34) formant évaporateur du circuit principal dans le réservoir de sto ckage7 l'autre (36) dans le réservoir superieur (31) formant condenseur. 100) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enveloppe interne est décorée et la double enveloppe externe est traversée par le fluide caloporteur coloré en noir et qui lorsqu'il ne circule plus, revient dans son réservoir et laisse appa raître la décoration.