Brevet FR2538086A1 — publié le 19840622

Thermovalve automatique à fonctionnement par convection naturelle. La présente invention concerne une thermovalve automatique fonctionnant par convection naturelle et pouvant tre utilisée avec tout système comprenant une source de chaleur intermittente. Pour simplifier l'exposé de l'invention, on raisonnera ci-après uniquement dans le cas de l'application à l'énergie solaire. On sait que les installations classiques de chauffage solaire comprennent généralement un ou plusieurs capteurs solaires destinés à transformer l'énergie du rayonnement solaire en chaleur, un circuit hydraulique capteur comprenant une conduite aller reliant le réservoir à l'entrée des capteurs et une conduite retour reliant la sortie des capteurs au réservoir, une pompe faisant circuler l'eau du réservoir dans ledit circuit hydraulique et une unité de régulation différentielle reliée électriquement au moteur et à deux sondes qui sont respectivement montées sur la conduite aller et sur la conduite retour. La sonde aller est habituellement disposée dans le réservoir mete et la sonde retour sur la sortie des capteurs. Cette unité de régulation est conçue pour que, lorsque la température mesurée à la sortie des capteurs dépasse celle mesurée dans la partie basse du réservoir de stockage de plus d'une valeur de consigne, elle donne un ordre de marche à la pompe, laquelle amène les calories du capteur dans le réservoir Si, par contre, l'écart de température précédent descend en dessous d'une seconde. valeur de consigne, l'unité de régulation interrompt la marche de la pompe. Une telle installation fonctionne de façon satisfaisante mais son prix est relativement élevé, principalement en raison du coût de l'unité de régulation qui est généralement un appareil sophistiqué, et en raison des frais liés aux difficultés d'exécution des connexions électriques lors du montage de l'installation. On connaît d'autre part, une installation solaire qui ne comporte ni pompe de circulation, ni unité de régulation et dans laquelle la circulation du fluide caloporteur est assurée naturellement, par effet thermosiphon Une telle installation est d'une grande simplicité, mais elle ne peut fonctionner que si les capteurs sont montés à proximité du réservoir de stockage et à un niveau inférieur à celui de ce dernier De plus, lors du montage, on est astreint à donner aux canalisations du circuit de capteur, sur toute leur longueur, une pente minimale afin de ne pas entraver la circulation par thermosiphon du liquide caloporteur Dans ce même but, on doit ajouter une purge pour éliminer les bulles d'air 1 5 pouvant freiner la circulation du liquide On comprend qu'il soit difficile en pratique de satisfaire à ces conditions, compte tenu du fait que l'on cherche au contraire à placer les capteurs le plus haut possible, par exemple sur les toitures ou les terrasses, afin de les dégager de toute projection d'ombre De plus, les performances d'une installation à thermosiphon sont généralement inférieures à celles d'lune installation de type classique en raison de l'absence de pompe C'est pourquoi l'installation en thermosiphon est peu utilisée. La Demanderesse a réussi à s'affranchir de pratiquement tous ces inconvénients en réalisant une installation de chauffage qui ne comporte pas d'unité de régulation Cette installation, qui fait l'objet de la demande de brevet N O 82 06258, déposée le 9 Avril 1982, comprend un ou plusieurs capteurs, un réservoir d'eau pour le stockage de la chaleur recueillie par les capteurs, un circuit hydraulique reliant les capteurs et le réservoir, une pompe pour la mise en circulation du liquide caloporteur dudit circuit hydraulique entre les capteurs et le réservoir et enfin un -déclencheur capable de commander le fonctionnement de la pompe à des moments fixés à l'avance qui ne dépendent pas des températures réglant dans les capteurs et dans le réservoir de stockage, la zone d'échange de chaleur entre le circuit hydraulique et le réservoir étant située dans le fond de ce dernier dont elle n'occupe qu'une faible hauteur. Le déclencheur est constitué soit par une horloge, soit par une pile photovoltai-que fixée au voisinage des capteurs, soit encore par la combinaison d'une résistance à grande inertie thermique qui entoure un court tronçon de la tubulure sortant du réservoir de stockage et d'une sonde de température détectant la température de l'eau dans ledit tronçon. Une telle installation est certes beaucoup plus simple et économique que les installations à régulation connues, et ses performances sont certainement supérieures à celles des installations à thermosiphon naturel, mais elle reste encore relativement chère en raison de l'utilisation du déclencheur, et surtout son montage est encore délicat, étant donné qu'il faut effectuer un raccordement électrique entre le déclencheur et le moteur de la pompe. La présente invention propose une installation automatique de stockage de la chaleur qui est récupérée à la sortie d'une source de chaleur intermittente, et qui ne comporte ni unité de régulation, ni connexion électrique Cette installation est du type comprenant une source de chaleur, un réservoir de stockage de chaleur contenant un fluide de stockage de chaleur, un circuit hydraulique comprenant une conduite aller reliant le réservoir à l'entrée de la source et une conduite retour reliant la sortie de la source au réservoir et une pompe pour faire circuler le fluide caloporteur dans ledit circuit hydraulique, et se caractérise en ce qu'elle comprend en outre une thermovalve hydraulique comprenant un corps tubulaire d'axe vertical, de section relativement grande et fermé à sa base, qui présente un premier orifice à son extrémité supérieure pour le branchement de la tubulure d'entrée du réservoir de stockage, un second orifice formé à la partie supérieure de sa paroi latérale, pour le branchement de ladite conduite retour, un troisième et un quatrième orifices formés à la partie inférieure de la paroi latérale du corps, sensiblement en vis-à-vis l'un de l'autre et sur lesquels se branchent respectivement ladite conduite aller et la tubulure de sortie du réservoir de stockage. Lorsque la mpop d'alimentation du circuit est en fonctionnement, le dispositif selon l'invention fonctionne de la manière suivante: étant donné que la température qui règle à la partie supérieure du corps, au débouché de la conduite retour, est sensiblement égale à la température à la sortie de la source Te et que la température qui règne à la partie inférieure du corps, au niveau ou débouche la conduite de sortie du réservoir de stockage est sensiblement égale à la température Tr de ce dernier, il en résulte que, dans le cas ou Te >Tr, le liquide caloporteur relativement chaud qui entre dans la thermovalve par la voie d'entrée définie ci-dessus, sera dirigé, sous l'effet de la convection, vers la tubulure d'entrée du réservoir de stockage; - seule une fraction négligeable du liquide descendra dans le corps de la thenmovalve Ainsi, le réservoir emmagasinera les calories qui sont amenées de la source de chaleur. Dans le cas contraire, ou Tc Tr, le courant de liquide caloporteur relativement froid qui entre dans la thermovalve est automatiquement commuté vers la partie inférieure du corps de la thermovalve et ressort par la conduite aller sans passer par le réservoir, de sorte que celui-ci n'est pas refroidi On notera que le débit du liquide du réservoir, qui est amené simultanément dans le corps par la tubulure de sortie du réservoir, est pratiquement nul étant donné que le mouvement ascendant dudit liquide est contrarié par le mouvement descendant forcé du liquide qui est amené par la tubulure retour dans le corps Il en résulte que le liquide du réservoir ne risque pas de se refroidir par suite de l'échange thermique qui se produit au niveau du corps entre le liquide relativement chaud du réservoir et le liquide relativement froid du circuit source. Ainsi, la thermovalve dirige l'écoulement liquide, qui arrive par la conduite retour, vers le réservoir si Tc Tr, et le recycle vers la source dans le cas contraire, de sorte que le réservoir ne peut tre que réchauffé par le liquide arrivant de la source, mais ne peut pas être refroidi. Le dispositif selon l'invention permet donc la circulation de liquide froid dans le circuit, sans refroidissement de liquide du réservoir de stockage; il est donc possible de s'affranchir de tout dispositif de régulation de la température et de faire fonctionner la pompe de circulation en permanence. Ce résultat est nouveau et surprenant car tous les constructeurs d'installations solaires sont habitués à l'idée que, par temps couvert, il est indispensable d'arrêter lé fonctionnement du moteur de la pompe sous peine de refroidir le réservoir. Un autre avantage de l'installation selon l'invention réside dans le fait qu'elle ne comporte alors aucune connexion électrique, si ce n'est naturellement la prise de courant de la pompe En effet, celle-ci n'est plus obligatoirement asservie à la température de la source et à celle du réservoir, mais peut fonctionner en toute autonomie. L'invention peut être appliquée à tous les cas ou l'on désire récupérer la chaleur produite par une source de chaleur intermittente, par exemple à la sortie d'une centrale nucléaire géothermique, ou thermique, ou à la sortie d'un dispositif de récupération de la chaleur à partir d'un foyer domestique, dans une installation de chauffage solaire (dans ce cas, la source est constituée par les capteurs solaires), ou encore à tout dispositif de chauffage par fluide caloporteur du mnime type que ceux pour lesquels on utilise, à l'heure actuelle, un thermostat différentiel. Un mode de réalisation de l'invention sera à présent décrit en détail, en regard du dessin annexé dans lequel: La figure 1 représente un schéma de principe d'une installation de chauffage solaire utilisant une thermovalve selon un premier mode de réalisation, et montrant le trajet du liquide caloporteur lorsque la température des capteurs est supérieure à celle du réservoir; La figure 2 représente le schéma partiel de cette installation et montre le trajet du liquide caloporteur dans le cas o la température des capteurs est inférieure à celle du réservoir La figure 3 montre une installation analogue à celle de la figure 1 mais dans laquelle l'échange de chaleur se fait dans un échangeur thermique; et La figure 4 représente une vue en élévation à plus grande échelle d'une variante de réalisation de la thermovalve. L'installation de chauffage solaire représentée sur les figures 1 et 2 comprend, de façon connue en soi, un ou plusieurs capteurs d'énergie solaire 10, un réservoir de liquide 12 de type classique destiné à stocker les calories recueillies par les capteurs, une conduite aller 14 reliant le réservoir 12 à l'entrée des capteurs, une conduite retour 16 reliant la sortie des capteurs au réservoir, et une pompe 18 pour faire circuler le liquide du réservoir dans le circuit hydraulique ainsi formé. Selon l'invention, entre les conduites aller et retour, est montée en parallèle une thermovalve hydraulique 20 comprenant un corps tubulaire 22 d'axe vertical, de section relativement large et fermé à sa base 21. Comme le montrent les figures 1 et 2, le corps tubulaire présente à son extrémité supérieure un premier orifice 23 dans lequel se branche verticalement la tubulure d'entrée 26 du réservoir de stockage Il présente en outre un second orifice 25 situé à la partie supérieure de sa paroi latérale et dans lequel se branche horizontalement la conduite retour 16, et enfin un troisième et un quatrième orifices 27, 29, situés sensiblement en face l'un de l'autre sur la paroi latérale au niveau de la base 2 i du corps de la thermovalve Aux orifices 27 et 29 se raccordent respectivement la - conduite aller 14 et la tubulure sortie 28 du réservoir de stockage. Cette dernière est sensiblement verticale et présente nécessairement - un coude 24 de manière à pouvoir se raccorder horizontalement dans l'orifice 29. La figure 1 montre le circuit emprunté par le liquide lorsque la température Tc des capteurs est supérieure à la température Tr du réservoir Pratiquement tout le liquide chaud qui arrive dans le corps 22 de la thermovalve par la conduite retour 16 remonte le long de la tubulure d'entrée 26 jusqu'au réservoir 12 Ce liquide ne peut en effet descendre puisque celui qui se trouve à la partie inférieure du corps et qui est amené par la tubulure 28 est à la température Tr inférieure à Tc On peut par ailleurs régler le débit de la pompe et le dimensionnement du corps et des orifices de la thermovalve pour que la fraction de liquide chaud qui descend soit négligeable La section du corps peut par exemple etre comprise entre une et trois fois la section des tubulures et conduites qui s'y raccordent. La tubulure d'entrée 26 débouche directement dans le réservoir à un niveau supérieur à celui de l'extrémité de la tubulure de sortie L'échange de chaleur se produit dans la zone du réservoir qui est située au voisinage des extrémités desdites tubulures Le liquide froid situé au fond du réservoir sort par la tubulure de -sortie 28, traverse le corps de la thermovalve au niveau de son fond et est refoulé par la pompe vers les capteurs o il se réchauffe, et le cycle se poursuit ainsi de suite. Dans la variante de réalisation de la figure 3, l'échange de chaleur entre le liquide chaud effluent et le liquide froid de stockage s'effectue dans un échangeur thermique 31 monté dans la partie inférieure du réservoir de stockage Il est alors possible de résoudre facilement la mise hors gel du circuit par addition d'additifs antigels dans ce dernier. La figure 2 illustre le cas o la température des capteurs est inférieure à la température du réservoir Le liquide qui arrive dans le corps 22 de la thermopompe par la conduite de retour 16, rencontre un li quide à la température Tr> Tc qui occupe le fond du corps Déjà en raison du phénomène de convection, le liquide effluent a tendance à se diriger vers la partie inférieure du corps de la thermovalve Cette tendance est renforcée par le fait que le trajet à travers le corps présente moins de perte de charge qu'à travers l'orifice supérieur 23 Il en résulte que pratiquement tout le liquide effluent froid descend vers le fond du corps: le réservoir n'est donc pas refroidi Le liquide est ensuite recyclé par la pompe 18 vers les capteurs. Ainsi, la thenmovalve 20 dirige le liquide qui arrive des capteurs, de façon tout à fait automatique, vers le réservoir lorsque les capteurs sont plus chauds que le réservoir, et vers la conduite aller 14 dans le cas contraire Elle se comporte donc comme une véritable valve à trois voies, à savoir une voie d'entrée 25, et deux voies de sortie 23 et 27. L'apport des calories dans le réservoir ne se fait que lorsque les capteurs sont plus chauds que les réservoirs Le moteur peut donc fonctionner en permanence, meme la nuit et par temps couvert. La thermovalve représentée à la figure 4 se distingue de celle de la figure 1 par le fait que dans les orifices 23, 25, 27 et 29, sont fixés respectivement, par exemple par soudage, de tronçons 1 i O tubulaires 32, 34, 36 et 38, aux extrémités desquels se raccordent les conduites et tubulures correspondantes. Avantageusement, la thermovalve 20 et la pompe 18 peuvent être réunies dans un meme boîtier qui se fixe sous le réservoir Les seules connexions à réaliser sont les connexions hydrauliques de la thermovalve avec les conduites qui en partent ou qui y pénètrent. Par contre, aucune connexion électrique n'est à réaliser. La description qui précède a été faite dans le cas d'une installation de chauffage solaire mais elle reste entièrement valable quelque soit la source de chaleur et en particulier lorsque la source de chaleur fonctionne de façon intermittente et nécessite à l'heure actuelle l'utilisation de thermostats différentiels. REVENDICATIONS 1. Installation de stockage de la chaleur qui est récupérée à la sortie d'une source productrice de chaleur par intermittence, comprenant une source de chaleur ( 10), un réservoir ( 12) contenant un fluide de stockage de chaleur, un circuit hydraulique comprenant une conduite aller ( 14) reliant le réservoir à l'entrée de la source et une conduite retour ( 16) reliant la sortie de la source au réservoir et une pompe ( 18) pour faire circuler le fluide caloporteur dans ledit circuit hydraulique, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une thermovalve hydraulique ( 20) comprenant un corps tubulaire ( 22) d'axe vertical, de section relativement grande et fermé à sa base, qui présente un premier orifice ( 23) à son extrémité supérieure pour le branchement de la tubulure d'entrée ( 26) du réservoir de stockage ( 12), un second orifice ( 25) formé à la partie supérieure de sa paroi latérale, pour le branchement de ladite conduite retour ( 16), un troisième ( 27) et un quatrième ( 29) orifices formés à la partie inférieure de la paroi latérale du corps, sensiblement en vis-à-vis l'un de l'autre et sur lesquels se branchent respectivement ladite conduite aller ( 14) et la tubulure de sortie ( 28) du réservoir de stockage. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites conduites et tubulures sont directement fixées dans les orifices correspondants, par exemple par soudage ou par assemblage étanche à écrou. 3 Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que dans lesdits orifices sont fixés, par exemple par soudage, des tronçons tubulaires ( 32, 34, 36, 38) aux extrémités desquels peuvent être respectivement branchées, par exemple par soudage ou par assemblage étanche à écrou, lesdites conduites ou tubulures. 4 Installation selon l'une des revendications 1 à 3, il caractérisée en ce que le corps tubulaire ( 22) de la thermovalve a une section comprise entre une et trois fois celle des tronçons tubulaires. 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fluide caloporteur qui s'écoule dans le circuit hydraulique est le même que le fluide de stockage de chaleur. 6. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, lorsque le fluide caloporteur s'écoulant dans le circuit hydraulique est différent du fluide de stockage de chaleur, il est prévu un échangeur de chaleur( 34 à l'intérieur du réservoir de stockage. 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pompe ( 18) utilisée fonctionne en 1 15 permanence. 8. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pompe ( 18) et la thermovalve ( 20) sont réunies dans un boîtier que l'on fixe sous le réservoir. 9. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source productrice de chaleur par intermittence est d'origine solaire, géothermique, nucléaire ou est constituée par la chaleur récupérée à partir de foyers domestiques. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que la source productrice de chaleur est un capteur solaire ( 10). 11 A titre de produit industriel nouveau, thermovalve du type de celle utilisée dans l'installation selon l'une des revendications précédentes -