Brevet FR2613045A1 — publié le 19880930

Chauffe-eau solaire compact à thermosiphon avec concentration. La présente invention concerne les appareils de chauffage de liquide par conversion ther mique de l'énergie solaire température et plus spécialement les chauffe-eau solaires. La plupart des chauffe-eau solaires sont réalisés à partir de deux éléments distincts: - un capteur solaire d'une part} - un rrereoir de stockage d'eau d'autre part, éléments d'usage général destinés en l'espèce à une utilisation particultère. Dans une premiére famille de produits courants ces deux éléments sont utilisés à distance l'un de l'autre et reliés par un circuit de fluide caloporteur mis en mouvement par effet naturel de thermosiphon ou plus généralement par un circulateur o source d'énergie externe commandé par un dispositif de régulation Dans une seconde famille de produits dits couramment compaots ou monobloos,oes deux éléments sont assembles à proximité immédiate l'un de l'autre,le réservoir étant en général placé immédiatement audessus du capteur et la circulation du fluide étant assurée par effet naturel de thermosiphon. Dans les deux cas la réalisation du chauffe-eau nécessite la fabrication de deux produits industriels dis- pinots et de divers dispositifs d'assemblage pour assurer la seule fonction de production d'eau chaude solaire .0e qui conduit à une certaine complexité; une autre conséquence de cette disposition consiste en la pénalisation résultante du rendement de récupération solaire du système qui cumule les pertes thermiques de ses différents constituants. L'appareil objet de l'invention apporte des améliorations sur ces différents points, permettant une fabrication largement simplifiée et un rendement thermique superieur,en ceci qu'un seul et me me élément constitutif produit l'eau chaude, assurant simultanément la fonction de captage d'énergie solaire et la fonction de stockage de l'eau, par fonctionnement autonome en thermosiphon,face avant exposée au rayonnement solaire,raccordé au réseau d'eau froide sous pression. A cet effet l'appareil objet de l'invention,dit chauffe-eau solaire compact à thermosiphon avec concentration, est réalisé à partir d'un réservoir de fluide dont l'enveloppe externe est une surface de révo- lution d'axe horizontal,par exemple cylindrique ou sphérique,muni sur sa face externe d'écrans réflé- chissants de section droite par exemple parabolique déterminant une face avant sur laquelle est concentré le rayonnement solaire.A l'intérieur,le réservoir est muni de dispositifs déterminant une circulation naturelle par thermosiphon du fluide du volume principal vers la face avant échauffée par le ra ^nnement. solaire ,permettant le réchauffement de l'ensemble .Les dimensions relatives du réservoir et des écrans réfléchissants sont à apprécier en fonction des besoinsjownaliers d'eau chaude d'une part et du gisement solaire disponible d'autre part. La figure 1 est une vue d'ensemble de l'appareil réalisé à partir d'un réservoir oylindrique d'axe sensiblement horizontal Or.Dans l'ideal,l'axe Oy sera pointé vers le Sud,et l'angle du plan de syme- trie yoz avec le plan horizontal sera fixé de façon à optimiser l'incidence du rayonnement solaire direct sur la face avant du chauffe-eau et ses ecrans réfléchissants: cet angle sera pris egal à la hauteur du soleil aux équinoxes à midi solaire si l'on adopte une position unique moyenne annuelle;voisin de la hauteur du soleil à midi solaire aux solstices d'été et d'hiver si l'on peut adopter deux positions contrastées Ete et Hiver;angle variant quotidiennement par positionnement automatique,dans l'idéal. La figure2 est une vue d'ensemble de l'appareil réalisé à partir d'un réservoir sphérique ans cette confi- guration,un dispositif de poursuite automatique du soleil devient indispensable pour un fonctionnement satisfaisant.Un tel dispositif étant hors du champ de la présente demande de brevet,et n'étant en tout état de cause pas disponible à faible coût dans l'état actuel des techniques,nous présenterons essentiellement par la suite la configuration de la figure 1. La description ci-après détaille les caractéristiques essentielles et le mode de fonction- nement de l'appareil objet de l'invention en référence aux dessins annexés suivantsprésentés uniquement à titre d'exemple: -Fig.3:demi-coupe selon le plan xOy de la configuration présentée par la figure 1. -Fig.4:schéma de principe du raccordement hydraulique d'une ou plusieurs unités de l'appareil objet de l'invention (2 à titre d'exemple). L'appareil objet de l'invention comporte les éléments suivants,en référence à la figure 3: - une enveloppe principak externe 1 formant paroi de réservoir,en forme de surface de révolution,par exemple cylindrique d'axe horizontal/réalisée par exemple en tôle métallique,munie d'une trappe de visite à l'une de ses exfrémités apte à supporter sans déformation la pression d'épreuve du fluide à contenir. - une enveloppe isolante interne 2 > en forme de volume de révolution,par exemple cylindrique d'axe horizontal,réalisée par exemple par moulage d'un matériau synthétique thermiquement isolant rigide et compressible élastiquement sous sollicitation transversale ,revêtue si nécessaire sur ses faces en contact avec le fluide contenu dans le volume principal 3 d'un revêtement de qualité sanitaire approprie e. - des canaux 4 de circulation de fluide sensîblemant vertioaux régulièrement espacés ,délimités en face avant par l'enveloppe externe i ,et en faces arrière et latérales par moulage en creux de l'enveloppe interne isolante 2. - des orifices 5 mettant en communication le volume principal de fluide 3 et les canaux 4 ô travers 1' enveloppe isolante interne 2 ;les mêmes orifices sont prévus en partie haute et en partie basse du vo- lume principal,l'axe Ou étant axe de symétrieIorsque la face avant de l'enveloppe externe 1 faisant office d'absorbeur solaire est réchauffée par le rryonnement,le fluide contenu dans les canaux 4 devient plus chaud que le fluide contenu dans le volume principal 3: il s'ensuit alors un mouvement naturel dit de thermosiphon,h fluide chaud s'élevant dans les canaux 4 sous l'effet du poids supérieur du fluide froid qui s'écoule quant à lui vers les canaux 4 à travers les orifices disposés en partie basse du volume principal 3 ;le fluide chaud s'écoule des canaux 4 vers le volume principal 3 à travers les orifices 5 disposés en partie haute du volume principal 3,dont l'ensemble du contenu se réchauffe ainsi progressivement. Afin d'empêcher si nécessaire au regard des conditions d'utilisation le phénomène de thermosiphon inverse s'établissant lorsque le fluide contenu par le volume principal 3 est plus chaud que celui qui est contenu par les canaux 4,la nuit notamment,phénoméne généralement indésirable parce que provoquant. le refroidissement du fluide stocké,les canaux 4 ou les orifices 5 pourront éventuellement être équipés de dispositifs anti-retour à faible perte de charge dont le mode de réalisation est hors du champ de la présente demande de brevet. - des écrans réfléchissants 6 fixés sur l'enveloppe externe l par exemple par boulonnae,réalisés par exemple en matériau synthétique de haute densité et munis sur leur face avant d'un revêtement réflé- chissant 7 par exemple par aluminisation de surface,ooncentrant le rayonnement solaire sur la face avant de l'enveloppe externe 1 faisant office d'absorbeur solaire qui reçoit éventuellement localement un revêtement de type dit sélectif à forte absorption du rayonnement solaire de faible longueur d'onde et ô faible émission du rayonnement infra-rouge à température ordinaire de grande longueur d'onde.La seotion droite des écrans réfléchissants 6 sera par exemple parabolique,les caractéristiques géométriques et notamment la position du foyer étant déterminées de façon à ce qu' une incidence non idéale du rayonnement solaire direct permette néanmoins une concentration satisfaisante sur la face avant de l'enveloppe externe 1 - une couverture transparente au rayonnement solaire 8 réalisée par exemple en matériau synthétique insensible aux rayons ultra-violets,résistant aux sollicitations climatiques et notamment à la grêle, formant "effet de serre" devant l'absorbeur.Dans certains cas favorables d'utilisation caractérisés par une température ambiante élevée notamment,la dite couverture transparente pourra éventuellement être supprimCc. - une lame d'air 9 délimitée par la couverture transparente 8 et la partie avant de l'enveloppe externe 1 formant absorbeur solaire,en communication avec l'air extérieur au travers d'orifices disposés en partie basse de façon à limiter les condensations interieures et à évacuer les condensats éventuels. - une coquille arrière isolante 10 d'épaisseur réduite au regard de l'épaisseur de l'enveloppe interne isolante 2,réalisée en matériau thermiquement isolant autoprotégé en surface par une peau rigide,destinee à limiter en face arrière les déperditions thermiques de l'enveloppe externe 1 réchauffée en face avant sur sa partie absorbeur par le rayonnement solaire. - un tube d'extraction d'eau chaude 11 sensiblement horizontal muni d'orifioes régulièrement espacés 12 disposé en partie haute du volume principal 3 ,et un tube d'alimentation en eau froide symétrique du premier par rapport à l'axe Ou disposé en partie basse du volume 3.Les deux tubes traversent les parois latérales de l'enveloppe externe 1 par perçage et soudage;;afin de permettre des mouvements différentiels des tubes et de l'enveloppe externe,chacun des tubes est réalisé en deux longueurs assemblées par un manchon ajuste solidaire uniquement de l'une des deux longueurs et permettant le glissement des deux longueurs de tube l'une par rapport à l'autre.Ces tubes permettent le raccordement hydraulique au réseau d'eau froide et au réseau d'utilisation d'eau chaude solaire d'une ou plusieurs unités de l'appareil objet de l'invention de la manière indiquée par la figure 4 pour 2 unités à titre d'exemple. La conception d'un tel chauffe-eau solaire fonctionnant en circuit direct d'eau d'utilisation doit permettre de limiter le risque de gel sous l'effet de conditions climatiques défavorables du fluide contenu dans le réservoir de stockage lui-même et dans les tuyauteries de raccordement de l'appareil, ou du moins de limiter le risque de dégradations irréversibles dues au gel du fluide. En ce qui concerne l'appareil objet de l'invention proprement dit,la protection anti-gel adoptée est de type passif:la conception cylindrique de l'enveloppe externe 1 d'une part et la présence d'une enveloppe interne compressible 2 d'autre part,associees à un dessin approprié des canaux 4 partioulièrement exposés au rayonnement froid caractérisé par une largeur sensiblement supérieure à leur profondeur, permettent de supporter le gel d'une partie du fluide contenu sans dégradations notables. En ce qui concerne les tuyauteries thermiquement isolées de raccordement de l'appareil aux réseaux d'alimentation en eau froide et d'utilisation d'eau chaude solaire,une protection anti-gel active pourra être assurée en disposant sur le circuit d'une part un circulateur 13 de faible puissance électrique en fonctionnement permanent dans la situation indiquGR F ^ la fngMt e 4 ,et d'autre part une vanne de chasse thermostatique 14 appelant un certain volume d'eau d'alimentation relativement "chaude" en renouvellement dès lors que la température du circuit s'abaisserait en dessous de son seuil de réglage.fl est à noter que la présence du ciroulateur 13 en fonctionnement permanent offre également l'intérêt appréciable d' améliorer le confort de l'usager en réduisant le délai d'obtention d'eau chaude au puisage. L'intérêt de l'appareil objet de l'invention réside,outre dans des performances thermiques potentiellement élevées liées à sa compacité,dans une grande simplicité de conception et de réalisation à partir d'un réservoir de fluide classique muni en la circonstance d'accessoires internes et externes eux-mêmes faciles à réaliser :l'appareil est ainsi adapté à une fabrication industrielle en grande série à un coût inférieur à celui des produits existants couramment commercialisés,de conception et de fabrication plus complexes.Grâoe à sa "rentabilité" améliorée en termes de retour d'investissement,il pourrait connaître une large diffusion dans les secteurs résidentiel et tertiaire notamment. REVENDICATIONS 1) Chauffe-eau solaire compact à thermosiphon avec ooneentrationsoaraotérisé en ce qu'il est réalise à partir d'un réservoir de fluide dont l'enveloppe externe 1 est une surface de révolution d'axe sensiblement horizontal muni d'un ou plusieurs écrans réfléchissants externes 6 concentrant le rayonnement solaire sur sa face avant et d'une enveloppe interne thermiquement isolante 2 munie d'orifices 5 en ses parties haute et basse,mettant en communication le fluide contenu dans le volume principal 3 et le fluide contenu dans des canaux de circulation 4 ménagés en face avant entre l'enveloppe externe 1 et l'enve- lippe interne isolante 2. 2) Chauffe-eau solaire selon la revendication i) ,caractérisé en oe que tout ou partie des orifices de communication 5 et des canaux de circulation 4 sont équipés de clapets anti-retour. 3) Chauffe-eau solaire selon la revendication l ) ou la revendication 2) > caractérisé en ce que l'enveloppe externe l est revêtue en face avant d'un revêtement dit sélectif à forte absorption du rayonnement solaire de faible longueur d'onde et à faible émission du rayonnement infra-rouge à température ordinaire de grande longueur d'onde. 4) Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications 1)à 3),oaractérisé en ce qu'une couverture transparente au rayonnement. solaire 8 est disposée en face avant devant l'enveloppe externe 1 5) Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications 1)à 4),caractérisé en ce qu'une coquille thermiquement isolante 10 est disposée en face arrière de l'enveloppe externe 1. 6) Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications l) å 53,caractérisé en ce qu'il est muni d'un tube d'extraction d'eau chaude 11 muni d'orifices régulièrement espacés 12 en partie haute du volume principal 3,et d'un tube d'alimentation en eau froide muni d'orifices en partie basse du volume 3. 7) Chauffe-eau solaire selon la revendication 6),caractérise' en ce que le tube d'extraction d'eau chaude est muni d'une vanne de chasse thermostatique 14. e) Chauffe-eau solaire selon la revendication 6) ou la revendication 7),caraotérisé en ce que le circuit d'alimentation en eau froide et d'extraction d'eau chaude est muni d'un circulateur 13 en fonctionnement permanent.