Brevet FR2710970A1 — publié le 19950414

La présente invention concerne d'une manière générale un dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transfert de chaleur, et plus particulièrement un dispositif de chauffage à chaleur solaire comportant un système de tubulures chargé par un fluide caloporteur et raccordant un dispositif d'absorption de chaleur à un réservoir d'eau chaude du dispositif de chauffage à chaleur solaire. Habituellement, un dispositif de chauffage à chaleur solaire absorbe la chaleur solaire au moyen d'un dispositif d'absorption de chaleur et accumule la chaleur solaire absorbée dans un accumulateur de chaleur ou un réservoir d'eau chaude, et utilise la chaleur accumulée lorsque la situation l'exige. Comme cela est bien connu des spécialistes de la technique, un dispositif de chauffage à chaleur solaire utilise un échangeur de chaleur du type à tubulure de transport de chaleur, qui fait l'objet de la présente invention, et ce qu'on appelle un système d'échange de chaleur à circulation fermée. Dans ce type de dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur, un fluide caloporteur chargé dans la tubulure fermée absorbe la chaleur solaire dans la partie d'absorption de chaleur de sorte qu'il est chauffé de manière à être vaporisé. Lorsque le fluide caloporteur de la partie de l'absorption de chaleur est chauffé à une température élevée prédéterminée sous l'effet d'absorption de la chaleur latente, il passe de la phase liquide à la phase gazeuse et naturellement circule dans la tubulure rayonnante d'un réservoir d'eau chaude qui est situé dans une position plus élevée que la partie d'absorption de chaleur. Lorsqu'il atteint la tubulure rayonnante, le fluide caloporteur gazeux transmet par rayonnement la chaleur à l'eau située dans le réservoir d'eau chaude et se condense. Sous l'effet de la condensation, le fluide caloporteur passe ainsi de la phase gazeuse à la phase liquide et revient alors à la partie d'absorption de chaleur pour répéter l'absorption et le rayonnement, mentionnés précédemment, de la chaleur solaire. Dans un tel dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulures de transport de chaleur, l'intérieur du système de tubulure raccordant le dispositif d'absorption de chaleur au réservoir d'eau chaude est placé en dépression. Le dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur présente par conséquent une excellente vitesse de transfert thermique par rapport à une technique classique utilisant la différence de poids spécifique pour le transfert thermique et, comme cela est souhaitable, transfère instantanément la chaleur, absorbée par la partie d'absorption de chaleur, à l'eau située dans le réservoir d'eau chaude de la partie rayonnante, ce qui permet de rendre maximum le rendement thermique du dispositif de chauffage. Cependant, dans le dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur, il se pose un problème consistant en ce que l'intérieur de son système de tubulures doit être maintenu en dépression, sinon il ne peut pas fonctionner. C'est pourquoi, ce type de dispositif de chauffage n'est pas fiable et requiert un travail important pour sa fabrication. Aux figures 7A et 7B, relatives à l'art antérieur, on a représenté respectivement un réservoir d'eau chaude possédant une tubulure rayonnante et un dispositif d'absorption de chaleur possédant une tubulure d'absorption de chaleur d'un dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur, conforme à une forme de réalisation de l'art antérieur. Comme représenté sur la figure 7A, des tubulures 24 en forme de U sont soudées, à leurs deux extrémités, à des extrémités ouvertes de tubulures creuses linéaires voisines 22, dont chacune possède une pluralité d'ailettes rayonnantes 23 de manière à constituer la tubulure rayonnante en forme de serpentin du réservoir d'eau chaude. En se référant à la figure 7B qui montre le dispositif d'absorption de chaleur de l'art antérieur, une pluralité de tubulures linéaires creuses 26 sont soudées à une plaque d'absorption de chaleur 28, au niveau de leurs deux sections d'extrémité de sorte que les tubulures 26 sont espacées à intervalles réguliers. Lorsque l'opération de soudage des tubulures 26 est réalisée, une extrémité ouverte d'une tubulure 26 est raccordée à une extrémité d'une tubulure voisine 26 par une tubulure 27 en forme de U de sorte que toutes les tubulures26 constituent une tubulure d'absorption de chaleur en forme de serpentin en coopération avec les tubulures 27 en forme de U. Cependant, les sections soudées du système de tubulures peuvent se fissurer, par exemple sous l'effet d'un soudage défectueux, de la corrosion des sections soudées, des dilatations et contractions thermiques des sections soudées, provoquées par les montées et descente répétées de la température intérieure du réservoir d'eau chaude ou du dispositif d'absorption de chaleur, ce qui a pour effet que le vide n'est pas maintenu à l'intérieur du système de tubulures ce qui entraîne l'arrêt du fonctionnement du dispositif de chauffage. En particulier il apparaîtra à l'évidence aux spécialistes de la technique que l'intérieur du dispositif d'absorption de chaleur présente éventuellement des écarts de température élevés, supérieurs à 1000C par exemple, dans la gamme des températures diurnes, ce qui aggrave ce problème du système de tubulures de l'art antérieur. En outre, les sections soudées du système de tubulures sont d'une manière générale enfermées dans le réservoir d'eau ou entourées par une paroi de protection, comme par exemple du verre renforcé, de manière à être protégées vis-à-vis de l'extérieur. A cet égard, même lorsqu'une infime fissure apparaît dans l'une des sections soudées du système de tubulures, il faut démonter complètement le réservoir d'eau chaude ou le dispositif d'absorption de chaleur pour le réparer en soudant la section fissurée. Le dispositif de chauffage à chaleur solaire utilise la chaleur solaire si bien que certains éléments, notamment le dispositif d'absorption de chaleur, sont en général installés sur le toit d'un bâtiment pour absorber d'une manière plus efficace la chaleur solaire. L'installation du dispositif d'absorption de chaleur ainsi que son démontage sont par conséquent exécutés difficilement et avec un certain risque. En outre, le réservoir d'eau chaude est raccordé au système de canalisations disposé dans le bâtiment et présente un poids relativement élevé, ce qui requiert l'utilisation d'un outillage spécial lorsqu'on le descend au sol pour le réparer. Ainsi, le nombre de sections soudées du système de tubulures du dispositif de chauffage à chaleur solaire connu du type à tubulure de transport de chaleur, entraîne un accroissement du coût de fabrication et pose un problème de fiabilité du dispositif de chauffage en raison des déformations thermiques et de la corrosion des tubulures. C'est pourquoi un but de la présente invention est de fournir un dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur, dans lequel les problèmes mentionnés précédemment peuvent être éliminés et qui possède un système de tubulures comprenant une tubulure rayonnante d'un réservoir d'eau chaude, et une tubulure d'absorption de chaleur d'un dispositif d'absorption de chaleur, chacune de ces tubulures étant formée par un corps solide ne présentant aucune section soudée, ce qui permet d'empêcher une fuite du fluide caloporteur à partir du système de tubulures et le maintien du vide à l'intérieur du système de tubulures. Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur, dont la tubulure rayonnante est formée d'un seul tenant avec une pluralité d'ailettes rayonnantes, ce qui améliore le rendement de rayonnement. Pour atteindre l'objectif indiqué précédemment, un dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur comporte, conformément à une forme de réalisation de la présente invention, une tubulure rayonnante formée d'un corps solide en serpentin et installée dans un réservoir d'eau chaude d'une partie rayonnante, ladite tubulure rayonnante formée d'un corps solide en serpentin et installée dans un réservoir d'eau chaude d'une partie rayonnante, ladite tubulure rayonnante comprenant une pluralité de premières sections rectilignes, dont chacune comporte une pluralité d'ailettes de rayonnement sur sa surface extérieure, et une pluralité de premières sections en forme de U reliant entre elles lesdites premières sections rectilignes, et une tubulure d'absorption de chaleur constituée d'un corps solide en forme de serpentin et installée dans une partie d'absorption de chaleur, ladite tubulure d'absorption de chaleur comportant une pluralité de secondes sections rectilignes soudées à une plaque d'absorption de chaleur, ladite plaque échangeant la chaleur solaire avec un milieu caloporteur situé dans ladite tubulure d'absorption de chaleur, et une pluralité de secondes section en forme de U reliant entre elles lesdites secondes sections rectilignes, ladite tubulure d'absorption de chaleur étant raccordée à ladite tubulure rayonnante, à l'extérieur à la fois de ladite partie rayonnante et de ladite partie d'absorption de chaleur, ce dispositif présentant pour particularité que lesdites premières sections en forme de U sont réalisées d'un seul tenant avec lesdites sections rectilignes et lesdites secondes sections en forme de U sont formées d'un seul tenant avec lesdites secondes sections rectilignes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur, conforme à une forme de réalisation de la présente invention; - la figure 2 est une vue en plan schématique d'une tubulure rayonnante d'un réservoir d'eau chaude du dispositif de chauffage à chaleur solaire selon la présente invention; - la figure 3 est une vue en plan du dispositif d'absorption de chaleur du dispositif de chauffage à chaleur solaire selon la présente invention; - les figures 4A à 4C sont des vues en plan de dispositifs d'absorption de chaleur du dispositif de chauffage à chaleur solaire selon d'autres formes de réalisation de la présente invention; - les figures 5A à 5C représentent un système à rouleaux d'un dispositif de formage à cylindrage pour la préparation de la tubulure rayonnante du dispositif de chauffage à chaleur solaire selon la présente invention, la figure 5A étant une vue en plan, la figure 5B une vue en élévation latérale et la figure 5C une vue en plan d'un rouleau mobile du dispositif de formage à cylindrage; - la figure 6 est une vue en plan d'un dispositif de chauffage à chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur conforme à une autre forme de réalisation de la présente invention; et - les figures 7A et 7B, dont il a déjà été fait mention, représentent des vues en plan respectivement de tubulures de l'art antérieur et d'un dispositif d'absorption de chaleur de l'art antérieur. La figure 1 représente schématiquement un dispositif de chauffage de chaleur solaire du type à tubulure de transport de chaleur selon une forme de réalisation principale de la présente invention, la figure 2 représente une tubulure rayonnante d'un réservoir d'eau chaude du dispositif de chauffage à chaleur solaire de la figure 1 et la figure 3 représente un dispositif d'absorption de chaleur du dispositif de chauffage à chaleur solaire de la figure 1. Comme cela est représenté sur ces dessins, le dispositif de chauffage à chaleur solaire comprend un réservoir d'eau chaude 1 et le dispositif d'absorption de chaleur 5, qui sont raccordés l'un à l'autre par un système de tubulures chargées par un fluide caloporteur. Le réservoir d'eau chaude 1 comprend une tubulure rayonnante 2 en forme de serpentin possédant plusieurs ailettes de rayonnement 3, tandis que le dispositif d'absorption de chaleur 5 comprend une tubulure d'absorption de chaleur 6 du type en forme de serpentin et une pluralité de plaques d'absorption de chaleur 8. La tubulure rayonnante du type en forme de serpentin 2 chargée par le fluide caloporteur est un corps solide formé d'un serpentin qui comprend une pluralité de sections rectilignes dont chacune comprend une pluralité d'ailettes de rayonnement 3, et une pluralité de sections 4 en forme de U formées d'un seul tenant avec les sections rectilignes. De la même manière, la tubulure d'absorption de chaleur du type en forme de serpentin 6, qui est chargée par le fluide caloporteur, est un corps solide en forme de serpentin comportant une pluralité de sections rectilignes soudées à des plaques individuelles d'absorption de chaleur 8 et une pluralité de sections 7 en forme de U, formées d'un seul tenant avec les sections rectilignes. La tubulure rayonnante 2 et la tubulure d'absorption de chaleur 6 sont raccordées entre elles à l'extérieur à la fois du réservoir d'eau chaude 1 et du dispositif d'absorption de chaleur 5. Les sections rectilignes de la tubulure d'absorption de chaleur 6 sont soudées à des plaques individuelles d'absorption de chaleur 8, de préférence moyennant l'utilisation d'un soudage à basse température, de sorte que les plaques 8 sont disposées axialement par rapport aux sections rectilignes individuelles de la tubulure 6. Dans ce cas, chacune des plaques d'absorption de chaleur 8 est une plaque mince et est de préférence emboutie de manière à présenter une rainure axiale destinée à loger une section rectiligne correspondante de la tubulure d'absorption de chaleur 6. Etant donné que les sections linéaires de la tubulure d'absorption de chaleur 6 sont logées dans les rainures axiales des plaques individuelles d'absorption de chaleur 8 et sont soudées à ces plaques, la surface de contact entre les plaques 8 et la tubulure 6 est accrue et augmente le rendement d'échange thermique entre ces éléments. Dans cette première forme de réalisation, les plaques d'absorption de chaleur 8 sont disposées dans le même plan. Conformément à une autre forme de réalisation de la présente invention, le dispositif d'absorption de chaleur selon la présente invention comporte une plaque massive d'absorption de chaleur à la place d'une pluralité de plaques 8, comme représenté sur les figures 4A ou 4B. Dans ce cas, la plaque massive d'absorption de chaleur est de préférence emboutie de manière à présenter une rainure servant à recevoir la tubulure d'absorption de chaleur 6. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 4A, la tubulure d'absorption de chaleur 6 est logée dans une pluralité de rainures de la plaque massive de sorte que leurs sections en forme de U 7 ainsi que leurs sections d'entrée et de sortie sont exposées à l'extérieur de la plaque massive. Cependant, conformément à la forme de réalisation représentée sur la figure 4B, la tubulure d'absorption de chaleur 6 contenant les sections 7 en forme de U ainsi que des sections d'entrée et de sortie est logée dans une rainure en forme de serpentin de la plaque massive d'absorption de chaleur. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 4C, le dispositif d'absorption de chaleur comprend une pluralité de plaques d'absorption de chaleur présentant des trous traversants individuels servant à recevoir la tubulure d'absorption de chaleur 6. Pour assembler les plaques d'absorption de chaleur de cette forme de réalisation à la tubulure d'absorption de chaleur 6, on introduit une tubulure d'absorption de chaleur 6 dans les trous traversants des plaques d'absorption de chaleur de telle sorte que les plaques sont espacées les unes des autres et qu'une pluralité de sections libres, destinées à être coudées de manière à former les sections 7 en forme de U, subsistent sur la tubulure 6. Conformément à une autre forme de réalisation de la présente invention, le dispositif d'absorption de chaleur 5 peut comporter un boîtier thermiquement isolant 29 comme représenté sur la figure 6. Le réservoir d'eau chaude 1 peut être disposé dans le boîtier thermiquement isolant 29 et être recouvert par des matériaux thermiquement isolants 30 afin d'accroître le rendement thermique du dispositif de chauffage à chaleur solaire selon la présente invention. Conformément à la présente invention, la tubulure d'absorption de chaleur 6 peut être disposée entre un couple de plaques d'absorption de chaleur possédant des rainures axiales individuelles. C'est-à-dire qu'un couple de plaques d'absorption de chaleur possédant la même forme que celle qui est décrite pour la forme de réalisation de la figure 3 peuvent être superposées de telle sorte que leurs rainures axiales sont entièrement face à face, et logent une section rectiligne correspondante de la tubulure d'absorption de chaleur 6. Deux plaques massives d'absorption de chaleur possédant la même forme que celle décrite pour la forme de réalisation de la figure 4A ou 4B peuvent aussi être superposées de telle sorte que leurs rainures se font face complètement et logent la tubulure d'absorption de chaleur 6. Dans ces formes de réalisation, les deux plaques sont soudées l'une à l'autre, par exemple par soudage par points, de sorte qu'elles supportent et viennent en contact avec la tubulure d'absorption de chaleur 6 sans aucune section de soudage entre elles et cette tubulure 6. La tubulure rayonnante 2 du réservoir d'eau chaude 1 est formée d'un seul tenant avec les ailettes rayonnantes 3 et est préparée moyennant l'utilisation d'un système de rouleaux d'un dispositif de formage par cylindrage représenté sur les figures 5A à 5C. Dans ce dispositif de formage, trois rouleaux, deux rouleaux fixes 9 et 10 et un rouleau mobile 11, sont disposés parallèlement l'un à l'autre et sont placés axialement aux sommets individuels d'un triangle, comme représenté sur la figure 5C. Chacun des rouleaux 9, 10 et 11, comporte, sur sa surface de roulement, une gorge hélicoïdale 9', 10' et 11', dont la profondeur augmente graduellement depuis le côté d'entrée au côté de sortie de la tubulure dans le rouleau. Le dispositif de formage comprend également un mandrin 14 qui est placé axialement entre les trois rouleaux 9, 10 et 11 de manière à empêcher une contraction de l'évidement de la tubulure et obtenir une avance uniforme de celle-ci pendant la préparation des ailettes de rayonnement 3 de la tubulure rayonnante 2. Le rouleau mobile 11 se déplace à la suite de la rotation d'une poignée 13, de sorte qu'il atteint les autres rouleaux 9 et 10 lorsque le dispositif de formage par cylindrage forme une section de tubulure possédant les ailettes de rayonnement 3. Cependant, ce rouleau mobile 11 est rétracté lors de la formation de la section 4 en forme de U de la tubulure rayonnante 2, ce qui conduit à ce qu'aucune ailette de rayonnement 3 n'est formée sur des sections de tubulure qui correspondent aux sections 4 en forme de U. Ici, il est préférable d'utiliser un vérin hydraulique ou pneumatique pour déplacer le rouleau mobile 11. Lors de la préparation de la tubulure rayonnante 2 possédant les ailettes de rayonnement 3 moyennant l'utilisation du système de rouleaux du dispositif de formation à cylindrage des figures 5A à 5C, une tubulure rectiligne est introduite dans un espace de roulage situé entre les trois rouleaux 9, 10 et 11, le rouleau mobile 11 étant rétracté de sorte qu'une longueur prédéterminée de tubulure ne comporte aucune ailette de rayonnement 3. Ensuite, le rouleau mobile 11 avance lentement en direction d'une section de tubulure, qui est positionnée entre les rouleaux 9, 10 et 11 et qui correspond à une section rectiligne présentant des ailettes de rayonnement 3, de sorte que ces dernières sont formées sur la section de tubulure. Lorsqu'une section de tubulure correspondant à une section 4 en forme de U atteint les rouleaux, en raison de l'avance du matériau de la tubulure, le rouleau mobile 11 est rétracté de manière à ne former aucune ailette 3 sur la section de tubulure. Ensuite, le rouleau mobile 11 avance en direction des rouleaux 9 et 10 de manière à former des ailettes de rayonnement 3 dans une autre section du matériau de la tubulure, de sorte qu'une autre section rectiligne portant les ailettes de rayonnement 3 est préparée. Le procédé indiqué ci-dessus est répété pour la formation de la tubulure rayonnante désirée 2 et il en résulte que les sections de tubulure comportant les ailettes de rayonnement 3 et les sections de tubulure correspondant aux sections 4 en forme de U sont prévues alternativement sur le matériau formé par la tubulure rectiligne. Les sections de tubulure n'ayant aucune ailette rayonnante 3 sont ensuite coudées de façon uniforme de manière à obtenir les sections 4 en forme de U. Pour préparer le dispositif d'absorption de chaleur 5 possédant la tubulure d'absorption de chaleur 6 et les plaques d'absorption de chaleur 8 soudées à la tubulure 6, on soude une pluralité de plaques d'absorption de chaleur 8 sur une tubulure linéaire de manière que les plaques 8 soient espacées à des intervalles réguliers. Ensuite, on coude les sections de tubulure qui ne sont soudées à aucune plaque d'absorption de chaleur 8, pour préparer les sections 7 en forme de U de la tubulure d'absorption de chaleur 6. Lorsque la préparation de la tubulure rayonnante 2 et du dispositif d'absorption de chaleur 5 est terminée, la tubulure rayonnante 2 est installée dans le réservoir d'eau chaude 1 de sorte qu'une extrémité de cette tubulure 2 est exposée à l'extérieur du réservoir 1 et, ensuite, cette extrémité exposée de la tubulure rayonnante 2 est raccordée, par exemple par soudage, à l'extérieur à la fois du dispositif 5 et du réservoir 1, à une extrémité de la tubulure d'absorption de chaleur 6, qui est exposée hors du dispositif d'absorption de chaleur 5. Conformément à la présente invention, la tubulure rayonnante 2 du réservoir d'eau chaude 1 et la tubulure d'absorption de chaleur 6 du dispositif d'absorption de chaleur 5 du dispositif de chauffage à chaleur solaire ne comportent aucune section soudée, de sorte qu'ils ne peuvent subir absolument aucune détérioration par dilatation et contraction thermiques ou aucune corrosion, ce qui empêche une rupture de la tubulure et améliore la fiabilité du dispositif de chauffage à chaleur solaire. La suppression de la section soudée, de la tubulure d'absorption de chaleur ainsi que de la tubulure rayonnante permet également de réduire le coût de fabrication. Comme décrit précédemment, dans le dispositif de chauffage à chaleur selon la présente invention les parties soudées sont supprimées du système de tubulures, y compris à la fois à la tubulure d'absorption de chaleur et à la tubulure rayonnante, et, dans ce dispositif de chauffage il ne se produit aucune rupture du système de tubulures due à la dilatation et la contraction thermiques et à la corrosion, qui sont susceptibles de se produire dans la section soudée à la fois de la tubulure rayonnante et de la tubulure d'absorption de chaleur, ce qui empêche une fuite du fluide caloporteur à partir du système de tubulures et maintient le vide à l'intérieur du système de tubulures. C'est pourquoi, le système de tubulures du dispositif de chauffage à chaleur solaire selon la présente invention, est difficilement le siège d'une rupture, ce qui supprime le travail pénible de réparation du système de tubulures endommagées. Bien que l'on ait décrit à titre d'illustration les formes de réalisation préférées de la présente invention, les spécialistes de la technique noteront que l'on peut y apporter différentes modifications, additions et substitutions, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage à chaleur solaire comportant une tubulure rayonnante (2) formée d'un corps solide en serpentin et installée dans un réservoir d'eau chaude (1) d'une partie rayonnante, ladite tubulure rayonnante (1) comprenant une pluralité de premières sections rectilignes, dont chacune comporte une pluralité d'ailettes de rayonnement (3) sur sa surface extérieure, et une pluralité de premières sections en forme de U (4) reliant entre elles lesdites premières sections rectilignes, et une tubulure d'absorption de chaleur (6) constituée d'un corps solide en forme de serpentin et installée dans une partie d'absorption de chaleur (5), ladite tubulure d'absorption de chaleur (6) comportant une pluralité de secondes sections rectilignes soudées à une plaque d'absorption de chaleur, ladite plaque échangeant la chaleur solaire avec un milieu caloporteur situé dans ladite tubulure d'absorption de chaleur (5), et une pluralité de secondes sections (7) en forme de U reliant entre elles lesdites secondes sections rectilignes, ladite tubulure d'absorption de chaleur (6) étant raccordée à ladite tubulure rayonnante (2), à l'extérieur à la fois de ladite partie rayonnante et de ladite partie d'absorption de chaleur, caractérisé en ce que lesdites premières sections en forme de U (4) sont réalisées d'un seul tenant avec lesdites sections rectilignes, et lesdites secondes sections en forme de U (7) sont formées d'un seul tenant avec lesdites secondes sections rectilignes. 2. Dispositif de chauffage à chaleur solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ailettes de rayonnement (3) sont formées d'un seul tenant avec lesdites sections rectilignes de ladite tubulure rayonnante (2). 3. Dispositif de chauffage à chaleur solaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite plaque d'absorption de chaleur (8) est formée par une plaque massive comportant une rainure, et que lesdites sections rectilignes de ladite tubulure d'absorption de chaleur (6) sont logées dans ladite rainure et soudées à celle-ci.