Brevet FR2883364A1 — publié le 20060922

La présente invention a pour objet un procédé permettant d'assurer un échange thermique optimal au sein d'un ensemble constitué d'une plaque absorbante thermiquement conductrice et d'un fluide caloporteur circulant dans au moins un conduit tubulaire thermiquement conducteur. Elle s'applique notamment mais non exclusivement aux collecteurs des panneaux solaires thermiques. On sait que les collecteurs des panneaux solaires thermiques comprennent: É une plaque, généralement en cuivre ou en aluminium, dont la face supérieure est revêtue d'une couche sélective fàvorisant l'absorption de la lumière solaire; É des tubulures présentant une section en forme de cercle qui sont soudées sur la face inférieure de ladite plaque, ces tubulures étant généralement en cuivre ou en aluminium; É un liquide caloporteur circulant dans les tubulures. De cette façon, la lumière solaire frappant la face supérieure de ladite plaque est convertie en chaleur, celle-ci étant conduite vers la zone de soudure puis aux parois des tubulures afin d'être transmise au liquide caloporteur qui s'échauffe lors de son passage dans lesdites tubulures. Ce dispositif présente néanmoins les inconvénients suivants: É la transmission de chaleur de la paroi d'une tubulure vers le liquide caloporteur est optimale lorsque la différence de température entre ladite paroi et le liquide caloporteur est importante or, au voisinage de la paroi, la température du liquide caloporteur est proche de celle de cette paroi; É le liquide caloporteur étant moins bon conducteur de chaleur que le cuivre, la transmission de la chaleur du liquide se situant au voisinage de la paroi d'une tubulure vers le centre du liquide n'est pas optimale. Ainsi, l'écoulement du liquide caloporteur dans les tubulures est laminaire et la distribution de la température n'est pas uniforme en effet, la température du liquide caloporteur décroît depuis les couches supérieures situées à proximité de la paroi d'une tubulure vers le centre du liquide par conséquent, les échanges thermiques au sein du liquide caloporteur et entre les tubulures et le liquide caloporteur ne sont pas optimales. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients en proposant un procédé permettant d'optimiser les échanges thermiques: É entre une plaque absorbante thermiquement conductrice exposée à un rayonnement calorifique et un fluide caloporteur circulant dans au moins un conduit tubulaire thermiquement conducteur en contact thermique avec ladite plaque et; É au sein dudit fluide caloporteur. À cet effet, elle propose un procédé permettant d'optimiser les échanges thermiques entre une plaque absorbante thermiquement conductrice exposée à un rayonnement calorifique et un fluide caloporteur circulant dans au moins un conduit tubulaire thermiquement conducteur en contact thermique avec ladite plaque ainsi qu'au sein du fluide caloporteur caractérisé en ce qu'en vue de favoriser les échanges thermiques, il consiste à utiliser des zones de ladite plaque pour constituer une partie de la paroi dudit conduit de manière à ce que le fluide caloporteur soit en contact direct avec ladite plaque de manière à réduire la résistance thermique entre la plaque absorbante et le liquide caloporteur circulant à l'intérieur dudit conduit. Avantageusement, les conduits pourront être disposés sur les deux faces de la plaque, ils pourront alors communiquer entre eux grâce à des orifices permettant de créer des trajets sinueux contraignant ainsi le liquide caloporteur à des changements brusques de direction lors de son passage dans ces orifices ce qui accentue les turbulences et assure un brassage du liquide caloporteur favorisant de cette façon l'uniformisation des températures et la réduction de l'effet laminaire. De manière avantageuse, une matière absorbant le rayonnement calorifique pourra être appliquée sur l'une des deux faces de ladite plaque ainsi qu'éventuellement sur les parois externes desdits conduits situés sur cette face. Les conduits pourront être disposés notamment sur ladite plaque " en harpe " ou en " en serpentin ". Avantageusement, les conduits pourront être constitués d'éléments profilés présentant une concavité centrale longitudinale bordée par deux ailes latérales opposées qui s'étendent sensiblement dans un même plan, ces deux ailes latérales étant fixées avec étanchéité sur une face de la plaque. De plus, les concavités de ces éléments profilés pourront être refermées à leurs extrémités par des parois transversales bombées munies d'un rebord qui s'étend dans le susdit plan, dans le prolongement des susdites ailes latérales. La fixation des conduits sur la plaque au niveau desdites ailes latérales permet de manière avantageuse d'étendre la zone de contact direct entre un conduit et la plaque, optimisant ainsi la conduction thermique. Lesdites extrémités des éléments profilés constituant les conduits seront avantageusement disposées en regard desdits orifices. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe d'un ensemble agencé suivant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et comprenant une plaque sur laquelle sont fixés des conduits tubulaires. La figure 2 est une vue en coupe mettant en évidence la circulation des fluides au sein d'un ensemble du type susdit qui est constitué par une plaque et des conduits tubulaires. La figure 3 est une vue en coupe mettant en évidence la circulation des fluides au sein d'un ensemble du type susdit constitué par une plaque sur laquelle les conduits tubulaires sont disposés en serpentin. La figure 4 est une vue schématique d'un ensemble du type susdit comprenant une plaque sur laquelle les conduits sont disposés en serpentin. La figure 5 est une vue schématique d'un ensemble du type susdit comprenant une plaque sur laquelle les conduits sont disposés en harpe. Dans cet exemple, le procédé selon l'invention consiste à disposer sur une plaque absorbante thermiquement conductrice 1 des conduits tubulaires thermiquement conducteurs 2 dans lesquels circulent un fluide caloporteur 3 (représenté schématiquement sur les figures 2 et 3 par des flèches), la disposition des conduits tubulaires 2 sur la plaque 1 est faite d'une telle façon que des zones de la plaque 1 constituent une partie de la paroi desdits conduits 2 afin de permettre au fluide caloporteur 3 d'être en contact direct avec ladite 2883364 5 plaque 1 réduisant ainsi la résistance thermique entre la plaque 1 et le liquide caloporteur 3 circulant à l'intérieur desdits conduits 2. A cette fin, chaque conduit tubulaire 2 pourra être constitué d'un élément profilé 10 présentant une concavité centrale longitudinale 11 bordée par deux ailes latérales opposées 12 qui s'étendent sensiblement dans un même plan, ces deux ailes latérales 12 étant fixées avec étanchéité sur une face de la plaque 1. La fixation des conduits 2 sur la plaque 1 au niveau des ailes latérales 12 10 permet de manière avantageuse d'étendre la zone de contact direct entre chaque conduit 2 et la plaque 1, optimisant ainsi la conduction thermique. La fixation des conduits 2 sur la plaque 1 qui s'effectue au niveau des ailes latérales 12 pourra être réalisée notamment par soudure ou par brasage ou par 15 collage. De manière avantageuse, tel que cela est représenté sur les figures 2 à 5, les conduits 2 pourront être disposés sur les deux faces de la plaque 1 dans ce cas, la plaque 1 comprendra des orifices 4 en regard desquels seront disposées les extrémités des conduits 2 de cette façon, le liquide caloporteur 3 circulant dans les conduits 2 sera contraint à des changements brusques de direction lors de son passage dans les orifices 4 ce qui permettra d'accentuer les turbulences et d'assurer un brassage dudit liquide 3 favorisant de cette façon l'uniformisation des températures et la réduction de l'effet laminaire. Afin d'optimiser le brassage du liquide caloporteur 3 lors de son passage dans les orifices 4, les concavités 11 des éléments profilés 10 pourront être refermées à leurs extrémités par des parois transversales bombées 13 munies d'un rebord 14 qui s'étend dans le plan des ailes latérales 12, dans leur prolongement. Les conduits 2 pourront être disposés notamment sur ladite plaque 1: É A la façon de harpes: tel que cela est illustré sur la figure 5, les conduits 2 sont placés parallèlement, à des distances égales, sur une face de ladite plaque 1. L'une des extrémités de chacun des conduits 2 communique par l'intermédiaire d'un orifice 4 du type susdit avec un conduit d'admission unique 6 constitué par un profilé qui s'étend à angle droit sur l'autre face de la plaque 1, l'autre extrémité de chacun des conduits 2 communique par l'intermédiaire d'un orifice 4 du type susdit avec un conduit de sortie 6'constitué par un profilé qui s'étend à angle droit sur l'autre face de la plaque 1. Le fonctionnement de ce dispositif est alors le suivant: le conduit d'admission 6 distribue le liquide caloporteur 3 dans les conduits d'échange thermique 2, au cours de leur passage dans ces conduits 2, le liquide caloporteur 3 absorbe les calories emmagasinées par la plaque 1 sous l'effet du rayonnement solaire, une fois réchauffée, ce fluide caloporteur 3 est récupéré en vue d'une utilisation par le conduit collecteur de sortie 6'. É A la façon de serpentin: des conduits 2 sont placés deux à deux quasi parallèlement sur une face de la plaque 1, ces conduits 2 étant reliés par des conduits de jonction 2' disposés transversalement sur l'autre face de la plaque 1 et avec lesquels ils communiquent par l'intermédiaire d'orifices 4 du type susdit ainsi, le liquide caloporteur qui circule dans les conduits 2 sera contraint à des changements brusques de direction lors de son passage dans les conduits de jonction 2' ce qui permettra d'accentuer les turbulences au sein de ce liquide 3. Avantageusement, afin d'accroître les capacités d'absorption du rayonnement calorifique de l'ensemble constitué par une plaque 1 et par des conduits tubulaires 2, une matière absorbant le rayonnement calorifique pourra être appliquée sur l'une des deux faces de ladite plaque 1 ainsi qu'éventuellement sur les parois externes desdits conduits 2 situés sur cette face. 2883364 -7 La plaque absorbante 1 sera préférentiellement en cuivre ou en aluminium. De manière préférentielle, les conduits 2 auront une épaisseur comprise entre 0,2 et 0,3 millimètres et seront en cuivre. Revendications 1. Procédé permettant d'optimiser les échanges thermiques entre d'une part, une plaque absorbante (1) thermiquement conductrice exposée à un rayonnement calorifique et un fluide caloporteur (3) circulant dans au moins un conduit tubulaire (2) thermiquement conducteur en contact thermique avec ladite plaque (1) et d'autre part, au sein du fluide caloporteur (3), caractérisé en ce qu'en vue de favoriser les échanges thermiques, il consiste à utiliser des zones de ladite plaque (1) pour constituer une partie de la paroi dudit conduit (2) de manière à ce que le fluide caloporteur (3) soit en contact direct avec ladite plaque (1) de manière à réduire la résistance thermique entre la plaque (1) et le liquide caloporteur (3) circulant à l'intérieur dudit conduit (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduits (2) sont disposés sur les deux faces de la plaque (1) et en ce que ces conduits (2) communiquent entre eux grâce à des orifices (4) réalisés sur la plaque (1) de manière à imposer au liquide caloporteur (3) un trajet sinueux assurant ainsi une homogénéisation de la température du fluide caloporteur (3) et la réduction de l'effet laminaire. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend l'application d'une matière absorbant le rayonnement calorifique sur l'une des deux faces de ladite plaque (1) ainsi qu'éventuellement sur les parois externes desdits conduits (2) situés sur cette face. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits (2) sont disposés à la façon de serpentin ou à 30 la façon de harpes. 5. Procédé selon la revendication 4, 9 caractérisé en ce que: É les conduits (2) disposés à la façon de harpes sont: placés parallèlement, à des distances égales, sur une face de ladite plaque (1), l'une des extrémités de chacun des conduits (2) communique par l'intermédiaire d'un orifice (4) du type susdit avec un conduit d'admission unique (6) constitué par un profilé qui s'étend à angle droit sur l'autre face de la plaque (1), l'autre extrémité de chacun des conduits (2) communique par l'intermédiaire d'un orifice (4) du type susdit avec un conduit de sortie (6') constitué par un profilé qui s'étend à angle droit sur l'autre face de la plaque (1) ; É les conduits (2) disposés à la façon de serpentin sont placés deux à deux quasi parallèlement sur une face de la plaque (1), ces conduits (2) étant reliés par des conduits de jonction (2') disposés transversalement sur l'autre face de la plaque (1) et avec lesquels ils communiquent par l'intermédiaire d'orifices (4). 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque conduit tubulaire (2) est constitué d'un élément profilé (10) présentant une concavité centrale longitudinale (11) bordée par deux ailes latérales opposées (12) qui s'étendent sensiblement dans un même plan, ces deux ailes latérales (12) étant fixées avec étanchéité sur une face de la plaque (1). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fixation des conduits (2) sur la plaque (1) s'effectuant au niveau des ailes latérales (12) est: réalisée par soudure ou par brasage ou par collage. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les concavités (11) des éléments profilés (10) sont refermées à leurs extrémités par des parois transversales bombées (13) munies - 10 - d'un rebord (14) qui s'étend dans le plan des ailes latérales (12), dans leur prolongement. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, 5 caractérisé en ce que la plaque absorbante (1) est en cuivre ou en aluminium. 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les conduits tubulaires (2) ont une épaisseur comprise entre 0, 2 et 0,3 millimètres et sont en cuivre.