CH654400A5 - Dispositif echangeur de chaleur. - Google Patents
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Description
L'invention concerne un dispositif échangeur de chaleur sphéri-que 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 un 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 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. Un tel dispositif est connu.
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 échange 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 qu'il comporte des organes permettant de maintenir le volume de l'échangeur de chaleur extérieur et le volume de l'échangeur de chaleur logé dans le volume de stockage constamment remplis de fluide caloporteur.
Grâce à la disposition du réservoir de liquide caloporteur pouvant être situé dans la partie haute, tant le volume de l'échangeur de chaleur extérieur que le volume de l'échangeur de chaleur logé dans le volume de stockage, sont toujours remplis de liquide caloporteur. Au niveau de l'échangeur de chaleur du volume de stockage, cela améliore considérablement 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, c'est-à-dire au-dessus du serpentin, pratiquement à l'endroit ou débouche 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 gel, puisque le liquide peut s'écouler librement dans le réservoir, ce réservoir étant lui-même ouvert librement vers l'atmosphère ambiante.
La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels:
— la flg. 1 est une vue en coupe d'un dispositif échangeur de chaleur, selon un premier mode de réalisation de l'invention;
— la flg. 2 est un schéma d'un second mode de réalisation;
— la flg. 3 est une vue en coupe d'une variante.
Selon la flg. 1, le dispositif échangeur de chaleur qui, dans le cas présent, est constitué par un ensemble de forme sphérique, se compose d'un 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 sphérique intérieure 3 un volume d'échange de chaleur qui est traversé par le liquide caloporteur. A l'intérieur de l'enveloppe 3 se trouve une enveloppe isolante 5 entourant un réservoir 6 dont la forme est de préférence homologue à celle des enveloppes 2 et 3, c'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 caloporteur.
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 stocké
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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-même relié à une conduite 10 et à une conduite 11. Ces deux conduites (leur nombre pourrait être différent) sont reliées 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 sensiblement vertical le volume échangeur 4 en au moins deux parties, dont l'une 4 est destinée à être 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 un réservoir 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 gênant 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. Des sondes de température 19, 20 sont prévues pour surveiller le fonctionnement de l'installation, mettre en route ou arrêter la pompe de circulation, etc. Le réservoir 14 est fermé par un couvercle isolant 21 prévu au niveau des arrivées supérieures de liquide 15.
Grâce à la situation haute en partie haute du réservoir 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 l'échangeur de chaleur 7 puisque, comme représenté, en fonctionnement, le liquide dans le réservoir 14 peut arriver au niveau 22 ou le dépasser. Comme l'échangeur de chaleur 7 est toujours rempli de liquide, cela améliore considérablement l'échange 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, c'est-à-dire dans la partie du réservoir 6 dont le liquide de stockage est le plus froid. Il est intéressant de réaliser l'échangeur 7 en disposant le serpentin de façon 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, lia.
La fig. 2 concerne un autre mode de réalisation qui se compose d'un premier circuit, ou circuit principal, de circulation d'un fluide caloporteur et d'un second circuit, ou circuit auxiliaire, dans lequel circule un fluide frigorigène complétant 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 circula-teur 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 haut 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 5 fluide caloporteur est de préférence un fluide frigorigène, c'est-à-dire un fluide effectuant des cycles d'évaporation compression/condensation. En pratique, la surface d'échange 39 du circuit auxiliaire est plus ou moins grande suivant les conditions d'utilisation du dispositif échangeur de chaleur. Cette surface d'échange 39 constitue en io général une partie de l'enveloppe formant également la surface d'échange du circuit principal. Dans certains cas, la surface d'échange 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 rési-15 duelle du fluide du circuit principal pour la restituer à ce 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 par l'énergie solaire absorbée et par le fluide frigorigène qui cède ses calories au niveau du con-20 denseur. 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 l'évaporateur de la pompe à chaleur, celui-ci étant peint en blanc, avec ou sans effet dé serre. Cette association permet un fonc-25 tionnement permanent indépendamment de la température ambiante et a pour résultat l'augmentation du coefficient de performance du dispositif et l'augmentation de la température noyenne du liquide stocké.
Suivant un autre mode de réalisation non représenté, le dispositif 30 échangeur de chaleur se compose d'une enveloppe interne sphérique ou cylindrique dont la surface extérieure est décorée, cette enveloppe étant elle-même entourée d'une 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 35 à mesure qu'il 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 fuide circule par gravité dans cet échangeur pour revenir dans la réserve qui, cette fois-ci, est placée dans le bas de l'échangeur. A l'arrêt, tout 40 le liquide noir est récupéré dans la réserve, laissant ainsi apparaître un tableau ou un paysage; l'ensemble sert alors d'élément décoratif.
Selon la fig. 3, le dispositif échangeur de chaleur est constitué d'un ensemble de formes sphériques qui repose sur un pied 101. L'échangeur proprement dit se compose d'une enveloppe sphérique 45 extérieure 102 délimitant, avec une enveloppe sphérique intérieure 103, un volume d'échangeur de chaleur formant absorbeur et qui est parcouru par le liquide caloporteur. Le volume de l'absorbeur est divisé sensiblement verticalement en deux parties, l'une 112 destinée à être tournée vers le nord, et l'autre 104 destinée à être orientée vers so le sud.
Ces deux parties sont parcourues en série et dans cet ordre par le fluide caloporteur envoyé par la pompe; on réalise ainsi un pré-chauffage de ce fluide dans la partie 112 de l'absorbeur tourné vers le nord, puis le chauffage proprement dit du fluide dans la partie 104 55 tournée vers le sud.
Le du fluide caloporteur qui passe dans l'échangeur logé dans le réservoir est ainsi à une température élevée, ce qui améliore le rendement de l'installation et permet d'obtenir dans le réservoir une eau sanitaire ou destinée à tout autre usage et qui est à une température 60 élevée.
A l'intérieur de l'absorbeur 102,103 se trouve une enveloppe d'isolation thermique 105 qui entoure le réservoir 106 contenant l'échangeur de chaleur 107. Le réservoir 106 contient le liquide à réchauffer ou à refroidir, qui est en général de l'eau sanitaire. Le 65 circuit du fluide caloporteur comporte également une pompe de circulation 108, un vase d'expansion 130 et une vanne de remplissage 131.
La sortie de la pompe 108 est reliée par une conduite 132 passant
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dans l'enveloppe isolante 105 pour remonter et arriver à la partie haute 133 de la partie 112 de l'absorbeur, c'est-à-dire la partie orientée vers le nord.
Le liquide caloporteur descend alors dans cette partie d'absorbeur 112; à la partie inférieure 134 de la partie d'absorbeur 112, le liquide caloporteur passe dans la partie inférieure 135 de la partie d'absorbeur 104 orientée vers le sud. Le liquide caloporteur remonte à travers cette partie 104 qui, à son extrémité supérieure 136, débouche dans le serpentin 107. Le fluide caloporteur descend à travers le serpentin 107 pour échanger de la chaleur ou du froid avec le liquide contenu dans le réservoir 106. A la sortie du serpentin 107, une conduite 137 conduit le liquide jusqu'à l'entrée de la pompe 108. Cette conduite 137 comporte une dérivation 138 munie d'une vanne 131 de remplissage. Cette conduite comporte également le vase d'expansion 130.
En partie haute du circuit, c'est-à-dire aux parties hautes 133 et 136, il est prévu des purgeurs 139 pour purger les gaz qui s'y accumulent.
3 feuilles dessins
Claims (11)
1. Dispositif échangeur de chaleur pour le chauffage et la climatisation de locaux ainsi que pour la production d'eau chaude et froide sanitaire, comportant un échangeur et un volume de stockage, 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 d'échange étant prévue à l'extérieur de l'enveloppe d'isolation et comportant 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, caractérisé en ce qu'il comporte des organes permettant de maintenir le volume de l'échangeur de chaleur extérieur et le volume de l'échangeur de chaleur logé dans le volume de stockage constamment remplis de fluide caloporteur.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits organes sont constitués d'un réservoir de liquide caloporteur (14) situé dans la partie haute du circuit de liquide caloporteur au-dessus de l'échangeur de chaleur (7) du volume de stockage (6).
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REVENDICATIONS
3. 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, entre la sortie de l'échangeur de chaleur logé dans le volume de stockage et le réservoir (14) de fluide caloporteur placé dans la partie haute du circuit.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de fluide caloporteur est muni d'une pompe de circulation (8) et, en sortie de la pompe, le circuit se divise en au moins deux branches correspondant à des volumes différents d'échange (4, 12) avec l'extérieur correspondant à une orientation solaire différente, et qui sont susceptibles d'être coupés (13) du circuit de fluide caloporteur.
5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réservoir (14) ou un dispositif assurant la même fonction de liquide caloporteur est intégré dans l'épaisseur de l'enveloppe isolante (5) et le réservoir est muni d'un couvercle isolant (21).
6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (7), en forme de serpentin, correspond à une surface hémisphérique, cylindrique ou conique placée dans la partie inférieure du volume de stockage (6).
7. Dispositif selon la revendication I, 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 volume de stockage, l'autre (36) dans le réservoir supérieur (31) formant condenseur.
8. Dispositif selon la revendication 7, 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 apparaître la décoration.
9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volume de l'absorbeur (2, 3) est divisé sensiblement verticalement en deux parties (104, 112), l'une destinée à être orientée vers le sud, l'autre destinée à être orientée vers le nord, et ces deux parties sont branchées de façon à être parcourues en série et dans l'ordre, partie orientée vers le nord (112) — partie orientée vers le sud (104).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en sortie deux pompes de circulation (108), une conduite (132) fournissant le fluide caloporteur à l'extrémité haute de la partie d'absorbeur (112) destinée à être orientée vers le nord, cette partie d'absorbeur communiquant à son extrémité inférieure avec l'extrémité inférieure de la partie d'absorbeur (104) destinée à être tournée vers le sud.
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le circuit du fluide caloporteur est un circuit fermé muni d'un vase d'expansion (130) et d'une vanne de remplissage (131).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |