LU83927A1 - Collecteur solaire air-liquide - Google Patents
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Description
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TITRE
COLLECTEUR SOLAIRE AIR-LIQUIDE HISTORIQUE DE L'INVENTION
L'invention concerne généralement les collecteurs solaires et plus particulièrement un ensemble unitaire de. collecteur d'énergie solaire comportant une pluralité d'éléments de collecteur évacués et un échangeur de chaleur gaz-liquide.
Les besoins toujours croissants en énergie et l'augmentation du coût de l'extraction des hydrocarbures ont poussé la recherche d'autres sources d'énergie.
La variante de source la plus promettante du point de vue de l’immédiat est représentée peut-être par l'énergie solaire, et les développements et les perfectionnements relatifs à la conception des collecteurs d'énergie solaire au cours de la dernière décennie ont été dramatiques. Néanmoins, chaque conception physique comme par exemple, plaque plane ou tube, accuse certaines anomalies de parformance qui font appel à des perfectionnements. Dans les collecteurs à tube évacué qui utilisent l'air comme milieu de récupération de la chaleur, un problème commun a été la distribution uniforme de l’air en direction des éléments du collecteur. Un débit d'air insuffisant dans certains éléments de collecteur dû à une mauvaise distribution au sein d'une tubulure centrale se traduit non seulement par le fonctionnement de certains éléments de collecteur à des températures élevées susceptibles d’affecter leur vie utile, mais aussi par une réduction du rendement de tout l'ensemble collecteur.
Dans l'art antérieur, on sait que la distribution non uniforme du fluide est généralement susceptible d'amélioration par augmentation de la pression d'exploitation du système et, par suite, de la perte de charge au travers des éléments constitutifs du système. Malheureusement, une telle augmentation de la pression d'exploitation du système ne peut être obtenue que moyennant une augmentation correspondante de la consommation de l'énergie, c.-à-d. admission d'énergie aux éléments de déplacement de l'air. Dans un système de récupération de l'énergie solaire, cette augmentation de la consommation d'énergie peut s'avérer supérieure à l'augmentation en énergie récupérée résultant de la meilleure distribution de l'air. A la lumière d'un système thermodynamique, le
Page 2 rendement global du collecteur solaire peut éventuellement diminuer, au fait, par suite de l'augmentation de la consommation d'énergie associée avec l'obtention du but, c.-à-d. meilleure distribution de l'air.
Cette situation suggère que des faibles pressions de système et des pertes de charge d'ordre minime auraient un certain mérite. Un système de ce type est décrit dans le brevet des Etats-Unis No. 4 016 860, antérieurement dpli-^ vré and dont je suis co-titulaire.
Un autre domaine de difficulté dans l'utilisation des collecteurs d'énergie solaire concerne le mode de transfert de l'énergie. Dans de nombreux collecteurs solaires faisant usage de l'air comme milieu de récupération, l'air se dirige de l’ensemble de collecteur d'énergie solaire à travers une canalisation jusqu'à l'endroit, comme un local d'habitation, ou l'énergie thermique est destinée à être utilisée. Cette canalisation présente plusieurs problèmes. Tout d'abord, les trajets d'une certaine longueur sont la cause de pertes de charge d'ordre significatif qui aggravent les problèmes d’alimentation d'énergie au système et de rendement global dont il a été question plus haut. Deuxièmement, les problèmes de perte d'énergie à l'atmosphère relatifs à la faible densité de l’air, au grand diamètre et à l'aire circonférentielle de ladite canalisation sont significatifs. Il est évident que cette canalisation peut, et doit, être bien calorifugêe mais cela augmente le diamètre extérieur de la canalisation. Finalement, l'installation d'une canalisation de diamètre extérieur si important dans des structures existantes peut aussi présenter des problèmes qu'un dispositif de transfert d'énergie plus compact pourrait réduire ou alléger. Un exemple de collecteur d'énergie solaire faisant usage d'un tel dispositif compact de transfert d'énergie est décrit dans le brevet > des Etats-Unis No. 3 960 136 dont je suis co-titulaire. Dans la réalisation décrite, l'air circulé dans un collecteur monté en toiture chauffe un liquide tel que l'eau, et l'eau est utilisée comme milieu de transfert de chaleur.
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DESCRIPTION ABREGEE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un collecteur d'énergie solaire de conception unitaire comportant une pluralité d'éléments collecteurs évacués fixés sur et en communication avec une tubulure à passage double disposée centralement qui abrite un échangeur de chaleur gaz-liquide et un dispositif servant à circuler le milieu de récupération de la chaleur du gaz. Les éléments du collecteur sont disposés en rangées en quinconce sur les faces opposées de la tubulure. Chacun des éléments collecteurs comporte un tube en verre à double paroi de forme allongée dont une extrémité est ouverte et définissant entre les parois de verre un volume annulaire évacué. Un tube distributeur métallique à paroi mince ayant un diamètre quelque peu plus réduit que le diamètre intérieur de la paroi de verre intérieure est disposé à l'intérieur et s'étend au-delà de l'extrémité ouverte de l'élément collecteur. L'espace annulaire défini par le tube distributeur et la paroi intérieure de l'élément collecteur communique avec le passage le plus rapproché de la tubulure et l'intérieur du tube distributeur communique avec le passage le plus éloigné de la tubulure. Le dispositif de circulation d'air fournit de l'air à basse pression en direction de l'un des passages et cet air se dirige dans tous les espaces annulaires et à l'intérieur des tubes distributeurs avec lesquels ils communiquent. L'air se dirige ensuite loin de la tubulure et vers l'intérieur soit des espaces annulaires soit des tubes distributeurs, arrive à l’extrémité des éléments collecteurs et se dirige vers l'intérieur en direction de l’autre passage de la tubulure; l'air se trouvant précédemment dans les espaces annulaires circulant maintenant dans les tubes distributeurs et vice versa. Le débit d'air est ensuite combiné avec l'autre passage de la tubulure et passé à travers l'échangeur de chaleur dans lequel l'énergie de l'air est transférée vers le liquide, soit l'eau, circulant à travers l'échangeur de chaleur. L'air sortant de l'échangeur de chaleur est renvoyé vers le souffleur et de là aux éléments collecteurs alors que l'eau ou autre liquide qui a absorbé l'énergie thermique de l'air est éliminé de l'échangeur de chaleur et véhiculé à travers une canalisation appropriée jusqu'à l'endroit d'utilisation.
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Par conséquent, l'un des objectifs de la présente invention est de fournir un collecteur d'énergie solaire du type unitaire et dont le produit de sortie est un liquide chauffé.
Un autre but de la présente invention est de créer un collecteur d'énergie solaire du type unitaire fournissant un rendement élevé.
Un autre but encore de la présente invention est de créer un collecteur solaire à tube évacué et du type unitaire susceptible d'être installé facilement dans des structures existantes et nouvelles.
Un autre but encore de la présente invention est de créer un collecteur solaire à tube évacué et du type unitaire qui utilise un dispositif de distribution d'air fonctionnant à basse pression susceptible de provoquer une excellente distribution de l'air avec une absorption minimale d'énergie.
D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront par référence aux spécifications suivantes et aux dessins annexés.
DESCRIPTION ABREGEE DES PLANS
La Figure 1 est une vue en perspective d'un collecteur d'énergie solaire du type unitaire conforme à la présente invention;
La Figure 2 est une vue en perspective agrandie d'une portion de l'échangeur de chaleur utilisé dans un collecteur d'énergie solaire conforme à la présente invention;
La Figure 3 est une vue en élévation du bout d'un collecteur d'énergie solaire conforme à la présente invention, monté sur une surface inclinée;
La Figure 4 est une vue schématique du débit de l'air à travers la tubulure et les éléments collecteurs d'un collecteur d'énergie solaire conforme à la présente invention;
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La Figure 5 est une vue en pleine coupe de la tubulure d'un collecteur d'énergie solaire du type unitaire conforme à la présente invention prise le long de la ligne 5-5 de la Figure 1;
La Figure 6 est une vue en coupe, fragmentaire et agrandie, du montage des tubes distributeurs dans la tubulure; et
La Figure 7 est une vue en coupe fragmentaire de la tubulure d'un collecteur, d'énergie solaire du type unitaire conforme à la présente invention prise le long de la ligne 6-6 de la Figure 1,
DESCRIPTION DE LA REALISATION PREFEREE
En se référant maintenant aux Figures 1 et 3, un collecteur d'énergie solaire du type unitaire est généralement désigné par le numéro de référence 10. Le collecteur solaire 10 comporte un ensemble de tubulure 12 disposé centralement et ayant une pluralité d'éléments collecteurs 14 disposés en quinconce sur les faces opposées de ladite tubulure. L'ensemble de tubulure 12 et les éléments collecteurs 14 sont tous supportés par un ensemble de bâti 16 de forme généralement rectangulaire. L'ensemble de bâti comporte une paire de poutres en Z 18 de forme allongée qui fixent solidement et soulèvent l'ensemble de tubulure 12 au-dessus de la surface, telle qu'un toit 20, sur lequel le collecteur 10 est fixé. L'ensemble de bâti 16 comporte également une paire de poutres 22 de support du collecteur, en forme de L, qui sont généralement fixées perpendiculairement entre les extrémités des poutres 18 en Z. Chacune des poutres 22 de support comporte une pluralité de fentes 24 en forme de U servant à recevoir les éléments collecteurs, ces fentes supportant les extrémités des éléments collecteurs 14 les plus éloignés de l'ensemble de tubulure 12. ' L'ensemble de bâti 16 peut être réalisé en métal galvanisé, en aluminium ou en tout autre matériau analogue.
Les poutres 18 en Z peuvent être fixées sur l'ensemble de tubulure 12 et sur les poutres 22 en forme de L par n’importe quel moyen approprié, par exemple vis à filets, rivets, soudage par point ou autre.
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Comme l’illustre la Figure 2, le collecteur solaire 10 peut être installé sur le toit 20 d'une maison d'habitation ou autre structure. De préférence, le collecteur solaire 10 est orienté en direction méridionale et à un angle d'inclinaison qui capte au mieux l'énergie solaire disponible à la latitude de l'installation. Les éléments collecteurs 14 sont indépendants, c.-à-d. que le collecteur 10 ne comporte pas de mirroir, de réflecteur ou de dispositif de réfléchissement spéculaire pour concentrer les rayons du soleil, mais se base surtout sur la réflection diffuse de la surface du toit 20 ou d'autres surfaces horizontales ou inclinées agissant sur le coté des éléments collecteurs 14 faisant face au soleil pour y refléter l'énergie.
En se référant maintenant à la Figure 5, l'ensemble de tubulure .12 est généralement rectangulaire en coupe et comporte une enveloppe métallique extérieure 30 et une enveloppe métallique intérieure 32 plus petite. Entre l'enveloppe métallique extérieure 30 et l'enveloppe métallique intérieure 32 sont préformées disposées des dalles isolantes~34 de dimensions et d'orientation appropriées. Les dalles isolantes 34 sont de préférence réalisées en isocyanate de polyuréthane ou en matière analogue capable de résister à des températures maximales d'au moins 325 degrés Fahrenheit. L'épaisseur uniforme des dalles isolantes 34 préformées ainsi que les bords perpendiculaires formés avec précision assurent l'ajustement serré des dalles 34 ainsi que le remplissage total du volume entre l'enveloppe métallique extérieure 30 et l'enveloppe métallique intérieure 32. Une chicane 36 en tôle est disposée centralement à l’intérieur de l'enveloppe métallique intérieure 32; cette chicane divise le volume intérieur de l'enveloppe métallique intérieure 32 tout le long de sa longueur en un passage d'admission ou d'alimentation 40 et un passage d'échappement ou de retour 42.
En se référant maintenant aux Figures 5 et 6, la chicane 36 disposée centralement définit une pluralité d’orifices circulaires 44 dont chacun reçoit un élément de joint annulaire élastomërique 46. Le joint 46 comporte une surface tronconique 48 qui facilite l'insertion du joint 46 dans l'orifice circulaire 44 et une rainure annulaire rentrante 50 disposée autour de sa périphérie qui fixe solidement le joint 46 dans l'un des orifices circulaires 44. Un tube *
Page 7 distributeur métallique 52 à paroi mince est logé à l'intérieur de chacun de ces joints 46. Le tube distributeur 52 est retenu axialement à l'intérieur du joint 46 par un voile 54 en saillie vers l'extérieur formé dans le tube distributeur 52 adjacent à une extrémité qui coopère avec un creux 56 semi-circulaire de configuration complémentaire pratiqué dans la surface intérieure de l'élément de joint 46. Chacun d'une pluralité de tubes distributeurs 52 est disposé concentriquement dans l'un des éléments collecteurs 14 et s'étend axialement au-delà de l'extrémité ouverte de l'élément collecteur 14 associé d'une distance suffisante pour pouvoir être fixé dans la chicane 36 comme décrit. A l’extrémité opposée du tube distributeur 62, c.-à-d. l'extrémité disposée dans l'élément collecteur 14, une pluralité, de préférence trois oreilles ou languettes 58 dirigées vers l'extérieur maintiennent le tube distributeur 52 en disposition coaxiale à l'intérieur de l'élément collecteur 14.
En alignement axial et concentriquement autour de chacun des tubes distribu-’ teurs 52 se trouvent un premier orifice circulaire 60 défini par l'enveloppe métallique extérieure 30 et un deuxième orifice circulaire 62 défini par 1'enveloppe métallique intérieure 32. Une portion des dalles isolantes 34 disposées entre les orifices 60 et 62 est déposée d'une cavité circulaire 64 qui reçoit un joint annulaire moulé 66. Le joint moulé 66 est fabriqué de préférence à partir d'un élastomère à base de silicium et peut être retenu dans l'ensemble de tubulure 12 par application d’une couche mince 68 d'un produit adhésif à base de silicium coïncident avec l'espace annulaire de contact entre le joint moulé 66 et les dalles isolantes 34. Le joint moulé 66 comporte une lèvre extérieure 70 qui fonctionne en élément de calfeutrage et qui comporte par ailleurs une pluralité de voiles triangulaires 72 circonférentiels dirigées vers l'intérieur qui jouent le rôle de joint à chevron pour assurer l'étanchéité et le serrage des éléments collecteurs 14 dans l'ensemble de tubulure 12.
Comme indiqué plus haut, l'un de la pluralité des éléments collecteurs 14 est disposé coaxialement autour de chacun des tubes distributeurs 52. Les éléments collecteurs 14 sont de préférence circulaires en section et sont fabriqués en verre. Chacun des éléments collecteurs 14 comporte une paroi extérieure 80 et
Page 8 une paroi intérieure 82 de plus petit diamètre. Les parois 80 et 82 définissent une zone allongée annulaire 84 entre ces dernières qui est soumise à un vide poussé d'environ 10-^ torr. Le vide est obtenu en retirant l'air de la région 84 à l'extrémité des éléments collecteurs 14 et une tabulation 86 en cet endroit est scellée hermétiquement selon des méthodes connues dans l'art. Le vide dans la région 84 élimine essentiellement les pertes de conduction et de convection provenant des éléments conducteurs 14. Les parois intérieures 82 des éléments collecteurs 16 comportent de préférence une surface absorbante d'énergie 88. La surface absorbante d'énergie comporte un revêtement sélectif de longueur d'onde possédant une absorptivité élevée et une émissivité réduite de l'ordre de 0,1 ou moins dans la région infrarouge qui peut être fabriqué par la déposition sous vide d'une couche mince (1,000 Angstroms) d'aluminium sur la surface extérieure des parois intérieures 82 des éléments collecteurs vaporisée 14. Une couche de chrome est ensuite . électriquement et déposée sur le substrat d'aluminium sous forme de chrome noir à raison d'une épaisseur d'environ 1,500 Angstroms. Autrement, la surface 88 peu être noircie au moyen d'un revêtement de matière absorbante d'énergie infra-rouge telle que l'oxyde de magnésium, le fluorure de magnésium, etc.
En se référant maintenant aux Figures 3, 5 et 7, l'ensemble de tubulure 12 comporte par ailleurs un ensemble de souffleur 90 disposé centralement. L'ensemble de souffleur 90 comporte un moteur électrique 92 de type essentiellement classique qui est fixé par des moyens démontables 94 sur l’enveloppe métallique extérieure 30 de l'ensemble de tubulure 12. De préférence, le moteur électrique 92 est imperméabilisé de manière appropriée. Autrement, le moteur 92 peut être logé dans un carénage de protection (non représenté). Le moteur électrique 92 comporte un arbre récepteur 96 doté d'un organe d'accouplement 98 S fixation sélective qui entraîne l'arbre 100 d'un souffleur faisant saillie à travers les dalles isolantes 34 dans un passage à revêtement 102 et dans le passage 40 d'admission ou d'alimentation. A l'extrémité de l'arbre 100 arrangé dans le passage d'alimentation 40 est fixée la roue 104 d'un souffleur en cage d'écureuil de type classique. Un carénage 106 approprié fixé sur la chicane 36 définit un orifice d'admission 108 qui est disposé concentriquement avec et à proximité étroite de la roue 104 du souffleur.
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En se référant maintenant brièvement à la Figure 7, l'ensemble de tubulure 12 comporte également une barrière d'air 110 disposée dans le passage d'alimentation 40 entre la chicane 36 et l'enveloppe métallique intérieure 32, et un panneau à contour arqué 112. La barrière d'air 110 et le panneau a contour arqué 112 comportent tous deux une surface courbe 114 disposée symétriquement qui assure une distribution uniforme de l'air en provenance de la roue 104 du souffleur vers toutes les régions du passage 40 d'admission ou d'alimentation. L'accès à la roue 104 du souffleur est assuré facilement en fabriquant le panneau à contour arqué 112 et un panneau extérieur correspondant 116, qui forme une portion de l'enveloppe métallique extérieure 30, sous forme de sections amovibles pouvant être fixées par des moyens 118 amovibles au choix.
En se référant maintenant aux Figures 2 et 5, l'ensemble de tubulure 12 comporte aussi un ensemble d'échangeur de chaleur 120 allongé qui est disposé > dans le passage 42 d'échappement ou de retour d'air. L'ensemble d'échangeur de chaleur 120 comporte une paire de plaques 122 parallèles et allongées servant au montage de l'ensemble d'échangeur de chaleur 120 entre la chicane 36 disposée centralement et à bloquer environ deux tiers de la largeur du passage 42 d'échappement ou de retour. Une paire de tubes 124 conducteurs de fluide, plats et parallèles, est fixée hermétiquement sur la paire de plaques allongées 122. La paire de tubes 124 définit un passage 126 rectangulaire allongé dans lequel est disposée une ailette ou surface 128 en serpentin de transfert de chaleur. La surface 128 de transfert de chaleur est de préférence fabriquée en métal tel que le cuivre, possédant de bonnes caractéristiques de transfert de chaleur, et sa configuration générale peut se conformer à la pratique classique du transfert de chaleur dans le but d'optimaliser l'échange de chaleur de l'air passant à travers le passage 126 au fluide passant à travers les tubes 124. A chaque extrémité des tubes aplatis 124 se trouve une tubulure 130 qui assure la communication et la distribution du débit entre les tubes aplatis 124 et une ligne unique 132 de fluide. A l'une des extrémités de l'ensemble d'échangeur de chaleur 120, la ligne de fluide 132 décrit un coude d'inversion de direction (non représenté) et la ligne de fluide 132 est juxtaposée sur l'ensemble d'échangeur de chaleur 120 dans le sens de sa longueur
Page 10 de sorte que les deux lignes d'admission et d'échappement de fluide 132 s'étendent à partir de la même extrémité de l’ensemble de tubulure 12 comme illustré à la Figure 1.
En se référant maintenant à la Figure 4, on décrira la circulation de l'air à l'intérieur de l'ensemble de tubulure 10, des éléments collecteurs 14 et des tubes distributeurs 52. Comme il a été indiqué plus haut, la roue 104 du souffleur est positionnée à l'intérieur du passage d'alimentation 40, ce qui permet le passage de l'air dans ce dernier. Une portion de l'air fourni par 1 la roue 104 du souffleur pénètre dans la pluralité des passages circulaires définis par les tubes distributeurs 52 à paroi mince et se dirige vers la gauche, vers l’extérieur et loin de l’ensemble de tubulure 12. De la même manière, une portion sensiblement égale de l'air fourni par la roue 104 du souffleur pénètre dans les espaces annulaires définis par les tubes distributeurs 52 ä paroi mince et les surfaces intérieures des parois de verre intérieures 82 des éléments collecteurs 16. Cet air se dirige vers la droite, vers l'extérieur et loin de l'ensemble de tubulure 12. Dans les deux cas, au fur et à mesure que le débit d'air atteint l'extrémité des tubes distributeurs 52 et les parois de verre intérieures 82, la direction du débit s'inverse. Dans le premier cas, l'air circulant dans le passage circulaire du tube distributeur 52 commence à circuler vers l'intérieur en direction du passage 42 de retour dans les espaces annulaires définis par les tubes distributeurs 52 et les parois de verre intérieures 82 des éléments collecteurs 14. Contrairement, l'air qui ' auparavant circulait vers l'extérieur dans les régions annulaires se dirige de nouveau vers le passage 42 dans le passage circulaire défini par les tubes distributeurs 52. L'air passe ensuite à travers le passage 126 de l'ensemble d'échangeur de chaleur 120 et dégage l'énergie thermique recueillie dans les éléments collecteurs 14 en faveur de la surface 128 de l'échangeur de chaleur et éventuellement vers le fluide circulant a travers les tubes aplatis 124 de l'ensemble 120 d'échangeur de chaleur. L'air est ensuite tiré à travers l'orifice circulaire 108, à travers la roue 104 du souffleur, et se remet en circulation.
Page 11
Egalement en référence à la Figure 4, on voit illustré l'espacement préféré, sans toutefois être obligatoire, entre éléments de collecteur adjacents. Comme il a été dit plus haut, les éléments collecteurs 16 sont de préférence circulaires en coupe transversale. Là où "T" indique le diamètre d'un élément collecteur 14, on a trouvé que la densité optimale, et par conséquent le meilleur rendement du point de vue collection d'énergie, sont obtenus quand les éléments collecteurs 16 sont espacés d'une distance approximativement égale . à "T". En d'autres termes, l'espacement sur centres entre éléments collecteurs équivaut de préférence à "2T". Il convient de noter, cependant, que cet espacement préféré ne doit pas être considéré comme facteur limite de la présente invention ni comme condition absolue ne devant pas être modifiée.
Comme indiqué plus haut, la voie d'approche commune pour perfectionner la distribution et le transfert de chaleur dans les systèmes classiques de traitement de l'air suivie dans l'art antérieur a comporté l'augmentation de la pression d'exploitation du système. Malheureusement, les tentatives d'application de cette logique aux systèmes de récupération de la chaleur solaire pourraient exiger une telle augmentation de l'apport d'énergie au système pour créer les pressions d'exploitation voulues que le rendement global du système en sera diminué. Dans le collecteur 10 d'énergie solaire de la présente invention, l'endroit des pertes de charge, par conséquent de turbulence et de meilleur transfert de chaleur, a été étudié avec soin en vue de se produire essentiellement aux endroits de transfert de chaleur et par conséquent de permettre l'exploitation à une pression d'air et avec un apport d'énergie exceptionnellement faibles. En ce qui concerne les éléments collecteurs 14, il convient de noter que les aires en coupe transversale des passages circulaires définis par les tubes distributeurs 52 à paroi mince et les passages annulaires définis par ‘ la paroi extérieure des tubes distributeurs 52 et les surfaces intérieures des parois intérieures 82 des éléments collecteurs 14 sont inégales, les aires en coupe transversale des premiers étant sensiblement plus importantes. Une telle disparité entre aires en coupe transversale se traduit par une vitesse de débit accrue dans les zones annulaires accompagnée de turbulence qui perturbe les couches limites adjacentes aux surfaces intérieure et extérieure des espaces annulaires, améliorant par là le transfert de la chaleur vers l'air.
Page 12 A titre d’exemple, un tube distributeur 52 à paroi mince ayant un diamètre d'environ 1,25 de pouce aura une aire en coupe transversale interne égale à approximativement 1,2 pouces carrés. Quand il est positionné concentriquement dans la paroi intérieure 82 d'un élément collecteur. 14 ayant un diamètre interne d'environ 1,54 de pouce, l'espace annulaire résultant a une aire en coupe transversale d'environ 0,6 pouce carré, soit approximativement la moitié de l'aire en coupe transversale du passage intérieur du tube distributeur 52.
De la sorte, non seulement l'air est-il plus turbulent à l'intérieur de l'espace annulaire et pas conséquent moins susceptible de former des couches limites isolantes, mais la perte d’énergie et la perte de charge associées avec la turbulence se produisent précisément à l'endroit de l'apport d'énergie et ainsi améliorent de manière significative la récupération de l'énergie et le rendement global.
Par ailleurs en ce qui concerne le débit et la perte de charge, il convient , de noter la construction de l'ensemble 120 d'échangeur de chaleur. Les plaques allongées 122 obturent environ les deux tiers de l'aire en coupe transversale du passage 42 d'échappement ou de retour définissant le col du passage 126 et étranglant le débit d'air. Le débit d'air à travers le passage 126 est ainsi sensiblement plus rapide et turbulent que celui se produisant dans d'autres portions de l'ensemble de tubulure 12. Ainsi, de nouveau, l'endroit d'une perte de charge coïncide avec l'endroit du transfert d'énergie.
Un collecteur d'énergie solaire air-liquide faisant usage d'un liquide comme dernier milieu de transfert de chaleur comporte également des avantages structuraux. L'arrangement ouvert de collecteurs, c.-à-d. l'absence de panneaux réflecteurs continus et/ou de couvercles transparents de protection, ainsi que les surfaces extérieures cylindriques des éléments collecteurs 14 se traduisent par une résistance aérodynamique très faible et éliminent virtuellement toutes considérations de charge au vent. Cette résistance réduite diminue également le besoin de grandes, lourdes et coûteuses structures de support susceptibles d'augmenter de manière significative le coût global du système collecteur d'énergie solaire. Par ailleurs, l'utilisation d'un gaz tel que
Page 13 l'air comme milieu primaire de récupération de chaleur réduit le poids d'exploitation du collecteur, diminuant ainsi davantage la taille et le coût des éléments structuraux associés. Le fait que le milieu secondaire et final de récupération de la chaleur est un fluide tel que l'eau ayant une chaleur spécifique élevée est également avantageux. Spécifiquement, le transfert de l'énergie solaire récupérée du collecteur 10 jusqu'à l'endroit d'utilisation dans un bâtiment peut être accompli par l'utilisation d'une canalisation classique en cuivre ou de tuyaux, plus récemment mis au point, réalisés en matière plastique et bien isolés. Typiquement, cette canalisation aura un diamètre extérieur de moins d'un demi pouce et non supérieur à un pouce de diamètre après application d'un calorifugeage convenable. Ce diamètre réduit rend l'installation, surtout dans les bâtiments existants, ordinaire et généralement peu compliquée du fait que la tuyauterie peut être acheminée à travers les poutres, les montants et les parois sans complication extraordinaire.
- Egalement en ce qui concerne le fluide de transfert de chaleur circulant dans les tubes 124 de l'ensemble 120 d'échangeur de chaleur, il devrait être clair que l'eau constitue un bon choix d'emblée par suite de son coût réduit, de sa disponibilité, de sa sécurité et de sa chaleur spécifique élevée. Un désavantage tout aussi évident de l'utilisation de l'eau est sa suceptibilitê aux changements de phase, c.-à-d. le gel et la conséquente dilatation volumétrique qui se produit quand elle passe de la phase liquide à la phase solide. Il faut donc bien comprendre que d'autres liquides tels que les glycols ou les mélanges de glycols doivent être pris en considération en vue de leur utilisation comme fluide de récupération dans le collecteur 10. 1 apparaîtra également que la taille globale et par conséquent la capacité de récupération de l’énergie du collecteur d'énergie solaire 10 air-liquide du type unitaire sera typiquement déterminée par son application. Néanmoins on peut prévoir que le collecteur 10?comportera typiquement soixante-douze éléments collecteurs 14 disposés en quinconce en deux rangées de trente-six éléments chacune. Le nombre autant que la longueur des éléments 14 peuvent varier sensiblement.
Page 14
Finalement, la disposition en quinconce des tubes distributeurs 52 et des éléments 14 mérite d’être remarquée. Cette disposition simplifie beaucoup la construction de l’ensemble de tubulure 12, particulièrement de la chicane 36.
Dans de nombreux collecteurs de l’art antérieur, plusieurs chicanes et passages étaient nécessaires pour distribuer l’air en direction des différents éléments de récupération de la chaleur. Cette complexité, outre augmenter le coût du collecteur, se traduisait souvent par une mauvaise distribution de l’air.
. Dans le collecteur d'énergie solaire 10 de la présente invention, deux passa ges parallèles essentiellement identiques 40 et 42 assurent la distribution directe et uniforme de l’air vers les éléments collecteurs 14 et les tubes distributeurs 52.
Le mode précédent est le meilleur mode imaginé par l’inventeur pour la mise en oeuvre de la présente invention. Il est évident, cependant, que des dispositifs comportant des modifications et des variantes apparaîtront à l’homme versé dans l'art de la récupération de l'énergie solaire. Etant donné que la description qui vient d'être faite est destinée à permettre à ceux versés dans l'art de mettre en oeuvre la présente invention, elle devrait aussi être interprétée de manière à comprendre lesdites variations évidentes et de ne se trouver limitée que par l'esprit et la portée des revendications suivantes.
Claims (16)
1. Collecteur solaire air-liquide comportant en combinaison une tubulure ayant deux passages, une pluralité d'éléments collecteurs solaires ayant une paroi intérieure, un membre creux allongé disposé â l'intérieur de chacun desdits éléments collecteurs, chacun desdits membres creux définissant un passage intérieur communiquant avec l'un desdits passages de la tubulure et chacun des- ” dits éléments collecteurs respectifs définissant un passage extérieur entre ladite paroi intérieure dudit élément collecteur et ledit membre allongé communiquant avec l'autre desdits passages de la tubulure, et un échangeur de chaleur air-liquide disposé dans l'un desdits passages.
2. Collecteur solaire' de la revendication 1 comportant par ailleurs des moyens pour faire circuler l'air à travers lesdits éléments collecteurs, lesdits membres creux, lesdits passages et ledit échangeur de chaleur.
3. Collecteur solaire de la revendication 1 comportant par ailleurs une structure de bâti servant de support â ladite tubulure et auxdits éléments collecteurs.
4. Collecteur solaire de la revendication 1 dans lequel lesdits éléments collecteurs sont disposés en deux rangées sur les faces opposées de ladite tubulure en un arrangement co-planaire.
5. Collecteur solaire de la revendication 1 dans lequel lesdits éléments collecteurs sont cylindriques et sont disposés en deux rangées sur les cotés opposés de ladite tubulure en relation parallèle avec lesdits éléments cylindrLqies et tous lesdits éléments de l'une desdites rangées sont décalés latéralement λ par rapport auxdits éléments de l'autre desdites rangées d'une distance environ égale audit diamètre. 1 2 3 4 Collecteur solaire de la revendication 1 dans lequel ledit échangeur de cha 2 leur s'étend sensiblement le long de toute la longueur de l'un desdits pas 3 sages de la tubulure et comporte des moyens allongés servant à obturer une 4 portion de la largeur dudit passage. Page 16
7. Collecteur solaire air-liquide comportant en combinaison une tubulure ayant deux passages adjacents, une pluralité d'ensembles de tubes collecteurs évacués, chacun desdits ensembles comprenant un élément collecteur allongé ayant une paroi intérieure et un membre creux allongé disposé à l'intérieur et définissant un passage intérieur dans ledit membre et un passage extérieur entre ledit membre et ladite paroi intérieure dudit élément collecteur, ledit passage intérieur de chacun desdits ensembles communiquant avec l'un desdits deux * passages de la tubulure et les passages extérieurs de chacun desdits ensembles communiquant avec l'autre desdits deux passages de la tubulure, un échangeur de chaleur air-liquide disposé dans l’un desdits deux passages de la tubulure et des moyens pour faire circuler l'air à travers lesdits passages, lesdits ensembles collecteurs et ledit échangeur de chaleur.
8. Collecteur solaire air-liquide de la revendication 7 dans lequel lesdits éléments collecteurs sont cylindriques et sont disposés en deux rangées co-planaires sur les côtés opposés de ladite tubulure en relation parallele et espacés entre eux d'une distance environ égale au diamètre desdits éléments et lesdits éléments dans l'une desdites rangées sont décalés latéralement par rapport auxdits éléments dans l'autre desdites rangées d'une distance environ égale audit diamètre.
9. Collecteur solaire air-liquide de la revendication 7 dans lequel lesdit moyens de circulation d'air comportent un moteur électrique, une roue de souffleur, " et ladite tubulure comporte par ailleurs des moyens destinés à aider la dis tribution uniforme de l'air à l'intérieur d'un au moins desdits passages de la tubulure. 1 2 3 4 5 Collecteur solaire air-liquide de la revendication 7 dans lequel ledit échan 2 geur de chaleur comporte une paire de tubes parallèles de transport de liquide 3 définissant un passage pour l’air, des moyens disposés dans ledit passage d'air 4 pour augmenter le transfert de chaleur entre l'air circulant dans ledit pas 5 sage d'air et le liquide circulant dans lesdits tubes et des moyens pour obturer une portion de l'un desdits deux passages de la tubulure dans lequel l'échangeur de chaleur est disposé. Page 17
11. Collecteur solaire air-liquide de la revendication 7 dans lequel ladite tubulure comporte une gaine extérieure et une gaine intérieure définissant entre elles un volume, ledit volume occupé par une matière isolante, une chicane, disposée sensiblement centralement â l'intérieur de ladite gaine intérieure et définissant lesdits deux passages de la tubulure et une pluralité d'orifices destinés à recevoir une extrémité dudit membre creux allongé.
12. Collecteur solaire air-liquide comportant en combinaison une tubulure ayant une gaine extérieure, une gaine intérieure, une chicane disposée sensiblement centralement dans ladite gaine intérieure et définissant deux passages adjacents, un échangeur de chaleur air-liquide disposé dans l’un desdits passages et des moyens pour faire circuler l'air, une pluralité d'ensembles de tubes collecteurs évacués, chaque ensemble coportant un élément collecteur allongé ayant une paroi intérieure et une paroi extérieure et un membre creux allongé disposé à l'intérieur et définissant un passage intérieur dans ledit membre et un passage extérieur entre ledit membre et ladite paroi intérieure dudit -v élément collecteur, ledit passage intérieur de chacun desdits ensembles collecteurs communiquant avec l'un desdits deux passages de la tubulure et le passage extérieur de chacun desdits ensembles communiquant avec l'autre desdits deux passages de la tubulure.
13. Collecteur solaire air-liquide de la revendication 12 dans lequel l'aire en coupe transversale desdits passages intérieurs est environ le double de l'aire . en coupe transversale desdits passages extérieurs.
14. Collecteur solaire air-liquide de la revendication 12 dans lequel lesdits membres creux allongés comportent des moyens pour les maintenir en relation sen- *· siblement coaxiale dans ladite paroi intérieure desdits éléments collecteurs. 1 * Collecteur solaire air-liquide de la revendication 12 comportant par ailleurs des dalles isolantes disposées entre ladite gaine extérieure et ladite gaine intérieure. Page 18
16. Collecteur solaire air-liquide de la revendication 7 dans lequel ledit échangeur de chaleur comporte une paire de tubes parallèles de transport de liquide définissant un passage d'air, des moyens disposés dans ledit passage d'air et destinés à augmenter le transfert de chaleur entre l'air circulant dans ledit passage d'air et le liquide circulant dans lesdlts tubes et des moyens servant à obturer une portion de l'un desdits deux passages de la tubulure dans lequel est dispose l'échangeur de chaleur,
17. Collecteur solaire air-liquide de la revendication 12 comportant par ailleurs une structure de bâti servant à supporter ladite tubulure et lesdits ensembles collecteurs.
18. Collecteur solaire air-liquide de la revendication 12 dans lequel lesdits moyens pour faire circuler l'air comprennent un moteur électrique et une roue de souffleur et ladite tubulure comporte par ailleurs des moyens destinés à aider la distribution uniforme de l'air dans l'un au moins desdits deux passages.
19. Collecteur solaire air-liquide de la revendication 12 dans lequel lesdits éléments collecteurs sont cylindriques et sont disposés en deux rangées co-planaires sur les cotés opposés de ladite tubulure en relation parallèle et espacés entre eux d'une distance environ égale au diamètre desdits éléments et lesdits éléments dans l'une desdites rangées sont décalés par rapport auxdits éléments desdites autres rangées d'une distance environ égale audit diamètre. i # » *
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