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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2510242A1
Family ID 7965557
Probable Assignee Hdg Ind Solaire
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title VANNE DE REGULATION NATURELLE
EN Title NATURAL REGULATION FLOW VALVE FOR SOLAR HEATING - HAS
CRUCIFORM ARRANGEMENT OF NATURAL AND FORCED FLOW PIPES WITH MIXING
FLOW DEPENDING ON HEAT INTAKE AT ABSORBER
Abstract
_________________________________________________________________
L'INVENTION EST RELATIVE A UNE VANNE DE REGULATION NATURELLE DE DEBIT,
ELLE TROUVERA NOTAMMENT SON APPLICATION DANS LES INSTALLATIONS DE
CHAUFFAGE SOLAIRE.
LA VANNE 1 SELON L'INVENTION SERA SITUEE A L'INTERSECTION D'UNE
CANALISATION 2 DE FLUIDE FORCE 3 ET D'UNE CANALISATION 4 DE FLUIDE 5
EN CIRCULATION NATURELLE. LE FLUIDE 5 EN CIRCULATION NATURELLE
ARRIVANT A LA VANNE 1 SERA EMPORTE PAR L'ECOULEMENT FORCE DE FLUIDE 3,
ET UNE MEME QUANTITE DE FLUIDE SERA PRELEVEE DANS LE FLUIDE 3 EN
CIRCULATION FORCEE ET SERA INTRODUIT DANS LA VANNE 4 DE FLUIDE EN
CIRCULATION NATURELLE.
The vane (1) is cross shaped and is placed between a conduit (2) of
fluid (3) under forced circulation and a conduit (4) of fluid (5)
under natural circulation. All or part of the fluid under natural
circulation is diverted into the conduit (2) of fluid under forced
circulation. At the same time the same quantity of flow of fluid in
the forced circulation conduit is redirected into the natural
circulation conduit, the diverted proportions depending upon the heat
differences of the two fluid streams.
Description
_________________________________________________________________
L'invention est relative a une vanne de regulation naturelle et une
installation de chauffage solaire. Elle trouvera notamment son
application dans le chauffage domestique et les chauffe-eau.
Actuellement, il existe deux types d'installations de chauffage
solaire.
L'installation en thermo-siphon qui est constituee d'un ballon de
reserve de liquide caloporteur place en hauteur d'un capteur solaire,
celui-ci etant parcouru par le fluide issu du ballon et y retournant
apres passage dans le capteur. La circulation du liquide caloporteur
se fait naturellement par variation de densite due a la variation de
temperature, la vitesse de circulation du liquide etant sensiblement
proportionnelle a l'elevation de temperature du liquide dans le
capteur.
Ce dispositif a l'avantage d'etre simple, malheureusement il oblige a
placer le ballon au-dessus du capteur, or dans les habitations
celui-ci est generalement place sur le toit et donc, il n'est pas
possible de mettre en oeuvre ce type de chauffage solaire dans cette
application, car le ballon ne peut trouver sa place. Son utilisation
est donc limitee.
Dans les installations avec circulateur, la circulation du fluide
caloporteur entre le ballon et les capteurs est assuree au moyen d'un
pompe. La mise en oeuvre de cet organe moteur permet de faire cir-
culer le fluide independamment de la position relative du capteur
visa-vis du ballon. Il sera donc possible de placer le capteur sur le
toit d'une habitation et le ballon au rez-de-chaussee.
Cependant, la mise en oeuvre d'une telle installation necessite
quelques precautions d'utilisation. En particulier, il sera necessaire
d'equiper l'installation d'une logique de commande dont le but est
d'arreter toute circulation du fluide au cas ou la temperature du
fluide a la sortie du capteur deviendrait inferieure a celle du
ballon, en effet, toute circulation de fluide aurait alors pour
consequence de refroidir la temperature du ballon.
En general, les logiques de commande fonctionnent en tout ou rien et
donc, outre le cout de la logique de commande, le present dispositif
ne presente plus les avantages d'auto-regulation du type d'installa-
tion precedent. Dans ce cas, le debit du fluide caloporteur n'est plus
proportionnel a son echauffement dans le capteur solaire, mais il est
impose par le debit du circulateur. Ainsi, en cas de faible
ensoleillement, la vitesse de circulation du fluide caloporteur
imposee par le circula teur est souvent trop importante pour qu'un
echauffement important puisse etre realise lors du passage du fluide
dans le capteur solaire, et donc la temperature du fluide en sortie de
capteur est trop faible pour etre utilisee directement.
Le but principal de la presente invention est de proposer une
installation de chauffage solaire equipee d'une vanne de regulation
naturelle qui permet de cumuler les avantages des deux types
d'installations existants actuellement, a savoir, positionnement
indifferent du ballon d'accumulation du fluide caloporteur vis-a-vis
du capteur solaire et auto-regulation du debit de circulation du
fluide caloporteur au travers du capteur solaire en fonction de
l'echauffement qu'il subit lors de son passage a travers le capteur.
L'installation ainsi proposee est d'une mise en oeuvre tres simple et
ne fait pas appel a des circuits de commande logiques annexes, ce qui
la rend a la fois plus fiable.
Un but secondaire de la presente invention est de proposer une
installation de chauffage solaire utilisant une vanne de regulation
naturelle qui lui permet de se mettre en position hors gellorsque la
temperature exterieure diminue fortement. Il est-ainsi possible
d'utiliser un fluide caloporteur demuni d'antigel.
D'autres buts et avantages de la presente invention apparaitront au
cours de la description qui va suivre, qui n'est cependant donnee qu'a
titre indicatif,- et qui n'a pas pour but de limiter l'invention.
La vanne de regulation naturelle placee entre une conduite parcourue
par un fluide en circulation forcee et une conduite parcourue par un
fluide en circulation naturelle est caraclerisee par le fait qu'elle
presente des moyens pour deverser toute ou partie du debit du fluide
en circulation naturelle dans la conduite parcourue par un fluide en
circulation forcee, et reprendre une meme quantite de debit de fluide
dans la conduite a circulation forcee et la redeverser dans la
conduite de fluide en circulation naturelle.
L'invention sera mieux comprise si l'on se refere a la description
ci-dessous, ainsi qu'aux dessins en annexe qui en font partie
integrante.
La figure 1 schematise a titre d'exemple un mode de realisa- tion
particulier de la vanne de regulation naturelle selon la presente
invention.
La figure 2 schematise une variante du mode de realisation de la vanne
de regulation naturelle selon la presente invention.
La figure 3 schematise une installation de chauffage solaire
comprenant notamment une vanne de regulation naturelle.
L'invention est destinee a cumuler les avantages des circuits
parcourus par un fluide sous circulation forcee, dont le debit est
fixe par un organe moteur et dont le debit est pratiquement
independant de la disposition respective des differents organes places
-sur le circuit, et des circuits a circulation naturelle de fluide
dont le debit est fonction d'une variable physique telle que par
exemple la densite ou la temperature qui sont d'ailleurs liees.
Ainsi, selon l'invention, il sera possible de positionner les
differents organes d'une installation quelconque sans tenir compte des
differences de hauteur puisqu'un circulateur assurera le deplacement
du fluide de facon reguliere entre les differents organes et une vanne
de regulation naturelle permettra de moduler ou d'asservir le debit
d'une quantite physique comme par exemple les calories en fonction
d'une variable telle que la temperature.
Dans la pratique, la vanne de regulation naturelle fera la jonction
entre une conduite dans laquelle circule un fluide en circulation
forcee et une seconde conduite dans laquelle circule un fluide en
circulation naturelle.
La vanne disposera de moyens tels que toute ou partie du debit du
fluide dans la conduite en circulation naturelle soit deversee dans la
conduite a fluide en circulation forcee et que une meme quantite de
fluide soit prelevee dans la conduite a circulation forcee pour etre
reintroduite dans la conduite a circulation naturelle.
Il est important que les divers points de prelevement et de
reintroduction du fluide dans le circuit force soient tels, de par
leur forme et leur position que le circuit force ne joue aucun role
significatif dans le debit de fluide de la circulation- naturelle.
En effet, si le fluide du circuit force avait une influence
significative sur le debit du circuit a circulation naturelle,
celui-ci rentrerait dans la categorie des circuits a circulation
forcee et ce serait sortir du cadre de la presente invention.
En resume, il convient que les points de prelevement et de
reintroduction de fluide dans le circuit a circulation forcee soient
des points de meme pression de points d'arret afin qu'ils
n'influencent pas la circulation naturelle de ce circuit.
La figure 1 schematise un mode de realisation d'une vanne de
regulation naturelle selon l'invtention.
Elle se presente sous la forme d'un croisillon 1 place a
l'intersection d'une conduite 2 de fluide 3 en circulation force, et
d'une conduite 4 de fluide 5 en circulation naturelle.
Dans le mode de representation choisi, les branches du croisillon 1
formant les elements de conduite 2 et 4 sont orthogonales et coaxiales
deuxa deux. Cette condition n'est pas imperative et d'autres mises en
oeuvre peuvent etre envisagees pourvu- que soit respectee la
condition-d!equipression des points de prelevement et de
reintroduction du fluide a circulation forcee, ce pour que le circuit
force n'influence pas la circulation naturelle de ce circuit.
Cette obligation est remplie avec le croisillon de la figure 1, pour
des raisons de symetrieparrapport a la conduite forcee 2.
Lorsqu'une certaine quantite de fluide 5 arrive dans la vanne
deregulation naturelle 1, a l'intersection avec le fluide 3 venant du
circuit force, celui-ci a tendance a entrainer dans son passage cette
quantite de fluide 5 avec lui, et a poursuivre son chemin dans la
conduite 2.
Dans la mesure ou le debit force est superieur au debut naturel,
pratiquement tout le fluide de la circulation naturelle parvenant a la
vanne 1 est entraine dans reflux de fluide force formant le melange 6.
Par contre, le fluide 7 en circulation naturelle preleve dans la
conduite forcee 2 au niveau de la vanne 1 est compose du fluide 3
venant de la conduite 2. Dans la mesure ou le debit force est
superieur au debit naturel, le fluide preleve comprend uniquement du
fluide en provenance de la conduite forcee 2 avant que celui-ci soit
un melange 6 avec le fluide 5 issu de la conduite naturelle.
Dans le cas particulier ou le fluide 5 de la conduite naturelle 4 est
un fluide chaud, le debit de la conduite naturelle 4 etant par exemple
sensiblement proportionnel a la difference de temperature par rapport
au fluide force 3, il y aura un circuit force dont le-debit est
constant pouvant alimenter divers organes et un -circuit naturel dont
le debit est variable tel que tout le fluide chaud 5 du circui-t
naturel soit injecte dans- la conduite forcee alors que cette derniere
alimente en fluide relativement plus froid le circuit naturel' il y a
ainsi un echange d'autant plus important qu'il y a de difference de
tem perature entre les deux circuits amont a la vanne naturelle 1.
La La figure 2 illustre une variante de realisation de la vanne a
regulation naturelle. Cette vanne 1 est parcourue par un fluide en
circulation forcee 3 vehicule dans une conduite 2. Une conduite 4 de
fluide en circulation naturelle presente deux points de branchement
sur la vanne a regulation naturelle 1. Le premier point de branchement
permet tra de prelever une quantite de fluide 7 parmi le fluide 3 en
circulation forcee parcourant la vanne 1. Le second point de
branchement permettra de rejeter une meme quantite de fluide 5 dans le
fluide en circulation forcee 3 pour former un melange 6 a la sortie de
la vanne 1.
Dans un mode preferentiel de realisation de la vanne de re-, gulation
naturelle, le point de prelevement du fluide dans la conduite a
circulation forcee sera situe-sensiblement en amont de ce circuit
vis-a-vis du point de reintroduction du fluide du circuit a
circulation naturelle dans le circuit a circulation forcee. Ainsi, le
fluide preleve ne proviendra pas directement, meme en partie, de la
reintroduction de fluide de la conduite a circulation naturelle dans
la conduite a circulation forcee.
Pour certaines applications, il peut etre interessant de creer une
perte de charge entre les points de prelevement et des de- versements
du liquide en circulation naturelle, dans la conduite de liquide en
circulation forcee. Il est ainsi possible de superposer au phenomene
decrit, un pourcentage de circulation force dans la circulation
naturel le.
La perte de charge que l'on peut regler a un seuil aussi petit que
l'on veut, peut etre obtenue par exemple en jouant sur la distance
entre le point de prelevement et le point de deversement, ou en
adoptant des angles d'incidence differents pour le point de'
prelevement et le point de deversement par rapport a la circulation de
fluide forcee, ou encore par exemple en placant un dispositif
d'etranglement de la circulation de fluide forcee entre les points de
prelevement et de deversement. L'angle d'incidence etant l'angle que
font entre eux les filets d'ecoulement de fluide naturel et les filets
d'ecoulement de fluide force.
La figure 3 schematise un mode de realisation d'un chauffage solaire
comprenant un circuit primaire 8 et un circuit secondaire 9.
Le circuit primaire 8est compose d'une conduite 10 montee en boucle
autour d'un capteur solaire 11. Le fluide 12 du circuit primaire 8
peut circuler en circuit ferme dans la conduite 10 et le capteur so
laire 11. La circulation naturelle de ce fluide 12 dans la conduite 10
se fera dans le sens des fleches 13 par convection naturelle, le debit
etant sensiblement praportionnei a 1 'echauffement que subit le fluide
durant son passage a travers le capteur solaire 11.
Le principe de fonctionnement naturel de la circulation du fluide 12
dans la conduite 10 peut etre explique en considerant le tron con 16
de la conduite 10 qui correspond a la partie de cette conduite situe
au niveau du point inferieur 14 de la conduite 10 a l'entree du
capteur solaire et du point superieur 15 de la conduite 10 a la sortie
du capteur solaire, le troncon considere 16 etant exterieur au capteur
11.
Lorsque le capteur 11 n'est pas expose aux rayons solaires, le fluide
12 dans tout le circuit primaire 8 est a la meme temperature, donc a
la meme densite, aucune dissymetrie n'est creee et le fluide 12 est au
repos.
Lorsque le capteur 11 est frappe par des rayons lumineux, le fluide
situe a l'interieur de ce capteur s'echauffe et par consequent la
densite de ce fluide diminue par rapport a la densite du fluide situe
dans le reste de la conduite, en particulier a celui compris dans le
troncon de conduite 16. Cette dissymetrie de densite, par appli-cation
du principe des vases communicants, cree un deplacement du fluide dans
le sens indique par les fleches 13, pour tenter de retrouver un
equilibre. Mais, le fluide introduit dans le capteur par l'entree 14
continue a s'echauffer durant la traversee du capteur et ressort de ce
capteur en.15 avec une densite plus faible, et le mouvement de
circulation continue. Le debit de cette circulation naturelle sera
d'autant plus important que T'echauffement du fluide et donc la
variation de densite durant le passage du capteur 11 est plus
importante.
Le circuit secondaire 9 comporte une canalisation 17 a l'in terieur de
laquelle circule un fluide caloporteur 18 en boucle sur un echangeur
19, la circulation du fluide 18 etant forcee par un circulateur 20.
L'echangeur 19 pourra etre de tout type connu comme par exemple un
convecteur ou comme dans le cas represente un serpentin 21 plonge dans
un ballon 22 rempli d'water qui sera'chauffee.
Le circulateur 20 oblige le fluide 18 a se deplacer le long de la
canalisation 17 selon un sens indique par les fleches 23.
Le fluide 18 chaud se refroidira dans le serpentin 21 au contact de
l'water du ballon 22 qui sera ainsi rechauffee.
Selon la presente invention, une vanne de regulation naturelle de
-debit sera placee a l'intersection du circuit primaire 8 et du
circuit secondaire 9. Cette vanne de regulation 24 fera en sorte que
toute ou partie du debit du fluide 12 dans le circuit primaire 8 a la
sortie du capteur solaire 11 soit introduit dans la conduite 17 de
fluid 18 du circuit secondaire 9 et que une reme quantite de fluide 18
du cir cuit secondaire 9 soit injectee dans le circuit primaire 8 en
amont du capteur solaire 11. Ainsi, le fluide 18 du circuit secondaire
9 passera en partie dans le circuit primaire 8 d'abord au travers du
troncon de canalisation 16 puis dans le capteur solaire 11, ou il
subira un echauffement, puis retournera dans le circuit secondaire 9
au niveau de la vanne 24.Dans un mode preferentiel de realisation, la
vanne de regulation naturelle 24 sera situee a une hauteur superieure
a cel-le du capteur solaire, comme represente a la figure 2.
Il faut noter d'ailleurs qu'en modifiant la hauteur de la van ne par
rapport au capteur solaire, on peut proportionnellement accelerer ou
ralentir le debit de circulation naturelle.
Lorsque le capteur 11 sera frappe par les rayons solaires, le fluide
12 situe a l'interieur s 'echauffera et sa densite diminuera par
rapport au fluide present dans la section 16, ce dernier etant en
provenance du fluide du circuit secondaire. La densite du fluide dans
le capteur solaire etant plus faible que celle du fluide' dans la
section 16, il y aura circulation dans le circuit primaire, avec
passage de tout ou partie du fluide chaud en sortant du capteur dans
le circuit secor daire 9 au niveau de la vanne 24.
Par contre, lorsque le capteur n'est plus soumis aux rayons solaires,
il n'y a plus de deseguilibre de densite entre le fluide dans le
capteur et celui dans la section 16 et donc plus de circulation. Il
n'y a egalement plus d'echange au niveau de la vanne 24 et le circuit
secondaire tourne en circuit ferme, il n'y a ainsi pas d'evacuation de
calories.
La vanne 24 agit donc automatiquement lorsqu'il y a echauffement du
fluide primaire dans le capteur, toute ou partie de ce fluide chauffe
passe dans le circuit secondaire 9, par contre, lorsqu'il n'y a plus
chauffage du fluide primaire dans le passage du capteur 11, il n'y a
plus d'echange entre le circuit primaire et le circuit secondaire.
Il ne peut donc y avoir qu'echauffement du circuit secondaire 9.
On peut moduler le principe decrit, en branchant les points de
prelevement et de deversement du circuit primaire a des endroits dif
ferents du circuit secondaire, de facon a creer une perte de charge
entre les points de prelevement et de deversement, comme il est expose
dans le cas de la figure 2.
La faible perte de charges qui existe, permet de superposer au
phenomene naturel decrit, un pourcentage, reglable en ajustant la
perte de charge, de circulation forcee dans la circulation naturelle.
On peut ainsi engendrer, dans le circuit primaire, * debit de fluide
reglable a un seuil aussi petit que l'on veut.
Lorsque le fluide caloporteur utilise est de l'water, il est possible
de mettre a profit une caracteristique physique particuliere de
l'water pour la mise hors gel de l'installation. En effet, l'water a
la propriete de se contracter entre 0 "C et 4 "C. En supposant
l'installation a une temperature voisine de 4 bC et le capteur,
generalement situe a l'exterieur, soumis a une temperature inferieure,
l'water presente dans le capteur a une temperature plus faible que 4
OC aura une densite plus faible que celle presente dans la section 16
a 4 C.Par conse- quent, il y aura circulation d'water dans le circuit
primaire 8, l'water arrivant a Ta base du capteur avec une plus forte
densite et en sortant avec une densite plus faible par suite de son
refroidissement. Il y aura echange entre les circuits primaire 8 et
secondaire 9 au niveau de la vanne 24, et l'installation fonctionnera
en mode inverse pendant un temps tres court, necessaire pour ramener
la temperature du capteur vers 4 OC, c"est-a-dire que le capteur sera
rechauffe par le reste de l'installation. Il y a ainsi un phenomene
d'auto-protection qui se cree lorsque la temperature descend
au-dessous de 4 "C.
L'utilisation de la vanne de regulation naturelle de debit permet
d'economiser l'antigel dans le fluide caloporteur si ce dernier est de
l'eauj ou tout autre fluide presentant des caracteristiques
similaires.
Le mode de realisation qui vient d'etre decrit n'est donne qu'a titre
indicatif, et d'autres mises en oeuvre de la presente invention, a la
portee de l'Homme de l'Art, pourraient etre adoptees sans pour autant
sortir du cadre de celle-ci.
En particulier, la vanne peut s'appliquer,a tout generateur de
frigorie. Auquel cas, le capteur solaire est remplace par un
generateur de frigorie ou un radiateur, et la vanne doit etre situee
plus bas 'que ledit generateur de frigorie ou le radiateur.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Vanne de regulation naturelle de debit placee entre une conduite
parcourue par un fluide en circulation forcee et une conduite
parcourue par un fluide en circulation naturelle, caracterisee par le
fait qu'elle presente des moyens pour deverser toute ou partie du
fluide en circulation naturelle dans la conduite parcourue par un
fluide en circulation forcee, et reprendre une meme quantite de debit
de fluide dans la conduite en circulation forcee et la redeverser dans
la conduite de fluide en circulation naturelle.
2. Vanne de regulation naturelle selon la revendication 1,
caracterisee par le fait que les points de deversement et de preleve-
ment du fluide en circulation naturelle dans la conduite en
circulation forcee sont situes en des lieux de meme pression du fluide
a circulation forcee afin que celui-ci n'ait aucune influence dans
l'ecoulement naturel de la conduite naturelle.
3. Vanne de regulation naturelle selon la revendication- 1,
caracterisee par le fait que l'on introduit une perte de charge
adaptee, entre les points de deversement et de prelevement du fluide
en circulation naturelle dans la conduite en circulation forcee.
4. Vanne de regulation naturelle selon la revendication 1,
caracterisee par le fait que le prelevement d'une certaine quantite-de
fluide (7) dans la conduite a circulation forcee, se fait sensiblement
en amont du deversement du liquide (5) issu de la conduite a
circulation naturelle (4) dans la conduite a circulation forcee (2).
5. Vanne de regulation naturelle selon les revendications precedentes,
caracterisee par le fait que les moyens se --presentent sous la forme
d'un croisillon orthogonal (1) formant l'intersection de deux
conduites (2) et (4), en communication dans ce croisillon (1) les
branches coaxiales de ce croisillon formant des elements d'un meme
type de conduite a circulation forcee (2) ou naturelle (4).
6. Vanne de regulation naturelle selon la revendication 1,
caracterisee par le fait que les liquides dans les deux conduites sont
de meme nature et que la circulation naturelle se fait par convection.
7. Installation de chauffage solaire comprenant notamment un circuit
de chauffage primaire dans lequel circule un fluide caloporteur en
circulation naturelle dans une conduite placee en boucle sur un
capteur solaire, un circuit de chauffage secondaire dans lequel
circule un fluide caloporteur en circulation forcee par un
circulateur, ce cir cuit etant par exemple place en boucle sur un
echangeur, caracterisee par le fait qu'elle met en oeuvre la vanne
selon la revendication 1 a l'intersection des circuits primaire et
secondaire.
8. Installation selon la revendication7, caracterisee par le fait que
la vanne de regulation naturelle est situee a-une hauteur.reglable
superieure a celle du capteur solaire.
9. Installation de chauffage solaire avec protection automatique hors
gel du capteur solaire, selon les revendications 7 et 8, caracterisee
par le fait que le fluide caloporteur utilise dans les-cir- cuits
primaire et secondaire est de l'water.
10. Installation de chauffage selon la revendication 7 dans laquelle
un generateur de frigorie ou radiateur remplace le capteur solaire,
caracterisee par le fait que la vanne de regulation naturelle est
positionnee au-dessous du generateur de frigorie ou radiateur.
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