FR2476283A1

FR2476283A1 - Solar powered water heater - has annular absorber containing fluid connected to heat exchanger in central water tank

Info

Publication number: FR2476283A1
Application number: FR8003346A
Authority: FR
Inventors: Claude Leroy
Original assignee: Cosmos Invest & Res
Current assignee: Cosmos Invest & Res
Priority date: 1980-02-15
Filing date: 1980-02-15
Publication date: 1981-08-21
Also published as: FR2476283B1

Abstract

The solar water heater, providing washing water comprises a cylindrical solar heat collector (6), inside which is a concentric annular absorber (7) through which a heat-conductive fluid flows. A central tank (1) contains the water to be heated and a heat exchanger is connected to the absorber, to form a closed circuit transferring heat from the fluid to the water. There can be a cylindrical vessel clad with insulating material accommodating water and heat exchanger, the latter being formed by a pipe coil. The vessel is enclosed by a cylindrical outer one coated with light-absorbent material, in turn enclosed by transparent material forming the outer cover.

Description

L'invention a pour objet un chauffe-eau solaire, destin plus particulièrement à la production d'eau chaude à usage sanitaire et, de façon plus générale, à la production d'eau chaude pour tous usages. The subject of the invention is a solar water heater, intended more particularly for the production of hot water for sanitary use and, more generally, for the production of hot water for all uses.

Le prix des chauffe-eau solaires se trouvant sur le marché est généralement élevé, en raison de ce qu'ils sont constitués par deux appareils essentiels qui sont indépendants llun de l'autre, à savoir : d'une part, un capteur solaire et, d'autre part, un échangeur thermique, qui nécessitent bien entendu d'être reliés entre eux, et dont l'installation relativement complexe nécessite l'intervention d'un spécialiste Compte tenu de leur prix et de leur rendement, notamment dans les régions peu ensoleillées, ces chauffe-eau solaires ne sont donc amortissables que sur une période relativement longue, généralement évaluée à une dizaine d'années. The price of solar water heaters on the market is generally high, due to the fact that they consist of two essential devices which are independent of each other, namely: on the one hand, a solar collector and , on the other hand, a heat exchanger, which of course need to be interconnected, and whose relatively complex installation requires the intervention of a specialist Given their price and their performance, especially in the regions not very sunny, these solar water heaters are therefore depreciable only over a relatively long period, generally estimated at ten years.

Il s'agit là d'un inconvénient qui limite considérablement le développement de ces chauffe-eau solaires, dont le fonctionnement est pourtant subordonné à l'utilisation d'une énergie entièrement gratuite. This is a drawback which considerably limits the development of these solar water heaters, the operation of which is however subject to the use of completely free energy.

L'invention remédie précisément à ces inconvénients, en proposant un chauffe-eau solaire qui allie les deux avantages essentiels ci-apres
- un agencement extrêmement simple, conduisant à un prix de revient peu élevé;
- et une installation se faisant dans des conditions de grandes facilité et rapidité, ce qui contribue encore à abaisser le prix de revient final du chauffe-eau.The invention overcomes precisely these drawbacks by proposing a solar water heater which combines the two essential advantages below.
- an extremely simple arrangement, leading to a low cost price;
- And an installation being done in conditions of great ease and speed, which further contributes to lowering the final cost price of the water heater.

Dans ce but, un chauffe-eau solaire conforme à l'invention réunit, concentriquement les uns par rapport aux autres, un capteur cylindrique d'énergie solaire, un absorbeur annulaire placé dans ce capteur et dans lequel stécoule un fluide calo-porteur, un réservoir central recevant l'eau à chauffer et un échangeur qui, logé dans ce réservoir, est raccordé à l'absorbeur et forme avec lui un circuit fermé dans la partie extérieure duquel le fluide calo-porteur reçoit les calories provenant du capteur, et dans la partie intérieure duquel ce fluide calo-porteur transmet ses calories a au A chauffer. To this end, a solar water heater in accordance with the invention brings together, concentrically with one another, a cylindrical solar energy sensor, an annular absorber placed in this sensor and in which a heat-carrying fluid flows, a central tank receiving the water to be heated and an exchanger which, housed in this tank, is connected to the absorber and forms with it a closed circuit in the external part of which the heat-carrying fluid receives the calories coming from the sensor, and in the interior part of which this heat-carrying fluid transmits its calories to the to be heated.

Suivant une forme d'exécution de ce chauffe-eau solaire, une cuve cylindrique munie d'un revête-ent isolant sert à la fois de réservoir pour l'eau a chauffer et de logement pour un échangeur en forme de serpentin tubulaire dont les deux extrémités sont raccordées à une chambre annulaire délimité par la cuve cylindrique précitée et par une virole cylindrique extérieure qui est constituée en métal, est munie d'un revêtement de surface garantissant une bonne absorption lumineuse et une faible émission thermique, et est enveloppée par une deuxième virole constituée par un matériau transparent et formant la face extérieure de l'ensemble. According to an embodiment of this solar water heater, a cylindrical tank provided with an insulating coating serves both as a reservoir for the water to be heated and as a housing for an exchanger in the form of a tubular coil, both of which ends are connected to an annular chamber delimited by the above-mentioned cylindrical tank and by an external cylindrical shell which is made of metal, is provided with a surface coating guaranteeing good light absorption and low thermal emission, and is enveloped by a second ferrule constituted by a transparent material and forming the external face of the assembly.

L'invention sera bien comprise d'ailleurs et ses avantages ainsi que d'autres caractéristiques ressortiront bien de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce chauffe-eau solaire:
Figures 1 et 2 en sont des vues, respectivement en coupe transversale et en coupe longitudinale.The invention will be well understood moreover and its advantages as well as other characteristics will emerge clearly from the description which follows, with reference to the appended schematic drawing representing, by way of nonlimiting example, an embodiment of this heater - solar water:
Figures 1 and 2 are views, respectively in cross section and in longitudinal section.

Dans ce dessin, 1 désigne une cuve ou ballon cylindrique du genre de ceux constitutifs des chauffe-eau électriques et, comme cela est connu en soi, cette cuve 1 est -enveloppée par une deuxième cuve 2 délimitant avec elle une chambre annulaire dans laquelle est contenu un matériau isolant 3. L'un des fonds ou les deux fonds de cette cuve 1 présentent, a leur partie supérieure et å leur partie inférieure, des orifices permettant le raccordement de deux canalisations 4 et 5 destinées respectivement à l'entré. et A la sortie de l'eau hors du réservoir que constitue la cuve 1.Dans le cas représenté au dessin, l'entré et la sortie de lfeau se font respectivement à la partie inférieure de l'un des fonds et à lapartie supérieure de l'autre fond; mais comme il ressort de ce qui a été dit ci-dessus, l'entrée et la sortie d'eau peuvent être aménagés respectivement å la partie inférieure et à la partie supérieure du même fond. A l'extérieur du réservoir ainsi agencé, et concentriquement à lui, est montée et fixée de façon étanche une virole 6 constituée en tale revêtue d'une peinture noire mate, ou comportant tout autre revêtement de surface garantissant une bonne absorption lumineuse et une faible émission thermique. In this drawing, 1 denotes a cylindrical tank or balloon of the kind constituting electric water heaters and, as is known per se, this tank 1 is -wrapped by a second tank 2 delimiting with it an annular chamber in which is contains an insulating material 3. One of the bottoms or the two bottoms of this tank 1 have, at their upper part and at their lower part, orifices allowing the connection of two pipes 4 and 5 intended respectively for the inlet. and At the outlet of the water from the tank that constitutes the tank 1. In the case shown in the drawing, the inlet and the outlet of the water take place respectively at the lower part of one of the bottoms and at the upper part of the other bottom; but as appears from what has been said above, the water inlet and outlet can be arranged respectively at the bottom and at the top of the same bottom. Outside the tank thus arranged, and concentrically to it, is mounted and tightly fixed a ferrule 6 made of a sheet coated with a matt black paint, or comprising any other surface coating guaranteeing good light absorption and low thermal emission.

Cette virole 6 délimite avec l'enveloppe extérieure 2 du réservoir 1 une chambre annulaire Z destinée à jouer le rale d'absorbeur de l'énergie solaire. Cette chambre annulaire Z est remplie d'un liquide calo-porteur tel que de l'eau additionnée d'un produit anti-gel; et elle est reliée aux deux extrémités d'un échangeur thermique placé à l'intérieur du réservoir 1.This ferrule 6 defines with the outer envelope 2 of the tank 1 an annular chamber Z intended to play the role of absorber of solar energy. This annular chamber Z is filled with a heat-carrying liquid such as water with an anti-freeze product; and it is connected to the two ends of a heat exchanger placed inside the tank 1.

Dans le cas représenté au dessin, cet échangeur consiste en un serpentin métallique 8 dont l'extrémité supérieure est raccordée par une tubulure 9 à un orifice prévu à la partie supérieure de la chambre Z; et l'extrémité inférieure de l'échangeur 8 est elle-meme reliée par une tubulure 10 à un orifice prévu dans la zone inférieure de la chambre 7. Cette chambre Z et le serpentin métallique 8 servant d'échangeur sont remplis du même liquide caloporteur et déterminent le circuit suivi par ce liquide. In the case shown in the drawing, this exchanger consists of a metal coil 8 whose upper end is connected by a tube 9 to an orifice provided at the upper part of the chamber Z; and the lower end of the exchanger 8 is itself connected by a tube 10 to an orifice provided in the lower zone of the chamber 7. This chamber Z and the metal coil 8 serving as the exchanger are filled with the same heat transfer liquid and determine the circuit followed by this liquid.

Ce circuit s'effectue dans le sens de la flèche 12, et la circulation du liquide dans ce circuit est accélérée par un circulateur li monté sur la tubulure 10. Sur la tubulure 9 sont montés un vase d'expansion 1i, un clapet antiretour li et un purgeur 16. Sur les tubulures 9 et 10 sont enfin montées deux sondes, respectivement 17 et lô, qui sont associées à un thermostat li contrôlant le fonctionnement du circulateur li
Extérieurement a l'absorbeur 6-7 et concentriquement à lui est enfin montée et fixée de façon étanche une virole cylindrique 20 qui est constituée en un matériau transparent tel que méthacrylate de méthyle ou en tout autre matériau perméable à la lumière solaire, mais imperméable au rayonnement infra-rouge lointain. Cette virole 20 constitue l'enveloppe extérieure de l'ensemble et délimite avec la virole 6 une chambre annulaire 21 engendrant un effet de serre.This circuit is carried out in the direction of arrow 12, and the circulation of the liquid in this circuit is accelerated by a circulator li mounted on the tubing 10. On the tubing 9 are mounted an expansion vessel 1i, a non-return valve li and a trap 16. On the pipes 9 and 10 are finally mounted two probes, respectively 17 and 10, which are associated with a thermostat li controlling the operation of the circulator li
Externally to the absorber 6-7 and concentrically to it is finally mounted and tightly fixed a cylindrical shell 20 which is made of a transparent material such as methyl methacrylate or any other material permeable to sunlight, but impermeable to far infrared radiation. This ferrule 20 constitutes the outer envelope of the assembly and delimits with the ferrule 6 an annular chamber 21 generating a greenhouse effect.

A titre d'exemple, pour un réservoir I dont le diamètre est de l'ordre de 50 à 80 cm, les écartements entre la paroi extérieure 2 de ce réservoir et la virole 6, ainsi que l'écartement entre cette virole 6 et la virole extérieure 20 sont respectivement de 1 à 2 mm et de 2 à 4 mm. For example, for a tank I whose diameter is of the order of 50 to 80 cm, the spacings between the outer wall 2 of this tank and the ferrule 6, as well as the spacing between this ferrule 6 and the outer shell 20 are respectively 1 to 2 mm and 2 to 4 mm.

Le chauffe-eau solaire ainsi constitué est placé horizontalement sur le sol ; mais il est évident qu'il doit occuper la position la plus opportune par rapport au soleil ; et c'est ainsi qu'il est conseillé d'aligner son axe sur l'orientation est-ouest. The solar water heater thus formed is placed horizontally on the ground; but it is evident that it must occupy the most opportune position in relation to the sun; and this is how it is advisable to align its axis with the east-west orientation.

Pour favoriser une récupération maximale des rayons solaires quelle que soit la position du soleil, l'ensemble est d'ailleurs avantageusement, non pas posé sur le sol, mais supporté à l'intérieur d'un réflecteur semi-cylindrique 22 dont le rayon est égal à deux fois celui du rayon de la virole 6 qui est muni d'un piètement 23, et dont le plan d'ouverture, désigné par A-B à la figure 1, forme avec le sol un angle compris entre 40- et 60'. To promote maximum recovery of the sun's rays whatever the position of the sun, the assembly is moreover advantageously, not placed on the ground, but supported inside a semi-cylindrical reflector 22 whose radius is equal to twice that of the radius of the ferrule 6 which is provided with a base 23, and the opening plane of which, designated by AB in FIG. 1, forms with the ground an angle between 40- and 60 '.

Le fonctionnement de ce chauffe-eau solaire se conçoit aisément : gracie au capteur délimité par la virole transparente 20 et par la virole métallique mate 6, et grâce à l'absorbeur délimité par cette virole 6 et par la virole 2, l'énergie solaire récupérée par le capteur se transforme en calories que le fluide calo-porteur contenu dans la chambre Z transporte dans l'échangeur 8, qui lui-même transmet ces calories à l'eau contenue dans le réservoir 1.La circulation du liquide calo-porteur est accélérée par le circulateur 13 ; mais il est évident que ce circulateur ne fonctionne que pour autant que que la température du liquide caloporteur à la sortie de l'absorbeur, c'est-à-dire dans la tubulure 9, est supérieure à la température de l'eau à la sortie de l'échangeur, c'est-à-dire dans la tubulure 1O.Si par contre la température du liquide calo-porteur à la sortie de l'échangeur est supérieure à celle de ce liquide à la sortie de l'absorbeur, le circulateur 13 cesse de fonctionner. C'est précisément le rôle des deux sondes 17 et 18 de déterminer, par l'intermédiaire du thermostat 19, le fonctionnement ou l'arrêt du circulateur 13. The operation of this solar water heater is easy to imagine: thanks to the sensor delimited by the transparent ferrule 20 and by the matt metallic ferrule 6, and thanks to the absorber delimited by this ferrule 6 and by the ferrule 2, solar energy recovered by the sensor is transformed into calories that the heat-carrying fluid contained in the chamber Z transports in the exchanger 8, which itself transmits these calories to the water contained in the tank 1. The circulation of the heat-carrying liquid is accelerated by the circulator 13; but it is obvious that this circulator only functions as long as the temperature of the heat-transfer liquid at the outlet of the absorber, that is to say in the tubing 9, is higher than the temperature of the water at the outlet of the exchanger, that is to say in the pipe 10. If, on the other hand, the temperature of the heat-carrier liquid at the outlet of the exchanger is higher than that of this liquid at the outlet of the absorber, the circulator 13 stops working. It is precisely the role of the two probes 17 and 18 to determine, via the thermostat 19, the operation or the stopping of the circulator 13.

Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas bien entendu à la seule forme d'exécution de ce chauffe-9au solaire qui a été ci-dessus indiquée a titre d'uxample ; elle en embrasse au contraire, toutes les variantes de réalisation, et elle étend bien entendu son champ d'application au cas où à l'intérieur du réservoir d'eau à chauffer sont en outre prévues des résistances électriques pouvant être mises en service lorsque l'énergie solaire est insuffisante pour apporter des calories au liquide calo-porteur. It goes without saying that the invention is of course not limited to the sole embodiment of this solar heater which has been indicated above by way of example; on the contrary, it embraces all of the variant embodiments, and it of course extends its field of application to the case where inside the water tank to be heated are also provided electrical resistances which can be put into service when the solar energy is insufficient to supply calories to the heat-carrying liquid.

Claims

RIVENDI CÂTIONS RIVENDI CÂTIONS

1.- Chauffe-eau solaire, caractérisé en ce qu'il réunit concentriquement les uns par rapport aux autres un capteur cylindrique d'énergie solaire, un absorbeur annulaire placé dans ce capteur et dans lequel s'écoule un fluide calo-porteur, un réservoir central recevant l'eau à chauffer et un échangeur qui, logé dans ce réservoir, est raccordé à l'absorbeur et forme avec lui un circuit fermé dans la partie extérieure duquel le fluide caloporteur reçoit les calories provenant du capteur, et dans la partie intérieure duquel ce fluide calo-porteur transmet ses calories à l'eau å chauffer. 1.- Solar water heater, characterized in that it combines concentrically with each other a cylindrical solar energy collector, an annular absorber placed in this collector and in which a heat-carrying fluid flows, a central tank receiving the water to be heated and an exchanger which, housed in this tank, is connected to the absorber and forms with it a closed circuit in the outside part of which the heat transfer fluid receives the calories coming from the sensor, and in the part inside of which this heat-carrying fluid transmits its calories to the water to be heated.

2. - Chauff e-eau solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une cuve cylindrique munie d'un revAterent isolant sert ê la fois de réservoir pour l'eau à chauffer et de logement pour un échangeur en forme de serpentin tubulaire dont les deux extrémités sont raccor dées A une chambre annulaire délimitée par la cuve cylindrique précitée et par une virole cylindrique extérieure qui est constituée en métal, est munie d'un revêtement de surface garantissant une bonne absorption lumineuse et une faible émission thermique, et est enveloppée par une deuxième virole constituée par un matériau transparent et format la face extérieure de l'ensemble. 2. - Solar water heater according to claim 1, characterized in that a cylindrical tank provided with an insulating revAterent serves as both a tank for the water to be heated and a housing for an exchanger in the form of a tubular coil the two ends of which are connected to an annular chamber delimited by the above-mentioned cylindrical tank and by an external cylindrical shell which is made of metal, is provided with a surface coating guaranteeing good light absorption and low thermal emission, and is wrapped by a second ferrule made of a transparent material and formats the outside face of the assembly.

3.- Chauffe-eau solaire selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que sur la canalisation reliant la sortie du serpentin de l'échangeur et l'entrée de la chambre de l'absorbeur est placée une pompe de circulation, en ce que sur la canalisation reliant la sortie de l'absorbeur et l'entrée de l'échangeur sont placés en série un clapet anti-retour et un vase d'expansion, et en ce que deux sondes placées sur les deux dites canalisations sont associées a un thermostat différentiel contrôlant le fonctionnement du circulateur. 3.- solar water heater according to claims 1 and 2, characterized in that on the pipe connecting the outlet of the coil of the exchanger and the inlet of the absorber chamber is placed a circulation pump, in that that on the pipe connecting the outlet of the absorber and the inlet of the exchanger are placed in series a non-return valve and an expansion tank, and in that two probes placed on the two said pipes are associated with a differential thermostat controlling the operation of the circulator.

4.- Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce qu'il est placé à l'intérieur d'un réflecteur semi-cylindrique délimitant une ouverture située dans un plan faisant avec le sol un angle compris entre 40 et 60 . 4.- solar water heater according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is placed inside a semi-cylindrical reflector defining an opening located in a plane making an angle with the ground between 40 and 60.