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Title:
HEAT EXCHANGER FOR A THERMAL SOLAR COLLECTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/019858
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a heat exchanger (1) for a thermal solar collector, comprising a primary heat exchange surface (2) connected to at least one thermal solar collector (3) and at least a first secondary heat exchange surface (4) connected to a user circuit (6), characterised in that the primary heat exchange surface (2) is embedded in a high heat capacity material comprising silicon carbide for forming a core (12), the first secondary heat exchange surface (4) being embedded in concrete (13) comprising silicon carbide, the concrete and the first secondary heat exchange surface surrounding the core. The invention further relates to a manufacturing method and to a use of such a heat exchanger.

Inventors:
PAULUS, Alain (Rue de la Gade 78, 7141 Morlanwelz, 7141, BE)
CAPIAU, Dany (Rue des Abliaux 17, 7536 Tournai, 7536, BE)
Application Number:
EP2017/068812
Publication Date:
February 01, 2018
Filing Date:
July 25, 2017
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Assignee:
CESI POWER EXCHANGER (Rue des Abliaux 17, 7536 Tournai, 7536, BE)
International Classes:
F28D20/00; B28B19/00; C04B35/565; C09K5/14; F24D17/00
Attorney, Agent or Firm:
SAYETTAT, Julien (STRATO-IP, 63 Boulevard de Ménilmontant, Paris, 75011, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1 . Echangeur de chaleur (1 ) pour capteur solaire thermique comprenant une surface d'échange primaire (2) en connexion avec au moins un capteur solaire thermique (3) et au moins une première surface d'échange secondaire (4) connectées à un circuit utilisateur (6), caractérisé en ce que la surface d'échange primaire (2) est noyée dans un matériau de haute capacité thermique comprenant du carbure de silicium pour former un noyau (12), la première surface d'échange secondaire (4) étant noyée dans un béton (13) comprenant du carbure de silicium, ledit béton et ladite première surface d'échange secondaire entourant ledit noyau.

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le noyau (12) comprend un mélange homogène de carbure de silicium et d'une résine de contact.

3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface d'échange primaire (2) est formée d'un serpentin tubulaire, notamment en acier inoxydable.

4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première surface d'échange secondaire (4) est formée d'un serpentin tubulaire, notamment en acier inoxydable, qui est disposé en périphérie du noyau (12).

5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le béton de carbure de silicium comprend un mélange homogène de carbure de silicium et d'un mortier de ciment. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une deuxième surface d'échange secondaire (5), notamment plusieurs autres surfaces d'échanges secondaire (5, 9) connectées chacune à un circuit utilisateur (7, 8).

7. Echangeur de chaleur selon la revendications 6, caractérisé en ce qu'au 5 moins une des autres deuxièmes surfaces d'échange secondaire (5, 9) est noyée dans un matériau (14, 15) de haute capacité thermique comprenant du carbure de silicium.

8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en o ce que la deuxième surface d'échange secondaire (5) entoure le béton (13).

9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendication 6 à 8, caractérisé en ce que les surfaces d'échange secondaire (4, 5, 9) sont connectées à des circuits utilisateurs de nature différente.

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10. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au moins un circuit utilisateur (6, 7, 8) est sélectionné parmi :

• un circuit producteur d'eau chaude (6) ;

• un circuit de chauffage par pompe à chaleur (7) ; et0 · un circuit de récupération calorifique de ventilation (8).

1 1 . Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moins une résistance électrique chauffante (10, 1 1 ) est noyée dans le béton (13) et/ou dans l'éventuel matériau (14, 15) dans lequel au5 moins une deuxième surface d'échange secondaire (5, 9) est noyée.

12. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur (1 ) selon une quelconque des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :

0 - introduction et fixation de la surface d'échange primaire (2) dans un premier moule ; - coulée de granules de carbure de silicium dans ledit premier moule pour former le noyau (12) ;

- démoulage du noyau (12) de l'échangeur (1 ) ;

- fixation de la première surface d'échange secondaire (4) en périphérie du noyau (12) ;

- introduction et fixation dans un deuxième moule de l'ensemble première surface d'échange secondaire (4) et noyau (12) ;

- coulée dans l'espace entre le noyau (12) et le deuxième moule d'un mélange homogène de granules de carbure de silicium et d'un mortier de ciment ;

- étuvage de l'ensemble deuxième moule / mortier de ciment avec granules de carbure de silicium / première surface d'échange secondaire (4) / noyau (12), pour former un béton (13) de carbure de silicium autour du noyau (12) et de la première surface d'échange secondaire (4) ;

- démoulage de l'ensemble béton (13) / première surface d'échange secondaire (4) / noyau (12) afin d'obtenir un échangeur comprenant au moins une première surface d'échange secondaire (4) entourant la surface d'échange primaire (2) dans son noyau (12). 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'on choisit au moins un serpentin tubulaire en acier inoxydable pour la surface d'échange primaire (2).

14. Procédé selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que la surface d'échange primaire (2) est introduite dans l'axe d'un premier moule cylindrique, ladite surface étant fixée dans ce moule au moyen d'un squelette de fils fins en acier inox.

15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'on coule dans le premier moule un mélange homogène de granules de carbure de silicium et d'une résine de contact.

16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'on fixe au moins un premier serpentin représentant la première surface d'échange secondaire (4) en périphérie du noyau. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que l'ensemble première surface d'échange secondaire (4) et noyau (12) est introduit et fixé dans l'axe d'un deuxième moule cylindrique.

18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 17, caractérisé en ce que le premier moule est un moule perdu réalisé en béton armé de carbure de silicium.

19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 18, caractérisé en ce qu'on ajoute au moins une deuxième surface d'échange secondaire (5, 9).

20. Utilisation de l'échangeur de chaleur (1 ) selon une quelconque des revendications 1 à 1 1 dans une application HVAC de chauffage, ventilation et conditionnement d'air domestique ou industrielle.

Description:
ECHANGEUR DE CHALEUR POUR CAPTEUR SOLAIRE THERMIQUE

L'invention concerne un échangeur de chaleur adapté aux installations comportant un capteur solaire thermique, telles que les installations de captation de l'énergie solaire qui font appel à des panneaux solaires thermiques. L'invention concerne également un procédé de fabrication et une utilisation d'un tel échangeur.

On connaît le brevet US 7,441 ,558 B2 qui divulgue l'emploi d'un système de stockage de l'énergie thermique fournie par un panneau solaire thermique basée sur le changement de phase solide/liquide d'un composé ayant un point de fusion supérieur à 32 °C et une chaleur latente de fusion proche de celle de l'eau. Des clathrates tels que formés par le fluorure de tétra n-butyl ammonium avec l'eau sont employés. La température maximale du système de stockage tolérable pour ces matériaux est limitée par la température de décomposition de ces composés.

L'invention a pour objectif de fournir un échangeur de chaleur et un procédé pour le fabriquer qui accepte pour la partie primaire des températures élevées du fluide caloporteur en provenance des panneaux solaires thermiques et permet aussi un stockage de grande capacité de l'énergie thermique fournie à la partie primaire.

L'invention concerne un échangeur de chaleur pour capteur solaire thermique comprenant une surface d'échange primaire en connexion avec au moins un capteur solaire thermique et au moins une première surface d'échange secondaire connectées à un circuit utilisateur, la surface d'échange primaire étant noyée dans un matériau de haute capacité thermique comprenant du carbure de silicium pour former un noyau, la première surface d'échange secondaire étant noyée dans un béton comprenant du carbure de silicium, ledit béton et ladite première surface d'échange secondaire entourant ledit noyau. Ainsi, l'échangeur présente :

- un noyau enrobant la surface d'échange primaire en étant apte à diffuser un rayonnement thermique du fait de l'utilisation du carbure de silicium ;

- au moins une couche périphérique béton de carbure de silicium - surface d'échange secondaire qui est apte à stocker le rayonnement thermique diffusé par le noyau et à le restituer au circuit utilisateur auquel ladite surface secondaire est connectée.

Par échangeur de chaleur pour capteur solaire thermique, on entend un échangeur adapté à la récupération et au stockage de l'énergie thermique véhiculée par un fluide caloporteur circulant dans et en provenance d'un panneau solaire muni d'au moins un capteur solaire thermique.

Comme tous les échangeurs, l'échangeur conforme à l'invention comprend une partie primaire comprenant un circuit réalisant une surface d'échange primaire et une partie secondaire comprenant au moins un circuit secondaire réalisant au moins une surface d'échange secondaire. Selon l'invention, les circuits secondaires de l'échangeur sont en connexion avec des circuits utilisateurs de chaleur. Les surfaces d'échange de ces circuits primaire et secondaires sont noyées dans un matériau de haute capacité thermique comprenant du carbure de silicium. Ce matériau possède une haute diffusivite thermique et en même temps une haute effusivité thermique.

Par diffusivité thermique D, ou aptitude à déplacer rapidement des calories à travers la masse d'un matériau, on désigne :

D = λ/pc

où :

D est la diffusivité en m 2 /s ;

λ est la conductivité thermique du matériau en W/m.K ;

p est la masse volumique du matériau en kg/m 3 ;

et c la capacité thermique massique du matériau en J/kg.K. Par effusivité thermique E, ou aptitude du matériau à absorber rapidement des calories, on désigne :

où :

E est l'effusivité en J/K.m 2 .s 1/2 ;

λ est la conductivité thermique du matériau en W/m.K ;

p est la masse volumique du matériau en kg/m 3 ;

et c la capacité thermique massique du matériau en J/kg.K.

Dans une première forme de réalisation, l'échangeur selon l'invention comprend plusieurs surfaces d'échange secondaire qui sont connectées à divers circuits utilisateurs. Au moins un des circuits utilisateurs est sélectionné parmi les types suivants :

• un circuit producteur d'eau chaude ;

• un circuit de chauffage par pompe à chaleur ; et

• un circuit de récupération calorifique de ventilation.

Plusieurs circuits utilisateurs peuvent être des circuits d'un même type.

Dans une autre forme de réalisation, l'échangeur selon l'invention comprend au moins deux surfaces d'échange secondaire qui sont connectées à des circuits utilisateurs de nature différente sélectionnés parmi :

• un circuit producteur d'eau chaude ;

• un circuit de chauffage par pompe à chaleur ; et

• un circuit de récupération calorifique de ventilation.

Dans une autre forme de réalisation encore, l'échangeur selon l'invention comprend au moins trois surfaces d'échange secondaire qui sont connectées à des circuits utilisateurs de nature différente sélectionnés parmi :

• un circuit producteur d'eau chaude ;

• un circuit de chauffage par pompe à chaleur ; et

• un circuit de récupération calorifique de ventilation. Dans encore une autre forme de réalisation compatible avec les formes de réalisation précédentes, au moins une résistance électrique chauffante est en outre noyée dans la masse du matériau de haute capacité thermique en CSi.

Selon différents modes de réalisation, l'échangeur selon l'invention peut présenter au moins l'une des caractéristiques suivantes :

- le noyau comprend un mélange homogène de carbure de silicium et d'une résine de contact ;

- la surface d'échange primaire est formée d'un serpentin tubulaire, notamment en acier inoxydable ;

- la première surface d'échange secondaire est formée d'un serpentin tubulaire, notamment en acier inoxydable, qui est disposé en périphérie du noyau ;

- le béton de carbure de silicium comprend un mélange homogène de carbure de silicium et d'un mortier de ciment ;

- il comprend au moins une deuxième surface d'échange secondaire, notamment plusieurs autres surfaces d'échanges secondaire connectées chacune à un circuit utilisateur, en particulier :

o au moins une des autres deuxièmes surfaces d'échange secondaire est noyée dans un matériau de haute capacité thermique comprenant du carbure de silicium ;

o la deuxième surface d'échange secondaire entoure le béton ; o les surfaces d'échange secondaire sont connectées à des circuits utilisateurs de nature différente ;

- au moins une résistance électrique chauffante est noyée dans le béton et/ou dans l'éventuel matériau dans lequel au moins une deuxième surface d'échange secondaire est noyée. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication de l'échangeur conforme à l'invention, , selon lequel on effectue les étapes suivantes :

introduction et fixation de la surface d'échange primaire dans un premier moule ;

- coulée de granules de carbure de silicium dans ledit premier moule pour former le noyau ;

- démoulage du noyau de l'échangeur ;

- fixation de la première surface d'échange secondaire en périphérie du noyau ;

- introduction et fixation dans un deuxième moule de l'ensemble première surface d'échange secondaire et noyau ;

- coulée dans l'espace entre le noyau et le deuxième moule d'un mélange homogène de granules de carbure de silicium et d'un mortier de ciment ;

- étuvage de l'ensemble deuxième moule / mortier de ciment avec granules de carbure de silicium / première surface d'échange secondaire / noyau, pour former un béton de carbure de silicium autour du noyau et de la première surface d'échange secondaire ;

- démoulage de l'ensemble béton / première surface d'échange secondaire / noyau afin d'obtenir un échangeur comprenant au moins une première surface d'échange secondaire entourant la surface d'échange primaire dans son noyau.

La forme des moules peut être celle d'un corps creux allongé muni d'un seul fond. Des formes parallélépipédique et cylindrique conviennent bien, la forme cylindrique donnant lieu à un échangeur cylindrique a donné de bons résultats.

Un serpentin tubulaire formant la surface d'échange primaire peut être réalisé dans un matériau robuste bon conducteur de la chaleur et capable de supporter les hautes températures du fluide caloporteur des panneaux solaires thermiques. II doit aussi posséder une haute résistance à la corrosion à haute température en présence de ce fluide. Le cuivre ou l'acier inoxydable conviennent bien pour cet usage, par exemple les aciers inox austénitiques au molybdène UNS (Unified Numbering System) S31600 et S31603.

Le fluide caloporteur est adapté à la gamme de températures régnant dans le circuit primaire. On peut ainsi utiliser de l'éthylène glycol ou du propylène glycol pour des températures modérées jusqu'à 200°C. Pour des températures plus élevées, on préfère utiliser des compositions d'hydrocarbures à changement de phase solide/liquide dans des tubes sous vide. Des spécialités d'hydrocarbures exemptes de composés aromatiques, comme par exemple le fluide CALFLO® HT de la firme Petro Canada. Ce dernier permet des températures de fonctionnement de l'ordre de 300°C.

Les granules de CSi utilisés dans le procédé conforme à l'invention peuvent se présenter sous une granulométrie variée. On préfère cependant utiliser des grains de forme cubique de 0,1 à 10 mm. De manière plus préférée, on utilise des grains dont au moins 65 % en poids passent au tamis de mailles de 1 mm.

Les granules utilisés pour le noyau sont de préférence purs. On peut aussi les mélanger avec de 0,5 à 1 % en poids d'une résine de contact. Une telle résine a pour but d'agglomérer les granules dans le moule et peut être indifféremment du lignosulfonate de magnésium, du gluconate de sodium, de la dextrine, de l'amidon, du sirop de glucose, de la mélasse et de la vinasse et leurs mélanges en proportions variées. Le lignosulfonate de magnésium a donné de bons résultats.

La première surface d'échange secondaire peut être matérialisée par un serpentin. Ce serpentin peut être réalisé en différentes matières, comme le cuivre ou l'acier inoxydable. Un acier inox du même type que celui du serpentin de la surface d'échange primaire convient bien.

Le mortier de ciment utilisé pour fabriquer le béton de carbure de silicium autour du noyau est un mortier réalisé avec, comme matières sèches : de 8 à 12 % en poids de ciment Portland et de 88 à 92 % en poids de granules de carbure de silicium de granulométrie semblable à celle utilisée pour le noyau.

L'étuvage peut être réalisé dans une enceinte où règne une température de 200 à 500°C, pendant une durée de 120 min. La température d'étuvage de 400°C est préférée.

Selon une réalisation du procédé, le premier moule est un moule perdu réalisé en béton armé de carbure de silicium.

Le béton armé de carbure de silicium a la même composition que le béton utilisé dans le premier procédé.

Selon une réalisation, le procédé prévoit une dernière étape consistant à ajouter au moins une deuxième surface d'échange secondaire à l'échangeur en cours de fabrication.

On peut réaliser cette deuxième surface d'échange secondaire en effectuant les étapes suivantes :

- introduction dans l'axe d'un troisième moule et fixation dans ce moule du premier échangeur obtenu à l'issu des étapes précédentes ;

- introduction dans l'espace entre le troisième moule et le premier échangeur d'au moins un deuxième serpentin de tubes représentant une deuxième surface d'échange secondaire et fixation de cette deuxième surface d'échange ;

- coulée dans ce dernier espace d'un mélange homogène de granules de carbure de silicium et d'un mortier de ciment ;

- étuvage de l'ensemble troisième moule - deuxième surface d'échange secondaire - premier échangeur ;

- démoulage de l'ensemble constituant un deuxième échangeur, celui-ci comprenant deux surfaces d'échange secondaire. De façon avantageuse, le deuxième serpentin de tubes de la deuxième surface d'échange secondaire est réalisé en matière plastique. Parmi les plastiques utilisables, on trouve les polymères fluorés ou chlorés et les polyoléfines haute densité telles que le polyéthylène haute densité.

Le mortier de ciment et les granules de carbure de silicium ont une composition et une granulométrie semblables à celles exposées plus haut.

Selon un autre mode de réalisation du procédé conforme à l'invention, on ajoute au moins une troisième surface d'échange secondaire en intercalant avant la coulée, l'étape consistant à introduire en outre et à fixer dans l'espace entre le troisième moule et l'échangeur au moins un faisceau de tubes représentant une troisième surface d'échange secondaire. Le faisceau de tubes de la troisième surface d'échange secondaire peut être réalisé en différentes matières. Un matériau ayant donné de bons résultats a été l'aluminium, par exemple de l'aluminium anodisé.

L'échangeur conforme à l'invention peut être utilisé dans une application HVAC de chauffage, ventilation et conditionnement d'air domestique ou industrielle.

Dans cet usage, le circuit primaire est connecté à des panneaux solaires thermiques, le premier circuit secondaire peut être connecté à un circuit de production d'eau chaude avec réservoir de stockage, le deuxième circuit secondaire à une installation de chauffage et/ou de réfrigération, par exemple un circuit frigorifique ou une pompe à chaleur et le troisième circuit secondaire à une installation de ventilation mécanique contrôlée.

La figure en annexe représente schématiquement un échangeur conforme à l'invention comprenant trois surfaces d'échange secondaire de type différent.

Un serpentin 2 en acier inoxydable austénitique au molybdène UNS S31603 est noyé dans une masse compacte de matériau de haute capacité thermique en carbure de silicium 12. Le serpentin 2 est connecté par les tubulures 3 à une source de chaleur fournie par au moins un capteur de panneau solaire thermique. Il représente la surface d'échange primaire de l'échangeur 1 . L'ensemble serpentin 2 et la masse de carbure de silicium 12 constitue le noyau de l'échangeur 1 .

Un autre serpentin 4 en acier inoxydable austénitique au molybdène UNS S31603 représente la première surface d'échange secondaire et est connecté à un circuit utilisateur 6 de génération d'eau chaude. Ce serpentin 4 est noyé dans un béton 13 constitué de 90 % en poids de granules de carbure de silicium et 10 % en poids de ciment Portland. Une première résistance électrique 10 est aussi noyée dans le béton 13 et permet le chauffage de la masse de haute capacité thermique 13 lorsque le rayonnement solaire vient à manquer. Un troisième serpentin 5 en polyéthylène haute densité représente la deuxième surface d'échange secondaire et est connecté à un autre circuit utilisateur, le circuit frigorifique 7 d'une pompe à chaleur pour le chauffage d'un bâtiment. Le serpentin 5 est noyé dans un béton 15 de même composition que le béton 13. Un faisceau de tubes en aluminium anodisé 9 est aussi noyé dans un béton 14 de même composition que les bétons 13 et 15. Ce faisceau représente la troisième surface d'échange secondaire de l'échangeur 1 et est connecté à un circuit de ventilation mécanique contrôlée. Une autre résistance électrique 1 1 est noyée dans la masse du béton 15 et permet aussi un appoint en calories en cas de nécessité.

Enfin une jaquette 16 en matériau isolant recouvre la totalité des surfaces extérieures de l'échangeur 1 .