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REVENDICATIONS
1. Accumulateur comprenant une enceinte destinée à être remplie d'un liquide caloporteur, notamment d'eau, fermée par des fonds, équipée des tuyauteries nécessaires à la circulation du liquide caloporteur et d'organes permettant le chauffage de ce liquide, caractérisé en ce qu'au moins une plaque de séparation est placée horizontalement dans l'accumulateur dont elle occupe presque toute la section et ralentit la circulation interne du liquide caloporteur, tout en autorisant la circulation du liquide caloporteur correspondant à l'utilisation de l'accumulateur.
2. Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface intérieure de l'enceinte est revêtue d'un isolant thermique.
3. Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une plaque de séparation est en une matière constituant un isolant thermique.
4. Accumulateur selon la revendication 3, conçu pour fonctionner à une température fixe du liquide accumulé, caractérisé en ce qu'une des plaques de séparation est composée de deux feuilles disposées parallèlement, reliées par une bande montée sur leur pourtour extérieur, délimitant un volume intérieur étanche isolé de l'enceinte destinée à contenir le liquide caloporteur, ce volume intérieur étant rempli d'une substance dont la température de liquéfaction soit voisine de ladite température.
5. Accumulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une plaque de séparation comprend au moins un élément tubulaire la traversant, fermé aux extrémités, constituant une chambre isolée de l'enceinte, chambre dont la partie inférieure est immergée dans une zone inférieure de l'accumulateur et dont la partie supérieure est immergée dans une zone supérieure de l'accumulateur, cette chambre contenant un liquide qui, compte tenu de l'état de pression qui règne dans cette chambre, se vaporise ou se liquéfie en fonction des variations de température du liquide caloporteur.
6. Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une cheminée (15), qui relie les volumes supérieur et inférieur du liquide caloporteur en traversant chacune des plaques de séparation, cette cheminée étant en un matériau peu conducteur de la chaleur et comprenant un clapet obturant l'ouverture inférieure de la cheminée lorsque la température du liquide caloporteur est basse à cet endroit.
Les accumulateurs d'eau chaude connus présentent un inconvénient important que l'on remarque surtout lors de leur
utilisation. En effet, après avoir chauffé à la température maximum désirée l'eau contenue dans une enceinte, on cons
tate que dès le début du soutirage de l'eau chaude, celle-ci
étant remplacée par l'arrivée d'une même quantité d'eau
froide, il se produit un mélange plus ou moins accentué des
eaux chaude et froide, ce qui a l'inconvénient d'abaisser la
température de l'eau chaude, laquelle tend vers une moyenne.
Par ailleurs, même sans brassage, la chaleur contenue dans
l'eau chaude diffuse plus ou moins vite dans l'eau froide. Ainsi,
la température de l'eau située au voisinage de la prise d'eau
chaude baisse continuellement lors de son utilisation. Cette
baisse est gênante, elle correspond à une dégradation de la
valeur de l'énergie accumulée.
La diffusion de la chaleur est un phénomène complexe qui
provient des phénomènes principaux suivants:
- brassage de l'eau par convection
- mouvements browniens se produisant principalement à la
limite de la stratification entre les parties chaude et froide
du volume d'eau
- transmission d'énergie par rayonnement infrarouge à
travers l'eau
- conduction d'énergie par les parois de l'accumulateur,
phénomène d'autant plus important que les parois sont en
une matière qui est un bon conducteur de la chaleur.
Le but de la présente invention consiste à remédier aux inconvénients des accumulateurs de liquide et en particulier des chauffe-eau, qui se manifestent d'autant plus fortement que les dimensions des accumulateurs sont grandes, ce qui est surtout le cas lorsque les périodes de chauffage sont espacées.
Ces circonstances se rencontrent très fréquemment sur les réseaux électriques offrant des tarifs préférentiels à certaines heures et notamment aussi dans le cas des accumulateurs dont l'eau est chauffée par l'énergie solaire.
Plus précisément, l'objet de cette invention concerne:
Un accumulateur comprenant une enceinte destinée à être remplie d'un liquide caloporteur notamment d'eau, fermée par des fonds, équipée des tuyauteries nécessaires à la circulation du liquide caloporteur et d'organes permettant le chauffage de ce liquide, caractérisé en ce qu'au moins une plaque de séparation est placée horizontalement dans l'accumulateur dont elle occupe presque toute la section et ralentit la circulation interne du liquide caloporteur, tout en autorisant la circulation de liquide correspondant à l'utilisation de l'accumulateur.
Les 4 figures annexées représentent schématiquement et à titre d'exemple non limitatif des formes d'exécution de l'accumulateur selon l'invention.
La fig. 1 est une coupe verticale d'un accumulateur comprenant 4 plaques de séparation intérieures.
La fig. 2 est une coupe d'un autre accumulateur équipé d'une cheminée de chauffage direct.
La fig. 3 est un détail de la fig. 2. Elle représente la soupape thermostatique équipant la cheminée de la fig. 2.
La fig. 4 représente un détail de la fig. 1 à savoir un tube de transmission de chaleur travaillant au voisinage de la température d'ébulition du liquide contenu (tube généralement dénommé heat pipe dans la littérature technique).
Dans la description qui suit, on supposera que le liquide accumulé est de l'eau, ce qui est le cas le plus fréquent.
L'accumulateur selon fig. 1 comprend une enceinte 1 étanche qui peut être exécutée en métal ou en une autre matière résistant à l'eau contenue dans l'accumulateur compte tenu de l'état de température et de pression. Cet accumulateur est revêtu à l'intérieur d'une couche isolante 2 pour l'isoler thermiquement du volume d'eau. Le comportement de cette couche est amélioré si elle possède un haut pouvoir de réflexion thermique (inverse de l'absorbeur parfait qu'est le corps noir). La présence de cette isolation thermique intérieure a pour effet de ralentir le flux de calories qui, par la paroi, passe de la zone supérieure chaude vers la zone inférieure froide de l'accumulateur, flux thermique qui tend à égaliser les températures dans la masse d'eau, donc à réduire la stratifica
tion des températures d'eau.
L'accumulateur 1 peut être entouré d'une isolation extérieure exécutée par exemple en laine de verre, liège, polyuré
thane ou autre isolant, afin de réduire les pertes de chaleur de
l'accumulateur vers l'extérieur.
Cet accumulateur est relié au circuit d'eau par deux canali
sations 4 et 5 situées, I'une à la base, l'autre au sommet. La
première correspond à l'entrée d'eau froide et la seconde à la
sortie d'eau chaude. Un déflecteur 13 peut être disposé au
droit de l'arrivée d'eau froide 4 pour répartir le courant
entrant le plus également possible dans la masse de l'eau située
à la partie inférieure de l'enceinte. L'accumulateur comprend un corps de chauffe 6. Celui-ci est dessiné ici sous la
forme d'une résistance électrique. Il va de soi qu'il pourrait être remplacé par un serpentin dans lequel circulerait un fluide caloporteur prélablement chauffé par tout moyen idoine, notamment par une installation de captage d'énergie solaire.
L'accumulateur comprend des plaques de séparation 7 montées horizontalement dans l'enceinte contenant l'eau. Ces plaques occupent pratiquement toute la section de l'enceinte.
Dans une première forme d'exécution, ces plaques sont fabriquées en une matière dont le pouvoir de conductibilité thermique est faible. Par leur présence, elles augmentent la stratification thermique de l'eau dans l'accumulateur et ralentissent la circulation intérieure de l'eau et par conséquent le mélange des eaux chaude et froide. Elles laissent cependant passer le courant d'eau correspondant à l'utilisation de celle-ci. En effet, le jeu 12 ménagé à la périphérie entre le bord extérieur et la surface intérieure de l'isolation 2 est suffisant pour permettre cet échange. Par ailleurs ces plaques 7 peuvent être perforées d'un ou plusieurs trous 14 de faible diamètre ayant la même fonction que le jeu 12.
Dans une autre forme d'exécution, les plaques 7 peuvent être constituées par deux feuilles métalliques 8 et 9 disposées parallèlement, reliées par une bande 10 montée sur leur pourtour extérieur. L'ensemble de feuilles 8 et 9 et de la bande 10 crée une plaque dont la forme générale est semblable à celle des plaques 7. A l'intérieur de ces plaques il existe un volume rempli d'un produit fusible 11. Ce produit se liquéfie et se solidifie à des températures voisines de celle d'utilisation. Le fonctionnement de la plaque selon repères 8, 9 et 10 est le suivant: lors du chauffage du volume d'eau par le corps de chauffe 6 placé au-dessous, la chaleur arrive par-dessous, la température de la plaque 9 augmente. La substance 11 (par exemple de la paraffine), qui est solide, constitue alors un mauvais conducteur de la chaleur.
Lorsque la température de la plaque 9 est suffisante, la substance 1 1 commence à fondre et, après un certain temps, est complètement liquéfiée. Elle n'est alors plus un mauvais conducteur de la chaleur car, comme le chauffage arrive par-dessous, des courants de convection s'établissent dans le liquide ainsi obtenu et provoquent un flux thermique allant de la feuille 9 à la feuille 8. De là, la chaleur traverse cette feuille et arrive dans le volume d'eau situé immédiatement au-dessus de cette plaque 8, 9, 10.
Lorsque la période de chauffage est terminée, la température tend à baisser, donc la substance 1 1 à se solidifier. Une fois cet état atteint, la plaque a perdu une bonne partie de son pouvoir conducteur de la chaleur. En d'autres termes, elle se comporte alors comme un isolant et participe à l'amélioration de la stratification des températures.
Un même comportement à double conduction thermique peut ainsi être obtenu en utilisant les phénomènes de liquéfaction et condensation. Par exemple, la plaque supérieure 7 de la fig. 1 comprend un tube de transmission de chaleur 20 représenté à une plus grande échelle à la fig. 4. Ce tube conducteur est constitué par un simple tuyau 20 fermé à ses deux extrémités. Il contient en particulier un liquide 21 (par exemple
Freon = difluordichloréthane) dont la température d'évaporation resp. de liquéfaction est proche de la température d'utilisation de l'eau accumulée. Lorsque la température de l'eau contenue au-dessous de cette plaque 7 dépasse la température d'évaporation, ce liquide est évaporé et transmet sa chaleur dans les parois supérieures du tube où il se condense en communiquant la chaleur d'évaporation à l'eau située au-dessus de ladite plaque 7.
En revanche, lorsque la température de l'eau contenue au-dessous de la plaque chute, l'échange thermique est stoppé et ne se fait pas en sens inverse. Cet échangeur de chaleur est connu sous le nom de heat pipe .
La fig. 2 représente un accumulatuer selon l'invention équipé de 5 plaques de séparation exécutées comme décrit précédemment, soit compactes, soit composites, soit avec heat pipe. Cet accumulateur comprend en outre une cheminée 15 placée sensiblement verticalement vers le milieu. Cette cheminée permet au fluide chauffé par le corps de chauffe 6 situé à la base de l'accumulateur de monter à travers lui directement vers le haut et de redescendre par un contre-courant latéral en occupant progressivement de haut en bas tout le volume de l'enceinte. Cette cheminée 15 peut comprendre des orifices 16 débouchant entre deux plaques de stratification consécutives, pour faciliter cette circulation intérieure.
Afin d'éviter le fonctionnement intempestif de la cheminée qui ne doit exister que lors des périodes de chauffage, celle-ci comprend à sa base une soupape thermostatique fonctionnant selon un principe bien connu, constituée par une capsule anéroïde 22 porteuse d'un clapet de fermeture 19, ainsi que représenté à la fig. 3.
Lorsque la température de l'eau située au voisinage du corps de chauffe augmente, cette capsule se trouve chauffée et ouvre le clapet, permettant à l'eau de remonter. Le clapet 19 est fixé à l'une des extrémités de la capsule 22 qui est portée à son autre extrémité par un support 23 solidaire de la cheminée 15. Il va de soi que ce support n'obture que faiblement la cheminée 15.
A son sommet, celle-ci peut comprendre un déflecteur supérieur 17 dont le fonctionnement est identique au déflecteur 13. Le jeu 18 entre le déflecteur 17 et la cheminée 15 peut être choisi pour répartir le plus judicieusement possible le débit dans l'ensemble de l'appareil.
L'accumulateur décrit peut être utilisé non seulement pour l'eau chaude sanitaire, mais aussi pour le chauffage d'autres fluides, par exemple pour une installation de chauffage d'immeuble à l'aide d'un fluide non gélif.
Les dessins représentent des plaques sensiblement planes. II va de soi qu'elles peuvent être bombées, coniques ou autres.
Le principe de l'invention peut en outre être appliqué à plusieurs accumulatuers placés en série l'un après l'autre.
L'enceinte a de préférence une forme verticalement allongée.
Sa section peut être quelconque, polygonale, circulaire, etc.
Les dessins mentionnent une entrée et une sortie. Il va de soi qu'on peut en augmenter le nombre, que l'entrée peut également être munie d'un diffuseur et que des prises peuvent être placées latéralement.
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CLAIMS
1. Accumulator comprising an enclosure intended to be filled with a heat-transfer liquid, in particular water, closed by bottoms, equipped with the pipes necessary for the circulation of the heat-transfer liquid and with organs allowing the heating of this liquid, characterized in that that at least one separation plate is placed horizontally in the accumulator, of which it occupies almost the entire section and slows down the internal circulation of the heat transfer liquid, while allowing the circulation of the heat transfer liquid corresponding to the use of the accumulator.
2. Accumulator according to claim 1, characterized in that the inner surface of the enclosure is coated with a thermal insulator.
3. Accumulator according to claim 1, characterized in that at least one separation plate is made of a material constituting a thermal insulator.
4. Accumulator according to claim 3, designed to operate at a fixed temperature of the accumulated liquid, characterized in that one of the separation plates is composed of two sheets arranged in parallel, connected by a strip mounted on their outer periphery, delimiting a volume sealed interior isolated from the enclosure intended to contain the heat-transfer liquid, this interior volume being filled with a substance whose liquefaction temperature is close to said temperature.
5. Accumulator according to claim 4, characterized in that a separation plate comprises at least one tubular element passing through it, closed at the ends, constituting a chamber isolated from the enclosure, chamber the lower part of which is immersed in a lower zone of the accumulator and the upper part of which is immersed in an upper zone of the accumulator, this chamber containing a liquid which, taking into account the state of pressure prevailing in this chamber, vaporizes or liquefies according to variations temperature of the heat transfer liquid.
6. Accumulator according to claim 1, characterized in that it comprises a chimney (15), which connects the upper and lower volumes of the heat transfer liquid by passing through each of the separation plates, this chimney being made of a material which is not very conductive of heat. and comprising a valve closing the lower opening of the chimney when the temperature of the heat transfer liquid is low at this location.
The known hot water accumulators have an important drawback which is noticed especially during their
use. After having heated the water contained in an enclosure to the desired maximum temperature, we cons
Tate that from the start of the withdrawal of hot water, it
being replaced by the arrival of the same amount of water
cold, a more or less accentuated mixture of
hot and cold water, which has the disadvantage of lowering the
hot water temperature, which tends to average.
Furthermore, even without stirring, the heat contained in
hot water diffuses more or less quickly in cold water. So,
the temperature of the water located near the water intake
hot continuously drops during use. This
decrease is annoying, it corresponds to a degradation of the
value of the accumulated energy.
The diffusion of heat is a complex phenomenon which
comes from the following main phenomena:
- water circulation by convection
- Brownian movements occurring mainly at the
limit of stratification between the hot and cold parts
volume of water
- transmission of energy by infrared radiation to
across the water
- energy conduction through the walls of the accumulator,
phenomenon all the more important as the walls are in
a material which is a good conductor of heat.
The object of the present invention is to remedy the drawbacks of accumulators of liquid and in particular of water heaters, which manifest themselves all the more strongly as the dimensions of the accumulators are large, which is especially the case when the heating periods are spaced.
These circumstances are very frequently encountered on electrical networks offering preferential rates at certain times and in particular also in the case of accumulators whose water is heated by solar energy.
More specifically, the subject of this invention relates to:
An accumulator comprising an enclosure intended to be filled with a heat-transfer liquid, in particular water, closed by bottoms, equipped with the pipes necessary for the circulation of the heat-transfer liquid and with organs allowing the heating of this liquid, characterized in that at least one separation plate is placed horizontally in the accumulator, of which it occupies almost the entire section and slows down the internal circulation of the heat-transfer liquid, while allowing the circulation of liquid corresponding to the use of the accumulator.
The 4 appended figures show diagrammatically and by way of nonlimiting example of embodiments of the accumulator according to the invention.
Fig. 1 is a vertical section of an accumulator comprising 4 interior separation plates.
Fig. 2 is a section through another accumulator equipped with a direct heating chimney.
Fig. 3 is a detail of FIG. 2. It represents the thermostatic valve equipping the chimney of fig. 2.
Fig. 4 shows a detail of FIG. 1, namely a heat transmission tube working in the vicinity of the boiling point of the liquid contained (tube generally called heat pipe in the technical literature).
In the description which follows, it will be assumed that the accumulated liquid is water, which is the most frequent case.
The accumulator according to fig. 1 comprises a sealed enclosure 1 which can be made of metal or another water-resistant material contained in the accumulator, taking into account the state of temperature and pressure. This accumulator is coated inside with an insulating layer 2 to thermally insulate it from the volume of water. The behavior of this layer is improved if it has a high thermal reflection power (inverse of the perfect absorber that is the black body). The presence of this interior thermal insulation has the effect of slowing the flow of calories which, through the wall, passes from the upper hot zone to the lower cold zone of the accumulator, thermal flow which tends to equalize the temperatures in the mass d to reduce the stratifica
tion of water temperatures.
The accumulator 1 can be surrounded by an external insulation made for example of glass wool, cork, polyurea
thane or other insulation, to reduce heat loss from
the accumulator to the outside.
This accumulator is connected to the water circuit by two canali
stations 4 and 5 located, one at the base, the other at the top. The
first corresponds to the cold water inlet and the second to the
hot water outlet. A deflector 13 can be arranged at the
cold water inlet right 4 to distribute the current
entering as closely as possible into the body of water located
at the bottom of the enclosure. The accumulator comprises a heating body 6. This is drawn here under the
form of an electrical resistance. It goes without saying that it could be replaced by a coil in which a heat transfer fluid previously heated by any suitable means would circulate, in particular by a solar energy collection installation.
The accumulator comprises separation plates 7 mounted horizontally in the enclosure containing the water. These plates occupy practically the entire section of the enclosure.
In a first embodiment, these plates are made of a material whose power of thermal conductivity is low. By their presence, they increase the thermal stratification of the water in the accumulator and slow down the internal circulation of water and consequently the mixing of hot and cold water. However, they allow the current of water corresponding to the use thereof to pass. Indeed, the clearance 12 formed at the periphery between the outer edge and the inner surface of the insulation 2 is sufficient to allow this exchange. Furthermore, these plates 7 can be perforated with one or more holes 14 of small diameter having the same function as the clearance 12.
In another embodiment, the plates 7 can be constituted by two metal sheets 8 and 9 arranged in parallel, connected by a strip 10 mounted on their outer periphery. The set of sheets 8 and 9 and of the strip 10 creates a plate whose general shape is similar to that of the plates 7. Inside these plates there is a volume filled with a fusible product 11. This product is liquefies and solidifies at temperatures close to that of use. The operation of the plate according to references 8, 9 and 10 is as follows: when the volume of water is heated by the heating body 6 placed below, the heat arrives from below, the temperature of the plate 9 increases. Substance 11 (for example paraffin), which is solid, then constitutes a poor conductor of heat.
When the temperature of the plate 9 is sufficient, the substance 1 1 begins to melt and, after a certain time, is completely liquefied. It is then no longer a poor conductor of heat because, as the heating arrives from below, convection currents are established in the liquid thus obtained and cause a heat flow going from sheet 9 to sheet 8. From there, the heat passes through this sheet and arrives in the volume of water located immediately above this plate 8, 9, 10.
When the heating period is over, the temperature tends to drop, therefore the substance 1 1 to solidify. Once this state is reached, the plate has lost a good part of its heat conducting power. In other words, it then behaves as an insulator and participates in improving the stratification of temperatures.
The same behavior with double thermal conduction can thus be obtained by using the phenomena of liquefaction and condensation. For example, the upper plate 7 of FIG. 1 comprises a heat transmission tube 20 shown on a larger scale in FIG. 4. This conductive tube consists of a simple pipe 20 closed at its two ends. It contains in particular a liquid 21 (for example
Freon = difluordichlorethane) whose evaporation temperature resp. liquefaction is close to the operating temperature of the accumulated water. When the temperature of the water contained below this plate 7 exceeds the evaporation temperature, this liquid is evaporated and transmits its heat in the upper walls of the tube where it condenses by communicating the heat of evaporation to the water located above said plate 7.
On the other hand, when the temperature of the water contained below the plate drops, the heat exchange is stopped and does not take place in reverse. This heat exchanger is known as a heat pipe.
Fig. 2 shows an accumulator according to the invention equipped with 5 separation plates executed as described above, either compact or composite, or with heat pipe. This accumulator further comprises a chimney 15 placed substantially vertically towards the middle. This chimney allows the fluid heated by the heating body 6 located at the base of the accumulator to rise through it directly upwards and to descend by a lateral counter-current while gradually occupying the entire volume from top to bottom. 'pregnant. This chimney 15 may include orifices 16 opening out between two consecutive stratification plates, to facilitate this internal circulation.
In order to avoid inadvertent operation of the chimney, which should only exist during heating periods, it comprises at its base a thermostatic valve operating according to a well-known principle, constituted by an aneroid capsule 22 carrying a flap closure 19, as shown in FIG. 3.
When the temperature of the water in the vicinity of the heating body increases, this capsule is heated and opens the valve, allowing the water to rise. The valve 19 is fixed to one end of the capsule 22 which is carried at its other end by a support 23 secured to the chimney 15. It goes without saying that this support only weakly closes the chimney 15.
At its top, this can include an upper deflector 17 whose operation is identical to the deflector 13. The clearance 18 between the deflector 17 and the chimney 15 can be chosen to distribute the flow as judiciously as possible throughout the 'apparatus.
The accumulator described can be used not only for domestic hot water, but also for heating other fluids, for example for a building heating installation using a non-freezing fluid.
The drawings show substantially flat plates. It goes without saying that they can be domed, conical or otherwise.
The principle of the invention can also be applied to several accumulators placed in series one after the other.
The enclosure preferably has a vertically elongated shape.
Its section can be arbitrary, polygonal, circular, etc.
The drawings show an inlet and an outlet. It goes without saying that the number can be increased, that the entrance can also be provided with a diffuser and that sockets can be placed laterally.