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ELEMENT CHAUFFANT ELECTRIQUE A ACCUMULATION, PARTICULIEREMENT POUR CUISINIERES, 9 CHAUFFE-EAU ET ANALOGUES.
Les cuisinières électriques à accumulation, telles qu'elles ont été proposées ou réalisées jusqu'à ce jour présen- tent des inconvénients qui ont empêché la généralisation de leur emploi.
En particulier, elles ont un encombrement et un poids trop élevés pour pouvoir être admises généralement sans difficul- té dans les installations domestiques. Cet encombrement et ce poids ont, comme deuxième conséquence, un prix de revient qui ext, lui aussi, un obstacle à la diffusion des appareils.
La présente invention a pour but de réaliser un élément chauffant électrique à accumulation d'un encombrement et d'un poids aussi réduits que possible pour permettre, notamment, de
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construire des cuisinières électriques perfectionnées et n'ayant pas les inconvénients ci-dessus.
Cet élément est caractérisé par le fait qu'il est consti- tué par une masse accumulatrice susceptible de changer d'état physique entre les températures d'utilisation, par exemple entre 300 et 500 dans le cas des cuisinières, et disposée à l'inté- rieur d'un vase de Dewar c'est à dire d'un récipient en verre à double paroi évacuée et munie d'une couche réfléchissante.
D'après une première forme de réalisation, cet élément comporte une masse de métal ou alliage, notamment alliage d'alu-
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minium-magnésium-zin-cuivre, contenue dans un pot métallique revêtu d'une couche épaisse de chrome ou doublé d'un creuset de carbure de silicium.
D'après une deuxième forme de réalisation, cet élément comporte une masse de soufre contenue dans un pot métallique étan- che .
Le changement d'état physique de certains corps, par exem- ple le passage de l'état solide à l'état liquide ou celui de l'é- tat liquide à l'état de vapeur, absorbe beaucoup plus de calories que l'échauffement des mêmes corps, sans changement d'état, dans les limites de température envisagées. Il sera donc possible d'ac- cumuler de façon utilisable le nombre de calories nécessaires dans une petite masse d'un corps qui subit un changement d'état entre les températures d'utilisation.
Du fait de la réduction du volume et de la surface qui en résultent, les pertes par rayonnement et par conduction seront fortement diminuées ; or, le nombre de calories à accumuler est la somme des calories à utiliser et
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et 4nmn' des calories qui seront perdues par rayonnement/par conduction en j dehors des périodes de chauffage de la masse accumulatrice, ce dernier chiffre étant une fraction notable du premier ; il en résulte qu'avec une masse de petit volume le nombre des calories à accumuler est moindre en raison même du petit volume de sorte que la masse peut être encore plus réduite qu'on ne l'aurait pensé tout d'abord.
En effermant cette petite masse accumulatrice dans une enveloppe calorifuge aussi parfaite qu'un vase de Dewar, on supprime presque toute perte de calories de sorte que la possi-
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1 ? K S 44, de réduction de la masse accumulatrice est encore augmentée ,,, 1 bilité/par une telle enveloppe isolante qui occupe elle-même lM un très petit volume.
On réalise donc ainsi un élément chauffant accumulateur d'encombrement extrêmement réduit.
On remarquera que l'usage d'une masse accumulatrice sus- ceptible de changer d'état physique, notamment de fondre, entre les températures d'utilisation, est connue en soi, mais on n'avait jusqu'à présent jamais songé à utiliser cette propriété pour rédui- re le volume de l'élément chauffant. Il a été également proposé de disposer un élément chauffant en fonte à l'intérieur d'un ré- cipient métallique à double paroi évacuée, mais cette disposition ne permet pas d'obtenir un bon isolement car la paroi métallique du récipient devient poreuse aux températures élevées, de sorte que le vide ne peut être conservé.
Une comparaison avec les meilleurs systèmes existants à ce jour montrera les résultats étonnant obtenus grâce à la combinaison conforme à l'invention.
On envisagera ci-dessus une cuisinière électrique à accu- mulation pour un ménage de 3 à 5 personnes, mise sous tension pendant 14 heures par 24 heures. La consommation moyenne de cou- rant par personne et par jour est, comme avec une cuisinière élec- trique ordinaire à chauffage direct, d'environ 1,25 kWh, soit 6,25 KWh par journée pour 5 personnes, ce qui équivaut à 6.250 x 863/1.000 = 5,393 cal/k = (grandes calories). Cêest donc cette 1. 0 quantité de grandes calories qu'il faut emmagasiner dans le bloc à accumulation; il y a lieu d'y ajouter les calories nécessaires pour compenser les pertes pendant les heures de mise hors tension.
Pour une cuisinière à accumulation bien étudiée, ces pertes sont de l'ordre de 175 calories k. à l'heure. En admettant, comme indi- qué ci-dessus, que la cuisinière soit mise sous tension 14 h. par 24 h., le bloc devra accumuler les calories correspondantes aux pertes pendant 10 heures soit 10 x 175 = 1750 cal/k. C'est donc, au total, 5.393 + 1.750 = 7.143 cal/k que lé bloc accumulateur devra emmagasiner.
Il faut remarquer que c'est pour limiter ces pertes par rayonnement et conduction que les constructeurs ont dû
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limiter la température du bloc à 500/550 C. maximum et que plus cette température est élevée, plus épaisse doit être la couche de calorifuge et plus l'encombrement augmente; dans le cas de la cuisinière ci-dessus considérée, les pertes ne sont limitées à 175 cal/k. à l'heure que moyennant une épaisseur de 15 à 20 c/m de calorifuges, et pour une température du bloc de 500 C seulement.
En outre, pour porter rapidement à ébullition les quahti- tés usuelles de liquides aqueux employés pour la cuisine, la tempé- rature de la plaque ne doit guère tomber au-dessous de 300 C.
C'est donc entre 300 et 500 C, soit sur une échelle de 200 C seulement que se situe la marge d'accumulation utilisable.
Avec les matériaux généralement employés pour réaliser les blocs accumulateurs, et en particulier avec la fonte de fer dont le coefficient de chaleur spécifique entre ces limites est de l'ordre de 0,14 et le poids spécifique de l'ordre de 7, le nombre de calo- ries/k. accumulées par dm3 n'est guère que de 200x0, 14x7=196 cal/k.
Cette cuisinière exige donc un volume de 7.143 = 36 dm3
196 de bloc accumulateur, soit un poids de 252 k .
Pour diverses raisons, tant d'encombrement en hauteur que de conservation des calories, on est généralement amené à donner au bloc accumulateur la forme d'un cylindre où h - d (hauteur = diamètre). Dans le cas ci-dessus le diamètre du bloc sera donc de 358 m/m. Avec le calorifuge nécessaire l'encombrement horizontal de l'accumulateur calorifugé est de l'ordre de 750 m/m et 1'encom- brement vertiàl de l'ordre de 550 m/m.
Ces inconvénients d'encombrement et de prix de revient ont conduit à restreindre la capacité de cuisson des appareils pour les rendre plus accessibles à la clientèle familiale, de sorte que la plupart ne comportent qu'une seule plaque de cuisson à accumulation ce qui en limite considérablement l'emploi.
Les constructeurs ont, par suite, été souvent amenés à les compléter avec des dispositifs à chauffage électrique direct (plaques, fours, grils) dont la puissance instantanée élevée venant s'ajou- ter à celle du corps de chauffe à accumulation, va à l'encontre du but poursuivi (accumulation); à titre d'exemple, une cuisinière
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permettant de faire la cuisine pour 6 personnes comporte, en outre d'une plaque à accumulation alimentée par un corps de chauffe de 300 à 600 W. des éléments à chauffage électrique direct, à savoir : une ou plusieurs plaques de 1000 à 1800 W. et un four de 1000 W., pouvant éventuellement être branchés en parallèle avec le corps de chauffe à accumulation de 300 à 600 W.
On voit que, dans ce cas, la dénomination de cuisinière "à accumulation" est employée abusivement et que ces appareils ne répondent que de très loin aux spécifications d'un appareil à accumulation de chaleur qui doit permettre d'emmagasiner lentement, sous une faible puissance constante, une quantité élevée d'énergie, et de la restituer rapidement au moment désiré. L'encombrement (et le prix de revient élevé qui en résulte) ont empêché de doter ces cuisinières de divers perfectionnements destinés tant à augmenter leur rendement par une récupération des fuites de calories, qu'à en accroître l'utilité en étendant la gamme des modes de cuisson dont elles sont capables.
Suivant l'invention, dans une première forme de réa- lisation préférée, on utilise la chaleur de fusion d'un alliage
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d'aluminùm-4magnésium-zîne-cuivre. Un tel alliage doit être contenu dans un pot approprié. En effet, on a déjà cherché à utiliser des métaux tels que l'aluminium (fusion à 660 C) ou des alliages d'alu- minium, zinc, magnésium, cuivre etc.., mais il est vite apparu- que le pot contenant ces métaux ou alliage était attaqué par eux et rapidement mis hors d'usage et cette solution fut ensuite abandonnée. Afin de tourner cette difficulté, il est fait usage, suivant la présente invention, de pots métalliques doublés, soit d'un creuset de carbure de silicium, soit d'un revêtement épais de chrome qui, tous deux, résistent à l'attaque de la plupart des métaux et alliages ci-dessus.
Pour l'alliage considéré les constantes essentielles sont les suivantes :
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<tb> coefficient <SEP> de <SEP> chaleur <SEP> spécifique <SEP> ................... <SEP> 0.327
<tb>
<tb> densité <SEP> ...........................................-.. <SEP> 2.19
<tb>
<tb> chaleur <SEP> de <SEP> fusion <SEP> ................................... <SEP> 180 <SEP> cal/k
<tb>
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La capacité calorifique d'un dm3 de cet alliage entre 300 et 500 C se compose:
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<tb> 1 / <SEP> de <SEP> la <SEP> chaleur <SEP> spécifique <SEP> accumulée
<tb>
<tb> 200 <SEP> x <SEP> 0,327 <SEP> x <SEP> 2,19 <SEP> ........................ <SEP> 143 <SEP> cal/k
<tb>
<tb>
<tb> 2 / <SEP> de <SEP> la <SEP> chaleur <SEP> de <SEP> fusion
<tb>
<tb>
<tb> 180 <SEP> x <SEP> 2,19 <SEP> ................................ <SEP> 394
<tb>
<tb>
<tb> total........ <SEP> 537 <SEP> cal/k
<tb>
Pour emmagasiner les 7.143 cal/k nécessaires il suffira dès lors de :
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7ï= ij dm5 325 cm3 c'est à dire d'un cylindre où d = h = 258 m/m.
Une paroi de 10 m/m étant amplement suffisante pour le pot contenant cet alliage, le bloc accumulateur proprement dit aura, dans ce cas, un diamètre de 278 m/m et une hauteur de 268 M/m, soit 80 m/m de moins de diamètre que le bloc de fonte de fer.
Son pods sera le total de : 1./ poids du bloc accumulateur = 13.325 x 2,19 = 29.200 G.
2. / " " pot (3 dm3) = 3 x 7 = 20.685 G. total : 49. 885 G.
Dans une deuxième forme de réalisation préférée, on uti- lise le soufre, dont les constantes essentielles sont les suivante):
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<tb> coefficient <SEP> de <SEP> chaleur <SEP> spécifique <SEP> 0.1764
<tb>
<tb> densité <SEP> ............................................ <SEP> 2.07
<tb>
<tb> point <SEP> d'ébullition <SEP> 444 C
<tb>
<tb> chaleur <SEP> de <SEP> vaporisation <SEP> ............................ <SEP> 361.5
<tb>
Il est indispensable, dans ce cas, de prévoir au sein/ du bloc un dispositif de diffusion des calories convenable pour assu- rer régulièrement la fusion du bloc et pour permettre la resti- tution des calories.
Ce dispositif occupant un certain volume, environ 20% du volume du bloc, celui-ci devra être majoré d'autant
La capacité calorifique de 1 dm3 de soufre entre 300 et 444 C .... sera composée de :
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1./ la chaleur spécifique accumulée :
144 x 0,1764 x 2,07 = 52 cal/k 2./ la chaleur de vaporisation 361,5 x 2,07 - 748 " total ....... 800 cal/k
Pour emmagasiner les 7.143 cal/k nécessaires, il ne
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faudra plus que 2.}ff? - 8 dm3 928 em3.
En majorant ce volume des 20% nécessaires pour le dis- positif de conduction des calories à travers la masse de soufre, il devient :
8.928 x 1,20 = 10 dm3 713 cm
C'est un'cylindre où d = h = 239 m/m, soit avec un pot de 10 m/m de paroi, d - 259 m/m et h - 249 m/m soit 99 m/m de moins que le diamètre du bloc de fer.
Son poids total sera de : 1/ poids du blod accumulateur : 8.928 x 2,07 = 18.480 G.
2/ " " pot (2.417 cm3) : 2.417 x 7 = 16.920 G. total - 35.400 G.
,La comparaison, faite dans le tableau ci-dessous, des volumes,-poids, diamètres et hauteurs respectifs de ces trois systèmes, fait ressortir l'avantage des perfectionnements propo- sés pour le bloc accumulateur :
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<tb> f <SEP> e <SEP> r <SEP> alliage <SEP> soufre
<tb>
<tb>
<tb> volume <SEP> en <SEP> dm3 <SEP> 36 <SEP> 13,325 <SEP> 10,?13
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> poids <SEP> en <SEP> kG. <SEP> 252 <SEP> 49,885 <SEP> 35,400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> diamètre <SEP> en <SEP> m/m <SEP> 358 <SEP> 278 <SEP> 259
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> hauteur <SEP> en <SEP> m/m <SEP> 358 <SEP> 268 <SEP> 249
<tb>
L'emploi, comme cal rifuge, d'un vase de Dewàr permet de réduire dans des proportions encore plus considérables 3.'encombre- ment total de l'élément accumulateur calorifugé .
En effet, au lieu d'une épaisseur de 15 à 20 c/m de calo- rifuge habituel, il suffit de l'espace suffisant pour loger la paroi du vase (env. 12-m/m) ainsi que le matelas élastique desti- né à le protéger, soit au total 25 m/m.
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La comparaison entre les trois systèmes d'éléments accumulateurs calorifugés s'établir alors comme suit :
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<tb> f <SEP> e <SEP> r <SEP> alliage <SEP> soufre
<tb>
<tb>
<tb> diamètre <SEP> en <SEP> m/m <SEP> 750 <SEP> 328 <SEP> 309
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> hauteur <SEP> en <SEP> m/m <SEP> 550 <SEP> 293 <SEP> 274
<tb>
A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté schématiquement au dessin annexé un élément accumulateur calorifu- gé suivant l'invention.
Dans un pot 1 dont le dessus forme la plaque de chauffage est contenu le corps accumulateur 4 ; ce pot est en métal doublé d'une couche protectrice 5 fournie soit par un revêtement épais de chrome soit par un creuset de carbure de silicium. Le pot 1 est entouré d'un vase de Dewar 2 convenablement suspendu et isolé du contact du pot 1 et des parois extérieures par une couche mince 3 d'une matière calorifuge.
L'application de l'élément chauffant électrique à accu- mulation suivant l'invention aux cuisinières électriques permet de réaliser en outre de nombreux avantages nouveaux inattendus ré- sultant des faibles dimensions totales de ltélément chauffant calorifugé .
En particulier, dans une cuisinière de dimensions accepta- bles, on pourra disposer plusieurs éléments accumulateurs ayant des régimes de décharge différents tant par la température que par la valeur du flux, chacun d'eux étant adapté à un régime de cuisson particulier : ébullition rapide ou lente, mijotage, grilla- de, four, etc... On réalisera ainsi une cuisinière,; à accumula- tion répondant réellement à tous les besoins, ce qui n'a pu être fait jusqu'à présent.
Comme exemple de ces perfectionnements, on considèrera un four de dimensions couramment admises, soit :
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<tb> largeur <SEP> ........ <SEP> 320 <SEP> m/m
<tb>
<tb> hauteur <SEP> 240 <SEP> m/m
<tb>
<tb> profondeur <SEP> ..... <SEP> 370 <SEP> m/m
<tb>
Pour les besoins usuels de cuisine d'une famille de 3 à 5 personnes, ce four, chauffé directement, consomme en moyenne
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1200 Wh par jour; il exige des régimes de chauffage très différent! selon la nature des mets qui y sont préparés.
Le chauffage par accumulation des fours de cuisine do- mestique a soulevé de nombreuses difficultés et, en premier lieu, celle du réglage. Cet obstacle n'a été vaincu que partiellementeen employant un chauffage mixte: par exemple le four est entretenu constamment à 100 C à l'aide de calories empruntées au bloc accumulateur (en général par "fuites") et le réglage pour des températures supérieures (entre 100 et 300 C, par exemple) est obtenu à l'aide de résistances additionnelles à chauffage direct: ce n'est donc pas, à proprement parler, du chauffage à accumu- la@ion.
Le rendement d'un pareil four est assez mauvais; il est beaucoup plus difficile d'éviter les pertes dans un four que dans un bloc accumulateur. Malgré l'emploi de couches de calori- fuge beaucoup plus épaisses que pour un four analogue mais à chauffage direct, l'entretien d'une température de 100 C constante exige une consommation d'environ 80 Wh à l'heure soit 1920 Wh par 24 h. Si l'on ajoute la consommation exigée pour la cuissmn propre des aliments, on arrive à une dépense totale quotidienne de l'ordre de 2.700 à 3.000 Wh soit plus du double de ce que l'on dépenserait avec un four à chauffage direct.
En utilisant au contraire un accumulateur à changement d'état faisant un des objets de la présente invention, tel que celui au soufre, par exemple, pour accumuler les 1200 Wh (soit 1200 x 863 = 1035 cal/k) nécessaires quotidiennement, il d' suffit d'un bloc/environ 1,5 dm3 calorifugé dans un vase de Dewar, dont les pertes seront à peu près négligeables et de complé- ter le système par un des nombreux dispositifs de transfert des calories connus (thermo-siphonage d'un liquide convenable, appli- cation du principe de la paroi froide, etc..) qui permettra au moment voulu de chauffer rapidement le four et d'en régler la tem- pérature dans les limites convenables, sans faire appel à une puissance instantanée électrique supplémentaire.
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On va considérer maintenant une cuisinière électrique complète.
On a vu ci-dessus qu'avec une cuisinière à accumulation d'un bon modèle courant, la consommation quotidienne totale d'une famille de 3 à 5 personnes était de l'ordre de 7.143 cale dont 1.750 cal/k pour les pertes.
On a vu, d'autre part, qu'en c&mbinant l'emploi d'un vase de Dewar comme calorifuge avec un bloc accumulateur à changement d'état, on obtenait un double avantage :
1./ réduction considérable du volume et du poids du bloc accumulateur calorifugé ;
2. / réduction tout aussi importante des pertes qui deviennent négligeables.
La combinaison de ces deux avantages a pour effet de réagir sur le premier : les 1750 cal/k correspondant aux pertes dans une cuisinière à accumulation ordinaire étant réduites dans celle faisant l'objet de la présente invention à quelques dizaines, c'est une nouvelle réduction de près de 24% en volume que l'auteur peut faire subir à son accumulateur pour satisfaire aux mêmes besoins.
Les très faibles encombrements réalisés permettent, dès lors, un perfectionnement nouveau aux cuisinières à accumulation: à savoir le fractionnement en petites unités de l'élément accu- mulateur calorifugé.
Cet avantage extrêmement important permet d'équiper facilement une cuisinière avec deux, trois, quatre plaques de chauffage ou plus, d'où la possibilité, jusqu'à présent interdite, de mener plusieurs cuissons simultanément sur une petite cuisi- nière domestique à accumulation, tout comme sur une cuisinière analogue mais à chauffage direct.
En outre, si, par suite de l'absence d'un ou de plu- sieurs membres de la famille, les besoins se trouvent réduits, il est possible de couper l'alimentation d'une o plusieurs plaques de chauffage pour ne laisser sous tension que le nombre stricte- ment suffisant.
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Une cuisinière à chauffage direct ayant trois plaques et un four, à savoir :
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<tb> 1 <SEP> plaque <SEP> de <SEP> 220 <SEP> mm. <SEP> de <SEP> diamètre
<tb>
<tb> 1 <SEP> " <SEP> " <SEP> 180 <SEP> mm. <SEP> "
<tb>
<tb> 1 <SEP> " <SEP> " <SEP> 145 <SEP> mm. <SEP> "
<tb>
1 four aux dimensions énoncées plus haut, a un encombre- ment qui est normalement le suivant :
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<tb> largeur <SEP> ......... <SEP> 700 <SEP> mm.
<tb>
<tb> profondeur <SEP> ...... <SEP> 600 <SEP> mm.
<tb>
<tb> hauteur......... <SEP> 800 <SEP> mm.
<tb>
Il est facile, d'après la présente invention, de réaliser une cuisinière à accumulation dotée d'organes similaires et ayant la -même capacité de cuisson, dans les limites du même encombrement,
Les figures 2 et 3 montrent en plan et en élévation une telle cuisinière dans laquelle : A est une plaque de cuisson à accumulation de 220 m/m de diamètre et 100 mm. de hauteur, enveloppée de son,: système calorifuge B est une plaque de cuisson à accumulation de 180 m/m de diamètre et 100 m/m de hauteur, enveloppée de son système calorifuge C est une plaque de cuisson à accumulation de 145 m/m de diamètre et 100 mm, de hauteur, enveloppée de son,., sterne calorifuge D est un four de 240 mm. de hauteur, 320 mm. de largeur et
370 m/m de profondeur.
E ëst l'accumulateur du four F est un circuit tubulaire à thermo-siphon (par exemple paraffine, mercure...) commandé par une vanne à membrane élastique H.
G est le calorifuge du four.
Le tableau ci-dessous indique pour chaque plaque le vo- lume de la partie active, la capacité calorifique et 1'encombrement
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système ea10rifge compris.
Quant à l'accumulateur E du four, on a vu qu'avec un volume de 1.500 cm3 et une capacité calorifique de 1035 cala, il était suffisant.
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<tb> diamètre <SEP> volume <SEP> de <SEP> :Capacité <SEP> ' <SEP> ' <SEP> : <SEP> Encombrement <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ; <SEP> Plaques <SEP> : <SEP> en <SEP> m/m <SEP> : <SEP> 1 accumulateur <SEP> calorifique <SEP> en <SEP> m/m
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> : <SEP> en <SEP> cm3 <SEP> en <SEP> Cal/k <SEP> diam, <SEP> h
<tb>
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: : ' g s s 22o ; : 3.8o0 3.040 280 125
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<tb> A <SEP> 220 <SEP> 3. <SEP> 800 <SEP> 3.040 <SEP> 280 <SEP> 125
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> 180 <SEP> 2. <SEP> 544 <SEP> 2.035 <SEP> 240 <SEP> 125
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> C <SEP> 145 <SEP> 1.651 <SEP> 1.320 <SEP> 202 <SEP> 125
<tb>
La capacité calorifique totale de la cuisinière est donc:
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<tb> Plaque <SEP> A <SEP> 3.040
<tb>
<tb> - <SEP> B <SEP> 2.035
<tb>
<tb> - <SEP> C <SEP> 1.320
<tb>
<tb> Four <SEP> 1.035
<tb> 7.430 <SEP> Cal/k
<tb>
c'est à dire près de 25% de plus de calories utiles que ne peut fournir une cuisinière à accumulation analogue des systèmes déjà connus. Encore n'est-il pas fait état de la chaleur sensi- ble des vases contenant le corps accumulateur.
Il est d'ailleurs facile d'augmenter la capacité calo rifique de la cuisinière citée en exemple : suffit d'augmen- ter la hauteur des plaques et une dimension quelconque de l'accumulateur du four. Les espaces nécessaires sont largement disponibles.
L'élément chauffant conforme à l'invention s'applique aus- si avantageusement aux chauffe-eau à accumulation, dans lequel cas on ne réchauffera l'eau, au moyen d'un serpentin disposé au contact de l'élément chauffant, qu'au moment de l'utilisation. ce dispositif présente un avantage considérable par rapport aux chauffe-eau à accumulation connus dans lesquels la chaleur est accumule. dans un bac d'eau chaude, car, d'une part il permet de supprimer l'emploi d'un bac encombrant, et, d'autre part, il écarte le danger provenant de la surpression qui peut être créée dans ce bac dans le cas où par suite du non fonctionnement du thermostat, l'eau du bac est transformée en vapeur.
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ELECTRICAL HEATING ELEMENT WITH ACCUMULATION, ESPECIALLY FOR COOKERS, 9 WATER HEATERS AND SIMILAR.
Electric storage cookers, as they have been proposed or produced to date, have drawbacks which have prevented their generalization of use.
In particular, they have too much bulk and weight to be generally accepted without difficulty in domestic installations. This size and weight have, as a second consequence, a cost price which is also an obstacle to the distribution of devices.
The object of the present invention is to provide an electric heating element with accumulation of a size and a weight as small as possible to allow, in particular,
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construct advanced electric cookers which do not have the above drawbacks.
This element is characterized by the fact that it is constituted by an accumulating mass capable of changing physical state between the temperatures of use, for example between 300 and 500 in the case of stoves, and arranged inside. - laughing of a Dewar vase, ie a double-walled glass container evacuated and provided with a reflective layer.
According to a first embodiment, this element comprises a mass of metal or alloy, in particular an aluminum alloy.
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minium-magnesium-zinc-copper, contained in a metal pot coated with a thick layer of chromium or lined with a crucible of silicon carbide.
According to a second embodiment, this element comprises a mass of sulfur contained in a sealed metal pot.
The change of physical state of certain bodies, for example the change from the solid state to the liquid state or from the liquid state to the vapor state, absorbs many more calories than the heating of the same bodies, without change of state, within the temperature limits envisaged. It will therefore be possible to accumulate in a usable manner the number of calories required in a small mass of a body which undergoes a change of state between the temperatures of use.
Due to the resulting reduction in volume and area, radiation and conduction losses will be greatly reduced; however, the number of calories to accumulate is the sum of the calories to be used and
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and 4nmn 'of the calories which will be lost by radiation / by conduction outside the periods of heating of the accumulator mass, the latter figure being a significant fraction of the first; it follows that with a mass of small volume the number of calories to be accumulated is less due even to the small volume so that the mass can be reduced even more than one would have thought at first.
By enclosing this small accumulating mass in a heat-insulating envelope as perfect as a dewar vessel, almost all loss of calories is eliminated so that the possibility of
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1? K S 44, the reduction in the accumulating mass is further increased ,,, 1 bility / by such an insulating envelope which itself occupies a very small volume.
An extremely small storage heating element is thus produced.
It will be noted that the use of an accumulating mass capable of changing its physical state, in particular of melting, between the temperatures of use, is known per se, but until now no one had thought of using this property to reduce the volume of the heating element. It has also been proposed to place a cast iron heating element inside a metal container with an evacuated double wall, but this arrangement does not make it possible to obtain good insulation because the metal wall of the container becomes porous at temperatures. high, so that the vacuum cannot be maintained.
A comparison with the best existing systems to date will show the astonishing results obtained by virtue of the combination in accordance with the invention.
Consideration will be given above to an electric accumulator cooker for a household of 3 to 5 people, energized for 14 hours per 24 hours. The average current consumption per person per day is, as with an ordinary electric cooker with direct heating, about 1.25 kWh, or 6.25 kWh per day for 5 people, which is equivalent to 6,250 x 863 / 1,000 = 5.393 cal / k = (large calories). It is therefore this 1. 0 quantity of large calories that must be stored in the accumulation block; it is necessary to add the necessary calories to compensate for the losses during the hours of deactivation.
For a well-studied storage cooker, these losses are of the order of 175 k calories. on time. Assuming, as indicated above, that the cooker is switched on 14 h. per 24 h., the block must accumulate the calories corresponding to the losses for 10 hours, i.e. 10 x 175 = 1750 cal / k. It is therefore, in total, 5,393 + 1,750 = 7,143 cal / k that the accumulator block must store.
It should be noted that it is to limit these losses by radiation and conduction that the manufacturers had to
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limit the temperature of the block to a maximum of 500/550 C. and that the higher this temperature, the thicker the insulation layer must be and the more the size increases; in the case of the above considered stove, losses are not limited to 175 cal / k. per hour only with a thickness of 15 to 20 c / m of thermal insulation, and for a block temperature of 500 C only.
In addition, in order to bring the usual quantities of aqueous liquids used in cooking rapidly to the boil, the temperature of the plate should not drop much below 300 C.
It is therefore between 300 and 500 C, or on a scale of 200 C only, that the usable accumulation margin is situated.
With the materials generally used to make the accumulator blocks, and in particular with cast iron, the specific heat coefficient of which between these limits is of the order of 0.14 and the specific weight of the order of 7, the number of calories / k. accumulated per dm3 is hardly more than 200x0, 14x7 = 196 cal / k.
This cooker therefore requires a volume of 7.143 = 36 dm3
196 accumulator block, i.e. a weight of 252 k.
For various reasons, both in terms of height and conservation of calories, it is generally necessary to give the accumulator block the shape of a cylinder where h - d (height = diameter). In the above case, the diameter of the block will therefore be 358 m / m. With the necessary insulation, the horizontal space requirement of the insulated accumulator is of the order of 750 m / m and the vertical space requirement of the order of 550 m / m.
These drawbacks in terms of size and cost have led to restricting the cooking capacity of the appliances to make them more accessible to family customers, so that most have only one accumulation cooking plate, which limits considerably employment.
Manufacturers have therefore often had to supplement them with direct electric heating devices (plates, ovens, grills), the high instantaneous power of which, added to that of the storage heating body, goes to the 'against the aim pursued (accumulation); for example, a stove
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for cooking for 6 people, it also has an accumulation plate supplied by a heating body from 300 to 600 W. elements with direct electric heating, namely: one or more plates from 1000 to 1800 W. and a 1000 W oven, which can optionally be connected in parallel with the 300 to 600 W storage heating body.
It can be seen that, in this case, the denomination of "storage" cooker is misused and that these devices meet only very far the specifications of a heat storage device which must allow storage slowly, under a low constant power, a high quantity of energy, and to restore it quickly at the desired moment. The bulk (and the resulting high cost price) have prevented these cookers from being equipped with various improvements intended both to increase their efficiency by recovering heat leaks, and to increase their usefulness by extending the range of cooking methods they are capable of.
According to the invention, in a first preferred embodiment, the heat of fusion of an alloy is used.
EMI5.1
of aluminùm-4magnesium-zine-copper. Such an alloy should be contained in a suitable pot. In fact, attempts have already been made to use metals such as aluminum (melting at 660 C) or alloys of aluminum, zinc, magnesium, copper, etc., but it quickly became apparent that the pot containing these metals or alloys were attacked by them and quickly put out of use and this solution was then abandoned. In order to overcome this difficulty, use is made, according to the present invention, of metal pots lined either with a crucible of silicon carbide or with a thick coating of chromium which, both of which resist the attack of most of the above metals and alloys.
For the alloy considered, the essential constants are as follows:
EMI5.2
<tb> coefficient <SEP> of <SEP> specific heat <SEP> <SEP> ................... <SEP> 0.327
<tb>
<tb> density <SEP> ........................................... - .. <SEP> 2.19
<tb>
<tb> heat <SEP> of <SEP> fusion <SEP> ................................... <SEP> 180 <SEP> cal / k
<tb>
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The heat capacity of one dm3 of this alloy between 300 and 500 C consists of:
EMI6.1
<tb> 1 / <SEP> of <SEP> the <SEP> specific heat <SEP> <SEP> accumulated
<tb>
<tb> 200 <SEP> x <SEP> 0.327 <SEP> x <SEP> 2.19 <SEP> ........................ < SEP> 143 <SEP> cal / k
<tb>
<tb>
<tb> 2 / <SEP> of <SEP> the <SEP> heat <SEP> of <SEP> fusion
<tb>
<tb>
<tb> 180 <SEP> x <SEP> 2.19 <SEP> ................................ < SEP> 394
<tb>
<tb>
<tb> total ........ <SEP> 537 <SEP> cal / k
<tb>
To store the necessary 7,143 cal / k, it will therefore suffice to:
EMI6.2
7i = ij dm5 325 cm3 i.e. of a cylinder where d = h = 258 m / m.
A wall of 10 m / m being amply sufficient for the pot containing this alloy, the accumulator block itself will have, in this case, a diameter of 278 m / m and a height of 268 M / m, i.e. 80 m / m of less in diameter than the cast iron block.
Its pods will be the total of: 1. / weight of the accumulator block = 13.325 x 2.19 = 29.200 G.
2. / "" pot (3 dm3) = 3 x 7 = 20.685 G. total: 49. 885 G.
In a second preferred embodiment, sulfur is used, the essential constants of which are as follows):
EMI6.3
<tb> specific heat <SEP> <SEP> coefficient <SEP> <SEP> 0.1764
<tb>
<tb> density <SEP> ........................................... . <SEP> 2.07
<tb>
<tb> boiling point <SEP> <SEP> 444 C
<tb>
<tb> heat <SEP> of <SEP> vaporization <SEP> ............................ <SEP> 361.5
<tb>
It is essential, in this case, to provide within the block a suitable heat distribution device to ensure regular melting of the block and to allow the calories to be restored.
As this device occupies a certain volume, approximately 20% of the volume of the block, it must be increased by the same amount
The heat capacity of 1 dm3 of sulfur between 300 and 444 C .... will be composed of:
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1. / the specific heat accumulated:
144 x 0.1764 x 2.07 = 52 cal / k 2. / heat of vaporization 361.5 x 2.07 - 748 "total ....... 800 cal / k
To store the required 7,143 cal / k, it does not
EMI7.1
will need more than 2.} ff? - 8 dm3 928 em3.
By increasing this volume by the 20% necessary for the calorie conduction device through the mass of sulfur, it becomes:
8.928 x 1.20 = 10 dm3 713 cm
It is a cylinder where d = h = 239 m / m, i.e. with a pot of 10 m / m wall, d - 259 m / m and h - 249 m / m or 99 m / m less than the diameter of the iron block.
Its total weight will be: 1 / weight of the accumulator blod: 8.928 x 2.07 = 18.480 G.
2 / "" pot (2.417 cm3): 2.417 x 7 = 16.920 G. total - 35.400 G.
, The comparison, made in the table below, of the respective volumes, weight, diameters and heights of these three systems, shows the advantage of the improvements proposed for the accumulator unit:
EMI7.2
<tb> f <SEP> e <SEP> r <SEP> alloy <SEP> sulfur
<tb>
<tb>
<tb> volume <SEP> in <SEP> dm3 <SEP> 36 <SEP> 13,325 <SEP> 10,? 13
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> weight <SEP> in <SEP> kG. <SEP> 252 <SEP> 49,885 <SEP> 35,400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> diameter <SEP> in <SEP> m / m <SEP> 358 <SEP> 278 <SEP> 259
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> height <SEP> in <SEP> m / m <SEP> 358 <SEP> 268 <SEP> 249
<tb>
The use of a Dewàr vessel as heat insulator makes it possible to reduce the total bulk of the heat-insulated accumulator element to an even greater extent.
In fact, instead of the usual thickness of 15 to 20 c / m of thermal insulation, sufficient space is sufficient to accommodate the wall of the vessel (approx. 12-m / m) as well as the elastic mattress intended for it. - born to protect it, or a total of 25 m / m.
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The comparison between the three systems of heat-insulated accumulator elements is then established as follows:
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<tb> f <SEP> e <SEP> r <SEP> alloy <SEP> sulfur
<tb>
<tb>
<tb> diameter <SEP> in <SEP> m / m <SEP> 750 <SEP> 328 <SEP> 309
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> height <SEP> in <SEP> m / m <SEP> 550 <SEP> 293 <SEP> 274
<tb>
By way of example, a thermally insulated accumulator element according to the invention has been described below and shown schematically in the accompanying drawing.
In a pot 1, the top of which forms the heating plate, the accumulator body 4 is contained; this pot is made of metal lined with a protective layer 5 provided either by a thick coating of chromium or by a crucible of silicon carbide. The pot 1 is surrounded by a Dewar vessel 2 suitably suspended and isolated from the contact of the pot 1 and the outer walls by a thin layer 3 of a heat-insulating material.
The application of the electric accumulative heating element according to the invention to electric cookers further achieves many unexpected new advantages resulting from the small overall dimensions of the insulated heating element.
In particular, in a cooker of acceptable dimensions, it is possible to have several accumulator elements having different discharge regimes both by temperature and by the value of the flow, each of them being adapted to a particular cooking regime: rapid boiling or slow, simmering, toasting, oven, etc ... We will thus achieve a stove; with accumulation really meeting all the needs, which could not be done until now.
As an example of these improvements, we will consider a furnace of commonly accepted dimensions, namely:
EMI8.2
<tb> width <SEP> ........ <SEP> 320 <SEP> m / m
<tb>
<tb> height <SEP> 240 <SEP> m / m
<tb>
<tb> depth <SEP> ..... <SEP> 370 <SEP> m / m
<tb>
For the usual cooking needs of a family of 3 to 5 people, this oven, directly heated, consumes on average
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1200 Wh per day; it requires very different heating regimes! according to the nature of the dishes prepared there.
The storage heating of domestic cooking ovens has given rise to many difficulties, first and foremost that of regulation. This obstacle was only partially overcome by using mixed heating: for example, the oven is constantly maintained at 100 C using calories borrowed from the accumulator block (generally by "leaks") and the setting for higher temperatures ( between 100 and 300 C, for example) is obtained using additional resistors with direct heating: it is therefore not, strictly speaking, storage heating.
The efficiency of such an oven is bad enough; it is much more difficult to avoid losses in an oven than in an accumulator block. Despite the use of much thicker layers of thermal insulation than for a similar furnace with direct heating, maintaining a constant temperature of 100 C requires a consumption of around 80 Wh per hour, i.e. 1920 Wh per hour. 24 h. If we add the consumption required for the proper cooking of food, we arrive at a total daily expenditure of around 2,700 to 3,000 Wh, which is more than double what we would spend with a direct-heated oven.
By using, on the contrary, an accumulator with change of state making one of the objects of the present invention, such as the sulfur one, for example, to accumulate the 1200 Wh (or 1200 x 863 = 1035 cal / k) required daily, it d 'a block / approximately 1.5 dm3 is sufficient insulated in a Dewar vessel, the losses of which will be almost negligible and to complete the system with one of the many known calorie transfer devices (thermosiphoning of a suitable liquid, application of the principle of the cold wall, etc.) which will allow the furnace to be quickly heated at the desired moment and the temperature to be regulated within suitable limits, without calling on instantaneous electrical power additional.
<Desc / Clms Page number 10>
We will now consider a complete electric cooker.
We have seen above that with a storage cooker of a good current model, the total daily consumption of a family of 3 to 5 people was of the order of 7,143 wedges, of which 1,750 cal / k for losses.
We have seen, on the other hand, that by combining the use of a Dewar vessel as heat insulator with a change-of-state accumulator block, we obtain a double advantage:
1. / considerable reduction in the volume and weight of the heat-insulated accumulator block;
2. / equally significant reduction in losses which become negligible.
The combination of these two advantages has the effect of reacting on the first: the 1750 cal / k corresponding to the losses in an ordinary storage stove being reduced in that which is the subject of the present invention to a few tens, this is a new reduction of nearly 24% in volume that the author can apply to his accumulator to meet the same needs.
The very small dimensions achieved therefore allow a new improvement in storage cookers: namely the division into small units of the heat-insulated accumulator element.
This extremely important advantage makes it easy to equip a cooker with two, three, four or more hotplates, hence the possibility, until now prohibited, of carrying out several cookings simultaneously on a small domestic storage cooker, just like on a similar cooker but with direct heating.
In addition, if, owing to the absence of one or more family members, the needs are reduced, it is possible to cut off the power supply to one or more heating plates so as not to leave under. voltage than the strictly sufficient number.
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A direct-heated cooker having three plates and an oven, namely:
EMI11.1
<tb> 1 <SEP> plate <SEP> of <SEP> 220 <SEP> mm. <SEP> of <SEP> diameter
<tb>
<tb> 1 <SEP> "<SEP>" <SEP> 180 <SEP> mm. <SEP> "
<tb>
<tb> 1 <SEP> "<SEP>" <SEP> 145 <SEP> mm. <SEP> "
<tb>
1 oven with the dimensions stated above, has a footprint which is normally as follows:
EMI11.2
<tb> width <SEP> ......... <SEP> 700 <SEP> mm.
<tb>
<tb> depth <SEP> ...... <SEP> 600 <SEP> mm.
<tb>
<tb> height ......... <SEP> 800 <SEP> mm.
<tb>
It is easy, according to the present invention, to achieve an accumulation cooker provided with similar members and having the same cooking capacity, within the limits of the same size,
Figures 2 and 3 show in plan and in elevation such a stove in which: A is an accumulation cooking plate 220 m / m in diameter and 100 mm. height, enveloped in sound: heat insulation system B is a storage hob 180 m / m in diameter and 100 m / m high, wrapped in its heat insulation system C is a storage hob with 145 m / m m in diameter and 100 mm, in height, shrouded in sound,., heat-insulating tern D is a 240 mm oven. high, 320 mm. width and
370 m / m deep.
The accumulator of the furnace F is a tubular thermo-siphon circuit (for example paraffin, mercury, etc.) controlled by an elastic membrane valve H.
G is the heat insulation of the oven.
The table below indicates for each plate the volume of the active part, the heat capacity and the overall dimensions.
EMI11.3
ea10rifge system included.
As for the accumulator E of the furnace, we have seen that with a volume of 1,500 cm3 and a calorific capacity of 1035 cala, it was sufficient.
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EMI12.1
<tb> diameter <SEP> volume <SEP> of <SEP>: Capacity <SEP> '<SEP>' <SEP>: <SEP> Size <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>; <SEP> Plates <SEP>: <SEP> in <SEP> m / m <SEP>: <SEP> 1 heat accumulator <SEP> <SEP> in <SEP> m / m
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>: <SEP> in <SEP> cm3 <SEP> in <SEP> Cal / k <SEP> diam, <SEP> h
<tb>
EMI12.2
:: 'g s s 22o; : 3.8o0 3.040 280 125
EMI12.3
<tb> A <SEP> 220 <SEP> 3. <SEP> 800 <SEP> 3.040 <SEP> 280 <SEP> 125
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> 180 <SEP> 2. <SEP> 544 <SEP> 2.035 <SEP> 240 <SEP> 125
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> C <SEP> 145 <SEP> 1.651 <SEP> 1.320 <SEP> 202 <SEP> 125
<tb>
The total heat capacity of the cooker is therefore:
EMI12.4
<tb> Plate <SEP> A <SEP> 3.040
<tb>
<tb> - <SEP> B <SEP> 2.035
<tb>
<tb> - <SEP> C <SEP> 1.320
<tb>
<tb> Four <SEP> 1.035
<tb> 7.430 <SEP> Cal / k
<tb>
that is to say almost 25% more useful calories than can provide a stove with accumulation similar to systems already known. Even the sensible heat of the vessels containing the accumulator body is not mentioned.
It is also easy to increase the calorific capacity of the cooker cited as an example: it suffices to increase the height of the plates and any dimension of the oven accumulator. The necessary spaces are widely available.
The heating element according to the invention is also applied so advantageously to storage water heaters, in which case the water will only be heated, by means of a coil placed in contact with the heating element, only at the time of use. this device has a considerable advantage over known storage water heaters in which heat is accumulated. in a hot water tank, because, on the one hand it eliminates the need for a bulky tank, and, on the other hand, it eliminates the danger from the overpressure that can be created in this tank in the case where due to the non-functioning of the thermostat, the water in the tank is transformed into steam.