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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.