CA1130673A - Accumulateur hydro-thermique a labyrinthe - Google Patents
Accumulateur hydro-thermique a labyrintheInfo
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Abstract
L'invention concerne un accumulateur hydro thermique à labyrinthe du type comprenant un réservoir rempli de fluide et thermiquement isolé. Cet accumulateur comprend au moins une cloison subdivisant intérieurement le réservoir pour déterminer un parcours obligé pour le fluide se déplaçant depuis le bas vers le haut et pour limiter les mouvements de convection et de mélange du fluide tout en maintenant une stratification thermique de ce dernier. Le réservoir ainsi cloisonné est connecté à un circuit d'emploi de manière à ce que le fluide soir prélevé dans la partie supérieure du réservoir et soit réintroduit dans la partie inférieure de celui-ci. Le réservoir est aussi connecté à un circuit de réchauffement associé à une source chaude. Ce circuit de réchauffement soutire du fluide froid dans le bas du réservoir et réintroduit le fluide ainsi soutiré après l'avoir réchauffé dans le haut du réservoir.
Description
~3 ~`P~7~ ` `
I,a presente invention a pour objet un accumulateur thermique.
Dans l'emploi de ce que l'on appelle les sources alternatives d'energie thermique,il est bien connu que la difficulte que l'on rencontre le plus souvent, est le fait que l'on soit en presence de deux diagrammes pratiquement cycliques de production et d'emploi de l'energie thermique, lesquels se differencient notablement l'un de l'autre soit par leur développement soit par leur phase. Un cas typique est celui que l'on rencontre dans des installations utilisant des panneaux solaires, lesquels produisent de l'energie thermi-que seulement pendant les heures d'ensoleillement alors que la . .
demande peut avoir lieu jour et nuit. Si, par exemple, l'energie est utilisee pour le chauffage d'un edifice, la demande peut avoir un diagramme dont l'allure est peu variable, mais qui presente des maxima et des minima disposes d'une manière differente de ceux de production lies aux heures d'ensoleillement, par journee de vingt-quatre heures.
Dans ce cas typique, et dans beaucoup d'autres cas, il est donc necessaire de pouvoir disposer d'un accumulateur de chaleur qui puisse fonctionner comme un volant thermique capable d'emmagasiner la chaleur dans les heures o~ elle est disponible en exces par rapport à la demande, et la cedex successivement dans les modes et les temps dictes par l'usage.
~ Il est à signaler qu'un tel accumulateur doit pouvoir conserver la chaleur pour des periodes de temps extrêmement diverses, allant de quelques heures à une semaine complète ou même davantage.
Au vu de tels problemes, l'objet principal de la presente invention est de fournir un accumulateur thermique qui soit capable d'emmagasiner efficacement la chaleur provenant d'une source primaire, comme par exemple d'un ensemble de ~.3~ 3 collecteurs solaires.
Un autre objet de l'invention est de fournir un accumulateur thermique de structure telle que le fluide d'emploi qui le parcourt puisse absorber de la chaleur d'une manière non uniforme et puisse subir une stratification thermi-que permettant son extraction à une temperature toujours élevée.
Un objet additionnel de l'invention est de fournir un accumulateur dont la structure facilite autant l'échange thermique entre le fluide primaire et le fluide d'emploi, que la stratification thermique du fluide d'emploi.
Encore un autre objet de l'invention est de fournir un accumulateur thermique de bas cout et de haut rendement.
Selon l'invention, ces divers objects sont satisfaits a l'aide d'un accumulateur thermique dont la structure est telle que, d'une par-t, les mouvements convectifs du fluide qu'il contient soient interdits et, d'autre part, une sëparation entre la zone chaude et celle froide du fluide soit maintenue en permanence pour pouvoir lorsque cela est necessaire, ne soutirer que du fluide chaud jusqula l'épuisement de ce dernier.
L'accumulateur thermique selon l'invention qui comprend~ comme tout accumulateur de ce type, un réservoir bien isolé thermiquement, est caractérisé en ce qulil comprend en outre au moins une cloison le subdivisant intérieurement pour déterminer un parcours obli~é pour le fluide qui évolue du bas vers le haut et pour simultanément bloquer les mouvements de convection et de mélange du fluide tout en maintenant ainsi une stratification thermique de ce dernier. Le réservoir ainsi cloisonné est connecté à la fois à un circuit d'emploi de manière à ce que le fluide soit pré~eve dans sa partie supérieure et soit réintroduit dans sa partie inférieure, et à
~ 3~7~3 ~
à circuit de réchauffement associe à une source chaude, de manière à ce que le circuit de rechauffement preleve du fluide froid dans la partie inferieure du reservoir et reintroduisse le fluide ainsi prelevé après l'avoir rechauffe dans la partie superieure de ce dernier.
Selon un premier mode de realisation prefere de l'invention, le circuit d'emploi et celui de rechauffement communiquenet directement ensemble via le reservoir. On comprend alors que lorsque les circuits de réchauffement et d'emploi fonctionnent en meme temps, le fluide rechauffe rein- -;
troduit à l'interieur du recipient par le circuit de rechauffe-ment est immediatement preleve par le circuit d'emploi sans etre oblige de circuler dans le reservoir, de meme que le fluide refroidi reintroduit dans le reservoir par le circuit d'emploi est immediatement preleve par le circuit de rechauffement sans circuler dans le reservoir. Ce dernier est donc court-circuite~>, ce qui bien sûr augmente considerablement le ren-dement energetique du tout.
Selon un second mode de realisation de l'invention, le circuit d'emploi communique directement avec le reservoir mais le circuit de rechauffement ne fait que passer au sein de ce dernier. Le reservoir qui contient en son sein une pluralite de cloisons qui le subdivisent interieurement en couches superpo-sees, est connecte à un circuit d'emploi qui prelève le fluide chaud contenu dans la partie superieure du reservoir e~ reintro-duit le fluide utilise dans sa partie inferieure. Le reservoir comprend egalement un serpentin passan-t dans chacune des couches superposees et definissant un partous continu perpendiculaire au parcours suivi par le fluide d'emploi. Ce serpentin est associe à une source de chaleur avec laquelle il definit un circuit de rechauffement dans lequel circule un fluide pri-maire different du fluide d'emploi. Ce fluide primaire passe dans le serpentin qui croise chacune des couches du reservoir ~3~73 et chauffent celles-ci. On constate que dans ce cas, le fluide d'emploi qui aremonte)~ le reservoir de couche en couche se rechauffe au fur et a mesure pour être a sa temperature maximale en haut de celui-ci, c'est-à-dire la o~ il est preleve pour usage.
D'autres caractëristiques et avantages de l'invention résulteront mieux de la description detaillee qui va suivre de quelques modes de realisation preferes donnes à titre d'exemple non limitatif, et illustres dans les dessins ci-~oints dans lesquels:
- la fig. 1 represente une vue en coupe d'un premier mode de realisation d'un accumulateur selon l'invention;
- la Eig. 2 represente une première variante du type d'accumulateur illustre sur la fig. l;
- la fig. 3 represente une seconde variante du type d'accumulateur illustre sur la fig. l;
- la fig. 4 represente une vue en perspective partiellement sectionnee d'un second mode de realisation d'un accumulateur selon l'invention;
- fig. 5 represente une section-verticale de l'accumulateur de la fig. 4 qui met en evidence le parcours -du fluide d'emploi;
- la fig. 6 represente une section ortogonale à
celle de la fig. 5, qui met en evidence le parcours du fluide primaire;
- les figs 7, 8 et 9 illustrent trois types possibles ;
de tuyau~, adoptables pour le c~ircuit d'echange de l'accumula- -teur de la fig. 4;
- - la fig. 10 représente une vue en perspective partiellement sectionnee d'une variante du type d'accumulateur de la fig. 4 avec une cloison à helicolde cylindrique;
- la fig. 11 represente une vue en section verticale d~une variante du type d'accumulateur de la figO 4;
"
. . . ": , 3 ~
- la fig. 12 représente une section selon la ligne IX-IX de la fig. 11; et - la fig. 13 représente une vue en perspective de l'élément d'échange de l'accumulateur illustré dans les flgs.ll et 12.
En se référant à la figùre 1 des dessins ci-joints le mode de réalisation illustré comprend un réservoir 1 thermiquement bien isolé, auquel aboutissent deux circuits, respectivement un circuit 2 de réchauffement du fluide et un circuit 3 d'emploi. ~ ;
Dans le circuit ~ est interposée une source chaude 4, qui peut avantageusement être une batterie de panneaux solaires ou un dispositif quelconque de récupération d'énergie thermique. Le fluide circulant dans ce circuit 2 est préle~é
en bas du réservoir 1 au moyen d'un conduit 5 et est reintro-duit en haut du reservoir 1 à travers un conduit 6 pourvu d'une première pompe 7.
La pompe est avantageusement d'un type volumetrique ou à portee variable, commandée par exemple par un t~ermostat lie à la temperature du fluide ou par un differentiel.
Le circuit d'emploi 3 est relie à un système d'util~sation ~ du fluide, selon un cycle qui peut être ferme ou ouvert.
Dans les deux cas, le retour dans le reservoir 1 du fluide circulant dans le circuit d'emploi s'effectue dans le bas du reservoir,via un conduit ~,alors que le prelèvement de ce meme fluide s'effectue en haut du reservoir, via un conduit 10 equipe d'une pompe 11.
A l'interieur du reservoir 1 est montee une pluralite de cloisons 12, qui occupent partiellement la section du reservoir 1 et sont disposees alternativement. Ces cloisons 12 determinent un parcours 13 en forme de S qui cree une stratification au sein du reservoir et empeche un mélange ~. .-~3i~ 3 complet du fluide dans le reservoir à cause des mouvements de convection et des perturbations associees à l'introduction ou au prélèvement du fluide.
Le fonctionnement de ce mode de réalisation illustré
sur la fig. 1 est simple. Lorsqu'il n'y a aucun prélèvement de fluide pour l'emploi, le circuit de réchauffement 2 prelève le fluide, qui peut etre de l'eau, au bas du recipient et le réintroduit en haut de celui-ci après l'avoir réchauffé à une température prédéterminée.
Du à l'impossibilité de brassages à l'intérieur du réservoir l'on peut noter que pendant le fonctionnement, les couches stratifiées inférieures vont se réchauffer l'une après l'autre en allant vers le bas au fur et à mesure que le fluide se réchauffe. La ligne arbitraire de démarcation entre les couches chaudes et froides va donc aller en descendant.
Dans le cas où il a soutirage pour un emploi quelconque, en supposant que la quant:ité prélevée par le circuit d'emploi est supérieure de celle introduite par le clrcuit de réchauffement, la ligne de démarcation que l'on considère comme la ligne idéale de séparation entre le chaud et le froid va remonter jusqu'à ce que le fluide chaud soit totalement utilisé.
Tout çaa lieu sans qu'aucun mélange ne soit possible au sein d~ réservoir, lequel mélange risquerait d'homogénéiser la température générale à l'intérieur du réservoir à un nivèau plus bas, ceci correspondant à une perte d'énergie thermique.
La fig. 2 représente une variante du mode de réalisation illustré sur la figure 1. Cette variante comprend un réservoir isolé 101 dont l'intérieur est subdivisé en deux parcours parallèles 113a et 113b, au moyen de diaphragmes 112.
Le fluide du circuit de réchauffement est prélevé en bas du réservoir par un conduit 105 et réintroduit en haut de ~3~7 ;3 ~
celui-ci par un conduit 106 a l'aide d'une pompe 107.
Le fluide d'emploi est quant a lui preleve par un conduit 110 e~uipé d'une pompe 111 et réintroduit par un conduit 109.
La fig. 3 represente une autre variante du mode de realisation de la fig. 1. Cette variante comprend un reservoir 201 contenant une helice cylindrique 212 avec des fonctions analogues aux diaphragmes de la fig. 2. Le circuit de chauffage est relie à ce reservoir par des conduits 205 et 206 et celui d'emploi par des conduits 209 et 210. Ces deux variantes de realisations sont parfaitement equivalentes à celle decrite en se referant à la fig. 1, avec des caractéristiques de fonctionnement analogues. Il est bien evident qu'en pratique, les reservoirs 1, 101 et 201 seront equipes de tous les disposi-tifs de regulation et de contrôle nécessaires. Il est bien ;
évident egalement que les materiaux et les dimensions peuvent varier ~ volonte selon les besoins.
En se referant maintenant aux figures 4 et suivantes, le second mode possible de realisation de l'inventio~ comprend un reservoir parallelepipedique 51 bien isole par une couche 52 de materiel calorifuge. La chambre interieure 53 du reservoir 51 est pourvue de parois en forme de plaques 54 de dimensions telles qu'elles arrivent a toucher trois des parois, et laissent une ouverture vers la quatrieme des parois creent par leur disposition alternee un parcours compose par une succession de S>~; ce parcours est indique par la ligne hachuree 55 sur la fig. 5.
Le fluide d'emploi qui peut être de l'eau puisque un tel accumulateur peut avantageusement être utilise pour chauffer de l'eau pour un usage hydrosanitaire ou bien pour le chauffage de pièces, entre dans le reservoir par un tuyau d'entree 57 localise dans la partie la plus basse du reservoir 51, et ressort par un second tuyau de sortie localise dans la .
~ ~l3 g~r7 3 partie la plus haute clu reservoir.
En pratique, une circulation guidee du bas vers le hau-t se cree donc dans le reservoir 51 qui assure une strati-fication thermique de l'eau contenue. La circulation se produit sans qu'aucun mouvement de melange ne soit possible qui pourrait affecter une telle situation de stratification thermique et ainsi egaliser la temperature, comme c'est le cas dans les reservoirs d'accumulation usuels. Le rechauffement de l'eau contenue dans le reservoir s'effectue au moyen d'un serpentin 59 dispose de manière a traverser transversalement chacu~ des couches 60 creees par deux plaques consecutives du type 54.
Dans ce serpentin 59 circule un fluide chaud venant par exemple d'une batterie de panneau~ solaires pas indiques sur les dessins~depuis le haut vers le bas du reservoir. Ainsi, le fluide chaud entre par une ouverture superieure 61, et sort par une sortie inferieure 62. ~'eau a l'interieur du reservoir et celle circulant dans le serpentin forment donc deux 1ux contrecroises, qui assurent un plus grand echange de chaleur dans la partie superieure du reservoir que dans sa partie 2Q inferieure.
Dans le cas o~ aucune eau d'emploi n'est prelevee par les usagers,l'apport de chaleur due au serpentin 59 slaccumule dans le reservoir. Cette accumulation s'effectue en descendant de couche en couche au fur et à mesure que chacune de celles-ci se rechauffe. On peut donc considerer que la ligne de separation entre la zone chaude et ~ zone froide du reservoir va en descendant au fur et à mesure de l'accumulation, malgre l'efficace effet de stratification thermique qui permet d'avoir de l'eau à température plus haute dans la region superieure du reservoir que dans le bas de celui-ci. Lorsque l'on soutire de l'eau d'emploi, celle-ci qui est prelevee en haut du reservoir sort toujours à la plus haute temperature ~ ~ 3 ~
disponible, tandis que l'eau froide reintroduite par le bas ne peut pas provGquer de mouvements internes de melange grâce ~
la presence des plaques 54. L'eau reintroduite ne modifie donc pas d'une façon substantielle la situation de stratification si ce n'est que la ligne de separation precedemment definie va se deplacer en consequence vers le haut.
Les figs 7, 8 et 9 montrent trois solutions possibles pour realiser le serpentin 59. Dans le premier cas, ce dernier est constitue par deux tuyaux circulaires cote à cote 63 et 64.
Dans le deuxième cas, le serpentin est constitue par deux tuyaux cote à cote ayant une section romboidale 65 et 66. Dans le troisième cas le serpentin est constitue par un tuyau 67 fa~onne en 8. Dans les trois cas, le but est d'avoir la plus grande surface d'echange à quantite egale de fluide chaud transporte.
La fig. 10 montre un reservoir de structure differente, qui est compose par un corps cylindrique 68, evidemment bien calorifuge, dans l'interieur duquel le parcours de stratifica-tion de l'eau d'emploi est obtenu par un helicolde cylindrique 69 qui s'enroule preferablement autour d'un noyau central 70.
Un serpentin 71 parcourt selon un trajet transversal les diverses spirales de l'helice; ce serpentin est parcouru par le fluide chaud.
Le fonctionnement est le même que celui illustre dans le cas precedent autant en ce que concerne le mode d'echange thermique que en ce qui concerne le regime de stratification thermique qui s'instaure.
Les dessins 11, 12 et 13 illustrent une seconde variante de l'accumulateur illustre sur la fig. 4.
Dans ce cas aussi, le reservoir qui est indique par le numero 72 a une forme de parallelepipède, bien qu'il puisse avoir une autre forme quelconque, cylindrique ou prismatique.
g _ ~3~3 Ce réservoir est egalement calorifuge.
Des plaques 73 sont situees au sein de ce reservoir, lesquelles s'etendent sur une portion de la section interieure du reservoir. Ces plaques sont parall~les et sont alternative-ment decalees, afin de determiner un parcours compose de S
successifs indiques par la flèche 74. Ce parcours permet, comme il a dejà ete decrit, d'obtenir une stratification de l'eau d'emploi qui entre par un conduit inferieur 75 et est prelevee, pour l'usage, par un conduit superieur 76. Les plaques 73 presentent des trous 76a places dans leur zone mediane et qui peuvent être par exemple carres. Ces trous sont alignes entre eux.
Dans chacun de ces trous qui sont alignes ensemble substantiellement à la verticale, est insere un element radiant d'echange 77, composé par une pluralite de conduits verticaux 78, de preference ondules et: raccordes à leurs extremites par des tetes 79 au travers desquelles ils sont ~-~
alimentes par le fluide chaud. Ces cor~duits 78 presentent des petites plaques transversales de liaison 80 placées dans une position telle a realiser une continuite avec les plaques 73 lorsque un element radiant 77 est insere dans le reservoir 72. Dans ce cas aussi, le fluide chaud circule depuis le haut vers le bas du reservoir en suivant un flux croise par rapport au flux de strati~ication thermique au sein du reservoir, ainsi qu'au flux du liquide d'emploi qui coincide d'aïlleurs avec le flux de stratification.
Evidemment, tous les tuyaux et les sections de passage du fluide primaire chaud ou du fluide d'accumulation ou d'em-ploi, seront avantageusement dimensionnes selon les caracteristi-ques des courants et des circuits thermiques. Ainsi, l'on devra eventuellement prevoir des moyens de circulation pour les divers circuits et des moyens de contrôle des types usuellement employes dans ce domaine. En l'occurrence, on devra prevoir ~3 ~ ~ 3 une pompe de circulation independante qui soit commandee automatiquement lorsque l'eau ne sera pas soutiree en haut du circuit d'emploi/ et que le circuit de chauffement sera en marche, pour renvoyer l'eau d'emploi à la base du recipient.
Tel que precedemment indique et en ne considerant pas en première approximation les pertes de chaleur vers l'exterieur, qui pourront quand même être reduites par un choix adequat des dimensions du reservoir et de l'isolation thermique, il se forme après un certain temps dans l'accumula-teur, une stratification de temp~rature qui est lie aux fluxcroises et à leurs temperatures. Cette strafitication peut se detailler comme suit:
a) une zone superieure à temperature elevee sensiblement egale pour les deux fluides, à celle d'entree du fluide chauffant;
b) une zone intermediaire dans laquelle se developpe un echange thermique à travers les parois des conduits, entre le courant chaud descendant et qui se refroidit, et celui ascendant qui se rechauffe; et c) une zone froide inferieure, dans laquelle le courant descendant a dejà transmis toute sa chaleur de sorte que les deux fluides sont substantiellement à la même temperature basse. Il est evident que, si à un moment donr.e après que de telles zones se sont etablies, l'on commence à prelever de l'eau chaude~ elle est fournie à la temperature maximale puisqu'elle est prelevee dans la zone chaude; cette zone va alors diminuer, pendant que la zone intermediaire va se deplacer vers le haut, et que la zone inferieure s'agrandit.
Si au contraire la demande diminue, l'on a un fonctionnement inverse, avec un agrandissement de la zone superieure, une translation vers le bas de celle intermediaire, et une reduction de celle inferieure. L'on doit noter qu'en intervertissant les sens des courants et les temperatures dans les deux circuits, l'on peut obtenir un ~<accumulateur de ~3~ 73 froid qui peut s'averer utile en beaucbup de cas pour des installations de refrigeration ou de conditionnement.
Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportees aux modes de realisations precedemments decrits, sans sortir du cadre de la presente invention telle que definie dans les revendications qui suivent.
I,a presente invention a pour objet un accumulateur thermique.
Dans l'emploi de ce que l'on appelle les sources alternatives d'energie thermique,il est bien connu que la difficulte que l'on rencontre le plus souvent, est le fait que l'on soit en presence de deux diagrammes pratiquement cycliques de production et d'emploi de l'energie thermique, lesquels se differencient notablement l'un de l'autre soit par leur développement soit par leur phase. Un cas typique est celui que l'on rencontre dans des installations utilisant des panneaux solaires, lesquels produisent de l'energie thermi-que seulement pendant les heures d'ensoleillement alors que la . .
demande peut avoir lieu jour et nuit. Si, par exemple, l'energie est utilisee pour le chauffage d'un edifice, la demande peut avoir un diagramme dont l'allure est peu variable, mais qui presente des maxima et des minima disposes d'une manière differente de ceux de production lies aux heures d'ensoleillement, par journee de vingt-quatre heures.
Dans ce cas typique, et dans beaucoup d'autres cas, il est donc necessaire de pouvoir disposer d'un accumulateur de chaleur qui puisse fonctionner comme un volant thermique capable d'emmagasiner la chaleur dans les heures o~ elle est disponible en exces par rapport à la demande, et la cedex successivement dans les modes et les temps dictes par l'usage.
~ Il est à signaler qu'un tel accumulateur doit pouvoir conserver la chaleur pour des periodes de temps extrêmement diverses, allant de quelques heures à une semaine complète ou même davantage.
Au vu de tels problemes, l'objet principal de la presente invention est de fournir un accumulateur thermique qui soit capable d'emmagasiner efficacement la chaleur provenant d'une source primaire, comme par exemple d'un ensemble de ~.3~ 3 collecteurs solaires.
Un autre objet de l'invention est de fournir un accumulateur thermique de structure telle que le fluide d'emploi qui le parcourt puisse absorber de la chaleur d'une manière non uniforme et puisse subir une stratification thermi-que permettant son extraction à une temperature toujours élevée.
Un objet additionnel de l'invention est de fournir un accumulateur dont la structure facilite autant l'échange thermique entre le fluide primaire et le fluide d'emploi, que la stratification thermique du fluide d'emploi.
Encore un autre objet de l'invention est de fournir un accumulateur thermique de bas cout et de haut rendement.
Selon l'invention, ces divers objects sont satisfaits a l'aide d'un accumulateur thermique dont la structure est telle que, d'une par-t, les mouvements convectifs du fluide qu'il contient soient interdits et, d'autre part, une sëparation entre la zone chaude et celle froide du fluide soit maintenue en permanence pour pouvoir lorsque cela est necessaire, ne soutirer que du fluide chaud jusqula l'épuisement de ce dernier.
L'accumulateur thermique selon l'invention qui comprend~ comme tout accumulateur de ce type, un réservoir bien isolé thermiquement, est caractérisé en ce qulil comprend en outre au moins une cloison le subdivisant intérieurement pour déterminer un parcours obli~é pour le fluide qui évolue du bas vers le haut et pour simultanément bloquer les mouvements de convection et de mélange du fluide tout en maintenant ainsi une stratification thermique de ce dernier. Le réservoir ainsi cloisonné est connecté à la fois à un circuit d'emploi de manière à ce que le fluide soit pré~eve dans sa partie supérieure et soit réintroduit dans sa partie inférieure, et à
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à circuit de réchauffement associe à une source chaude, de manière à ce que le circuit de rechauffement preleve du fluide froid dans la partie inferieure du reservoir et reintroduisse le fluide ainsi prelevé après l'avoir rechauffe dans la partie superieure de ce dernier.
Selon un premier mode de realisation prefere de l'invention, le circuit d'emploi et celui de rechauffement communiquenet directement ensemble via le reservoir. On comprend alors que lorsque les circuits de réchauffement et d'emploi fonctionnent en meme temps, le fluide rechauffe rein- -;
troduit à l'interieur du recipient par le circuit de rechauffe-ment est immediatement preleve par le circuit d'emploi sans etre oblige de circuler dans le reservoir, de meme que le fluide refroidi reintroduit dans le reservoir par le circuit d'emploi est immediatement preleve par le circuit de rechauffement sans circuler dans le reservoir. Ce dernier est donc court-circuite~>, ce qui bien sûr augmente considerablement le ren-dement energetique du tout.
Selon un second mode de realisation de l'invention, le circuit d'emploi communique directement avec le reservoir mais le circuit de rechauffement ne fait que passer au sein de ce dernier. Le reservoir qui contient en son sein une pluralite de cloisons qui le subdivisent interieurement en couches superpo-sees, est connecte à un circuit d'emploi qui prelève le fluide chaud contenu dans la partie superieure du reservoir e~ reintro-duit le fluide utilise dans sa partie inferieure. Le reservoir comprend egalement un serpentin passan-t dans chacune des couches superposees et definissant un partous continu perpendiculaire au parcours suivi par le fluide d'emploi. Ce serpentin est associe à une source de chaleur avec laquelle il definit un circuit de rechauffement dans lequel circule un fluide pri-maire different du fluide d'emploi. Ce fluide primaire passe dans le serpentin qui croise chacune des couches du reservoir ~3~73 et chauffent celles-ci. On constate que dans ce cas, le fluide d'emploi qui aremonte)~ le reservoir de couche en couche se rechauffe au fur et a mesure pour être a sa temperature maximale en haut de celui-ci, c'est-à-dire la o~ il est preleve pour usage.
D'autres caractëristiques et avantages de l'invention résulteront mieux de la description detaillee qui va suivre de quelques modes de realisation preferes donnes à titre d'exemple non limitatif, et illustres dans les dessins ci-~oints dans lesquels:
- la fig. 1 represente une vue en coupe d'un premier mode de realisation d'un accumulateur selon l'invention;
- la Eig. 2 represente une première variante du type d'accumulateur illustre sur la fig. l;
- la fig. 3 represente une seconde variante du type d'accumulateur illustre sur la fig. l;
- la fig. 4 represente une vue en perspective partiellement sectionnee d'un second mode de realisation d'un accumulateur selon l'invention;
- fig. 5 represente une section-verticale de l'accumulateur de la fig. 4 qui met en evidence le parcours -du fluide d'emploi;
- la fig. 6 represente une section ortogonale à
celle de la fig. 5, qui met en evidence le parcours du fluide primaire;
- les figs 7, 8 et 9 illustrent trois types possibles ;
de tuyau~, adoptables pour le c~ircuit d'echange de l'accumula- -teur de la fig. 4;
- - la fig. 10 représente une vue en perspective partiellement sectionnee d'une variante du type d'accumulateur de la fig. 4 avec une cloison à helicolde cylindrique;
- la fig. 11 represente une vue en section verticale d~une variante du type d'accumulateur de la figO 4;
"
. . . ": , 3 ~
- la fig. 12 représente une section selon la ligne IX-IX de la fig. 11; et - la fig. 13 représente une vue en perspective de l'élément d'échange de l'accumulateur illustré dans les flgs.ll et 12.
En se référant à la figùre 1 des dessins ci-joints le mode de réalisation illustré comprend un réservoir 1 thermiquement bien isolé, auquel aboutissent deux circuits, respectivement un circuit 2 de réchauffement du fluide et un circuit 3 d'emploi. ~ ;
Dans le circuit ~ est interposée une source chaude 4, qui peut avantageusement être une batterie de panneaux solaires ou un dispositif quelconque de récupération d'énergie thermique. Le fluide circulant dans ce circuit 2 est préle~é
en bas du réservoir 1 au moyen d'un conduit 5 et est reintro-duit en haut du reservoir 1 à travers un conduit 6 pourvu d'une première pompe 7.
La pompe est avantageusement d'un type volumetrique ou à portee variable, commandée par exemple par un t~ermostat lie à la temperature du fluide ou par un differentiel.
Le circuit d'emploi 3 est relie à un système d'util~sation ~ du fluide, selon un cycle qui peut être ferme ou ouvert.
Dans les deux cas, le retour dans le reservoir 1 du fluide circulant dans le circuit d'emploi s'effectue dans le bas du reservoir,via un conduit ~,alors que le prelèvement de ce meme fluide s'effectue en haut du reservoir, via un conduit 10 equipe d'une pompe 11.
A l'interieur du reservoir 1 est montee une pluralite de cloisons 12, qui occupent partiellement la section du reservoir 1 et sont disposees alternativement. Ces cloisons 12 determinent un parcours 13 en forme de S qui cree une stratification au sein du reservoir et empeche un mélange ~. .-~3i~ 3 complet du fluide dans le reservoir à cause des mouvements de convection et des perturbations associees à l'introduction ou au prélèvement du fluide.
Le fonctionnement de ce mode de réalisation illustré
sur la fig. 1 est simple. Lorsqu'il n'y a aucun prélèvement de fluide pour l'emploi, le circuit de réchauffement 2 prelève le fluide, qui peut etre de l'eau, au bas du recipient et le réintroduit en haut de celui-ci après l'avoir réchauffé à une température prédéterminée.
Du à l'impossibilité de brassages à l'intérieur du réservoir l'on peut noter que pendant le fonctionnement, les couches stratifiées inférieures vont se réchauffer l'une après l'autre en allant vers le bas au fur et à mesure que le fluide se réchauffe. La ligne arbitraire de démarcation entre les couches chaudes et froides va donc aller en descendant.
Dans le cas où il a soutirage pour un emploi quelconque, en supposant que la quant:ité prélevée par le circuit d'emploi est supérieure de celle introduite par le clrcuit de réchauffement, la ligne de démarcation que l'on considère comme la ligne idéale de séparation entre le chaud et le froid va remonter jusqu'à ce que le fluide chaud soit totalement utilisé.
Tout çaa lieu sans qu'aucun mélange ne soit possible au sein d~ réservoir, lequel mélange risquerait d'homogénéiser la température générale à l'intérieur du réservoir à un nivèau plus bas, ceci correspondant à une perte d'énergie thermique.
La fig. 2 représente une variante du mode de réalisation illustré sur la figure 1. Cette variante comprend un réservoir isolé 101 dont l'intérieur est subdivisé en deux parcours parallèles 113a et 113b, au moyen de diaphragmes 112.
Le fluide du circuit de réchauffement est prélevé en bas du réservoir par un conduit 105 et réintroduit en haut de ~3~7 ;3 ~
celui-ci par un conduit 106 a l'aide d'une pompe 107.
Le fluide d'emploi est quant a lui preleve par un conduit 110 e~uipé d'une pompe 111 et réintroduit par un conduit 109.
La fig. 3 represente une autre variante du mode de realisation de la fig. 1. Cette variante comprend un reservoir 201 contenant une helice cylindrique 212 avec des fonctions analogues aux diaphragmes de la fig. 2. Le circuit de chauffage est relie à ce reservoir par des conduits 205 et 206 et celui d'emploi par des conduits 209 et 210. Ces deux variantes de realisations sont parfaitement equivalentes à celle decrite en se referant à la fig. 1, avec des caractéristiques de fonctionnement analogues. Il est bien evident qu'en pratique, les reservoirs 1, 101 et 201 seront equipes de tous les disposi-tifs de regulation et de contrôle nécessaires. Il est bien ;
évident egalement que les materiaux et les dimensions peuvent varier ~ volonte selon les besoins.
En se referant maintenant aux figures 4 et suivantes, le second mode possible de realisation de l'inventio~ comprend un reservoir parallelepipedique 51 bien isole par une couche 52 de materiel calorifuge. La chambre interieure 53 du reservoir 51 est pourvue de parois en forme de plaques 54 de dimensions telles qu'elles arrivent a toucher trois des parois, et laissent une ouverture vers la quatrieme des parois creent par leur disposition alternee un parcours compose par une succession de S>~; ce parcours est indique par la ligne hachuree 55 sur la fig. 5.
Le fluide d'emploi qui peut être de l'eau puisque un tel accumulateur peut avantageusement être utilise pour chauffer de l'eau pour un usage hydrosanitaire ou bien pour le chauffage de pièces, entre dans le reservoir par un tuyau d'entree 57 localise dans la partie la plus basse du reservoir 51, et ressort par un second tuyau de sortie localise dans la .
~ ~l3 g~r7 3 partie la plus haute clu reservoir.
En pratique, une circulation guidee du bas vers le hau-t se cree donc dans le reservoir 51 qui assure une strati-fication thermique de l'eau contenue. La circulation se produit sans qu'aucun mouvement de melange ne soit possible qui pourrait affecter une telle situation de stratification thermique et ainsi egaliser la temperature, comme c'est le cas dans les reservoirs d'accumulation usuels. Le rechauffement de l'eau contenue dans le reservoir s'effectue au moyen d'un serpentin 59 dispose de manière a traverser transversalement chacu~ des couches 60 creees par deux plaques consecutives du type 54.
Dans ce serpentin 59 circule un fluide chaud venant par exemple d'une batterie de panneau~ solaires pas indiques sur les dessins~depuis le haut vers le bas du reservoir. Ainsi, le fluide chaud entre par une ouverture superieure 61, et sort par une sortie inferieure 62. ~'eau a l'interieur du reservoir et celle circulant dans le serpentin forment donc deux 1ux contrecroises, qui assurent un plus grand echange de chaleur dans la partie superieure du reservoir que dans sa partie 2Q inferieure.
Dans le cas o~ aucune eau d'emploi n'est prelevee par les usagers,l'apport de chaleur due au serpentin 59 slaccumule dans le reservoir. Cette accumulation s'effectue en descendant de couche en couche au fur et à mesure que chacune de celles-ci se rechauffe. On peut donc considerer que la ligne de separation entre la zone chaude et ~ zone froide du reservoir va en descendant au fur et à mesure de l'accumulation, malgre l'efficace effet de stratification thermique qui permet d'avoir de l'eau à température plus haute dans la region superieure du reservoir que dans le bas de celui-ci. Lorsque l'on soutire de l'eau d'emploi, celle-ci qui est prelevee en haut du reservoir sort toujours à la plus haute temperature ~ ~ 3 ~
disponible, tandis que l'eau froide reintroduite par le bas ne peut pas provGquer de mouvements internes de melange grâce ~
la presence des plaques 54. L'eau reintroduite ne modifie donc pas d'une façon substantielle la situation de stratification si ce n'est que la ligne de separation precedemment definie va se deplacer en consequence vers le haut.
Les figs 7, 8 et 9 montrent trois solutions possibles pour realiser le serpentin 59. Dans le premier cas, ce dernier est constitue par deux tuyaux circulaires cote à cote 63 et 64.
Dans le deuxième cas, le serpentin est constitue par deux tuyaux cote à cote ayant une section romboidale 65 et 66. Dans le troisième cas le serpentin est constitue par un tuyau 67 fa~onne en 8. Dans les trois cas, le but est d'avoir la plus grande surface d'echange à quantite egale de fluide chaud transporte.
La fig. 10 montre un reservoir de structure differente, qui est compose par un corps cylindrique 68, evidemment bien calorifuge, dans l'interieur duquel le parcours de stratifica-tion de l'eau d'emploi est obtenu par un helicolde cylindrique 69 qui s'enroule preferablement autour d'un noyau central 70.
Un serpentin 71 parcourt selon un trajet transversal les diverses spirales de l'helice; ce serpentin est parcouru par le fluide chaud.
Le fonctionnement est le même que celui illustre dans le cas precedent autant en ce que concerne le mode d'echange thermique que en ce qui concerne le regime de stratification thermique qui s'instaure.
Les dessins 11, 12 et 13 illustrent une seconde variante de l'accumulateur illustre sur la fig. 4.
Dans ce cas aussi, le reservoir qui est indique par le numero 72 a une forme de parallelepipède, bien qu'il puisse avoir une autre forme quelconque, cylindrique ou prismatique.
g _ ~3~3 Ce réservoir est egalement calorifuge.
Des plaques 73 sont situees au sein de ce reservoir, lesquelles s'etendent sur une portion de la section interieure du reservoir. Ces plaques sont parall~les et sont alternative-ment decalees, afin de determiner un parcours compose de S
successifs indiques par la flèche 74. Ce parcours permet, comme il a dejà ete decrit, d'obtenir une stratification de l'eau d'emploi qui entre par un conduit inferieur 75 et est prelevee, pour l'usage, par un conduit superieur 76. Les plaques 73 presentent des trous 76a places dans leur zone mediane et qui peuvent être par exemple carres. Ces trous sont alignes entre eux.
Dans chacun de ces trous qui sont alignes ensemble substantiellement à la verticale, est insere un element radiant d'echange 77, composé par une pluralite de conduits verticaux 78, de preference ondules et: raccordes à leurs extremites par des tetes 79 au travers desquelles ils sont ~-~
alimentes par le fluide chaud. Ces cor~duits 78 presentent des petites plaques transversales de liaison 80 placées dans une position telle a realiser une continuite avec les plaques 73 lorsque un element radiant 77 est insere dans le reservoir 72. Dans ce cas aussi, le fluide chaud circule depuis le haut vers le bas du reservoir en suivant un flux croise par rapport au flux de strati~ication thermique au sein du reservoir, ainsi qu'au flux du liquide d'emploi qui coincide d'aïlleurs avec le flux de stratification.
Evidemment, tous les tuyaux et les sections de passage du fluide primaire chaud ou du fluide d'accumulation ou d'em-ploi, seront avantageusement dimensionnes selon les caracteristi-ques des courants et des circuits thermiques. Ainsi, l'on devra eventuellement prevoir des moyens de circulation pour les divers circuits et des moyens de contrôle des types usuellement employes dans ce domaine. En l'occurrence, on devra prevoir ~3 ~ ~ 3 une pompe de circulation independante qui soit commandee automatiquement lorsque l'eau ne sera pas soutiree en haut du circuit d'emploi/ et que le circuit de chauffement sera en marche, pour renvoyer l'eau d'emploi à la base du recipient.
Tel que precedemment indique et en ne considerant pas en première approximation les pertes de chaleur vers l'exterieur, qui pourront quand même être reduites par un choix adequat des dimensions du reservoir et de l'isolation thermique, il se forme après un certain temps dans l'accumula-teur, une stratification de temp~rature qui est lie aux fluxcroises et à leurs temperatures. Cette strafitication peut se detailler comme suit:
a) une zone superieure à temperature elevee sensiblement egale pour les deux fluides, à celle d'entree du fluide chauffant;
b) une zone intermediaire dans laquelle se developpe un echange thermique à travers les parois des conduits, entre le courant chaud descendant et qui se refroidit, et celui ascendant qui se rechauffe; et c) une zone froide inferieure, dans laquelle le courant descendant a dejà transmis toute sa chaleur de sorte que les deux fluides sont substantiellement à la même temperature basse. Il est evident que, si à un moment donr.e après que de telles zones se sont etablies, l'on commence à prelever de l'eau chaude~ elle est fournie à la temperature maximale puisqu'elle est prelevee dans la zone chaude; cette zone va alors diminuer, pendant que la zone intermediaire va se deplacer vers le haut, et que la zone inferieure s'agrandit.
Si au contraire la demande diminue, l'on a un fonctionnement inverse, avec un agrandissement de la zone superieure, une translation vers le bas de celle intermediaire, et une reduction de celle inferieure. L'on doit noter qu'en intervertissant les sens des courants et les temperatures dans les deux circuits, l'on peut obtenir un ~<accumulateur de ~3~ 73 froid qui peut s'averer utile en beaucbup de cas pour des installations de refrigeration ou de conditionnement.
Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportees aux modes de realisations precedemments decrits, sans sortir du cadre de la presente invention telle que definie dans les revendications qui suivent.
Claims (14)
sont définies comme il suit:
1. Accumulateur thermique du type comprenant un réservoir rempli de fluide et thermiquement isolé, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une cloison subdivisant intérieurement le réservoir pour déterminer un parcours obligé pour le fluide se déplaçant depuis le bas vers le haut ainsi que pour bloquer les mouvements de convection et de mélange du fluide tout en maintenant une stratification thermique de ce dernier, ledit réservoir ainsi cloisonné
étant connecté à la fois à un circuit d'emploi de manière à
ce que le fluide soit prélevé dans la partie supérieure du réservoir et soit réintroduit dans la partie inférieure de celui-ci, et à un circuit de réchauffement associé à une source chaude, ledit circuit de réchauffement soutirant du fluide froid dans le bas du réservoir et réintroduisant le fluide ainsi soutiré après l'avoir réchauffé dans le haut du réservoir.
étant connecté à la fois à un circuit d'emploi de manière à
ce que le fluide soit prélevé dans la partie supérieure du réservoir et soit réintroduit dans la partie inférieure de celui-ci, et à un circuit de réchauffement associé à une source chaude, ledit circuit de réchauffement soutirant du fluide froid dans le bas du réservoir et réintroduisant le fluide ainsi soutiré après l'avoir réchauffé dans le haut du réservoir.
2. Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé
en ce que le circuit d'emploi et celui de réchauffement com-muniquent directement ensemble via le réservoir.
en ce que le circuit d'emploi et celui de réchauffement com-muniquent directement ensemble via le réservoir.
3. Accumulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'i1 comprend plusieurs cloisons de dimensions légèrement inférieures à la section interne du récipient,qui sont disposées parallèlement entre elles en position alternée de façon à déterminer un parcours en S
depuis le bas vers le haut du réservoir.
depuis le bas vers le haut du réservoir.
4. Accumulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cloison est unique et continue avec une allure hélicoïdale qui évolue du bas vers le haut.
5. Accumulateur selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le circuit de réchauffement qui prélevé
du fluide dans le bas du réservoir et après l'avoir réchauffé
avec la source chaude, le réintroduit dans le haut du réservoir, est équipé d'une pompe à circulation contrôlée.
du fluide dans le bas du réservoir et après l'avoir réchauffé
avec la source chaude, le réintroduit dans le haut du réservoir, est équipé d'une pompe à circulation contrôlée.
6. Accumulateur selon la revendication 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que la source chaude est une installation de récupération d'énergie alternative et/ou intégrative.
7. Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé
en ce que le circuit d'emploi communique directement avec le réservoir alors que le circuit de réchauffement ne fait que passer au sein de ce dernier.
en ce que le circuit d'emploi communique directement avec le réservoir alors que le circuit de réchauffement ne fait que passer au sein de ce dernier.
8. Accumulateur selon la revendication 7, caractérisé
en ce que le réservoir est parallélépipédique et inclut une pluralité de cloisons suhstantiellement horizontales qui occupent la quasi-totalité de sa section et sont disposées en quinconce pour définir un parcours en S pour le fluide d'emploi, lesdites cloisons étant constituées de plaques disposées horizontalement et parallèlement les unes aux autres à intervalle constant, lesdites plaques laissant alternativement d'un côté et de l'autre une ouverture à proximité de deux parois opposées du réservoir pour créer un canal continu pour le fluide d'accumulation avec un développement assimilable à
une succession continue de ?S?, ledit parcours en ?S?
étant intersecté par un serpentin qui traverse le réservoir dans sa partie médiane et dans lequel circule un fluide chauffé par la source de chaleur du circuit de réchauffement.
en ce que le réservoir est parallélépipédique et inclut une pluralité de cloisons suhstantiellement horizontales qui occupent la quasi-totalité de sa section et sont disposées en quinconce pour définir un parcours en S pour le fluide d'emploi, lesdites cloisons étant constituées de plaques disposées horizontalement et parallèlement les unes aux autres à intervalle constant, lesdites plaques laissant alternativement d'un côté et de l'autre une ouverture à proximité de deux parois opposées du réservoir pour créer un canal continu pour le fluide d'accumulation avec un développement assimilable à
une succession continue de ?S?, ledit parcours en ?S?
étant intersecté par un serpentin qui traverse le réservoir dans sa partie médiane et dans lequel circule un fluide chauffé par la source de chaleur du circuit de réchauffement.
9. Accumulateur selon la revendication 8, caractérisé
en ce que l'échange thermique entre le serpentin et le fluide qui remplit le réservoir crée une stratification en trois zones à savoir une zone supérieur où la température du fluide de réchauffement et celle du fluide d'emploi sont élevées et sensiblement égales, une zone intermédiaire où le fluide chauffe cède sa propre énergie thermique à un fluide d'emploi, et une zone inférieure où les deux fluides ont une température basse et égale.
en ce que l'échange thermique entre le serpentin et le fluide qui remplit le réservoir crée une stratification en trois zones à savoir une zone supérieur où la température du fluide de réchauffement et celle du fluide d'emploi sont élevées et sensiblement égales, une zone intermédiaire où le fluide chauffe cède sa propre énergie thermique à un fluide d'emploi, et une zone inférieure où les deux fluides ont une température basse et égale.
10. Accumulateur selon la revendication 7, caracté-risé par le fait que le réservoir est substantiellement cylindrique et la paroi qui le subdivise a la forme d'un hélicoïde cylindrique, ledit parcours hélicoïdal étant intersecté par un serpentin qui croise à chacune de ses spires ledit parcours crée par l'hélicoïde, et à l'intérieur duquel circule un fluide chauffé par la source de chaleur du circuit de réchauffement.
11. Accumulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réservoir est prismatique et comprend une pluralité de plaques de cloisonnement horizontales décalées pour déterminer un parcours en ?S?, lesdites plaques présentant des trous qui sont alignés pour créer un couloir vertical, dans lequel est inséré un élément d'échange préformé, constitué par des tubes verticaux associés à des petites plaques horizontales, lesdites petites plaques ayant la même forme que les trous pratiqués dans lesdites plaques de cloison-nemènt auxquelles elles confèrent une continuité après insertion.
12. Accumulateur selon la revendication 8 ou 10 caractérisé en ce que le serpentin a une section circulaire ou quadrangulaire et est muni d'ailettes.
13. Accumulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs circuits de réchauffement, chacun desdits circuits aboutissant à des sources diverses d'énergie.
14. Accumulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les flux des fluides sont inversés pour obtenir un accumulateur de froid.
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IT30697B/81 | 1981-05-22 | ||
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