Elément chauffant électrique à accumulation, notamment pour cuisinières, chauffe-eau et appareils analogues. Les cuisinières électriques à accumulation, telles qu'elles ont été proposées ou réalisées jusqu'à ce jour présentent des inconvénients qui ont empêché la généralisation de leur em ploi.
En particulier, elles ont un encombrement et un poids trop élevés pour pouvoir être ad mises généralement sans difficulté dans les installations domestiques. Cet encombrement et ce poids ont, comme deuxième conséquence, un prix .de revient qui est, lui aussi, un obs tacle à la diffusion de ces appareils.
La présente invention a pour but de réa liser un élément chauffant électrique à accu mulation d'un encombrement et d'un poids aussi réduits que possibles pour permettre, notamment, de construire des cuisinières élec triques n'ayant pas les inconvénients ci dessus.
Cet élément est caractérisé par le fait qu'il est constitué par une masse accumulatrice sus ceptible de changer d'état physique entre les températures d'utilisation, par exemple entre 800 et 500 dans. le cas des cuisinières, et disposée à l'intérieur d'un vase de Dewar, c'est-à-dire d'un récipient en verre à double paroi évacuée et munie d'une couche réfléchis sante.
D'après une première forme de réalisation, cet élément comporte une masse de métal ou alliage, notamment alliage 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 réalisa tion, cet élément comporte une masse de soufre contenue dans un pot métallique étanche.
Le changement d'état physique de cer tains corps, par exemple le passage de l'état solide à l'état liquide ou celui de l'état 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'accumuler 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 des calories qui seront perdues par rayonnement et par conduction en dehors des périodes de chauf fage de la. masse ac.cumulatrice, ce dernier chiffre étant une fraction notable du premier; il en résulte qu'avec une masse de petit vo lume le nombre des calories à accumuler est moindre en raison même du petit volume, de sorte que la masse peut être encore plus ré duite qu'on ne l'aurait pensé tout d'abord.
En enfermant cette petite masse accumula:trice dans une enveloppe calorifuge aussi parfaite qu'un vase de Dewar, on supprime presque toute perte de calories, de sorte que la possi bilité de réduction de la masse accumulatriee est encore augmentée par une telle enveloppe isolante qui occupe elle-même un très petit volume.
On réalise donc ainsi un élément chauf fant accumulateur d'encombrement extrême ment réduit.
On remarquera, que l'usage d'une masse accumulatrice susceptible de changer l'état: physique, notamment de fondre, entre les températures d'utilisation est connu en soi, mais on n'avait ,jusqu'à présent jamais songé à utiliser cette propriété pour réduire le vo lume de l'élément chauffant.
Il a été également proposé de disposer un élément chauffant en fonte à l'intérieur d'un récipient métallique à, doabte 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 con <I>servé.</I>
Une comparaison avec les meilleurs sys- têmes existant à ce jour montrera les résultats avantageux obtenus grâce à la combinaison conforme à l'invention.
On envisagera ci-dessous, par exemple. une cuisinière électrique à accumulation pour un ménage de 3 à 5 personnes, mise sous ten sion pendant 14 heures par 24 heures. La con sommation moyenne de courant par personne et par jour est, comme avec une cuisinière électrique ordinaire à chauffage direct, d'en viron 1,25 kwh, soit 6,25 kwh par journée pour 5 personnes, ce qui équivaut à
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(grandes calories). C'est donc cette quantité de grandes calories qu'il faut emmagasiner dans le bloc à accumulation:
il v 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 cal/k à l'heure. En admettant, comme indiqué ci-dessus, que la cuisinière soit.
mise sous tension 14 heures par 24 heures, le bloc devra accumuler les calories corres pondantes aux pertes pendant 1(1 heures, soit 10 X 175 = 175(l cal/k. C'est donc, an total, 5393 @- 175() = 71_43 cal/k que le bloc a.ccu- mulateur devra, emmagasiner.
Il faut remar quer que c'est, pour limiter ces pertes par rayonnement et conduction que les construc teurs ont dtlimiter la. température du bloc à 500-55(l C maximum et que plus cette température est élevée, plus épaisse doit être la couche de calorifuge et plus l'encombre ment augmente; dans le cas de la cuisinière ci-dessus considérée, les pertes ne sont limi tées à, 175 cal/k à l'heure que moyennant une épaisseur de 15 à 20 cm de calorifuges, et pour une température du bloc de 500 C seu lement.
En outre, pour porter rapidement à ébul lition les quantités usuelles de liquides aqueux employées 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 seule ment que se situe la marge d'accumulation utilisable.
Avec les matériaux généralement employés peur réaliser les blocs accumula teurs, 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 dm:3 n'est guère que de 200 X 0,14 X 7 = 196 cal/k.
Cette cuisinière exige donc un volume de
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de bloc accumulateur, soit un poids de 252 kg.
Pour diverses raisons, tant d'encombre- ment en hauteur que de conservation des ca- lories, on est généralement amené à donner au bloc accumulateur la forme d'un cylindre où le<I>=</I> d (hauteur = diamètre). Dans le cas ci-dessus, .le diamètre du bloc sera donc de 858 mm. Avec le calorifuge nécessaire, l'en combrement horizontal de l'accumulateur ca lorifugé est de l'ordre de 750 mm et l'encom brement vertical de l'ordre de 550 mm.
Ces inconvénients d'encombrement et de prix de revient ont conduit à restreindre la capacité de cuisson des appareils pour les ren dre 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.
Tees constructeurs ont, par suite, été souvent ame nés à les compléter avec des dispositifs à chauffage électrique direct (plaques, fours, grils) dont la puissance instantanée élevée venant s'ajouter à celle du corps de chauffe à accumulation, va à l'encontre du but pour = suivi (accumulation) ;
à titre d'exemple, une cuisinière permettant de faire la cuisine pour six personnes comporte, en outre d'une plaque à accumulation alimentée par un corps de chauffe de 300 à 600 W, des éléments à chauf fage électrique direct, à savoir: une ou plu sieurs 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 800 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 aceumul:a- tion de chaleur qui doit permettre d'emma- gasiner 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 cui sinières @de divers perfectionnements destinés tant à augmenter leur rendement par une ré cupération des fuites de calories, qu'à en ac croître l'utilité en étendant la gamme des modes de cuisson dont elles sont capables.
Dans une première forme de réalisation préférée de l'élément chauffant suivant l'in vention, on utilise la chaleur de fusion d'un alliage d'aluminium-magnésium-zinc-cuivre. Un tel alliage doit être contenu dans un pot approprié. En effet, on a déjà cherché à uti liser des métaux tels que l'aluminium (fu sion à 660 C) ou des alliages d'aluminium, zinc, magnésium, cuivre, etc.
Mais il est vite appara 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, on peut faire usage de pots, métalliques dou blés, 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 es- sentielles sont les suivantes:
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Coefficient <SEP> de <SEP> chaleur <SEP> spécifique <SEP> 0,327
<tb> Densité <SEP> 2,19
<tb> Chaleur <SEP> de <SEP> fusion <SEP> 180 <SEP> cal/k La capacité calorifique d'un cl-iii' de cet alliage entre 800 et 500 C se compose:
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10 <SEP> De <SEP> la <SEP> chaleur <SEP> spécifique <SEP> accumulée
<tb> 200 <SEP> X <SEP> 0,327 <SEP> X <SEP> 2,19 <SEP> - <SEP> 143 <SEP> cal/k
<tb> <B>2 <SEP> 20</B> <SEP> De <SEP> la <SEP> chaleur <SEP> de <SEP> fusion <SEP> >
<tb> 180 <SEP> X <SEP> 2,19 <SEP> - <SEP> 394 <SEP> "
<tb> Total <SEP> 537 <SEP> cal/k Pour emmagasiner les, 7143 cal/k néces- sairës, il suffira dès lors de:
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c'est-à-dire d'un cylindre où<I>d = h =</I> 258 mm. Une paroi de 10 mm étant amplement suf fisante pour le pot contenant cet alliage, le bloc accumulateur proprement dit aura, dans ce cas, un diamètre de 278 mm et une hauteur de 268 mm, soit 80 mm de moins de diamètre que le bloc de fonte de fer.
Son poids sera le total de:
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1 <SEP> c, <SEP> Poids <SEP> du <SEP> bloc <SEP> accumulateur
<tb> = <SEP> 13,325 <SEP> X <SEP> 2,19 <SEP> = <SEP> 29,200 <SEP> g
<tb> 20 <SEP> Poids <SEP> du <SEP> pot <SEP> (3 <SEP> dm@)
<tb> - <SEP> 3 <SEP> X <SEP> 7 <SEP> = <SEP> 20,685 <SEP> g
<tb> Total <SEP> 49,885 <SEP> g Dans une deuxième forme de réalisation préférée, on utilise le soufre, dont les cons- tantes essentielles sont les suivantes:
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Coefficient <SEP> de <SEP> chaleur <SEP> spécifique <SEP> 11,1764
<tb> Densité <SEP> 2,07
<tb> Point <SEP> d'ébullition <SEP> 444 <SEP> " <SEP> C
<tb> Chaleur <SEP> de <SEP> vaporisation <SEP> 36l,5 Il est indispensable, dans ce casa de pré voir an sein du bloc un dispositif de diffusion des calories convenable pour assurer régu lièrement la, fusion du bloc et pour permettre la restitution des calories. Ce dispositif occu pant un certain volume, environ 20% du vo lume du bloc. celui-ci devra être majoré d'au tant.
La capacité calorifique de 1 dm' de soufre entre 300 et 444 C, sera compo sée de:
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10 <SEP> La <SEP> chaleur <SEP> spécifique <SEP> accumulée
<tb> 144 <SEP> X <SEP> 0,1764 <SEP> X <SEP> 2,07 <SEP> - <SEP> 52 <SEP> carl/k
<tb> 20 <SEP> La <SEP> chaleur <SEP> de <SEP> vaporisation
<tb> 36<B>1</B>,5 <SEP> X <SEP> 2,07 <SEP> = <SEP> 748 <SEP> "
<tb> Total <SEP> 800 <SEP> cal/k Pour emmagasiner les 7143 cal/k néces saires, il ne faudra plus que:
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928<B>cm'.</B>
En majorant ce volume des 9.07o néces saires pour le dispositif de conduction des ca lories à travers la masse de soufre, il devient: 8,928 X 1,20 = 10 dm'<B>713</B> cm'. C'est un cylindre où d = h = 239 mm, soit avec un pot de 10 mm de paroi, <I>d =</I> 259 mm et<I>h</I> = 249 mm, soit 99 mm de moins que le diamètre du bloc de fer.
Son poids total sera de:
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10 <SEP> Poids <SEP> du <SEP> bloc <SEP> accumulateur
<tb> 8,928 <SEP> X <SEP> 2,07 <SEP> - <SEP> 18,480 <SEP> g
<tb> 20 <SEP> Poids <SEP> du <SEP> pot <SEP> (2,417 <SEP> cm')
<tb> 2,417 <SEP> X <SEP> 7 <SEP> - <SEP> 16,920 <SEP> <B><U>9</U></B>
<tb> Total <SEP> 35,400 <SEP> g La. comparaison, faite dans le tableau ci- dessous, des volumes, poids, diamètres et hau- teurs respectifs de ces trois systèmes, fait ressortir l'avantage des perfectionnements proposés pour le bloc accumulateur:
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far <SEP> alliage <SEP> soufre
<tb> Volume <SEP> en <SEP> dm' <SEP> 36 <SEP> 13,325 <SEP> 10,7l.3
<tb> Poids <SEP> en <SEP> kg <SEP> 252 <SEP> 49,885 <SEP> 35,40()
<tb> Diamètre <SEP> en <SEP> mm <SEP> 358 <SEP> 278 <SEP> 259
<tb> Hauteur <SEP> en <SEP> mm <SEP> 358 <SEP> 268 <SEP> 249 L'emploi, comme calorifuge, d'un vase de Dewar permet de réduire dans des proportions encore plus considérables l'encombrement to tal de l'élément accumulateur calorifugé.
En effet, au lieu d'une épaisseur de 15 à 20 cm de calorifuge habituel, il suffit de l'espace suffisant pour loger la paroi du vase (environ 12 mm) ainsi que .le matelas élas tique destiné à le protéger, soit au total 25 mm.
La comparaison entre les trois systèmes d'éléments accumulateurs calorifugés s'établit alors comme suit:
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fer <SEP> alliage <SEP> soufre
<tb> Diamètre <SEP> en <SEP> mm <SEP> 750 <SEP> 328 <SEP> 309
<tb> Hauteur <SEP> en <SEP> mm <SEP> 550 <SEP> 293 <SEP> 274 A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté schématiquement au dessin an nexé un élément accumulateur calorifugé sui vant l'invention.
Dans un pot 1. dont le dessus forme la pla que de chauffage est contenu le corps accumu lateur 4; ce pot est en métal doublé d'une couche protectrice 5 fournie soit par un revê- tement épais de chrome, soit par un creuset de carbure de silicium. Le pot 1 est entouré d'un vase de Dewar 2 convenablement sus pendu et isolé du,contact du pot 1 et des pa rois extérieures par une couche mince 3 .d'une matière calorifuge.
L'application de l'élément chauffant élec trique à accumulation suivant l'invention aux cuisinières électriques permet de réaliser en outre de nombreux avantages nouveaux inat tendus résultant .des faibles dimensions to tales de l'élément chauffant calorifugé.
En particulier, dans une cuisinière -de -di mensions acceptables, on pourra disposer plu sieurs éléments accumulateurs ayant des ré gimes de décharge différents tant par la tem pérature que par la valeur du flux, chacun d'eux étant adapté à un régime de cuisson particulier: ébullition rapide ou lente, mijo- tage, grillade, four, etc. On réalisera ainsi une cuisinière à accumulation répondant réelle ment à tous les besoins, ce qui n'a pu être fait jusqu'à présent.
Comme exemple de ces perfectionnements, on considérera un four de dimensions cou ramment admises, soit:
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Largeur <SEP> 320 <SEP> mm
<tb> Hauteur <SEP> 240 <SEP> mm
<tb> Profondeur <SEP> 370 <SEP> mm Pour les besoins usuels de cuisine d'une famille de 3 à 5 personnes, ce four, chauffé directement, consomme en moyenne 1200 Wh par jour; il exige des régimes de chauffage très différents selon la nature des mets qui y sont préparés.
Le chauffage par accumulation des fours de cuisine domestique a soulevé de nom breuses -difficultés et, en premier lieu, celle du réglage. Cet obstacle n'a été vaincu que partiellement en employant : un chauffage mixte: par exemple le four est entretenu cons tamment à<B>100'</B> C à l'aide de calories em pruntées au bloc accumulateur (en général par "fuites") et le .réglage pour des tempéra- tures 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 accumulation.
Le rendement d'un pareil four est assez mauvais; il est beaucoup plus difficile d'évi ter les pertes dans un four que dans un bloc accumulateur. Malgré l'emploi de couches de calorifuge beaucoup plus épaisses que pour un four analogue, mais à chauffage direct, l'en tretien d'une température de<B>100'</B> C cons tante exige une consommation d'environ 80 Wh à l'heure, soit 1920 Wh par 24 heures.
Si l'on ajoute la consommation exigée pour la cuisson propre des aliments, on arrive à une dépense totale quotidienne de l'ordre de 2700 à 3000 ,Wh, soit plus du double de ce que l'on dépenserait avec un four à chauffage di- r cet.
En utilisant au contraire un accumulateur à changement d'état, tel que celui au soufre, par exemple, pour accumuler les 1200 Wh
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nécessaires quotidiennement, il suffit d'un bloc d'environ 1,5 dm' calorifugé dans un vase de Dewar, dont les, pertes seront à, peu près négligeables et -de compléter le système par un des nom breux dispositifs de transfert des calories con nus (thermo=siphonage -d'un liquide oonve- nable,
application du principe de la paroi froide, etc.) qui permettra au moment voulu de chauffer rapidement le four et d'en régler la température dans les limites convenables, sans faire appel à une puissance instantanée électrique supplémentaire.
On va considérer maintenant, encore à titre d'exemple, une cuisinière électrique com plète.
On a vu ci-dessus qu'avec une cuisinière à accumulation d'un bon modèle courant, la consommation quotidienne totale d'une fa mille de 3 à 5 personnes était de l'ordre de 7143 cas/k -dont 1750 cal/k pour les pertes.
On a vu, d'autre part, qu'en combinant l'emploi d'un vase de Dewar comme calori- fuge avec un bloc accumulateur à changement d'état, on obtenait un double avantage: 1o 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 un(, cuisinière à accumulation ordinaire étant ré duites dans celle faisant l'objet de la, présente invention à quelques dizaines, c'est une nou velle réduction de prés de 24ô en volume que l'on peut faire subir à l'accumulateur pour satisfa.ires aux mêmes besoins.
Les très faibles encombrements réalisés permettent, dés lors, un perfectionnement nouveau aux cuisinières à accumulation; à sa voir le fractionnement en petites unités de l'élément accumulateur calorifugé.
Cet avantage extrêmement important per met d'équiper facilement une cuisinière avec deux, trois, quatre plaques de chauffage ou plus, d'où la possibilité, jusqu'à présent in terdite, de mener plusieurs cuissons simulta nément sur une petite cuisinière domestique < I accumulation, tout comme sur une cuisinière analogue, mais à chauffage direct.
En outre, si, par suite de l'absence d'un ou de plusieurs membres de la famille, les be soins se trouvent réduits, il est possible de couper l'alimentation d'une ou plusieurs pla ques de chauffage pour ne laisser sous tension que le nombre strictement suffisant.
Une cuisinière à chauffage direct ayant trois plaques et un four, à, savoir: 1 plaque de<B>9220</B> mm de diamètre 1 plaque de 180 mm de diamètre 1 plaque de 145 mm de diamètre 1 four aux dimensions énoncées plus haut a un encombrement qui est normalement le suivant:
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Largeur <SEP> 700 <SEP> mm
<tb> Profondeur <SEP> 600 <SEP> mm
<tb> Hauteur <SEP> 800 <SEP> mm Il est facile, d'après la présente invention, de réaliser une cuisinière à accumulation do tée d'organes similaires et ayant la même ca- p#acité de cuisson, dans les limites .du même encombrement.
Les fig. 2 et 3 montrent en plan et en élé vation une telle cuisinière, dans laquelle: A est une plaque de cuisson à accumula tion de 22(1 mm de diamètre et: 101) mm de hauteur, enveloppée de son système calori fuge; I3 est une plaque de cuisson à accumula tion de 180 mm de diamètre et<B>100</B> mm de hauteur, enveloppée de son système calori fuge; C est une plaque de cuisson à accumula tion de 145 mm de diamètre et 100 mm de hauteur, enveloppée de son système calori fuge; D est un four de 240 mm de hauteur, 321) mm de largeur et 370 mm de profondeur; F. est l'accumulateur du four;
F est un circuit tubulaire à thermosiphon (par exemple paraffine, mercure. ..) com mandé par une vanne à membrane élasti que H; G est le calorifuge du four.
Le tableau ci-dessous indique pour chaque plaque le volume de la partie active, la capa cité calorifique et l'encombrement, système calorifuge compris.
Quant à l'accumulateur E du four, on a vu qu'avec un volume de<B>1500</B> cm' et une ca pacité calorifique de 1035 cal/k, il était suf fisant.
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Volume <SEP> de <SEP> Capacité <SEP> Encombiement
<tb> Plaque <SEP> Diamètre <SEP> l'accumulateur <SEP> calorifique <SEP> en <SEP> mm
<tb> en <SEP> mm
<tb> j <SEP> en <SEP> cms <SEP> en <SEP> cal/k
<tb> <B>dlaIn.</B> <SEP> @ <SEP> <B>11.</B>
<tb> A <SEP> 220 <SEP> 3800 <SEP> 3040 <SEP> 280 <SEP> 125
<tb> B <SEP> 180 <SEP> 2544 <SEP> 2035 <SEP> 240 <SEP> 125
<tb> C <SEP> 145 <SEP> 1651 <SEP> 1320 <SEP> 202 <SEP> 125
<tb> I La capacité calorifique totale de la cui sinière est donc:
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Plaque <SEP> A <SEP> 3040
<tb> " <SEP> B <SEP> 2035
<tb> " <SEP> C <SEP> 1320
<tb> Four <SEP> <U>1035</U>
<tb> 7430 <SEP> cal/k c'est-à-dire près de<B>25%</B> de plus de calories utiles que ne peut fournir une cuisinière à accumulation analogue des systèmes déjà con nus. Encore n'est-il pas fait état de la cha leur sensible des vases contenant le corps accumulateur.
Il est d'ailleurs facile d'augmenter la ca.- paeité calorifique de la cuisinière citée en exemple: il suffit d'augmenter la hauteur des plaques et une dimension quelconque de l'ac- eumulateur du four. Les espaces nécessaires sont largement disponibles.
L'élément chauffant conforme à l'inven tion s'applique aussi avantageusement aux chauffe-eau à accumulation, dans lequel cas on ne réchauffera l'eau, au moyen d'un ser pentin disposé au contact de l'élément chauf fant, qu'au moment de l'utilisation.
Ce dis positif présente un avantage considérable par rapport aux chauffe-eau à accumulation con nus, dans lesquels la chaleur est accumulée dans un bac d'eau chaude, car, d'une part, il permet de supprimer l'emploi d'un bac encom brant et, d'autre part, il écarte le danger pro venant 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.
Electric storage heating element, in particular for stoves, water heaters and similar devices. 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 able to be generally placed 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 these devices.
The object of the present invention is to provide an electric heating element with accumulator of as little size and weight as possible to allow, in particular, the construction of electric cookers not having the above drawbacks.
This element is characterized by the fact that it consists of an accumulator mass capable of changing physical state between the temperatures of use, for example between 800 and 500 in. in the case of stoves, and placed inside a Dewar vessel, that is to say 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 alloy 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 in the 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 same bodies, without change of state, within the envisaged temperature limits. It will therefore be possible to usably accumulate 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 be accumulated is the sum of the calories to be used and the calories which will be lost by radiation and by conduction outside the heating periods of the. accumulating 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 accumulated mass in a heat-insulating envelope as perfect as a dewar vessel, almost any loss of calories is eliminated, so that the possibility of reducing the accumulated mass is further increased by such an insulating envelope which itself occupies a very small volume.
A heating element fant accumulator of extremely small size is thus produced.
It will be noted that the use of an accumulating mass capable of changing the state: physical, in particular of melting, between the temperatures of use is known in itself, but we had, until now never thought of using this property to reduce the volume of the heating element.
It has also been proposed to have a heating element made of cast iron inside a metal container with, doabte evacuated wall, but this arrangement does not provide good insulation, because the. metal wall of the container becomes porous at high temperatures so that a vacuum cannot be maintained. </I>
A comparison with the best systems existing to date will show the advantageous results obtained by virtue of the combination in accordance with the invention.
We will consider below, for example. an electric storage stove for a household of 3 to 5 people, switched on 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
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(large calories). It is therefore this 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-designed storage cooker. these losses. are of the order of 175 cal / k per hour. Assuming, as stated above, that the stove is.
powered on 14 hours per 24 hours, the block will have to accumulate the calories corresponding to the losses for 1 (1 hour, or 10 X 175 = 175 (l cal / k. It is therefore, a total of 5393 @ - 175 ( ) = 71_43 cal / k that the a.accumulator block will have to store.
It should be noted that it is in order to limit these losses by radiation and conduction that the manufacturers have to limit the. block temperature at 500-55 (l C maximum and the higher this temperature, the thicker the layer of insulation must be and the more the space increases; in the case of the above-considered stove, the losses are not limited to .175 cal / k per hour only with a thickness of 15 to 20 cm of thermal insulation, and for a block temperature of 500 C only.
In addition, in order to rapidly bring to a boil the usual quantities of aqueous liquids used in cooking, the temperature of the plate should hardly drop below 300 C. It is therefore between 300 and 500 C, ie over a scale of 200 C only that is the usable accumulation margin.
With the materials generally used to make the accumulating 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 dm: 3 is hardly more than 200 X 0.14 X 7 = 196 cal / k.
This cooker therefore requires a volume of
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battery pack, i.e. a weight of 252 kg.
For various reasons, both in terms of height and calorie conservation, it is generally necessary to give the accumulator block the shape of a cylinder where the <I> = </I> d (height = diameter ). In the above case, the diameter of the block will therefore be 858 mm. With the necessary insulation, the horizontal dimensions of the insulated thermal accumulator is of the order of 750 mm and the vertical dimension of the order of 550 mm.
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 a single storage cooking plate, which considerably limits its use.
Tees manufacturers have, therefore, often been born to supplement them with direct electric heating devices (plates, ovens, grills) whose high instantaneous power, in addition to that of the storage heating body, goes to the against the goal for = follow-up (accumulation);
by way of example, a cooker allowing cooking for six people comprises, in addition to an accumulation plate supplied by a 300 to 600 W heating body, elements with direct electric heating, namely: a or several plates from 1000 to 1800 W and one oven of 1000 W, which can optionally be connected in parallel with the storage heating body from 800 to 600 W.
We see that, in this case, the denomination of “storage” cooker is misused and that these devices only meet very far the specifications of a device: aceumul: a- tion of heat which must allow emma - gas slowly, at a low constant power, a high quantity of energy,:
and return it quickly at the desired time. The bulkiness (and the resulting high cost price) have prevented these cookers from being equipped with various improvements intended both to increase their efficiency by recovering calorie leaks and to increase their usefulness. by expanding the range of cooking methods of which they are capable.
In a first preferred embodiment of the heating element according to the invention, the heat of fusion of an aluminum-magnesium-zinc-copper alloy is used. 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 soon became apparent that the pot containing these metals or alloy was attacked by them and quickly put out of use and this solution was then abandoned.
In order to overcome this difficulty, use can be made of double-metal pots, either of a crucible of silicon carbide, or of a thick coating of chromium which, both of which resist the attack of most metals and alloys above.
For the alloy considered, the essential constants are as follows:
EMI0003.0086
Specific heat <SEP> <SEP> coefficient <SEP> <SEP> 0.327
<tb> Density <SEP> 2.19
<tb> Heat <SEP> of <SEP> fusion <SEP> 180 <SEP> cal / k The heat capacity of a cl-iii 'of this alloy between 800 and 500 C consists of:
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10 <SEP> From <SEP> the <SEP> specific heat <SEP> <SEP> accumulated
<tb> 200 <SEP> X <SEP> 0.327 <SEP> X <SEP> 2.19 <SEP> - <SEP> 143 <SEP> cal / k
<tb> <B> 2 <SEP> 20 </B> <SEP> Of <SEP> the <SEP> heat <SEP> of <SEP> fusion <SEP>>
<tb> 180 <SEP> X <SEP> 2.19 <SEP> - <SEP> 394 <SEP> "
<tb> Total <SEP> 537 <SEP> cal / k To store the necessary, 7143 cal / k, it will therefore suffice to:
EMI0003.0095
i.e. a cylinder where <I> d = h = </I> 258 mm. A 10 mm wall being amply sufficient for the pot containing this alloy, the accumulator block itself will have, in this case, a diameter of 278 mm and a height of 268 mm, that is to say 80 mm less in diameter than the block of cast iron.
Its weight will be the total of:
EMI0004.0005
1 <SEP> c, <SEP> Weight <SEP> of the <SEP> block <SEP> accumulator
<tb> = <SEP> 13,325 <SEP> X <SEP> 2,19 <SEP> = <SEP> 29,200 <SEP> g
<tb> 20 <SEP> Weight <SEP> of the <SEP> pot <SEP> (3 <SEP> dm @)
<tb> - <SEP> 3 <SEP> X <SEP> 7 <SEP> = <SEP> 20,685 <SEP> g
<tb> Total <SEP> 49.885 <SEP> g In a second preferred embodiment, sulfur is used, the essential constants of which are as follows:
EMI0004.0008
Specific heat <SEP> <SEP> coefficient <SEP> <SEP> 11.1764
<tb> Density <SEP> 2.07
<tb> Boiling point <SEP> <SEP> 444 <SEP> "<SEP> C
<tb> Heat <SEP> of <SEP> vaporization <SEP> 36l, 5 In this case, it is essential to provide within the block a suitable heat distribution device to ensure regular melting of the block and for allow the restitution of calories. This device occupies a certain volume, about 20% of the volume of the block. this must be increased by as much.
The calorific capacity of 1 dm 'of sulfur between 300 and 444 C, will be composed of:
EMI0004.0014
10 <SEP> The <SEP> specific heat <SEP> <SEP> accumulated
<tb> 144 <SEP> X <SEP> 0.1764 <SEP> X <SEP> 2.07 <SEP> - <SEP> 52 <SEP> carl / k
<tb> 20 <SEP> The <SEP> heat <SEP> of <SEP> vaporization
<tb> 36 <B> 1 </B>, 5 <SEP> X <SEP> 2.07 <SEP> = <SEP> 748 <SEP> "
<tb> Total <SEP> 800 <SEP> cal / k To store the necessary 7143 cal / k, you will only need:
EMI0004.0016
928 <B> cm '. </B>
By increasing this volume by the 9.07o necessary for the device for conduction of caloria through the mass of sulfur, it becomes: 8.928 X 1.20 = 10 dm '<B> 713 </B> cm'. It is a cylinder where d = h = 239 mm, i.e. with a pot of 10 mm wall, <I> d = </I> 259 mm and <I> h </I> = 249 mm, i.e. 99 mm less than the diameter of the iron block.
Its total weight will be:
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10 <SEP> Weight <SEP> of the <SEP> block <SEP> accumulator
<tb> 8.928 <SEP> X <SEP> 2.07 <SEP> - <SEP> 18.480 <SEP> g
<tb> 20 <SEP> Weight <SEP> of the <SEP> pot <SEP> (2,417 <SEP> cm ')
<tb> 2,417 <SEP> X <SEP> 7 <SEP> - <SEP> 16,920 <SEP> <B><U>9</U> </B>
<tb> Total <SEP> 35,400 <SEP> g The comparison, made in the table below, of the respective volumes, weights, diameters and heights of these three systems, shows the advantage of the improvements proposed for the accumulator block:
EMI0004.0033
far <SEP> alloy <SEP> sulfur
<tb> Volume <SEP> in <SEP> dm '<SEP> 36 <SEP> 13.325 <SEP> 10.7l.3
<tb> Weight <SEP> in <SEP> kg <SEP> 252 <SEP> 49.885 <SEP> 35.40 ()
<tb> Diameter <SEP> in <SEP> mm <SEP> 358 <SEP> 278 <SEP> 259
<tb> Height <SEP> in <SEP> mm <SEP> 358 <SEP> 268 <SEP> 249 The use of a Dewar vessel as heat insulator makes it possible to reduce the overall dimensions to an even greater extent. tal of the heat-insulated accumulator element.
Indeed, instead of a thickness of 15 to 20 cm of usual heat insulation, sufficient space is sufficient to accommodate the wall of the vase (about 12 mm) as well as the elastic mattress intended to protect it, either at total 25 mm.
The comparison between the three systems of heat-insulated accumulator elements is then established as follows:
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iron <SEP> alloy <SEP> sulfur
<tb> Diameter <SEP> in <SEP> mm <SEP> 750 <SEP> 328 <SEP> 309
<tb> Height <SEP> in <SEP> mm <SEP> 550 <SEP> 293 <SEP> 274 By way of example, a thermally insulated accumulator element has been described below and shown in the appended drawing below. 'invention.
In a pot 1. the top of which forms the heating plate is contained the accumulator body 4; 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 insulated 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 storage heating element according to the invention to electric cookers further enables numerous unexpected new advantages resulting from the small overall dimensions of the heat-insulated heating element.
In particular, in a cooker -of acceptable sizes, it is possible to have several accumulator elements having different discharge regimes both by temperature and by the value of the flux, each of them being adapted to a cooking regime. particular: fast or slow boiling, simmering, grilling, oven, etc. In this way, an accumulation cooker will be produced which really meets all requirements, which has not been possible until now.
As an example of these improvements, we will consider a furnace of commonly accepted dimensions, namely:
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Width <SEP> 320 <SEP> mm
<tb> Height <SEP> 240 <SEP> mm
<tb> Depth <SEP> 370 <SEP> mm For the usual cooking needs of a family of 3 to 5 people, this directly heated oven consumes on average 1200 Wh per day; it requires very different heating regimes depending on the nature of the dishes prepared there.
Storage heating in domestic cooking ovens has given rise to many difficulties and, in the first place, that of regulation. This obstacle was only partially overcome by using: mixed heating: for example, the oven is constantly maintained at <B> 100 '</B> 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 by means of 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 oven, but with direct heating, the maintenance of a constant temperature of <B> 100 '</B> C requires a consumption of about 80 Wh per hour, i.e. 1920 Wh per 24 hours.
If we add the consumption required for the proper cooking of food, we arrive at a total daily expenditure of the order of 2700 to 3000, Wh, that is to say more than double of what we would spend with a di-heated oven. - r this.
By using instead a state-changing accumulator, such as sulfur, for example, to accumulate the 1200 Wh
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necessary daily, a block of about 1.5 dm 'heat-insulated in a Dewar vessel is sufficient, the losses of which will be almost negligible and - to complete the system by one of the many calorie transfer devices con nus (thermo = siphoning - of a suitable liquid,
application of the principle of the cold wall, etc.) which will allow the oven to be quickly heated at the desired moment and to regulate its temperature within the appropriate limits, without calling upon additional instantaneous electrical power.
We will now consider, again by way of example, 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 7143 cases / k - of which 1750 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, a double advantage was obtained: 1o Considerable reduction in volume and weight 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, c 'is a further reduction of nearly 246 in volume which can be subjected to the accumulator to satisfy the same needs.
The very small dimensions achieved allow, therefore, a new improvement in storage cookers; to see the splitting 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, hitherto prohibited, of carrying out several cookings simultaneously on a small domestic cooker. accumulation, just like on a similar cooker, but with direct heating.
In addition, if, due 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 number strictly sufficient.
A direct heating cooker having three plates and an oven, namely: 1 plate of <B> 9220 </B> mm in diameter 1 plate of 180 mm in diameter 1 plate of 145 mm in diameter 1 oven of the dimensions stated more top has a footprint which is normally the following:
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Width <SEP> 700 <SEP> mm
<tb> Depth <SEP> 600 <SEP> mm
<tb> Height <SEP> 800 <SEP> mm It is easy, according to the present invention, to produce an accumulation cooker having similar components and having the same cooking capacity, within the limits . of the same size.
Figs. 2 and 3 show in plan and in elevation such a cooker, in which: A is a 22 (1 mm in diameter and: 101) mm high accumulation cooking plate, surrounded by its fuge calorific system; I3 is a 180 mm diameter and <B> 100 </B> mm high accumulation hob, wrapped in its fuge calorific system; It is a 145 mm diameter and 100 mm high accumulation cooking plate, wrapped in its heat-resistant system; D is an oven 240 mm high, 321) mm wide and 370 mm deep; F. is the oven accumulator;
F is a tubular thermosiphon circuit (for example paraffin, mercury, etc.) controlled by an elastic diaphragm valve H; G is the heat insulation of the oven.
The table below indicates for each plate the volume of the active part, the calorific capacity and the size, including the thermal insulation system.
As for the accumulator E of the oven, we have seen that with a volume of <B> 1500 </B> cm 'and a calorific capacity of 1035 cal / k, it was sufficient.
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Volume <SEP> of <SEP> Capacity <SEP> Encumbrance
<tb> Plate <SEP> Diameter <SEP> the heat accumulator <SEP> <SEP> in <SEP> mm
<tb> in <SEP> mm
<tb> j <SEP> in <SEP> cms <SEP> in <SEP> cal / k
<tb> <B> dlaIn. </B> <SEP> @ <SEP> <B> 11. </B>
<tb> A <SEP> 220 <SEP> 3800 <SEP> 3040 <SEP> 280 <SEP> 125
<tb> B <SEP> 180 <SEP> 2544 <SEP> 2035 <SEP> 240 <SEP> 125
<tb> C <SEP> 145 <SEP> 1651 <SEP> 1320 <SEP> 202 <SEP> 125
<tb> I The total calorific capacity of the cooker is therefore:
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Plate <SEP> A <SEP> 3040
<tb> "<SEP> B <SEP> 2035
<tb> "<SEP> C <SEP> 1320
<tb> Oven <SEP> <U> 1035 </U>
<tb> 7430 <SEP> cal / k that is to say almost <B> 25% </B> 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 moreover easy to increase the calorific ca.- paeity of the cooker cited as an example: it suffices to increase the height of the plates and any dimension of the air-pump of the oven. The necessary spaces are widely available.
The heating element according to the invention also applies advantageously to storage water heaters, in which case the water will not be heated by means of a coil placed in contact with the heating element, which 'at the time of use.
This device has a considerable advantage over conventional storage water heaters, in which the heat is accumulated in a hot water tank, because, on the one hand, it eliminates the need for a tank. cumbersome and, on the other hand, it eliminates the danger coming from the overpressure which can be created in this tank in the event that, as a result of the non-operation of the thermostat, the water in the tank is transformed into steam.