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
EMI0002.0032
(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
EMI0003.0009
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:
EMI0003.0086
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:
EMI0003.0091
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:
EMI0003.0095
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:
EMI0004.0005
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:
EMI0004.0008
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:
EMI0004.0014
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:
EMI0004.0016
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:
EMI0004.0025
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:
EMI0004.0033
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:
EMI0004.0043
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:
EMI0005.0011
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
EMI0005.0037
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:
EMI0006.0024
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.
EMI0006.0044
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:
EMI0007.0002
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.