CH632828A5

CH632828A5 - Appareil de chauffage electrique a accumulation.

Info

Publication number: CH632828A5
Application number: CH1003979A
Authority: CH
Inventors: Yves Trouilhet
Original assignee: Ind L D Equipement
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1982-10-29
Also published as: DE3065318D1; EP0029010A1; WO1981001457A1; JPS56501577A; DK302781A; EP0029010B1; ATE5025T1

Description

Le but de la présente invention est de remédier, au moins en partie, aux inconvénients susmentionnés.

A cet effet, cette invention a pour objet un appareil de chauffage électrique à accumulation, comprenant un bloc d'accumulation logé dans une enveloppe thermiquement isolante et présentant un empilement alterné d'éléments d'accumulation en un matériau réfractaire et

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d'éléments de transfert en un matériau thermiquement conducteur, ce bloc d'accumulation étant traversé par des canaux de convection débouchant sur deux de ses faces verticales opposées et incorporant des résistances électriques de chauffage. Cet appareil est caractérisé par le fait que chacun desdits éléments de transfert est formé d'un corps parallélépipédique en fonte s'étendant de l'une à l'autre desdites faces verticales opposées, et par le fait que ce corps présente, d'une part, un réseau alterné de canaux de convection et d'ailettes de transfert thermique par conduction ménagé sur au moins l'une de ses faces adjacentes auxdits éléments d'accumulation et, d'autre part, au moins un évidement débouchant sur une des faces dudit corps parallélépipédique et conformé pour recevoir de façon amovible une résistance électrique de chauffage.

Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple une forme d'exécution et des variantes de l'appareil objet de la présente invention:

la fìg. 1 est une vue en élévation de l'ensemble de l'appareil,

la fig. 2 est une coupe selon la ligne II-II de la fìg. 1,

la fig. 3 est une coupe selon la ligne III-III de la fig. 1,

la fig. 4 est une vue en coupe d'une variante de la fig. 2,

la fig. 5 est une vue en coupe d'une variante de la fig. 3,

les fig. 6 et 7 sont des vues en coupe de variantes de la fig. 2, et la fig. 8 est une vue en coupe selon la ligne Vili- VIII de la fig. 7.

L'appareil de chauffage illustré schématiquement par la fig. 1 est plus particulièrement conçu pour chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central. Toutefois, l'invention n'est nullement limitée à cette application. En outre, seuls les éléments principaux de cet appareil sont représentés, l'invention se rapportant essentiellement au stockage thermique.

Cet appareil comporte une enveloppe isolante 1 délimitant une enceinte divisée en deux compartiments superposés, l'un, 2, dans lequel se trouvent un ventilateur tangentiel 3 et un échangeur de chaleur air-eau 4, l'autre, 5, dans lequel se trouve un bloc d'accumulation 6 qui repose sur la cloison 7 séparant les compartiments 2 et 5. Cette cloison 7 est percée de deux ouvertures 7a et 7b qui font communiquer le ventilateur tangentiel 3 avec un espace de distribution 8 ménagé entre une des faces du bloc d'accumulation 6 et l'enveloppe isolante 1, respectivement l'échangeur de chaleur "air-eau 4 avec un espace collecteur 9 ménagé entre la face du bloc d'accumulation 6 opposée à la face adjacente à l'espace de distribution 8 et l'enveloppe isolante 1. Les autres faces latérales et la face supérieure du bloc d'accumulation sont en contact avec l'enveloppe isolante 1, de manière que la circulation d'air entre le ventilateur tangentiel 3 et l'échangeur de chaleur air-eau 4 ne puisse se faire qu'au travers du bloc d'accumulation 6.

La structure de ce bloc d'accumulation est illustrée plus en détail par les fig. 2 et 3. Il est formé d'une succession alternée d'éléments d'accumulation 10 en un matériau réfractaire, tel que la magnésie, et d'éléments de transfert 11 en un matériau bon conducteur thermique, tel que la fonte. Les éléments d'accumulation 10 présentent un évidement parallélépipédique 10a dans lequel est logé l'élément de transfert 11.

Cet élément de transfert 11 présente une gorge 12 formée de segments rectilignes parallèles reliés par des arcs de cercles. Cette gorge 12 est ménagée sur l'une des faces de l'élément de transfert 11, adjacente à un élément d'accumulation 10. Elle s'étend à une profondeur sensiblement égale à la moitié de l'épaisseur de l'élément de transfert 11 et sert de logement à une résistance blindée 13 ajustée dans cette gorge 12. Une série de canaux de convection 14 parallèles sont ménagés sur cette même face de l'élément de transfert ainsi que sur la face opposée. Leur section est faible, de manière à pincer l'écoulement et à favoriser sa répartition sur toute la hauteur du bloc 6. La fonte séparant les rainures les unes des autres forme des ailettes de transfert thermique 14a qui sont en contact avec les éléments d'accumulation 10 et assurent le transfert thermique par conduction entre les éléments de transfert 11 et d'accumulation 10. La profondeur de ces canaux de convection 14 est choisie de manière que la résistance blindée 13 placée dans sa gorge 12 se situe à une profondeur supérieure au fond des canaux de convection 14.

Dans cette forme d'exécution avec résistance blindée 13 noyée dans l'élément de transfert 11, la présence des arcs de cercle entre les segments rectilignes augmente l'épaisseur de l'élément de transfert en fonte, de sorte qu'il est possible de réduire cette épaisseur en faisant sortir les résistances de l'élément de transfert à l'extrémité de chaque segment rectiligne et en remplaçant les résistances blindées 13 par des résistances ordinaires 13' (fig. 4 et 5) logées dans des tubes d'isolation 15 en alumine et reliées à leurs extrémités par des raccords 16.

Cette variante permet de réduire l'épaisseur de l'élément de transfert 11' de 1 cm en le faisant passer de 25 mm dans la forme d'exécution des fig. 2 et 3, à 15 mm dans la forme d'exécution des fig. 4 et 5, ce qui réduit de presque la moitié le poids de fonte des éléments de transfert pour une performance comparable. Cette réduction d'épaisseur peut évidemment être compensée par une réduction correspondante de la profondeur de l'évidement parallélépipédique 10a.

La fig. 6 montre une autre variante dans laquelle les éléments d'accumulation 10' présentent en coupe la forme d'un I susceptible de leur assurer une meilleure résistance mécanique.

Selon la fig. 7, les éléments d'accumulation 10" ont en coupe une forme rectangulaire et les éléments de transfert 11" s'étendent alors sur toute la surface des éléments d'accumulation 10". Cette variante permet d'améliorer le contact entre les éléments de transfert 11" et d'accumulation 10".

Dans les formes d'exécution des fig. 2 à 6, l'avantage réside dans le fait que les éléments de transfert 11,11' peuvent être introduits ou retirés du bloc d'accumulation 6 comme de simples tiroirs. Cela facilite notamment le remplacement éventuel d'une résistance. Dans le cas de la variante de la fig. 7, on peut alors ménager des logements 12" permettant l'introduction et l'enlèvement des résistances 13" depuis un des côtés du bloc d'accumulation 6" pour ne pas devoir le démonter pour changer les résistances.

A cet effet, les éléments de transfert 11" sont formés en deux parties 1 l"a et 1 l"b pour ménager entre elles le logement 12". Chacune des deux parties 11 "a et 11 "b présente deux bords 17 qui s'étendent respectivement le long des deux côtés du bloc 6" adjacents aux espaces 8 et 9 ménagés entre l'enveloppe 1 et le bloc 6". Ces rebords 17 servent à retenir les éléments d'accumulation 10".

Les deux parties 1 l"a, 1 l"b présentent des dégagements 18 (fig. 8) destinés à recevoir un organe élastique 19 destiné à prendre appui contre les parois de l'enveloppe isolante 1 de manière à positionner le bloc 6" dans cette enveloppe 1.

Les canaux de convection non visibles sur les fig. 7 et 8 sont ménagés sur les faces externes des parties 11 "a et 11 "b et s'étendent transversalement à la résistance 13". Ces canaux de convection traversent les rebords 17, de sorte que celui-ci est crénelé.

Au lieu d'utiliser une résistance blindée, la résistance 13" peut être une résistance nue, posée sur une couche isolante céramique formée par un mastic déposé sous forme liquide puis durci.

Pour éviter que de la poussière de magnésie ne se dépose dans les canaux de convection 14, une tôle 20 peut être interposée entre les éléments de transfert 10,10', 10" et les éléments d'accumulation 11, 11', 11".

Nous ne décrirons pas ici le système d'asservissement et de réglage de cet appareil étant donné qu'ils sortent du cadre de la présente invention. Précisons seulement qu'un volet de réglage 15 associé à un dispositif de commande (non représenté) sert à faire varier le débit d'air à travers le bloc de stockage 6.

Les avantages entre le bloc d'accumulation décrit selon l'une quelconque des variantes décrites et les solutions précédemment mentionnées découlent tous du fait que les résistances 13,13', 13" et les canaux de convection 14sontdans l'élément de transfert 11,11', 11" en fonte, et que cet élément de transfert augmente considérablement la surface d'échange de chaleur par contact avec les éléments d'accumulation 10 en matériau réfractaire.

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Cette structure composite du bloc d'accumulation 6 améliore donc le chauffage des éléments d'accumulation en réduisant du même coup très fortement le gradient de température entre les résistances 13,13' et le bloc d'accumulation 6. C'est ainsi que si la température maximale du bloc d'accumulation 6 est de 650° C, la température de la résistance 13,13' sera à peine supérieure. En effet, lorsque les résistances sont dans de la matière réfractaire et la chauffe essentiellement par radiation, la puissance maximale admissible est située entre 1,5 et 2 W/cm2 avec un gradient de température élevé entre la température du bloc d'accumulation et celle de la résistance, alors que, dans le cas de la présente invention, ce gradient est fortement réduit pour une puissance de 4 W/cm2. Il s'ensuit que la température maximale des résistances 13,13', lorsque le bloc d'accumulation 6 est à 650° C, est très sensiblement au-dessous des 800 à 900f C, qui correspondent aux températures critiques pour la durée de vie des résistances.

Outre ce premier avantage, il faut encore mentionner que si les éléments d'accumulation peuvent être chauffés rapidement sans danger pour les résistances, la restitution de cette chaleur peut être également rapide. Dans cet exemple, on désire emmagasiner 60 kWh pour chauffer un habitat dont la déperdition maximale possible est de 15 kW, soit une autonomie minimale de 4 h. Or, il ne suffît évidemment pas d'être à même de stocker 60 kWh, encore faut-il pouvoir, en cas de besoin, les restituer suffisamment rapidement.

Dans l'exemple décrit, le bloc d'accumulation 6 a une hauteur de 1,2 m et une section de 0,4 x 0,5 m, l'isolation étant de 5 cm d'épaisseur. On a calculé que, sans les éléments de transfert 11, la restitution des 15 kWh au maximum nécessiterait un nombre de canaux de convection tel que les éléments de transfert 11 ne pourraient pas être réalisés en magnésie ni en un autre matériau réfractaire qui, du fait qu'ils sont obtenus par frittage, ne peuvent pas présenter un profil aussi finement découpé qu'un bloc de fonte moulé. Cela revient à dire qu'avec un bloc d'accumulation 6 sans les éléments de transfert 11 en fonte, il serait impossible de chauffer un habitat dont la déperdition thermique maximale est de 15 kW et qu'il faudrait alors, soit un bloc d'accumulation d'un volume supérieur, soit un chauffage d'appoint pour fournir cette puissance supplémentaire en cas de besoin.

Un autre avantage important de cet appareil doit encore être relevé. Lorsque la capacité de stockage est épuisée, il est indispensable de pouvoir assurer, sans interruption ni réduction de température marquée, le chauffage de l'eau dans l'échangeur air-eau 4. Etant donné que les résistances 13,13' et les canaux de convection 14 sont 5 dans le même élément de transfert 11 en fonte, dès que les résistances seront de nouveau alimentées, elles chauffent l'élément de transfert 11 et, comme le ventilateur tangentiel 3 fait circuler l'air à travers les canaux de convection 14, l'air évacue instantanément cette chaleur sans chauffer notablement les éléments d'accumulation 10, de sorte io que la chaleur ainsi apportée est immédiatement disponible, ce qui est impensable avec un bloc d'accumulation sans élément de transfert. C'est en raison de cette particularité qu'il est possible de réaliser un bloc d'accumulation dont la capacité est choisie, pour des critères économiques, inférieure à la déperdition maximale d'un habitat. Il 15 est en effet avantageux de pouvoir utiliser les mêmes résistances et le même système de régulation pour stocker la chaleur en fonction des besoins et pour le chauffage direct. Il n'est pas nécessaire de doubler les résistances et le système de régulation. En outre, le chauffage étant alors direct, les éléments d'accumulation n'accumulent pas de 20 chaleur pendant que l'appareil utilise de l'électricité au tarif élevé, le stockage ne se faisant qu'aux heures durant lesquelles l'électricité est distribuée au tarif réduit.

L'appareil décrit offre donc, par sa conception, une grande souplesse d'utilisation et permet de fournir, si besoin est, une 25 quantité de chaleur extrêmement élevée ramenée au volume d'accumulation, d'où une optimisation de ce volume et une réduction de l'investissement nécessaire et de la place immobilisée, offrant la possibilité de placer cet appareil dans l'espace d'habitation lui-même, ses dimensions au sol pouvant être ramenées à celles d'un appareil 30 électroménager tel qu'un réfrigérateur, une cuisinière ou une machine à laver, ce qui permet d'équiper de petites habitations sans sous-sol. Enfin, la structure du bloc d'accumulation permet son utilisation,

soit en tant qu'appareil de chauffage à accumulation, soit en tant qu'appareil de chauffage direct en utilisant les mêmes éléments de 35 base, ce qui présente également un grand intérêt. En principe, la durée de vie des résistances devrait être illimitée; toutefois, le montage amovible des éléments de transfert 11,11' ou des résistances 13" permet d'intervenir sans nécessiter le démontage de tout le bloc d'accumulation 6 en cas de besoin.

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2 feuilles dessins

Claims

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1. Appareil de chauffage électrique à accumulation, comprenant un bloc d'accumulation logé dans une enveloppe thermiquement isolante et présentant un empilement alterné d'éléments d'accumulation en un matériau réfractaire et d'éléments de transfert en un matériau thermiquement conducteur, ce bloc d'accumulation étant traversé par des canaux de convection débouchant sur deux de ses faces verticales opposées et incorporant des résistances électriques de chauffage, caractérisé par le fait que chacun desdits éléments de transfert est formé d'un corps parallélépipédique en fonte s'étendant de l'une à l'autre desdites faces verticales opposéès et que ce corps présente, d'une part, un réseau alterné de canaux de convection et d'ailettes de transfert thermique par conduction ménagé sur au moins l'une de ses faces adjacentes auxdits éléments d'accumulation et, d'autre part, au moins un évidement débouchant sur une des faces dudit corps parallélépipédique et conformé pour recevoir de façon amovible une résistance électrique de chauffage.

2. Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits éléments de transfert sont en fonte moulée et que lesdits éléments d'accumulation sont en un matériau réfractaire.

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REVENDICATIONS

3. Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque élément d'accumulation présente sur au moins une de ses deux faces transversales audit bloc d'accumulation un évidement parallélépipédique s'étendant entre les deux faces dudit bloc d'accumulation, adjacentes respectivement auxdites portions du circuit de circulation d'air, évidement conformé pour recevoir ledit élément de transfert.

4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite résistance électrique est une résistance blindée répartie sur la surface dudit élément de transfert et logée dans l'épaisseur de celui-ci à une profondeur excédant celle desdits canaux de convection d'une valeur sensiblement égale au diamètre de ladite résistance blindée.

5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un segment de ladite résistance électrique est logé dans un isolant tubulaire ajusté dans une gorge qui s'étend parallèlement entre lesdits canaux, et est relié à l'extérieur dudit élément de transfert à au moins un autre segment de résistance électrique logé dans un second isolant tubulaire ajusté dans une gorge parallèle à la première.

6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément de transfert est en deux parties entre lesquelles un logement est réservé pour recevoir ladite résistance électrique, ce logement s'ouvrant sur une des faces latérales dudit bloc.

7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacun desdits éléments de transfert présente sur deux côtés opposés des rebords pour retenir entre eux lesdits éléments d'accumulation.

8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des organes élastiques sont interposés entre ladite enveloppe isolante et le bloc d'accumulation, ces organes étant retenus dans lesdits éléments de transfert.

9. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'une couche électriquement isolante est interposée entre ledit élément de transfert et ladite résistance, cette couche étant solidaire de cet élément de transfert.

Les appareils de chauffage électrique à accumulation permettent de stocker de la chaleur durant les heures creuses de consommation de courant, notamment durant la nuit, et de la restituer durant la journée où la consommation d'électricité est plus importante, ce qui permet de mieux répartir la charge du réseau de distribution. En contrepartie, l'usager bénéficie d'un tarif réduit qui représente une économie appréciable.

On a déjà proposé de tels appareils, conçus essentiellement en vue de stocker une quantité de chaleur suffisante durant les huit heures du tarif nocturne pour chauffer durant les seize heures diurnes restantes un volume habitable donné, et pour une déperdition thermique correspondant aux jours les plus froids pour une région climatique déterminée. La conception de tels appareils est économiquement discutable étant donné que l'on dimensionne ces appareils en fonction de circonstances exceptionnelles qui ne se reproduisent que quelques fois dans l'année. Il s'ensuit qu'une proportion importante du volume de stockage n'est nécessaire que pour quelques jours par an. Il en est de même du matériau d'isolation supplémentaire destiné à isoler ce volume de stockage utilisé exceptionnellement. De ce fait, l'investissement correspondant pour la matière de stockage et la matière isolante ne peut pas être amorti par la différence de tarif entre heures creuses et heures pleines pour cette partie du volume de stockage utilisée sporadiquement. En outre, le volume de stockage est un espace mort de l'habitation qu'il est bon de réduire autant que possible.

La réduction du volume de stockage se heurte cependant à une autre difficulté. Si on admet qu'il n'est pas nécessaire de dimensionner le bloc d'accumulation en fonction des jours les plus froids, il faut néanmoins qu'il soit possible de compenser la déperdition thermique de l'habitat durant ces jours. Or, les matériaux réfractaires utilisés pour le stockage sont en même temps mauvais conducteurs de chaleur, de sorte qu'il s'écoulera un temps important entre l'enclenchement des résistances et le moment où la chaleur dégagée par celles-ci pourra être récupérée. En outre, de la chaleur supplémentaire sera stockée dans le bloc d'accumulation au tarif plein, ce qui renchérit la consommation et surcharge inutilement le réseau aux heures de jour.

On pourrait certes envisager de remplacer ces matériaux réfractaires par des matériaux bons conducteurs thermiques et à haute capacité de stockage comme la fonte; toutefois, le prix de la fonte est, à capacité de stockage identique, deux fois plus cher au moins que la magnésie, par exemple. Or le matériau de stockage constitue à lui seul une proportion importante du prix de l'appareil, qui ne saurait être compensée par la seule réduction de l'isolation consécutive à la diminution du volume à capacité de stockage égale.

Il a déjà été proposé d'adjoindre à un tel appareil de chauffage un bouilleur muni d'une résistance électrique indépendante, destinée à chauffer directement l'eau d'alimentation du chauffage central dès que sa température résultant de l'échange de chaleur avec l'air circulant à travers le bloc d'accumulation descend au-dessous d'un certain seuil. L'inconvénient de cette solution réside essentiellement dans le fait qu'elle nécessite deux circuits indépendants de chauffage et deux systèmes d'asservissement de température, ce qui augmente sensiblement le coût de l'appareil.

Enfin, l'ensemble des appareils de chauffage de ce type présente un inconvénient important résultant de la mauvaise conductivité thermique du matériau de stockage. Le gradient de température entre la résistance de chauffage électrique et le bloc d'accumulation est de ce fait assez important, de sorte que, pour chauffer le bloc à 650° C, la température des résistances est sensiblement plus élevée et atteint 800° C, voire davantage. On sait qu'à partir de 800° C, une résistance blindée se dégrade rapidement et qu'un claquage peut finalement se produire entre la gaine et la résistance. II n'est de ce fait pas rare,

dans ce genre d'appareil, de devoir changer une résistance blindée dont le prix est élevé.

Tous ces inconvénients expliquent la raison pour laquelle ce mode de chauffage est assez peu répandu malgré l'intérêt économique potentiel qu'il présente et l'effet régulateur qu'il est susceptible d'avoir sur la distribution d'électricité dont on cherche à réduire les pointes de consommation, qui coûtent très cher en équipement et qui se répercutent donc sur les tarifs.