EP0029010B1 - Electric storage heater - Google Patents
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- EP0029010B1 EP0029010B1 EP80810341A EP80810341A EP0029010B1 EP 0029010 B1 EP0029010 B1 EP 0029010B1 EP 80810341 A EP80810341 A EP 80810341A EP 80810341 A EP80810341 A EP 80810341A EP 0029010 B1 EP0029010 B1 EP 0029010B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F24H7/00—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release
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- F24H7/04—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid
- F24H7/0408—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid using electrical energy supply
- F24H7/0416—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid using electrical energy supply the transfer fluid being air
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- F24H9/00—Details
- F24H9/18—Arrangement or mounting of grates or heating means
- F24H9/1854—Arrangement or mounting of grates or heating means for air heaters
- F24H9/1863—Arrangement or mounting of electric heating means
Definitions
- the present invention relates to an electric storage heater in which air circulates in a closed circuit passing through an air-water heat exchanger.
- Electric storage heaters allow heat to be stored during off-peak hours of power consumption, especially at night, and to restore it during the day when electricity consumption is higher, which allows the load to be better distributed. of the distribution network. In return, the user benefits from a reduced rate which represents significant savings.
- Such devices have already been proposed, designed essentially for storing a sufficient quantity of heat during the eight hours of the night tariff to heat during the remaining sixteen day hours a given habitable volume and for a heat loss corresponding to the coldest days for a specific climatic region.
- the design of such devices is economically questionable given that we size these devices according to exceptional circumstances that occur only a few times a year. It follows that a large proportion of the storage volume is only necessary for a few days a year. The same applies to the additional insulation material intended to insulate this storage volume used exceptionally. Consequently, the corresponding investment for the storage material and the insulating material cannot be amortized by the price difference between off-peak hours and peak hours for this part of the storage volume used sporadically.
- the storage volume is a dead space in the home that should be reduced as much as possible.
- a thermal accumulation block formed of stacked refractory elements traversed by horizontal convection channels extending between two faces of the block adjacent to two spaces respectively connected to a distribution and to an air manifold. These channels are formed in two complementary portions formed on two adjacent refractory elements.
- a metal sheet is interposed between two adjacent blocks and extends through the convection channels to facilitate the removal of heat from the block. These metal sheets do not constitute a storage element but are only there as a thermal conductor. In addition, if these sheets allow the heat to be removed from the refractory blocks, they practically do not make it possible to facilitate the thermal loading of these blocks because they are not in direct contact with the heating resistors.
- patent FR-A-1,542,246 it comprises a block formed of stacked refractory elements between which electrical resistances are embedded in a thermally good conductive material which also surrounds a column of water used for heat extraction accumulated in the block.
- the nature of the thermally conductive material is not specified, nor the mode of incorporation of the resistors in this material.
- Such a document apparently poses the problem without really giving a solution.
- the heating of the water is direct which practically does not allow good modulation of the heat transfer under penalty of working with very high vapor pressures.
- DE-A-1 778 165 proposes to form an accumulation block of a core composed of elements with good thermal conductivity surrounded by an envelope composed of elements made of material with low conductivity.
- the elements of the core have grooves for receiving electrical heating resistors.
- Vertical convection channels are provided between the elements of the heart and the envelope.
- the object of the present invention is to remedy, at least in part, the above-mentioned drawbacks.
- the subject of this invention is an electric storage heater comprising an accumulation block housed in a thermally insulating envelope and having an alternating stack of storage elements of refractory material and transfer elements of material. thermally conductive, this accumulation block being traversed by convection channels opening onto two of its opposite vertical faces and incorporating electrical heating resistors.
- each of said transfer elements is formed by a parallelepipedal body made of cast iron extending from one to the other of said opposite vertical faces and that this body has on the one hand an alternating network of convection channels and conduction heat transfer fins formed on at least one of these faces adjacent to said accumulation elements and on the other hand at least one recess opening on one of the faces of said parallelepiped body and shaped to receive removably an electrical heating resistor.
- the heater illustrated schematically in FIG. 1 is more particularly designed to heat the water of a central heating circuit.
- the invention is in no way limited to this application.
- only the main elements of this device are shown, the invention essentially relating to thermal storage.
- This device comprises an insulating envelope 1 delimiting an enclosure divided into two superposed compartments, one 2 in which there is a tangential fan 3 and an air-water heat exchanger 4, the other 5 in which is a block of accumulation 6 which rests on the partition 7 separating the compartments 2 and 5.
- This partition 7 is pierced with two openings 7a and 7b which make the tangential fan 3 communicate with a distribution space 8 formed between one of the faces of the accumulation block 6 and the insulating envelope 1, and respectively the air-water heat exchanger 4 with a collecting space 9, formed between the face of the accumulation block 6 opposite the face adjacent to the distribution space 8 and the insulating envelope 1.
- the other lateral faces and the upper face of the accumulation block are in contact with the insulating casing 1 so that the air circulation between the tangential fan 3 and the air-water heat exchanger 4 can only take place 'through the accumulation block 6.
- this storage block is illustrated in more detail in FIGS. 2 and 3. It is formed of an alternating succession of accumulation elements 10 made of a refractory material, such as magnesia, and transfer elements 11 made of a material which is a good thermal conductor such as cast iron.
- the accumulation elements 10 have a parallelepiped recess 10a in which is housed the transfer element 11.
- This transfer element 11 has a groove 12 formed from parallel rectilinear segments connected by arcs of circles.
- This groove 12 is formed on one of the faces of the transfer element 11, adjacent to an accumulation element 10. It extends to a depth substantially equal to half the thickness of the transfer element 11 and serves as a housing for an armored resistor 13 fitted in this groove 12.
- a series of parallel convection channels 14 are provided on this same face of the transfer element as well as on the opposite face. Their section is small so as to pinch the flow and to favor its distribution over the entire height of the block 6.
- the cast iron separating the grooves from each other forms heat transfer fins 14a which are in contact with the accumulation elements 10 and provide thermal transfer by conduction between the transfer and accumulation elements 11 and 10.
- the depth of these convection channels 14 is chosen so that the armored resistance 13 placed in its groove 12 is located at a depth greater than the bottom convection channels 14.
- This variant makes it possible to reduce the thickness of the transfer element 11 'by 1 cm by passing it by 25 mm in the embodiment of FIGS. 2 and 3 to 15 mm in the embodiment of FIGS. 4 and 5, which reduces the cast iron weight of the transfer elements by almost half for comparable performance.
- This reduction in thickness can obviously be compensated by a corresponding reduction in the depth of the parallelepiped recess 1 Oa.
- Fig. 6 shows another variant in which the accumulation elements 10 ′ have in section the shape of an I capable of providing them with better mechanical resistance.
- the accumulation elements 10 have a rectangular cross-section and the transfer elements 11" then extend over all the surface of the accumulation elements 10 ".
- This variant makes it possible to improve the contact between the elements of transfer 11 "and accumulation 10".
- the advantage lies in the fact that the transfer elements 11, 11 ′ can be introduced into or removed from the accumulation block 6 like simple drawers. This notably facilitates the possible replacement of a resistor.
- the transfer elements 11 are formed in two parts 11" a and 11 “b to form between them housing 12".
- Each of the two parts 11 “a and 11” b has two flanges 17 which extend respectively along the two sides of the block 6 "adjacent to the spaces 8 and 9 formed between the envelope 1 and the block 6". These flanges 17 serve to retain the accumulation elements 10 ".
- the two parts 11 "a, 11" b have recesses 18 (fig. 8) intended to receive an elastic member 19 intended to bear against the walls of the insulating envelope 1 so as to position the block 6 "in this envelope 1.
- the convection channels not visible in Figs. 7 and 8. are formed on the external faces of the parts 11 “a and 11" b and extend transversely to the resistance 13 ". These convection channels pass through the flanges 17 so that these are crenellated.
- the resistor 13 can be a bare resistor, possessed on a ceramic insulating layer formed by a putty deposited in liquid form and then cured.
- a sheet 20 can be interposed between the elements. transfer elements 10, 10 ', 10 "and storage elements 11, 11', 11".
- This composite structure of the accumulation block 6 therefore improves the heating of the accumulation elements by reducing at the same time very strongly the temperature gradient between the resistors 13, 13 ′, 13 "and the accumulation block 6. This is as well as if the maximum temperature of the accumulation block 6 is 650 ° C., the temperature of the resistors 13, 13 ′, 13 "will be barely higher. In fact, when the resistors are in refractory material and heat it essentially by radiation, the maximum admissible power is between 1.5 and 2 W / cm2 with a high temperature gradient between the temperature of the accumulation block and that of resistance, whereas in the case of the present invention this gradient is greatly reduced for a power of 4 W / cm 2 . It follows that the maximum temperature of the resistors 13, 13 ', 13 "when the accumulation block 6 is at 650 ° C, is very significantly below 800 ° to 900 ° C, which correspond to the critical temperatures for the life of the resistors.
- the accumulation block 6 has a height of 1.2 m and a section of 0.4 ⁇ 0.5 m 2 , the insulation being 5 cm thick. It has been calculated that, without the transfer elements 11, the restitution of the maximum 15 kW would require a number of convection channels such that the transfer elements 11 could not be produced in magnesia or in another refractory material which, because 'they are obtained by sintering, can not have a profile as finely cut as a block of cast iron. This amounts to saying that with an accumulation block 6 without the transfer elements 11 made of cast iron, it would be impossible to heat a dwelling whose maximum heat loss is 15 kW and that it would then be necessary to either an accumulation block of a larger volume, i.e. an auxiliary heater to provide this additional power if necessary.
- the apparatus described therefore offers, by its design, great flexibility of use and makes it possible to supply, if necessary, an extremely high quantity of heat reduced to the accumulation volume, hence an optimization of this volume and a reduction of the necessary investment and immobilized space, offering the possibility of placing this device in the living space itself, its dimensions on the ground can be reduced to that of an electrical household appliance such as a refrigerator , a stove or a washing machine, which allows to equip small dwellings without basement.
- the structure of the accumulation block allows it to be used either as an accumulation heater or as a direct heater using the same basic elements, which is also of great interest. In principle, the life of the resistors should be unlimited. mitée, however, the removable mounting of the transfer elements 11, 11 'or resistors 13 "allows to intervene without requiring the disassembly of the entire accumulation block 6 if necessary.
Abstract
Description
La présente invention se rapport à un appareil de chauffage électrique à accumulation dans lequel de l'air circule en circuit fermé en passant à travers un échangeur de chaleur air-eau.The present invention relates to an electric storage heater in which air circulates in a closed circuit passing through an air-water heat exchanger.
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.Electric storage heaters allow heat to be stored during off-peak hours of power consumption, especially at night, and to restore it during the day when electricity consumption is higher, which allows the load to be better distributed. of the distribution network. In return, the user benefits from a reduced rate which represents significant savings.
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 utifisé 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 heurs 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.Such devices have already been proposed, designed essentially for storing a sufficient quantity of heat during the eight hours of the night tariff to heat during the remaining sixteen day hours a given habitable volume and for a heat loss corresponding to the coldest days for a specific climatic region. The design of such devices is economically questionable given that we size these devices according to exceptional circumstances that occur only a few times a year. It follows that a large proportion of the storage volume is only necessary for a few days a year. The same applies to the additional insulation material intended to insulate this storage volume used exceptionally. Consequently, the corresponding investment for the storage material and the insulating material cannot be amortized by the price difference between off-peak hours and peak hours for this part of the storage volume used sporadically. In addition, the storage volume is a dead space in the home that should be reduced as much as 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.Reducing the storage volume, however, faces another difficulty. If it is admitted that it is not necessary to size the accumulation block for the coldest days, it must nevertheless be possible to compensate for the heat loss of the habitat during these days. However, the refractory materials used for storage are at the same time poor heat conductors so that a significant time will elapse between the switching on of the resistors and the moment when the heat given off by them can be recovered. In addition, additional heat will be stored in the accumulation block at the full rate which increases consumption and unnecessarily overloads the network during daylight hours.
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.One could certainly consider replacing these refractory materials with materials that are good thermal conductors and with high storage capacity such as cast iron, however the price of cast iron is, with identical storage capacity at least twice as expensive as magnesia for example. However, the storage material alone constitutes a significant proportion of the price of the device, which cannot be compensated by the mere reduction of the insulation following the reduction in volume for equal storage capacity.
Il a déjà été proposé d'ajoindre à un tel appareil de chauffage un bouilleur muni d'une résistance électrique indépendante destinée à chauffer directement l'eau d'alimentation du chauffage centrale 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.It has already been proposed to add to such a heater a boiler provided with an independent electrical resistance intended to directly heat the water supplying the central heating as soon as its temperature resulting from the heat exchange with the air flowing through the accumulation block drops below a certain threshold. The disadvantage of this solution lies essentially in the fact that it requires two independent heating circuits and two temperature control systems, which significantly increases the cost of the device.
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. Il n'est de ce fait pas rare dans ce genre d'appareil de devoir changer une résistance blindée dont le prix est élevé.Finally, all heaters of this type have a significant drawback resulting from the poor thermal conductivity of the storage material. The temperature gradient between the electric heating resistor and the storage block is therefore quite large, so that to heat the block to 650 ° C., the temperature of the resistors is appreciably higher and reaches 800 ° C. or even more. . We know that from 800 ° C, an armored resistance degrades quickly and that a breakdown can finally occur between the sheath and the resistance. It is therefore not uncommon in this kind of device to have to change an armored resistor whose price is high.
Il a déjà été proposé, dans le brevet GB-A-975 560 un bloc d'accumulation thermique formé éléments réfracteires empilés traversé par des canaux de convection horizontaux s'étendant entre deux faces du bloc adjacentes à deux espaces reliés respectivement à une distribution et à un collecteur d'air. Ces canaux sont formés en deux portions complémentaires ménagées sur deux éléments réfractaires adjacents. Une feuille métallique est interposée entre deux blocs adjacents et s'étend à travers les canaux de convection pour faciliter l'évacuation de la chaleur du bloc. Ces feuilles métalliques ne constituent pas un élément de stockage mais sont uniquement là en tant que conducteur thermique. En outre, si ces feuilles permettent de retirer la chaleur des blocs réfractaires, elles ne permettent pratiquement pas de faciliter le chargement thermique de ces blocs du fait qu'elles ne sont pas en contact direct avec les résistances de chauffage. Cette absence de contact rend également le chauffage directe de jour moins efficace toute la chaleur produite par les résistances ne pouvant pas être évacuée aussi repidement qui si un bon contact existait entre les résistances et les feuilles métalliques celles-ci n'étant chauffées que par rayonnement. Par ailleurs l'aménagement des canaux de convection dans les blocs réfractaires présente deux inconvénients, premièrement les matériaux réfractaires sont friables et ne permettent pas la formation d'une pluralité de petits canaux augmentant la surface d'échange avec l'air pour une section de passage donnée, ensuite les parois des canaux de convection ne sont pas thermiquement bonnes conductrices l'échange se faisant essentiellement avec la feuille métallique. Il s'agit là d'une solution qui est loin de tirer le meilleur profit de la présence d'éléments conducteurs dans le bloc.It has already been proposed, in patent GB-A-975,560, a thermal accumulation block formed of stacked refractory elements traversed by horizontal convection channels extending between two faces of the block adjacent to two spaces respectively connected to a distribution and to an air manifold. These channels are formed in two complementary portions formed on two adjacent refractory elements. A metal sheet is interposed between two adjacent blocks and extends through the convection channels to facilitate the removal of heat from the block. These metal sheets do not constitute a storage element but are only there as a thermal conductor. In addition, if these sheets allow the heat to be removed from the refractory blocks, they practically do not make it possible to facilitate the thermal loading of these blocks because they are not in direct contact with the heating resistors. This lack of contact makes Also direct heating during the day is less efficient. All the heat produced by the resistors cannot be removed as quickly as if a good contact existed between the resistors and the metal sheets, these being heated only by radiation. Furthermore, the arrangement of the convection channels in the refractory blocks has two drawbacks, firstly the refractory materials are brittle and do not allow the formation of a plurality of small channels increasing the surface of exchange with air for a section of given passage, then the walls of the convection channels are not thermally good conductors the exchange taking place essentially with the metal foil. This is a solution which is far from making the most of the presence of conductive elements in the block.
Quant au brevet FR-A-1 542 246, il comporte un bloc formé d'éléments réfractaires empilés entre lesquels des résistances électriques sont noyées dans un matériau thermiquement bon conducteur qui entoure également une colonne d'eau servant à l'extraction de la chaleur accumulée dans le bloc. La nature du matériau thermiquement conducteur n'est pas précisée, ni le mode d'incorporation des résistances dans ce matériau. Un tel document pose apparemment le problème sans véritablement donner de solution. En outre il faut remarquer que le chauffage de l'eau est direct ce qui ne permet pratiquement pas de bien moduler le transfer thermique sous peine de travailler avec des pressions de vapeur très élevées.As for patent FR-A-1,542,246, it comprises a block formed of stacked refractory elements between which electrical resistances are embedded in a thermally good conductive material which also surrounds a column of water used for heat extraction accumulated in the block. The nature of the thermally conductive material is not specified, nor the mode of incorporation of the resistors in this material. Such a document apparently poses the problem without really giving a solution. In addition, it should be noted that the heating of the water is direct which practically does not allow good modulation of the heat transfer under penalty of working with very high vapor pressures.
Le DE-A-1 778 165 propose de former un bloc d'accumulation d'un coeur composé d'éléments à bonne conductivité thermique entouré d'une enveloppe composée d'éléments en matériau à faible conductivité. Les éléments du coeur présentent des rainures pour recevoir des résistances électriques de chauffage. Des canaux de convection verticaux sont ménagés entre les éléments du coeur et l'enveloppe. Une telle structure engendre obligatoirement une zone plus chaude dans la partie supérieure du coeur, étant donné que les éléments à moins bonne conductivité thermique se trouvent autour, et n'atteint donc pas le but recherché, de sorte que le volume de stockage n'est pas utilisé de façon optimale étant donné qu'il sera nécessaire d'arrêter le chauffage du bloc lorsque le sommet du coeur aura atteint la température limite supportée par les résistances alors que les éléments réfractaires seront encore à une température sensiblement inférieure.DE-A-1 778 165 proposes to form an accumulation block of a core composed of elements with good thermal conductivity surrounded by an envelope composed of elements made of material with low conductivity. The elements of the core have grooves for receiving electrical heating resistors. Vertical convection channels are provided between the elements of the heart and the envelope. Such a structure necessarily creates a warmer area in the upper part of the core, since the elements with lower thermal conductivity are around, and therefore does not achieve the desired goal, so that the storage volume is not not optimally used since it will be necessary to stop the heating of the block when the top of the heart has reached the limit temperature supported by the resistors while the refractory elements will still be at a substantially lower temperature.
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.All these drawbacks explain the reason why this heating method is not very widespread despite the potential economic interest it presents and the regulatory effect it is likely to have on the electricity distribution which we seek to reduce. peak consumption which is very expensive in equipment and which therefore affects prices.
Le but de la présente invention est de remédier, au moins en partie, aux inconvénients susmentionnés.The object of the present invention is to remedy, at least in part, the above-mentioned drawbacks.
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 une empilement alterné d'éléments d'accumulation en matériau réfractaire et d'éléments de transfert en 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 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 ces 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.To this end, the subject of this invention is an electric storage heater comprising an accumulation block housed in a thermally insulating envelope and having an alternating stack of storage elements of refractory material and transfer elements of material. thermally conductive, this accumulation block being traversed by convection channels opening onto two of its opposite vertical faces and incorporating electrical heating resistors. This apparatus is characterized in that each of said transfer elements is formed by a parallelepipedal body made of cast iron extending from one to the other of said opposite vertical faces and that this body has on the one hand an alternating network of convection channels and conduction heat transfer fins formed on at least one of these faces adjacent to said accumulation elements and on the other hand at least one recess opening on one of the faces of said parallelepiped body and shaped to receive removably an electrical heating resistor.
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 fig. 1 est une vue en élévation de l'ensemble de l'appareil.
- La fig. 2 est une vue en coupe agrandie selon la ligne II-II de la fig. 1.
- La fig. 3 est une vue en coupe agrandie selon la ligne III-III de la fig. 2.
- 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.
- La fig. 8 est une vue en coupe selon la ligne VIII-VIII de la fig. 7.
- Fig. 1 is an elevational view of the entire apparatus.
- Fig. 2 is an enlarged sectional view along line II-II of FIG. 1.
- Fig. 3 is an enlarged sectional view along line III-III of FIG. 2.
- Fig. 4 is a sectional view of a variant of FIG. 2.
- Fig. 5 is a sectional view of a variant of FIG. 3.
- Figs. 6 and 7 are sectional views of variants of FIG. 2.
- Fig. 8 is a sectional view along line VIII-VIII of 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.The heater illustrated schematically in FIG. 1 is more particularly designed to heat the water of a central heating circuit. However, the invention is in no way limited to this application. In addition, only the main elements of this device are shown, the invention essentially relating to thermal storage.
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 tangential 3 avec un espace de distribution 8 ménagé entre une des faces du bloc d'accumulation 6 et l'enveloppe isolante 1, et 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.This device comprises an insulating envelope 1 delimiting an enclosure divided into two superposed compartments, one 2 in which there is a tangential fan 3 and an air-
La structure de ce bloc a 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 transfer 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.The structure of this storage block is illustrated in more detail in FIGS. 2 and 3. It is formed of an alternating succession of
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 ménagées 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 sa situe à une profondeur supérieure au fond des canaux de convection 14.This
Dans cette forme d'exécution avec résistance blindée 13 noyée dans l'élément de transfert 11, la présence des arcs de cercles 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.In this embodiment with
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 1 Oa.This variant makes it possible to reduce the thickness of the transfer element 11 'by 1 cm by passing it by 25 mm in the embodiment of FIGS. 2 and 3 to 15 mm in the embodiment of FIGS. 4 and 5, which reduces the cast iron weight of the transfer elements by almost half for comparable performance. This reduction in thickness can obviously be compensated by a corresponding reduction in the depth of the parallelepiped recess 1 Oa.
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.Fig. 6 shows another variant in which the
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 toue la surface des éléments d'accumulation 10". Cette variante permet d'améliorer le contact entre les élements de transfer 11" et d'accumulation 10".According to fig. 7, the
Dans les formes d'exécutions des figs. 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. Ceci 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.In the embodiments of figs. 2 to 6, the advantage lies in the fact that the
A cet effet, les éléments de transfert 11" sont formés en deux parties 1 1 "a et 11 "b ménager entre elles de logement 12". Chacune des deux parties 11"a et 11 "b présente deux rebords 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".For this purpose, the
Les deux parties 11 "a, 11 "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.The two
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 convections traversent les rebords 17 de sorte que ceux-ci sont crénelés.The convection channels not visible in Figs. 7 and 8. are formed on the external faces of the
Au lieu d'utiliser une résistance blindée, la résistance 13" peut être une résistance nue, possé sur une couche isolante céramique formée par un mastic déposé sous forme liquide puis durci.Instead of using an armored resistor, the
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 ".To prevent dust of magnesia from being deposited in the
Nous ne décrirons pas ici les systèmes 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 associé à un dispositif de commande (non représenté) sert à faire varier le débit d'air à travers le bloc de stockage 6.We will not describe here the control and adjustment systems of this device since they are outside the scope of the present invention. It should only be noted that an adjustment flap associated with a control device (not shown) is used to vary the air flow through the
Les avantages entre le bloc d'accumulation décrit selon l'une quelconque des variantes décrites et le solutions précédemment mentionnées découlent tous du fait que les résistances 13, 13', 13" et les canaux de convection 14 sont dans 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.The advantages between the accumulation block described according to any of the variants described and the solutions mentioned above all stem from the fact that the
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', 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 des résistances 13, 13', 13" sera à peine supérieure. En effet, lorsque les résistances sont dans de la matière réfractaire et la chauffent essentiellement par rayonnement là 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', 13" lorsque le bloc d'accumulation 6 est à 650°C, est très sensiblement au-dessous des 800° à 900°C, qui correspondent aux températures critiques pour la durée de vie des résistances.This composite structure of the
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 un autonomie minimale de 4 heures. Or, il ne suffit évidemment pas d'être à même de stocker 60 kWh, encore faut-il pouvoir, en cas de besoin, les restituer suffisamment rapidement.In addition to this first advantage, it should also be mentioned that if the storage elements can be heated quickly without danger to the resistors, the restitution of this heat can also be rapid. In this example, we want to store 60 kWh to heat a home whose maximum possible loss is 15 kW, or a minimum autonomy of 4 hours. However, it is obviously not enough to be able to store 60 kWh, but it must be able, if necessary, to restore them quickly enough.
Dans l'exemple décrit, le bloc d'accumulation 6 a une hauteur de 1,2 m et une section de 0,4x0,5 m2, l'isolation étant de 5 cm d'épaisseur. On a calculé que, sans les éléments de transfert 11, la restitution des 15 kW 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'il sont obtenus par frittage, ne peuvent pas présenter un profil aussi finement découpé qu'un bloc de fonte moulé. Ceci 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'une volume supérieur, soit un chauffage d'appoint pour fournir cette puissance supplementaire en cas de besoin.In the example described, the
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', 13" et les canaux de convection 14 sont 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 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 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 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.Another important advantage of this device must still be noted. When the storage capacity is exhausted, it is essential to be able to ensure, without interruption or marked reduction in temperature, the heating of the water in the air-
L'appareil décrit offre donc, par sa conception une grande souplesse d'utilisation et permet de fournir, si besoin est, une quantité de chaleur extrêmement élevée ramenée au volume d'accumulation d'où une optimisation de ce volume et une réduction de l'investise- ment 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 celle d'un appareil électro-ménager tel qu'un réfrigérateur, une cuisinière ou une machine à laver, ce qui permet d'équiper de petites habitations sans soussol. 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 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 des transfert 11, 11' ou des resistances 13" permet d'intervenir sans nécessiter le démontage de tout le bloc d'accumulation 6 en cas de besoin.The apparatus described therefore offers, by its design, great flexibility of use and makes it possible to supply, if necessary, an extremely high quantity of heat reduced to the accumulation volume, hence an optimization of this volume and a reduction of the necessary investment and immobilized space, offering the possibility of placing this device in the living space itself, its dimensions on the ground can be reduced to that of an electrical household appliance such as a refrigerator , a stove or a washing machine, which allows to equip small dwellings without basement. Finally, the structure of the accumulation block allows it to be used either as an accumulation heater or as a direct heater using the same basic elements, which is also of great interest. In principle, the life of the resistors should be unlimited. mitée, however, the removable mounting of the
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