EP2023055B1

EP2023055B1 - Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur diphasique

Info

Publication number: EP2023055B1
Application number: EP08300223.8A
Authority: EP
Inventors: Alain Marechal; Stéphane Colasson
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: FR2919919A1; US20090041441A1; US7949236B2; JP2009041899A; FR2919919B1; EP2023055A1

Description

L'invention concerne un radiateur plus particulièrement destiné au chauffage domestique, et fonctionnant à l'aide d'un fluide caloporteur. Plus spécifiquement, le fluide caloporteur mis en oeuvre dans le radiateur de l'invention fonctionne sous forme diphasique notamment liquide vapeur.

ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE

On connaît fondamentalement deux types différents de radiateurs domestiques électriques. Tout d'abord, les convecteurs électriques, pour lesquels l'air ambiant à réchauffer est directement en contact avec une résistance électrique chauffante. D'un usage largement répandu, ces convecteurs électriques présentent l'inconvénient de générer un mouvement important de l'air ambiant en raison du gradient thermique créé, entraînant une sensation d'inconfort pour les occupants de la pièce considérée. Ce problème est partiellement résolu par un autre type de radiateurs, appelés radiants, fonctionnant par rayonnement.
On connaît également les radiateurs à fluide caloporteur, dans lesquels ledit fluide, généralement de l'huile, est chauffé au moyen d'un élément chauffant électrique et transite dans un corps de chauffe, au niveau duquel est réalisé le transfert de chaleur à l'air ambiant par convection naturelle. De par la présence d'un corps de chauffe dont la surface d'échange est relativement importante, on réduit le gradient de température avec l'air ambiant de sorte que les déplacements d'air par convection naturelle dans la pièce concernée sont limités.
Parmi ces radiateurs à fluide caloporteur, on distingue tout d'abord les radiateurs dans lesquels le fluide fonctionne en régime monophasique. En l'espèce, ledit fluide demeure à l'état liquide. Dans ce cas, le fluide caloporteur s'échauffe au contact d'un élément chauffant électrique, s'allège et monte à l'intérieur du corps de chauffe. Lors de sa progression ascensionnelle, le fluide caloporteur cède à l'air ambiant une partie de la chaleur à travers la paroi du corps de chauffe, et corollairement se refroidit. Le fluide ainsi refroidi devenant plus dense, et donc plus lourd, redescend par gravité en partie basse du radiateur. Afin d'assurer un fonctionnement correct de ce type de radiateur, il s'avère donc nécessaire d'avoir une différence de température minimale entre le fluide montant (chaud) et le fluide descendant (froid), directement dépendante des pertes de pression du fluide engendrées par sa circulation. Ce faisant, on observe avec ce type de radiateur, une distribution non homogène de la température de la paroi du corps de chauffe, affectant l'efficacité du radiateur. Au surplus, ce type de fonctionnement peut induire des points plus chauds sur la surface de l'appareil, dangereux et en outre incompatibles avec les normes de sécurité édictées.
Afin de surmonter ces inconvénients, il a été proposé, par exemple dans le document GB-A-2 099 980 , un radiateur à fluide caloporteur fonctionnant en régime diphasique, notamment liquide/vapeur. Le fonctionnement d'un tel radiateur est le suivant : Le fluide caloporteur à l'état liquide repose par gravité dans la partie inférieure du radiateur traversé par un élément chauffant, constitué par un fluide monté en température, et traversant de manière étanche la base dudit radiateur.
Sous l'effet de la chaleur, le fluide caloporteur est vaporisé, ladite vapeur montant alors dans la structure interne du radiateur, notamment au niveau d'un corps de chauffe, au niveau duquel intervient un transfert de chaleur. Corollairement, en raison de la température des parois dudit corps de chauffe, plus faible que celle de la vapeur, cette dernière se condense. Le condensat ainsi formé se présente sous forme liquide, et retourne par simple gravité en partie basse du radiateur.
En raison du mode de transfert de chaleur, en l'espèce par changement de phase, mettant directement en jeu la chaleur latente de condensation, on assure ainsi une température de la paroi du corps de chauffe quasi homogène, constituant dès lors en cela une amélioration très nette par rapport aux radiateurs à fluide caloporteur fonctionnant en régime monophasique. En effet, cette température de transfert est très proche de la température de vapeur saturante du fluide caloporteur en raison d'un coefficient d'échange thermique nettement plus élevé en condensation que par convection naturelle coté extérieur, c'est-à-dire coté air ambiant. Ce faisant, on aboutit à un gain substantiel pour la variation de la température de l'air.
Cependant, la source chaude assurant l'élévation thermique du fluide caloporteur s'avère relativement délicate à réguler, et ce, tant dans le temps que dans l'espace. Au surplus, on observe que si la vitesse de vaporisation de fluide caloporteur est trop élevée, la vapeur ainsi générée entraîne des gouttes du fluide caloporteur, perturbant le bon fonctionnement du radiateur.
Au surplus, avec de tels radiateurs diphasiques, on se heurte egalement au problème du bruit lors de leur démarrage. Ce bruit provient des ondes de pression lors du collapse des bulles de vapeur dans le liquide sous-refroidi. Selon le fluide mis en oeuvre et la quantité de fluide liquide introduit dans le corps du radiateur, ce phénomène de bruit est plus ou moins important. Or, cette nuisance sonore peut s'avérer gênante, voire rédhibitoire pour un certain nombre d'applications, telles que notamment les chambres d'hôpitaux, de maisons de repos, de maisons de retraite, voire simplement des chambres à coucher.
La présente invention vise justement à pallier ces différents inconvénients, et notamment à proposer un radiateur diphasique, à la fois efficace sur le plan énergétique, et peu ou pas bruyant lors de sa phase de démarrage.
Le document WO-A-02 504 79 décrit un radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur fonctionnant sous forme diphasique selon le préambule des revendications 1 à 4.

EXPOSE DE L'INVENTION

Elle concerne un radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur fonctionnant sous forme diphasique dans lequel tout d'abord la source de chauffe du fluide caloporteur est constituée par une résistance électrique. Celle-ci est avantageusement scellée et hermétique en regard du fluide caloporteur du radiateur.
En second lieu, la section S du raccordement entre le réservoir du fluide caloporteur, situé en partie inférieure dudit radiateur et le corps de chauffe, susceptible de présenter une pluralité n de canaux, n pouvant être égale à 1, est supérieur ou égale à l'expression : $\frac{A \times P^{{}^{4}{/_{5}}}}{n},$
de canaux, n pouvant être égale à 1, est supérieur ou égale a l'expression : expression dans laquelle :

P désigne la puissance de la résistance électrique ;
n est comme déjà dit, le nombre de canaux constitutifs du corps de chauffe ;
et A est une constante qui dépend de la nature du fluide et de la température de celui-ci (A est exprimée en cm².W^-4/5).

On observe ainsi que, tout d'abord, la mise en oeuvre d'une telle résistance électrique comme source chaude du fluide caloporteur permet de réguler beaucoup plus facilement, et dans le temps et dans l'espace le fonctionnement général du radiateur.
De plus, la réalisation de zones de raccordement avec un passage entre le réservoir et les canaux constitutifs du corps de chauffe respectant la relation précitée, élimine ou diminue à tout le moins drastiquement le nombre de gouttes du fluide caloporteur se présentant sous forme liquide entraînées par la vapeur générée au niveau de la source chaude, et dès lors optimise le fonctionnement du radiateur.
En raison de la limitation de la surchauffe du fluide caloporteur sous forme liquide au niveau du réservoir, on diminue le bruit susceptible d'être généré par le collapse des bulles de vapeur.
Afin d'optimiser le fonctionnement du radiateur de l'invention, les zones de raccordement des canaux du corps de chauffe au niveau du réservoir ont leur partie inférieure à une distance minimum δ au dessus de la ligne de tangence supérieure de la résistance électrique chauffante traversant le réservoir, ladite distance respectant la relation δ ≥ 0,5 × D , dans laquelle D est le diamètre de ladite résistance chauffante.
Afin d'optimiser le fonctionnement du radiateur de l'invention, notamment dans le sens d'une réduction du bruit lors du démarrage, le coefficient de remplissage α doit être supérieur à la valeur de 0,0142, ledit coefficient α étant défini par le rapport de la masse de vapeur produite à 20 °C sur la masse totale de fluide introduit dans le corps du radiateur.

DESCRIPTION DES FIGURES

La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif, à l'appui des figures annexées.

La figure 1 est une représentation schématique partiellement éclatée d'un radiateur à fluide caloporteur connu.
La figure 2 illustre une vue en section transversale d'un tel radiateur, mais conforme à l'invention.
La figure 3 est une représentation schématique détaillée de la section transversale de la zone inférieure dudit radiateur.
La figure 4 est une illustration d'une variante de l'invention.
Les figures 5 et 6 sont des vues schématiques en section illustrant l'une des caractéristiques de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION DE L'INVENTION

On a représenté en relation avec la figure 1, un radiateur à fluide caloporteur en soi connu. Ce radiateur est en l'espèce constitué d'une pluralité d'éléments unitaires 1, constituant le corps de chauffe, tous les éléments étant reliés à un réservoir inférieur 2.
Ces différents éléments 1 peuvent, par exemple, être réalisés en fonte d'aluminium et, afin d'optimiser le transfert avec l'air ambiant sont susceptibles de présenter des ailettes 2 favorisant ainsi la diffusion de la chaleur au sein de la pièce dans laquelle un tel radiateur est implanté.
Au sein de chacun de ces éléments 1 circule un fluide caloporteur, dont la nature est adaptée à la fonction thermique envisagée. Ce fluide peut être de l'eau, de l'éthanol, ou un matériau synthétique polymère, telle que par exemple le R113 (chlorofluorocarbone, ou le HFE 7100^®, commercialisé par 3M, et constitué de hydrogenofluoroether, et plus précisément d'un mélange de méthyl nonafluoroisobutyl ether et de méthyl nonafluorobutylether).
L'assemblage des différents éléments 1 entre eux constitue le corps de chauffe proprement dit, et sont chacun munis d'un canal vertical 4, débouchant en zone inférieure au niveau du réservoir 3 par une zone de raccordement 5.
Ainsi qu'on peut bien l'observer sur la figure 2, une résistance électrique chauffante 6 est insérée dans le réservoir inférieur 3 et le traverse sur sensiblement toute sa longueur. Une telle résistance peut par exemple être constituée d'une cartouche chauffante à double isolement.
Selon une caractéristique de l'invention, la zone de raccordement 5 entre le ou les canaux 4 du corps de chauffe et le réservoir 3 situé en partie inférieure dudit radiateur présente une section S répondant à la formule suivante : $S \geq \frac{A P^{{}^{4}{/_{5}}}}{n}$
Ainsi que déjà dit précédemment :

▪ P représente la puissance de la résistance électrique 6 ;
▪ n est le nombre de canaux 4 et donc le nombre d'éléments 1 constitutifs du corps de chauffe débouchant au sein du même réservoir 3 ;
▪ A est une constante, qui dépend de la nature du fluide mesurée à une température donnée.

L'expérience démontre que les conditions les plus contraignantes en relation avec le fluide caloporteur apparaissent quand ce dernier est à une température voisine de 20°C, c'est-à-dire lors du démarrage du radiateur supposé initialement à la température de la pièce.
Dans ces conditions de fonctionnement, la constante A vaut :

pour l'eau A = 0,0106 ;
pour l'éthanol A = 0,0125 ;
pour le HFE 7100^® A = 0,0153 ;
pour le R113 A = 0,0117.

A titre d'application numérique, pour un radiateur, dont le fluide caloporteur est l'eau, développant 1.000 watts électrique, et comportant dix éléments 1, donc dix canaux 4 en parallèle, la section du raccordement 5 entre chacun des canaux et le réservoir 3 doit être supérieure à 0,27 cm².
En revanche, pour un fluide organique du type HFE 7100^® et dans la même configuration, la section de la zone de raccordement 5 doit être alors supérieure ou égale à 0,383 cm².
On a illustré au sein de la figure 3 le mode de fonctionnement d'un tel radiateur. Les flèches ascendantes illustrent la vaporisation puis l'ascension du fluide caloporteur en phase vapeur au niveau du corps de chauffe, et les flèches descendantes illustrent ledit fluide alors condensé au contact des parois latérales du canal 4 considéré, redescendant sous forme liquide et par simple gravité dans le réservoir 3 par l'intermédiaire de la zone de raccordement 5.
On conçoit qu'en raison de la mise en oeuvre d'une résistance électrique 6, on peut réguler de manière beaucoup plus efficace et plus instantanée le fonctionnement d'un tel radiateur contrairement aux dispositifs de l'art antérieur décrits précédemment.
On dimensionne en outre la résistance électrique 6 de telle sorte que la densité de flux thermique à la surface de celle-ci n'excède pas 3 watts par cm² et ce, afin de vaporiser le liquide caloporteur sous forme de petites bulles et par conséquent en vue de réduire le phénomène de bruit engendré classiquement dans les radiateurs à fluide caloporteur. Typiquement, pour un radiateur de 1.000 watts électrique, la surface de la canne chauffante ou résistance électrique 6 au contact du fluide caloporteur doit être supérieure à 330 cm², quel que soit le nombre de canaux et quel que soit le fluide caloporteur.
Selon une caractéristique de l'invention, la zone de raccordement 5 des canaux 4 au niveau du réservoir 3 débouche au dessus de la ligne de tangence maximum supérieure 7 de ladite canne chauffante 6 d'une distance δ supérieure ou égale à 0.5 × D , D étant le diamètre de la canne chauffante ou résistance électrique 6.
En effet, il faut que la vapeur puisse circuler en direction du corps de chauffe, la zone de raccordement ne doit donc pas être noyée.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le coefficient α de remplissage du radiateur est supérieur à 0,0142, le coefficient a étant défini par la relation suivante : $α = \frac{masse vapeur à 20 ° C}{masse totale de fluide}$
La masse de vapeur à 20 °C se détermine par l'expression suivante : $masse vapeur à 20 ° C = \frac{V_{R} - υ_{l} M}{υ_{v} - υ_{l}}$
où :

■ V_R est le volume interne du radiateur (en m³) ;
■ M désigne la masse totale de fluide introduite dans le radiateur (en kg) ;
■ υ_v désigne le volume spécifique massique de la vapeur à saturation à 20 °C (en m³/kg) ;
■ et υ₁ désigne le volume spécifique massique du liquide à saturation à 20 °C (en m³/kg).

Ainsi, pour un radiateur présentant un volume interne de 4 litres (0,004 m³), et pour 200 ml de fluide introduit, on a les valeurs suivantes :

pour le HFE 7100^® :
- ■ M = 0,299 kg
- ■ υ₁ = 0,00067 m³/kg
- ■ υ_v = 0,428 m³/kg
- ■ masse vapeur : 0,0089 kg
- ■ α = 0,0299
pour l'eau :
- ■ M = 0,199 kg
- ■ υ₁ = 0,001 m³/kg
- ■ υ_v = 57,8 m³/kg
- ■ masse vapeur : 0,000065 kg
- ■ α = 0,0003
pour l'éthanol
- ■ M = 0,158 kg
- ■ υ₁ = 0,00126 m³/kg
- ■ υ_v = 9,07 m³/kg
- ■ masse vapeur : 0,0004 kg
- ■ α = 0,0026

On observe un bon fonctionnement du radiateur vis à vis du problème du bruit si le coefficient de remplissage α est supérieur à 0,0142.
Ce critère est respecté si l'on introduit au maximum 400 ml de HFE 7100^®, 5 ml d'eau ou 39 ml d'éthanol dans un radiateur de volume interne de 4 litres.
Cependant, dans de telles conditions, seul le HFE 7100^® répond à la fois aux objectifs d'efficacité thermique et de niveau sonore.
Le radiateur de l'invention permet donc de surmonter les différents inconvénients mentionnés en relation avec les radiateurs de l'art antérieur de manière simple, efficace et permet en outre de réguler le fonctionnement d'un tel radiateur de manière facilitée.

Claims

Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur fonctionnant sous forme diphasique, comprenant :
▪ un réservoir (3) dudit fluide caloporteur ;

▪ une source chaude (6), constituée par une résistance électrique, destinée à élever la température du fluide caloporteur à une température telle qu'elle engendre un changement de phase dudit fluide ;

▪ un corps de chauffe au niveau duquel s'effectue le transfert de chaleur avec l'air ambiant, comportant un nombre n de canaux (4), en communication en zone inférieure avec le réservoir (3), n pouvant être égal à 1 ;

▪ pour chaque canal (4), une zone de raccordement (5) dudit canal avec le réservoir de fluide caloporteur (3) ;
caractérisé :
▪ en ce que la section S de chacune des zones de raccordement (5) séparant le réservoir (3) du fluide caloporteur et les canaux (4) constitutifs du corps de chauffe, est supérieure ou égale à l'expression : $\frac{A \times P^{{}^{4}{/_{5}}}}{n}$
expression dans laquelle :
- P désigne la puissance de la résistance électrique (6) en w/cm²;

- et A est une constante qui dépend de la nature du fluide et de la température de celui-ci en cm² W^-4/5;

▪ en ce que la section S de chacune des zones de raccordement (5) est inférieure ou égale à la section des canaux (4) ;

▪ en ce que le fluide caloporteur est de l'eau,

▪ et en ce que A est egal à 0,0106 à la température du fluide caloporteur à 20°C.
Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur fonctionnant sous forme diphasique, comprenant :
▪ un réservoir (3) dudit fluide caloporteur ;

▪ une source chaude (6), constituée par une résistance électrique, destinée à élever la température du fluide caloporteur à une température telle qu'elle engendre un changement de phase dudit fluide;

▪ un corps de chauffe au niveau duquel s'effectue le transfert de chaleur avec l'air ambiant, comportant un nombre n de canaux (4), en communication en zone inférieure avec le réservoir (3), n pouvant être égal à 1 ;

▪ pour chaque canal (4), une zone de raccordement (5) dudit canal avec le réservoir de fluide caloporteur (3) ;
caractérisé :
▪ en ce que la section S de chacune des zones de raccordement (5) séparant le réservoir (3) du fluide caloporteur et les canaux (4) constitutifs du corps de chauffe, est supérieure ou égale à l'expression : $\frac{A \times P^{{}^{4}{/_{5}}}}{n}$
expression dans laquelle :
- P désigne la puissance de la résistance électrique (6) en w/cm²;

- et A est une constante qui dépend de la nature du fluide et de la température de celui-ci en cm² W^-4/5;

▪ en ce que la section S de chacune des zones de raccordement (5) est inférieure ou égale à la section des canaux (4) ;

▪ en ce que le fluide caloporteur est de l'éthanol,

▪ et en ce que A est egal à 0,0125 à la température du fluide caloporteur à 20°C.
Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur fonctionnant sous forme diphasique, comprenant :
▪ un réservoir (3) dudit fluide caloporteur ;

▪ une source chaude (6), constituée par une résistance électrique, destinée à élever la température du fluide caloporteur à une température telle qu'elle engendre un changement de phase dudit fluide ;

▪ un corps de chauffe au niveau duquel s'effectue le transfert de chaleur avec l'air ambiant, comportant un nombre n de canaux (4), en communication en zone inférieure avec le réservoir (3), n pouvant être égal à 1 ;

▪ pour chaque canal (4), une zone de raccordement (5) dudit canal avec le réservoir de fluide caloporteur (3) ;
caractérisé :
▪ en ce que la section S de chacune des zones de raccordement (5) séparant le réservoir (3) du fluide caloporteur et les canaux (4) constitutifs du corps de chauffe, est supérieure ou égale à l'expression : $\frac{A \times P^{{}^{4}{/_{5}}}}{n}$
expression dans laquelle :
- P désigne la puissance de la résistance électrique (6) en w/cm²;

- et A est une constante qui dépend de la nature du fluide et de la température de celui-ci en cm² W^-4/5;

▪ en ce que la section S de chacune des zones de raccordement (5) est inférieure ou égale à la section des canaux (4) ;

▪ en ce que le fluide caloporteur est un mélange de méthyl nonafluoroisobutyl ether et de méthyl nonafluorobutylether, notamment du hydrogenofluoroether HFE 7100,

▪ et en ce que A est egal à 0,0153 à la température du fluide caloporteur à 20°C.
Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur fonctionnant sous forme diphasique, comprenant :
▪ un réservoir (3) dudit fluide caloporteur ;

▪ une source chaude (6), constituée par une résistance électrique, destinée à élever la température du fluide caloporteur à une température telle qu'elle engendre un changement de phase dudit fluide ;

▪ un corps de chauffe au niveau duquel s'effectue le transfert de chaleur avec l'air ambiant, comportant un nombre n de canaux (4), en communication en zone inférieure avec le réservoir (3), n pouvant être égal à 1 ;

▪ pour chaque canal (4), une zone de raccordement (5) dudit canal avec le réservoir de fluide caloporteur (3) ;
caractérisé :
▪ en ce que la section S de chacune des zones de raccordement (5) séparant le réservoir (3) du fluide caloporteur et les canaux (4) constitutifs du corps de chauffe, est supérieure ou égale à l'expression : $\frac{A \times P^{{}^{4}{/_{5}}}}{n}$
expression dans laquelle :
- P désigne la puissance de la résistance électrique (6) en w/cm²;

- et A est une constante qui dépend de la nature du fluide et de la température de celui-ci en cm²/W^-4/5;

▪ en ce que la section S de chacune des zones de raccordement (5) est inférieure ou égale à la section des canaux (4) ;

▪ en ce que le fluide caloporteur est du chlorofluorocarbone,

▪ et en ce que A est egal à 0,0117 à la température du fluide caloporteur à 20°C.
Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de raccordement (5) des canaux (4) constitutifs du corps de chauffe au niveau du réservoir (3) débouche au dessus de la résistance électrique (6).
Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance δ séparant la limite inférieure de la zone de raccordement (5) et la ligne de tangence supérieure de la résistance électrique (6) répond à l'expression : $δ \geq 0, 5 \times D$
expression dans laquelle D désigne le diamètre de ladite résistance chauffante.
Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le coefficient de remplissage α, défini comme étant le rapport de la masse de vapeur du fluide caloporteur produite à 20 °C sur la masse totale dudit fluide introduit dans le corps du radiateur satisfait à la relation suivante : α > 0,0142
Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source chaude (6) est dimensionnée de manière à produire une densité de flux thermique à la surface de celle-ci inférieure ou égale à 3 watts par cm².
Radiateur pour chauffage domestique à fluide caloporteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que en ce que chaque canal (4) est ouvert uniquement sur la zone de raccordement (5) par laquelle ledit canal (4) est en communication avec le réservoir (3).