EP2423630B1 - Dispositif d'échange thermique - Google Patents

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EP2423630B1
EP2423630B1 EP11178576.2A EP11178576A EP2423630B1 EP 2423630 B1 EP2423630 B1 EP 2423630B1 EP 11178576 A EP11178576 A EP 11178576A EP 2423630 B1 EP2423630 B1 EP 2423630B1
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EP
European Patent Office
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channel
fluid
plate
heat exchange
winding
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP11178576.2A
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German (de)
English (en)
Other versions
EP2423630A1 (fr
Inventor
Mihaï Radulescu
Jean-Claude Frichet
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Electricite de France SA
Original Assignee
Electricite de France SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Electricite de France SA filed Critical Electricite de France SA
Publication of EP2423630A1 publication Critical patent/EP2423630A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2423630B1 publication Critical patent/EP2423630B1/fr
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/04—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being formed by spirally-wound plates or laminae
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels

Definitions

  • the invention relates to the field of heat exchangers.
  • the invention relates to the field of heat exchangers designed to cause a heat exchange between a first and a second heat transfer fluid.
  • the invention relates to the field of heat exchangers designed to be arranged within a storage tank as a water heater device in order to cause a heat exchange between a heat transfer fluid (for example from a solar circuit ) and the fluid to be heated contained in the tank (for example sanitary water in the case of a water heater).
  • a heat transfer fluid for example from a solar circuit
  • the fluid to be heated contained in the tank for example sanitary water in the case of a water heater
  • FIGS 1, 2a and 2b from the document US 2,663,549 represent three sectional views of the same heat exchanger 1 for transferring thermal energy between a first fluid G to a second fluid R.
  • this exchanger 1 is composed of a spiral tubular element whose non-contiguous turns have a closed cross-section in the form of an elongated rectangle parallel to the axis of the spiral.
  • the fluid G is fed through a central duct 11 into the radially inner inlet of the spiral element to circulate in the spiral tubular element 4.
  • the radially outer turn of the tubular element opens axially on the side opposite to the 11.
  • a spiral channel hydraulically isolated from the spiral element and which opens axially on either side of the tubular element.
  • the fluid R meanwhile, is fed through a pipe 22 into the channel and thus circulates axially, that is to say vertically from the bottom of the exchanger upwardly circulating in the spiral element according to the direction 7.
  • the fluid R is hydraulically isolated from the fluid G, while being in exchange relation thermal with the latter by the surfaces 2 and 3.
  • the fluid R leaving each turn in the directions 7 is collected in a collector element 10 for later use.
  • a first solution would be to increase the size of the exchanger, resulting in a more expensive exchanger, more complex and there is not necessarily room to arrange such a heat exchanger inside a tank (for example a hot water tank).
  • thermal stratification of a volume of fluid
  • this volume of fluid comprises layers at different temperatures depending on the position of this layer.
  • these layers are located one above the other along the height in a container (such as a balloon or other type of fluid reservoir), the lower layers being the coldest, the temperature of the layers increasing with the positioning height.
  • a container such as a balloon or other type of fluid reservoir
  • this phenomenon of thermal stratification is not necessarily discontinuous and is generally continuous by heat exchange between the layers.
  • a first object of the present invention is to provide a heat exchange device between a first heat transfer fluid and a second heat transfer fluid to increase the exchange surface compared to devices of the state of the art without increasing the size of the exchanger.
  • an object of the present invention is to provide a heat exchange device that is simple and inexpensive to produce.
  • Another object of the present invention is to provide a heat exchange device employing a thermal stratification of one of the two heat transfer fluids at the outlet of the exchanger.
  • the invention relates to a heat exchange device as defined in appended claim 1.
  • the guide means force the two fluids to flow along a spiral within an exchanger to increase the contact surface without increasing the size of the exchanger.
  • the outlet of the exchanger it is possible to have a thermal stratification of one of the two heat transfer fluids, that is to say that, depending on the temperature of the fluid at the outlet of the exchanger with respect to the ambient fluid in which the exchanger is immersed, the fluid exits at a different height corresponding to one or the other of the lights of the tubular element.
  • the invention also relates to a fluid reservoir, in particular a hot water tank as defined in appended claim 13.
  • a device for exchanging heat between a first fluid F1 and a second fluid F2 comprises a plate-shaped element P.
  • the plate-shaped element P comprises a main axis A along which said plate extends between a first end 103 and a second end 104.
  • the element 10 has between these two ends two opposite surfaces 101 and 102 spaced apart. of a thickness e along a transversal axis of the main axis A.
  • the ends 103 and 104 are straight segments perpendicular to the main axis A.
  • the plate also comprises a edge 105 preferably parallel to the main axis A and a second edge 106 opposite the edge 105.
  • the edges 103, 104, 105 and 106 form the contour of the two contact surfaces 101 and 102.
  • the external shape of the element 10 is obtained by translation of the contours 103, 104, 105 and 106 along the thickness e (preferably perpendicular to the contours 103, 104, 105 and 106).
  • the edge 104 defines the direction of a Z axis preferably perpendicular to the main axis A.
  • the element 10 (and more specifically the contact surfaces 101 and 102) can be made of any material known from the state of the art. to allow an optimization of the heat exchange between a first coolant and a second heat transfer fluid and in particular can be achieved in at least one of the following materials: metals, plastics, composite materials, ...
  • the element 10 is in the form of a "plate”, that is to say that these geometric dimensions are such that its thickness e is substantially smaller than the dimensions of the opposite surfaces 101 and 102 and more precisely of the horizontal width L and the vertical height H of the basic body.
  • the "height” is defined as the distance between the edge 105 and the edge 106 of the plate at a given point of the base 105 and "length” will be understood to mean the distance between the edges 103 and the edges 104 along of the main axis A.
  • the geometric dimensions of the element 10 are as follows: height H between 0.2 and 1.5 m; length L between 1 and 10 m; and the thickness e between 0.1 and 10 mm.
  • the plate-shaped element P comprises a first internal channel 100 arranged between the two opposite surfaces 101 and 102.
  • This first internal channel 100 is intended to receive a first heat transfer fluid F1.
  • the internal channel 100 is associated with an input E1 and an output S1 allowing the flow of the fluid F1 within the first internal channel 100.
  • the first channel 100 is in thermal contact with the two main surfaces 101 and 102 opposite, allowing thus to cause a heat exchange between the first coolant circulating within the first channel 100 and a second heat transfer fluid outside the element 10, in contact with said opposite heat exchange surfaces 101 and 102.
  • the first internal channel 100 describes a path within the element 10 for circulating the fluid F1 from the top of the element 10 (edge 106) downward (edge 105).
  • the trajectory described by the first internal channel 100 travels back and forth between a first end 103 and a second end 104 in from the top of the plate (close to the edge 106) and progressively descending to the lower edge 105 of the base body 10.
  • the internal channel 100 comprises its inlet E1 at the base 105 and up (preferably vertically) in the direction of the edge 106 via the extension 1001 of the internal channel 100. Then the trajectory of the internal channel 100 follows a series of back and forth 1002 between the ends 103 and 104 non-opening (and possibly the edge 106) towards the base 105.
  • the various round trips are preferably but optionally horizontal and regularly spaced along the height of the plate and preferably with a spacing of typically 50 mm and are joined at their ends by extensions 1003, preferably vertical.
  • the first fluid F1 flowing inside the element 10 is a fluid for heating the second fluid F2 flowing outside the element 10
  • the more one is located at a high position of the element 10 the more the first fluid F1 is hot.
  • the fluid F1 traversing the inner channel 100 of the element 10 starting from the top edge 106 gradually cools down as it goes down towards the base 105.
  • the height H which preferably develops perpendicularly to the main axis A of the plate 10 between the edge 105 and the edge 106 varies along the principal axis A of the element 10.
  • the plate has an increase in the height between the first end 103 of the plate P and the second end 104 so that the lowest height H1 is at the end 103 and the highest H2 at the end 103. of the end 104.
  • the difference in height of the end 104 relative to the other end 103 is of a relative value of between 5% and 100%.
  • the difference in height of the end 104 relative to the other end 103 is an absolute value of between 10 cm and 100 cm.
  • the height increase can be done stepwise, that is to say that the edge 106 has horizontal bearings or sections 106a, 106b and 106c (parallel to the edge 105) of different length.
  • the transition between the different steps (or sections) 106a, 106b and 106c is done by skewed edges (preferably about 45 ° relative to the horizontal) or vertical edges 107.
  • the allers- returns of the trajectory of the internal channel 100 take place between the edge 103 and the skewed edges 107.
  • the heat exchange surfaces 101 and 102 advantageously also include asperities 108 and / or protuberances 109 (for example in the form of fins) making it possible to increase the turbulence in the fluid F2 and thus to improve the heat transfer between the two fluids.
  • the edge 106 may have a rectilinear longitudinal edge starting from the end 103 towards the end 104 and having an angle ⁇ with the edge 105.
  • the element 10 can also be formed by a sealed assembly (gluing, welding or other equivalent process known from the state of the art) of two plates 1010 and 1020 having deformations 1011 and 1021 , preferably in the form of grooves, so that once the two plates 1010 and 1020 are assembled, the grooves form the first channel 100. It should be noted that these deformations 1011 and 1021 also form longitudinal asperities 108 on the surfaces 101 and 102 of the element 10.
  • FIGS. 5a and 5b have in separate parts, a heat exchange device according to a particular embodiment of the present invention.
  • the figure 5a represents an element 10, as represented in figure 4 , rolled up.
  • the winding axis may be close to or coincident with the Z axis located at the end 104, at which the height H2 is the largest.
  • the edge 103 whose height is the smallest H1 is at the periphery of the winding.
  • the plate P is wound along a winding axis parallel to the ends 103 and 104.
  • the heat exchange device having a decreasing height, it has, once wound, an upper portion of conical envelope whose height is all the greater as it approaches the center of the winding.
  • the first fluid F1 circulating inside the winding 10 is a fluid for heating the second fluid F2 flowing outside the winding - that is, in the channel formed between the turns of the winding of the plate element 10 -, and with the exception of the center of the winding (which accommodates the extension 1001 of the channel 100), the further a high area of the winding, the hotter this area is.
  • this channel has, once the wound element, a spiral trajectory (trajectory presenting back and forth in the spiral).
  • the fluid F1 flowing in the first channel 100 is guided so as to follow a spiral path whose central axis corresponds to the winding axis.
  • the height H1 of the end 103 is the lowest.
  • the winding axis may be different from the Z axis corresponding to the end 104 of the plate and that the winding may be made around a central tubular space whose main axis coincides with the winding axis.
  • the chimney 2 may also comprise another tubular portion 24, preferably of circular or rectangular section (corresponding to the section of the opening 222 of the conical portion 22), located at the top of the truncated conical portion 22 comprising three or more openings 26 located regularly or not along the tubular portion 24 and an opening 27 located at the top of the tubular portion 24.
  • the envelope T is intended to come to wrap the element 10 once wound and to ensure by guiding the flow of fluid F2 from the inlet 202 to the outlet 222 via the channel 200.
  • this envelope T has been shown in dotted lines to show the cooperation between the element 10 and this envelope T.
  • the winding of the element 10 makes it possible to define a second channel 200 between the associated turns.
  • An input E 2 is arranged on the envelope T for example in the form of a light 202 to allow the fluid F2 to penetrate inside the envelope T and access the channel 200.
  • This input E 2 is located at level of the end 103 of the outer turn and an output S 2 is located in the center of the winding at the end 104 to allow the fluid F2 out of the envelope T through the opening 222.
  • This second channel 200 is said "outside” as opposed to the first channel 100 (which is located inside the element 10).
  • the second channel it is located between the turns of the element 10 wound and is limited by the envelope T in the upper part of the winding.
  • the second heat transfer fluid F2 enters via the radially external inlet E2 and circulates by natural circulation between the turns of the element 10 along the external channel 200 to emerge at the central outlet S2.
  • this heat exchange device allows the second fluid F2 to circulate by natural circulation.
  • the natural circulation that is to say by simple thermosiphon effect
  • the fluid F2 receives a lot of thermal energy, so its circulation accelerates, it leaves the exchanger more quickly and is therefore heated over a shorter period of time; if on the contrary the heat exchange has a poor performance, the fluid F2 receives less heat energy, so its circulation slows down, it stays longer within the exchanger and is heated over a longer period of time.
  • a forced circulation of the fluid F2 can be envisaged by a pump or any other means of forced circulation of a fluid known from the state of the art.
  • the fluid F2 enters through the inlet 202 of the envelope T (inlet E2) and flows in the second channel 200 while remaining in contact with the surfaces 101 and 102 of the plate member 10 comprising the channel 100.
  • the fluid F2 is thus "heated” by fluid F1 and, by thermosiphon effect, puts into natural circulation fluid F2 which will go up along external channel 200 closed at the top by the envelope T to reach the level of exit S2.
  • the conical portion 22 of the envelope T thus makes it possible to "close” the upper part of the second channel 200 and to act on the fluid F2 as a guide element to force it to follow the path of the second channel 200 between the turns of the second the plate member 10.
  • the envelope comprises an opening 222 in the center of the winding.
  • the fluid F2 after being in contact with the hottest part of the winding 10, leaves through the opening 222.
  • the turns of the external channel 200 must be hydraulically isolated from each other, especially at their upper part.
  • the element 10 comprises at its upper edge 106 a resilient layer (for example in the form of a seal) intended to come into contact with the envelope T.
  • a resilient layer for example in the form of a seal
  • the interior of the envelope T can be covered with a sealing layer against which comes into contact the upper edge 106 of the element 10.
  • the wound element 10 is in contact with the envelope T over the entire length of the edge 106 to ensure the sealing of the channel 200.
  • the lamination stack 2 comprises a tubular portion 24 connected with the opening 222 of the conical portion 22.
  • the fluid F2 exits through different lights 26 of the lamination stack 2. More precisely, the more the fluid at the outlet of the heat exchanger is hot, the more it exits at a high light 26, or even at its upper opening 27.
  • the figure 7 shows an exploded view of the assembly of the wound element and the chimney 2 as described above thus forming a heat exchange and lamination device according to the invention.
  • the figure 8 presents an element 10 as presented to Figures 3a or 3b coiled the winding is such that the highest edge 104 is located at the center of the winding and such that the edge whose height is the lowest 103 is at the periphery of the winding.
  • the plate P is wound along a winding axis parallel to the ends 103 and 104.
  • the heat exchange device having a decreasing height, it has, once wound, a top portion of conical envelope whose height is all the more so because it is closer to the center.
  • the heat exchange device having a decreasing height per step
  • the upper part comprises different stages whose heights correspond to the heights of the bearings 106c, 106b and 106a, respectively the heights H 2 , H 3 and H 1 (In from the center of the winding towards the outer coil).
  • the length of each edge 106a, 106b and 106c is such that it corresponds substantially to the periphery of the corresponding turn.
  • the three bearings 106c, 106b and 106a have, in this order, areas whose heat is decreasing between the bearings and along these bearings.
  • the top of the bearing 106c is the hottest zone of the winding, as well as the center of the winding which is in contact with the portion 1001 of the internal channel as explained above. In general, and with the exception of the center of the winding, the more one is at a high area of the winding, the more this area is hot.
  • the wound element comprises an inlet E2 at the last turn of the radially outer winding and an output S2 at the center of the winding as described in more detail below.
  • the element 10 is wound spirally with rectangular turns. Alternatively, it can also be wound spirally with circular turns.
  • the fluid F2 enters through the inlet 202 at a lower part of the chimney 2 (inlet E2) so as to be conveyed within the exchanger, along the external channel 200 (that is to say between each turn of the winding 10) to exit by opening 222 at the winding axis upwards by thermosiphon effect (output S2).
  • the fluid F2 is conveyed via an inlet E2, along the external channel 200, between the turns of the wound heat exchanger in order to guarantee contact between the contact surfaces 101 and 102 and the fluid F2 on the one hand, the center of the wound heat exchanger at which the fluid F1 flowing inside the element 10, is the hottest to circulate naturally thermosiphon fluid F2 upwards (as explained above).
  • the figure 11 represents a section of a reservoir 1 of fluid, and more specifically a hot water tank, comprising a heat exchange device according to the invention immersed in the water to be heated contained in the tank 1.
  • the first channel 100 within the element 10 of the heat exchange device is connected via the inlet E1 and the outlet S1 of the tank 1 to a fluid circuit coming from a hot source (for example a solar circuit) so that the fluid from a hot source (for example a solar collector) circulates inside the first internal channel 100.
  • the second channel 200 comprises an inlet E2 and an outlet S2 within the tank 1 so that the water constitutes the second coolant fluid F2 circulating within the second channel 200 as explained above.
  • the tank 1 comprises an inlet E3 of cold water to be heated for the tank 1 and an outlet S3 of hot water to a point of use of hot water as a hot water network.
  • the present invention can be adapted to any type of industrial and / or residential application and to any type of fluid whose heat (gas or liquid) must be exchanged.
  • the dimensions and materials of the present invention are given for illustrative purposes only.

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Description

  • L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur.
  • Plus particulièrement, l'invention concerne le domaine des échangeurs conçus pour provoquer un échange thermique entre un premier et un deuxième fluide caloporteur.
  • Plus particulièrement encore, l'invention concerne le domaine des échangeurs conçus pour être agencés au sein d'un réservoir de stockage comme un dispositif de chauffe-eau afin de provoquer un échange thermique entre un fluide caloporteur (par exemple provenant d'un circuit solaire) et le fluide à chauffer contenu dans le réservoir (par exemple de l'eau sanitaire dans le cas d'un chauffe-eau).
  • Dans ce domaine, on connaît de nombreux dispositifs permettant d'échanger l'énergie thermique (c'est-à-dire de la chaleur) entre un premier fluide caloporteur et un deuxième fluide caloporteur.
  • Les figures 1, 2a et 2b tirées du document US 2 663 549 représentent trois vues en coupe d'un même échangeur de chaleur 1 permettant de transférer l'énergie thermique entre un premier fluide G vers un deuxième fluide R.
  • Plus précisément, cet échangeur 1 est composé d'un élément tubulaire en spiral dont les spires non jointives présentent une section droite fermée en forme de rectangle allongé parallèlement à l'axe de la spirale. Le fluide G est amené par une canalisation 11 centrale dans l'entrée radialement interne de l'élément en spiral pour circuler dans l'élément tubulaire en spiral 4. La spire radialement externe de l'élément tubulaire débouche axialement sur le côté opposé à la canalisation 11. Entre les spires de l'élément tubulaire, il est formé un canal en spirale hydrauliquement isolé de l'élément en spirale et qui débouche axialement de part et d'autre de l'élément tubulaire. Le fluide R, quant à lui, est amené par une canalisation 22 dans le canal et circule ainsi axialement, c'est-à-dire verticalement depuis le bas de l'échangeur vers le haut en circulant dans l'élément en spiral selon la direction 7. Ainsi, le fluide R est hydrauliquement isolé du fluide G, tout en étant en relation d'échange thermique avec ce dernier par les surfaces 2 et 3. En sortie de l'échangeur, le fluide R sortant de chaque spire selon les directions 7 est recueilli dans un élément collecteur 10 pour une utilisation ultérieure.
  • Cependant, des critiques ont été émises quant aux dispositifs de l'état de la technique. En effet, l'échange thermique entre le fluide R et le fluide G s'effectue le long de la hauteur de l'échangeur 1 et cette surface d'échange n'est pas toujours suffisante pour un rendement optimum de l'échange thermique.
  • Une première solution serait d'augmenter la taille de l'échangeur, avec pour conséquences un échangeur plus cher, plus complexe et il n'y a pas forcément de place pour agencer un tel échangeur à l'intérieur d'un réservoir (par exemple un ballon d'eau chaude).
  • Selon une autre critique, il s'avère que ces dispositifs de l'état de la technique ne permettent pas de mettre en oeuvre une stratification thermique du fluide en sortie de l'échangeur.
  • On entendra par « stratification thermique » d'un volume de fluide, le fait que ce volume de fluide comprend des couches à des températures différentes selon la position de cette couche. Généralement, ces couches sont situées les unes sur les autres le long de la hauteur dans un récipient (tel qu'un ballon ou tout autre type de réservoir pour fluide), les couches inférieures étant les plus froides, la température des couches augmentant avec la hauteur de positionnement. Bien évidemment, ce phénomène de stratification thermique n'est pas obligatoirement discontinu et est généralement continu par échange thermique entre les couches.
  • On trouvera un descriptif d'autres échangeurs dans les documents US-3 303 877 , DE 101 06 371 , US-3 058 722 , EP 0 061 779 , FR 2,155,770 et dans le document US-3 854 530 par rapport auquel la revendication 1 annexée est délimitée.
  • En conséquence, un premier but de la présente invention est de fournir un dispositif d'échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur et un second fluide caloporteur permettant d'augmenter la surface d'échange par rapport aux dispositifs de l'état de la technique sans pour autant augmenter la taille de l'échangeur.
  • Plus précisément, un but de la présente invention est de proposer un dispositif d'échange thermique qui soit simple et peu coûteux à réaliser.
  • Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif d'échange de chaleur mettant en oeuvre une stratification thermique de l'un des deux fluides caloporteurs en sortie de l'échangeur.
  • A cet effet l'invention concerne un dispositif d'échange thermique tel que défini en revendication 1 annexée.
  • Ainsi les moyens de guidage obligent les deux fluides à s'écouler le long d'une spirale au sein d'un échangeur permettant d'augmenter la surface de contact sans augmenter la taille de l'échangeur.
  • Ainsi, il est possible d'obtenir de manière très simple un échangeur thermique dont les deux fluides circulent chacun le long d'une trajectoire en spirale. La circulation relative des fluides pouvant être avantageusement à contre courant.
  • Avantageusement mais facultativement, l'invention comprend au moins l'une des caractéristiques suivantes :
    • le premier canal comprend une entrée située à proximité du centre de l'enroulement de l'élément en forme de plaque et une sortie radialement externe, opposée au centre de l'enroulement,
    • le deuxième canal comprend une entrée radialement externe à l'enroulement de l'élément en forme de plaque et une sortie située à proximité du centre de l'enroulement,
    • le premier canal comprend des tronçons principaux perpendiculaires à l'axe d'enroulement de l'élément en forme de plaque, les tronçons principaux étant raccordés deux à deux, au niveau de leurs extrémités par des tronçons secondaires parallèles à l'axe d'enroulement,
    • l'augmentation de la hauteur est continue,
    • l'augmentation de la hauteur est par palier,
    • la différence de hauteur d'une extrémité à l'autre de l'élément en forme de plaque le long de son axe principal est d'une valeur relative comprise entre 5% et 100%,
    • la différence de hauteur d'une extrémité à l'autre de l'élément en forme de plaque le long de son axe principal est d'une valeur absolue comprise entre 10 cm et 100 cm,
    • les surfaces de l'élément en forme de plaque présentent des aspérités et/ou des protubérances et/ou des ailettes,
    • l'élément en forme de plaque est réalisé dans au moins l'un des matériaux suivants : métaux, plastiques, matériaux composites,
    • le dispositif comprend en outre une cheminée de stratification thermique,
    • la cheminée de stratification thermique comprend un élément tubulaire comprenant une pluralité de lumières alignées dans le sens d'un axe principal de l'élément tubulaire.
  • Ainsi, en sortie de l'échangeur, il est possible d'avoir une stratification thermique de l'un des deux fluides caloporteurs, c'est-à-dire que, selon la température du fluide en sortie de l'échangeur par rapport au fluide ambiant dans lequel est immergé l'échangeur, le fluide ressort à une hauteur différente correspondant à l'une ou l'autre des lumières de l'élément tubulaire.
  • L'invention concerne également un réservoir de fluide, notamment un ballon d'eau chaude tel que défini en revendication 13 annexée.
  • D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à lecture de la description qui va suivre et sur les figures annexées, données à titre illustratif, et sur lesquelles :
    • les figures 1 et 2a et 2b, tirés du document US 2 663 549 représentent un dispositif d'échange de chaleur selon l'état de la technique, la figure 1 étant une vue en coupe verticale I-I, la figure 2a étant une vue en coupe horizontale Ila-Ila, et la figure 2b étant une vue en coupe verticale IIb-IIb,
    • la figure 3a est une représentation schématique de coté d'un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon un premier mode de réalisation de la présente invention,
    • la figure 3b est une représentation schématique de coté d'un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon un autre mode de réalisation de la présente invention,
    • les figures 3c et 3d sont des vues en coupe respectivement des figures 3a et 3b, respectivement selon les plans IIIc-IIIc et IIId-IIId,
    • la figure 4a est une représentation schématique de coté d'un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention,
    • la figure 4b est une vue en coupe verticale selon le plan IVb-IVb de l'élément de la figure 4a,
    • la figure 4c est une vue cavalière d'une portion de l'élément de la figure 4a.
    • la figure 5a représente un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon la figure 4a, enroulé selon un mode de réalisation de la présente invention,
    • la figure 5b représente une enveloppe et une cheminée de stratification selon un mode de réalisation de la présente invention,
    • la figure 6a est une vue en coupe horizontale Vlll-Vlll d'un dispositif d'échange de chaleur selon les figures 5a et 5b (le nombre de spire ayant été réduit par souci de clarté),
    • la figure 6b est une vue de haut d'un dispositif d'échange de chaleur selon les figures 5a et 5b,
    • la figure 7 représente une vue éclatée d'un dispositif d'échange de chaleur selon un mode particulier de la présente invention,
    • la figure 8 représente une vue en coupe d'un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon la figure 3a ou 3b, enroulé selon un mode de réalisation de la présente invention,
    • la figure 9 représente un dispositif d'échange de chaleur comprenant un élément en forme de plaque selon la figure 8,
    • la figure 10 est une vue en coupe horizontale de la figure 9 selon le plan lX-lX d'un dispositif d'échange de chaleur selon la figure 9,
    • la figure 11 est une vue en coupe d'un réservoir de fluide, et plus spécialement un chauffe-eau comprenant un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention.
  • En référence à la figure 3a et selon un premier mode particulier de la présente invention, un dispositif d'échange de chaleur entre un premier fluide F1 et un second fluide F2 comprend un élément 10 en forme de plaque P.
  • L'élément 10 en forme de plaque P comprend un axe principal A le long duquel s'étend ladite plaque entre une première extrémité 103 et une seconde extrémité 104. L'élément 10 présente entre ces deux extrémités, deux surfaces opposées 101 et 102 espacées d'une épaisseur e selon une transversale de l'axe principal A.
  • Préférentiellement, les extrémités 103 et 104 sont des segments de droite perpendiculaires à l'axe principal A. La plaque comprend également un bord 105 préférentiellement parallèle à l'axe principal A et un deuxième bord 106 opposé au bord 105. Les bords 103, 104, 105 et 106 permettent de former le contour des deux surfaces de contact 101 et 102. La forme externe de l'élément 10 est obtenue par translation des contours 103, 104, 105 et 106 le long de l'épaisseur e (préférentiellement perpendiculaire aux contours 103, 104, 105 et 106). Le bord 104 définit la direction d'un axe Z préférentiellement perpendiculaire à l'axe principal A. L'élément 10 (et plus spécifiquement les surfaces de contact 101 et 102) peut être réalisé en tout matériau connu de l'état de la technique pour permettre une optimisation de l'échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur et un second fluide caloporteur et notamment peut être réalisé dans au moins l'un des matériaux suivants : métaux, plastiques, matériaux composites, ...
  • L'élément 10 est en forme de « plaque », c'est à dire que ces dimensions géométriques sont telles que son épaisseur e est sensiblement inférieure aux dimensions des surfaces opposées 101 et 102 et plus précisément de la largeur horizontale L et la hauteur verticale H du corps de base.
  • Par convention, on appellera le bord horizontal 105, la « base » de l'élément 10, de telle manière que l'axe principal A est également un axe horizontal, et les extrémités 103 et 104, des segments verticaux.
  • Ainsi, la « hauteur » est définie comme étant la distance entre le bord 105 et le bord 106 de la plaque à un point donné de la base 105 et on entendra par « longueur» la distance entre les bords 103 et les bords 104 le long de l'axe principal A.
  • Préférentiellement, les dimensions géométriques de l'élément 10 sont les suivantes : hauteur H compris entre 0,2 et 1,5 m ; longueur L comprise entre 1 et 10 m ; et l'épaisseur e comprise entre 0,1 et 10 mm.
  • L'élément 10 en forme de plaque P comprend un premier canal 100, interne, agencé entre les deux surfaces opposées 101 et 102. Ce premier canal interne 100 est destiné à recevoir un premier fluide caloporteur F1. Le canal interne 100 est associé à une entrée E1 et une sortie S1 permettant la circulation du fluide F1 au sein du premier canal interne 100. De plus, le premier canal 100 est en contact thermique avec les deux surfaces principales 101 et 102 opposées, permettant ainsi de provoquer un échange de chaleur entre le premier fluide caloporteur circulant au sein du premier canal 100 et un deuxième fluide caloporteur à l'extérieur de l'élément 10, en contact avec lesdites surfaces d'échange thermique opposées 101 et 102.
  • Ainsi, par l'intermédiaire des surfaces 101 et 102, le dispositif selon l'invention met en oeuvre un échange d'énergie thermique entre le premier fluide caloporteur F1 circulant au sein du premier canal interne 100 et le deuxième fluide caloporteur F2 situé à l'extérieur de l'élément 10 en contact avec lesdites surfaces opposées 101 et 102.
    Le premier canal interne 100 peut être réalisé :
    • par surmoulage du corps de base sur un élément de canalisation préalablement installé ou
    • par l'agencement de deux surfaces 101 et 102 de part et d'autre d'un élément de canalisation permettant de former une structure sandwich,
    • par l'agencement de deux éléments en plaque comprenant chacune un sillon correspondant à la trajectoire du canal interne 100, l'assemblage des deux surfaces permettant de définir le canal interne à partir des sillons en regard,
    • ou par tout autre procédé technique connu de l'état de la technique.
  • Il est à noter que le premier canal interne 100 décrit une trajectoire au sein de l'élément 10 permettant de faire circuler le fluide F1 du haut de l'élément 10 (bord 106) vers le bas (bord 105).
  • La trajectoire décrite par le premier canal interne 100 effectue des allers-retours entre une première extrémité 103 et une seconde extrémité 104 en partant du haut de la plaque (à proximité du bord 106) et descendant progressivement jusqu'au bord inferieur 105 du corps de base 10. Avantageusement, le canal interne 100 comprend son entrée E1 au niveau de la base 105 et remonte (préférentiellement verticalement) en direction du bord 106 via l'extension 1001 du canal interne 100. Puis la trajectoire du canal interne 100 suit une suite d'allers-retours 1002 entre les extrémités 103 et 104 non débouchant (et éventuellement le bord 106) en direction de la base 105. Les différents allers-retours sont préférentiellement mais facultativement horizontaux et régulièrement espacés le long de la hauteur de la plaque et préférentiellement d'un espacement typiquement de 50 mm et sont rejoints à leurs extrémités par des extensions 1003, préférentiellement verticales.
  • Ainsi, dans le cas où le premier fluide F1 circulant à l'intérieur de l'élément 10 est un fluide destiné à chauffer le deuxième fluide F2 circulant à l'extérieur de l'élément 10, il est à noter que plus on se situe à une position haute de l'élément 10, plus le premier fluide F1 est chaud. En effet, le fluide F1 parcourant le canal interne 100 de l'élément 10 en commençant depuis le bord haut 106 se refroidit progressivement au fur et à mur qu'il descend en direction de la base 105.
  • Selon une caractéristique essentielle de la présente invention, la hauteur H qui se développe préférentiellement perpendiculairement à l'axe principal A de la plaque 10 entre le bord 105 et le bord 106 varie le long de l'axe principal A de l'élément 10.
  • Préférentiellement, la plaque présente une augmentation de la hauteur entre la première extrémité 103 de la plaque P et la deuxième extrémité 104 de telle sorte que la hauteur la plus basse H1 se situe au niveau de l'extrémité 103 et la plus haute H2 au niveau de l'extrémité 104. Préférentiellement, la différence de hauteur de l'extrémité 104 par rapport à l'autre extrémité 103 est d'une valeur relative comprise entre 5% et 100%.
  • Préférentiellement, la différence de hauteur de l'extrémité 104 par rapport à l'autre extrémité 103 est d'une valeur absolue comprise entre 10 cm et 100 cm.
  • Comme représenté aux figures 3a et 3b, l'augmentation de hauteur peut se faire par palier, c'est-à-dire que le bord 106 présente des paliers ou tronçons horizontaux 106a, 106b et 106c (parallèles au bord 105) de longueur différente. La transition entre les différents paliers (ou tronçons) 106a, 106b et 106c se faisant par des bords biaisés (préférentiellement d'environ 45° par rapport à l'horizontal) ou verticaux 107. Dans la partie haute de la plaque, les allers-retours de la trajectoire du canal interne 100 s'effectuent entre le bord 103 et les bords biaisés 107.
  • En référence à la figure 3b, les surfaces d'échange de chaleur 101 et 102 comprennent avantageusement également des aspérités 108 ou/et protubérances 109 (par exemple sous la forme d'ailettes) permettant d'augmenter la turbulence dans le fluide F2 et ainsi d'améliorer le transfert thermique entre les deux fluides.
  • En référence à la figure 4a et selon une autre réalisation possible de la présente invention, le bord 106 peut présenter un bord longitudinal rectiligne partant de l'extrémité 103 en direction de l'extrémité 104 et qui présente un angle β avec le bord 105.
  • En référence aux figures 4b et 4c, il est à noter que l'élément 10 peut également être formé par un assemblage étanche (collage, soudage ou autre procédé équivalent connu de l'état de la technique) de deux plaques 1 0 1 0 et 1020 présentant des déformations 1011 et 1021, préférentiellement sous la forme de sillons, de telle sorte qu'une fois les deux plaques 1010 et 1020 assemblées, les sillons forment le premier canal 100. Il est à noter que ces déformations 1011 et 1021 forment également des aspérités longitudinales 108 sur les surfaces extérieures 101 et 102 de l'élément 10.
  • Les figures 5a et 5b présentent en pièces séparées, un dispositif d'échange de chaleur selon une réalisation particulière de la présente invention.
  • La figure 5a représente un élément 10, tel que représenté à la figure 4, enroulé. L'axe d'enroulement peut être à proximité ou confondu avec l'axe Z situé au niveau de l'extrémité 104, au niveau de laquelle la hauteur H2 est la plus grande. Le bord 103 dont la hauteur est la plus faible H1 se situe en périphérie de l'enroulement. Ainsi, la plaque P est enroulée selon un axe d'enroulement parallèle aux extrémités 103 et 104.
  • Le dispositif d'échange de chaleur ayant une hauteur décroissante, il présente, une fois enroulé, une partie haute d'enveloppe conique dont la hauteur est d'autant plus grande qu'elle se rapproche du centre de l'enroulement.
  • En conséquence, de manière générale, dans le cas où le premier fluide F1 circulant à l'intérieur de l'enroulement 10 est un fluide destiné à chauffer le deuxième fluide F2 circulant à l'extérieur de l'enroulement ― c'est-à-dire dans le canal formé entre les spires de l'enroulement de l'élément en plaque 10 -, et à l'exception du centre de l'enroulement (qui accueille l'extension 1001 du canal 100), plus on se situe à une zone haute de l'enroulement, plus cette zone est chaude. Au vu de la disposition du premier canal 100 au sein de l'élément 10, ce canal présente, une fois l'élément enroulé, une trajectoire en spirale (trajectoire présentant des allers-retours dans la spirale). En conséquence, le fluide F1 circulant au sein du premier canal 100 est guidé de sorte à suivre une trajectoire en spirale dont l'axe central correspond à l'axe d'enroulement.
  • Au niveau de la spire extérieure (c'est-à-dire la plus éloignée de l'axe d'enroulement) la hauteur H1 de l'extrémité 103 est la plus faible. Il est à noter également que l'axe d'enroulement peut être différent de l'axe Z correspondant à l'extrémité 104 de la plaque et que l'enroulement peut être réalisé autour d'un espace tubulaire central dont l'axe principal est confondu avec l'axe d'enroulement.
  • L'élément 10 enroulé est associé à une enveloppe T formant une cheminée 2 et comprenant essentiellement deux parties :
    • une première partie 20 préférentiellement cylindrique de section circulaire ou rectangulaire dont le diamètre est légèrement supérieur au diamètre de la spire extérieure de l'échangeur enroulé, avec une hauteur sensiblement égale à H1, comprenant une ouverture 202 pour l'accès du fluide F2 au canal 200 ;
    • la cheminée 2 comprend également une partie conique 22 conçue pour pouvoir envelopper la partie haute de l'échangeur enroulé, comprise entre les hauteurs H1 et H2, la partie conique 22 comprend donc une ouverture 222 au niveau de sa partie haute.
  • La cheminée 2 peut également comprendre une autre partie tubulaire 24, préférentiellement de section circulaire ou rectangulaire (correspondant à la section de l'ouverture 222 de la partie conique 22), située au sommet de la partie conique tronquée 22 comprenant trois ou plusieurs ouvertures 26 situées régulièrement ou non le long de la partie tubulaire 24 et une ouverture 27 située en haut de la partie tubulaire 24.
  • L'enveloppe T est destinée à venir envelopper l'élément 10 une fois enroulée et à assurer par guidage la circulation du fluide F2 de l'entrée 202 jusqu'à la sortie 222 via le canal 200. Sur la figure 5a, cette enveloppe T a été représentée en pointillées afin de montrer la coopération entre l'élément 10 et cette enveloppe T.
  • En référence à la figure 6a (représentant une coupe du dispositif d'échange de chaleur une fois assemblé), l'enroulement de l'élément 10 permet de définir un deuxième canal 200 entre les spires associées. Une entrée E2 est agencée sur l'enveloppe T par exemple sous la forme d'une lumière 202 pour permettre au fluide F2 de pénétrer à l'intérieur de l'enveloppe T et accéder au canal 200. Cette entrée E2 est située au niveau de l'extrémité 103 de la spire extérieure et une sortie S2 est située au centre de l'enroulement au niveau de l'extrémité 104 pour permettre au fluide F2 de sortir de l'enveloppe T par l'ouverture 222. Ce deuxième canal 200 est dit « extérieur » par opposition au premier canal 100 (qui est situé à l'intérieur de l'élément 10). Le deuxième canal, lui, est situé entre les spires de l'élément 10 enroulé et est limité par l'enveloppe T en partie haute de l'enroulement.
  • Ainsi, le second fluide caloporteur F2 entre par l'entrée E2 radialement externe et circule par circulation naturelle entre les spires de l'élément 10 le long du canal externe 200 pour ressortir au niveau de la sortie S2 centrale.
  • Un des avantages de ce dispositif d'échange de chaleur est de permettre de faire circuler la second fluide F2 par circulation naturelle. Ainsi, non seulement il n'y a pas besoin d'énergie supplémentaire pour la circulation du fluide F2, mais de plus la circulation naturelle (c'est-à-dire par simple effet thermosiphon) permet une régulation automatique de la circulation du fluide F2. En effet, si l'échange thermique a un rendement élevé, le fluide F2 reçoit beaucoup d'énergie thermique, alors sa circulation s'accélère, il sort plus rapidement de l'échangeur et est donc chauffé sur une période de temps plus courte ; si au contraire l'échange thermique a un mauvais rendement, le fluide F2 reçoit moins d'énergie thermique, alors sa circulation ralentit, il reste plus longtemps au sein de l'échangeur et est donc chauffé sur une période de temps plus longue.
  • Alternativement, une circulation forcée du fluide F2 peut être envisagée par une pompe ou tout autre moyen de circulation forcée d'un fluide connu de l'état de la technique.
  • En référence à la figure 6a, le fluide F2 rentre par l'entrée 202 de l'enveloppe T (entrée E2) et circule dans le deuxième canal 200 tout en restant en contact avec les surfaces 101 et 102 de l'élément en plaque 10 comprenant le canal 100. Le fluide F2 est donc « chauffé » par le fluide F1 et, par effet thermosiphon, met en circulation naturelle le fluide F2 qui va remonter le long du canal externe 200 fermé en haut par l'enveloppe T pour arriver au niveau de la sortie S2. La partie conique 22 de l'enveloppe T permet donc de « fermer » la partie haute du deuxième canal 200 et d'agir sur le fluide F2 comme un élément de guidage pour le forcer à suivre la trajectoire du deuxième canal 200 entre les spires de l'élément en plaque 10. Plus le fluide F2 avance dans le deuxième canal 200 vers le centre de l'enroulement, plus les parties de l'élément 10 avec lesquels il est en contact sont chaudes et donc il accélère la circulation naturelle vers le haut par effet thermosiphon, l'enveloppe T guidant le fluide dans le canal 200.
  • En référence à la figure 6b (sur laquelle la projection verticale de l'élément 10 sur l'enveloppe T a été représentée en transparence), l'enveloppe comprend une ouverture 222 au centre de l'enroulement. En conséquence, le fluide F2, après avoir été en contact avec la partie la plus chaude de l'enroulement 10, sort par l'ouverture 222.
  • Ceci permet de chauffer progressivement le fluide F2 depuis l'entrée E2 du canal externe 200 vers la sortie S2 où le fluide F1 est le plus chaud. Comme le fluide F1 circule en spiral (comme expliqué précédemment) du haut de l'enroulement 10 vers le bas et que le fluide F2 circule également en spirale (dont le centre est le centre d'enroulement de l'élément 10) du bas vers le haut, cela permet d'optimiser l'échange thermique entre les deux fluides tout en gardant le même volume délimité par l'enveloppe T. L'échange thermique est de plus effectué à contre-courant afin d'améliorer encore le rendement. En améliorant le rendement de l'échangeur thermique à contre-courant, on utilise la surface d'échange de manière optimisée sans pour autant augmenter la taille de l'échangeur. Pour que l'enveloppe T puisse servir de guide au fluide F2, il faut que les spires du canal externe 200 soient hydrauliquement isolées les unes des autres, notamment au niveau de leur partie supérieure. A cet effet, il est prévu que l'élément 10 comprenne au niveau de son bord supérieur 106 une couche résiliente (par exemple sous forme d'un joint) destinée à venir en contact avec l'enveloppe T. Alternativement l'intérieur de l'enveloppe T peut être recouverte d'une couche d'étanchéité contre laquelle vient en contact le bord supérieur 106 de l'élément 10. Ainsi, l'élément 10 enroulé est en contact avec l'enveloppe T sur toute la longueur du bord 106 pour assurer l'étanchéité du canal 200.
  • Toutefois, il est à noter que même si la jonction entre l'élément 10 et la partie conique 22 de l'enveloppe T n'est pas hermétiquement fermée et laisse passer un filet de fluide F2, l'effet de guide est globalement maintenu.
  • Avantageusement, la cheminée de stratification 2 comprend une partie tubulaire 24 connecté avec l'ouverture 222 de la partie conique 22. Ainsi en fonction de la température du fluide F2 en sortie de l'enroulement de l'échangeur 10 (au niveau de l'ouverture 222) par rapport au fluide entourant l'enveloppe T de l'échangeur, le fluide F2 sort par différentes lumières 26 de la cheminée de stratification 2. Plus précisément, plus le fluide en sortie de l'échangeur immergé est chaud, plus il sort au niveau d'une lumière 26 haute, voire au niveau de son ouverture supérieure 27. En effet, le fluide F2 en sortie de l'échangeur remonte dans la partie tubulaire 24 de la cheminée de stratification 2 par effet thermosiphon, et s'il est plus chaud que le fluide à l'extérieur de la cheminée au niveau de la ou des lumières 26 inférieures devant lesquelles il remonte, il continue son ascension jusqu'à arriver au niveau correspondant à sa température et sort par la lumière 26 la plus proche.
  • Ainsi, cela permet de garantir la stratification de l'ensemble du fluide contenu dans le réservoir dans lequel est situé le dispositif d'échange thermique.
  • La figure 7 présente une vue éclatée de l'assemblage de l'élément 10 enroulé et de la cheminée 2 telle que décrite précédemment permettant de former ainsi un dispositif d'échange de chaleur et de stratification selon l'invention.
  • Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, la figure 8 présente un élément 10 tel que présenté aux figures 3a ou 3b enroulé, l'enroulement est tel que le bord le plus haut 104 est situé au niveau du centre de l'enroulement et tel que le bord dont la hauteur est la plus faible 103 se situe en périphérie de l'enroulement. Ainsi, la plaque P est enroulée selon un axe d'enroulement parallèle aux extrémités 103 et 104. Le dispositif d'échange de chaleur ayant une hauteur décroissante, il présente, une fois enroulé, une partie haute d'enveloppe conique dont la hauteur est d'autant plus grande qu'elle se rapproche du centre.
  • Plus précisément, le dispositif d'échange de chaleur ayant une hauteur décroissante par pallier, la partie haute comprend différents étages dont les hauteurs correspondent aux hauteurs des paliers 106c, 106b et 106a, respectivement les hauteurs H2, H3 et H1 (En partant du centre de l'enroulement en direction de la spire extérieure). Préférentiellement, la longueur de chaque bord 106a, 106b et 106c est telle qu'elle correspond sensiblement à la périphérie de la spire correspondante.
  • En conséquence, dans le cas où le premier fluide F1 circulant à l'intérieur de l'enroulement 10 est un fluide destiné à chauffer le deuxième fluide F2 circulant à l'extérieur de l'enroulement ― c'est-à-dire dans le canal formé par l'enroulement de l'élément en plaque 10 -, les trois paliers 106c, 106b et 106a présentent, dans cet ordre, des zones dont la chaleur est décroissante entre les paliers ainsi que le long de ces paliers. Le haut du palier 106c est la zone la plus chaude de l'enroulement, ainsi que le centre de l'enroulement qui est en contact avec la portion 1001 du canal interne comme expliqué précédemment. De manière générale, et à l'exception du centre de l'enroulement, plus on se situe à une zone haute de l'enroulement, plus cette zone est chaude. On note que l'élément 10 enroulé comprend une entrée E2 au niveau de la dernière spire de l'enroulement radialement externe et une sortie S2 au niveau du centre de l'enroulement tel que cela est décrit plus en détail ci-après.
  • En référence à la figure 9, l'élément 10 est enroulé en spiral avec des spires rectangulaires. Alternativement, il peut tout aussi bien être enroulé en spiral avec des spires circulaires.
  • Sur cette figure est également représentée la coupe de la cheminée 2 et de ses deux parties décrites précédemment 20 et 22 qui forment l'enveloppe T, ainsi que la partie tubulaire 24. Le fluide F2 rentre par l'entrée 202 au niveau d'une partie basse de la cheminée 2 (entrée E2) afin d'être acheminée au sein de l'échangeur, le long du canal externe 200 (c'est-à-dire entre chaque spire de l'enroulement 10) pour sortir par ouverture 222 au niveau de l'axe d'enroulement vers le haut par effet thermosiphon (sortie S2).
  • En référence à la figure 10, le fluide F2 est acheminé via une entrée E2, le long du canal externe 200, entre les spires de l'échangeur enroulé afin de garantir le contact entre d'une part les surfaces de contact 101 et 102 et le fluide F2 jusqu'au centre de l'échangeur enroulé au niveau duquel le fluide F1 circulant à l'intérieur de l'élément 10, est le plus chaud permettant de faire circuler naturellement par effet thermosiphon le fluide F2 vers le haut (comme expliqué précédemment).
  • La figure 11 représente une coupe d'un réservoir 1 de fluide, et plus précisément un ballon d'eau chaude, comprenant un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention immergé dans l'eau à chauffer contenue dans le réservoir 1. Le premier canal 100 au sein de l'élément 10 du dispositif d'échange de chaleur est connecté via l'entrée E1 et la sortie S1 du réservoir 1 à un circuit de fluide provenant d'une source chaude (par exemple un circuit solaire) de sorte que le fluide provenant d'une source chaude (par exemple un collecteur solaire) circule à l'intérieur du premier canal interne 100. Le deuxième canal 200 comprend une entrée E2 et une sortie S2 au sein du réservoir 1 de sorte que l'eau constitue le deuxième fluide F2 caloporteur circulant au sein du deuxième canal 200 comme expliqué précédemment. Bien évidemment, le réservoir 1 comprend une entrée E3 d'eau froide à chauffer pour le réservoir 1 et une sortie S3 d'eau chaude à destination d'un point d'utilisation d'eau chaude comme un réseau d'eau chaude sanitaire.
  • La présente invention peut être adaptée à tout type d'application industrielle et/ou résidentielle et à tout type de fluide dont il faut échanger la chaleur (gaz ou liquide). Les dimensions et matériaux de la présente invention sont données à titre purement illustratif.

Claims (13)

  1. Dispositif d'échange thermique entre un premier fluide caloporteur (F1) et un second fluide caloporteur (F2) comprenant
    ∘ un premier canal (100) associé à une entrée (E1) et une sortie (S1), le premier canal (100) étant destiné à recevoir le premier fluide caloporteur (F1),
    ∘ un deuxième canal (200), associé à une entrée (E2) et une sortie (S2), hydrauliquement isolé du premier canal (100), le deuxième canal (200) étant destiné à recevoir un deuxième fluide caloporteur (F2), le deuxième canal (200) permettant un échange thermique entre le premier et le deuxième fluide caloporteur (F1, F2),
    le dispositif comprenant une enveloppe (T) et un élément (10) en forme de plaque (P), enroulé, dont l'arrête supérieure est adjacente à l'enveloppe (T), l'élément (10) en forme de plaque (P) définissant un conduit interne formant le premier canal (100) suivant une trajectoire en forme de zig zag, l'élément (10) en plaque (P) comprenant deux surfaces (101, 102) opposées de part et d'autre du canal interne (100) conçues pour provoquer un échange de chaleur entre le premier fluide caloporteur (F1) circulant au sein du canal (100) et le deuxième fluide (F2) en contact avec lesdites surfaces (101, 102), l'élément (10) définissant le deuxième canal (200) entre les spires de l'enroulement, formant des moyens de guidage de sorte que les deux fluides circulent chacun le long d'une trajectoire en spirale, la trajectoire décrite par le premier canal interne (100) effectuant des allers-retours entre une première extrémité (103) et une seconde extrémité (104) de l'élément (10) en forme de plaque (P),
    caractérisé
    ∘ en ce que l'enveloppe (T) est conique, et
    ∘ en ce que l'élément (10) en forme de plaque (P) présente une augmentation de la hauteur (H) entre une première extrémité de la plaque (P) le long de son axe principal (A), perpendiculaire à l'axe d'enroulement, et une deuxième extrémité de la plaque (P).
  2. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier canal (100) comprend une entrée située à proximité du centre de l'enroulement de l'élément en forme de plaque (10) et que ce que la sortie est radialement externe, opposée au centre de l'enroulement.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième canal (200) comprend une entrée radialement externe à l'enroulement de l'élément en forme de plaque (10) et une sortie située à proximité du centre de l'enroulement.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier canal (100) comprend des tronçons principaux (1002) perpendiculaires à l'axe d'enroulement de l'élément en forme de plaque (10), les tronçons principaux (1002) étant raccordés deux à deux, au niveau de leurs extrémités par des tronçons secondaires (1003) parallèles à l'axe d'enroulement.
  5. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'augmentation de la hauteur est continue.
  6. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce l'augmentation de la hauteur est par palier.
  7. Dispositif d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la différence de hauteur d'une extrémité à l'autre de l'élément (10) en forme de plaque (P) le long de son axe principal (A) est d'une valeur relative comprise entre 5% et 100%.
  8. Dispositif d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la différence de hauteur d'une extrémité à l'autre de l'élément (10) en forme de plaque (P) le long de son axe principal (A) est d'une valeur absolue comprise entre 10 cm et 100 cm.
  9. Dispositif d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les surfaces (101, 102) de l'élément (10) en forme de plaque (P) présentent des aspérités et/ou des protubérances et/ou des ailettes.
  10. Dispositif d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que l'élément (10) en forme de plaque (P) est réalisé dans au moins l'un des matériaux suivants : métaux, plastiques, matériaux composites.
  11. Dispositif d'échange de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une cheminée (24) de stratification thermique.
  12. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cheminée (24) de stratification thermique comprend un élément tubulaire (24) comprenant une pluralité de lumières (26) alignées dans le sens d'un axe principal (240) de l'élément tubulaire (24).
  13. Réservoir (1) de fluide notamment un ballon d'eau chaude caractérisé en ce qu'il comprend le dispositif d'échange de chaleur selon l'une des revendications précédentes, en ce que le premier canal (100) est connecté à un circuit de fluide provenant d'une source chaude de sorte que le fluide provenant d'une source chaude circule à l'intérieur du premier canal interne (100) et en ce que le deuxième canal (200) comprend une entrée (E2) et une sortie (S2) au sein du réservoir (1) de sorte que le fluide du réservoir (1) constitue le deuxième fluide (F2) caloporteur circulant au sein du deuxième canal (200).
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