EP3879186B1 - Chaudiere ionique - Google Patents

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EP3879186B1
EP3879186B1 EP21162432.5A EP21162432A EP3879186B1 EP 3879186 B1 EP3879186 B1 EP 3879186B1 EP 21162432 A EP21162432 A EP 21162432A EP 3879186 B1 EP3879186 B1 EP 3879186B1
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EP
European Patent Office
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heating body
boiler
ionic
electrodes
tank
Prior art date
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EP21162432.5A
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EP3879186A1 (fr
EP3879186C0 (fr
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Pierrick Marc LE HELLEY
Stéphane BIONDO
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Ruptura
Original Assignee
Ruptura
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1066—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for the combination of central heating and domestic hot water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/101—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply
    • F24H1/106—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with electrodes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/08—Hot-water central heating systems in combination with systems for domestic hot-water supply
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/0252—Domestic applications
    • H05B1/0275—Heating of spaces, e.g. rooms, wardrobes
    • H05B1/0283—For heating of fluids, e.g. water heaters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/60—Heating arrangements wherein the heating current flows through granular powdered or fluid material, e.g. for salt-bath furnace, electrolytic heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/10—Control of fluid heaters characterised by the purpose of the control
    • F24H15/128—Preventing overheating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/20—Control of fluid heaters characterised by control inputs
    • F24H15/212—Temperature of the water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/14—Arrangements for connecting different sections, e.g. in water heaters 
    • F24H9/148—Arrangements of boiler components on a frame or within a casing to build the fluid heater, e.g. boiler

Definitions

  • the invention relates to an ionic boiler, also called ionization or ion boiler.
  • the ionic boiler uses electricity as primary energy, like an electric boiler, with the difference that it includes a particular heating body, using an ionic fluid allowing it to be heated: it works by implementing the principle of thermal agitation by friction. Heat is produced when the ions present in the fluid are set in motion by the alternation of the electric field. Their movements are the cause of a rise in temperature. This phenomenon is called Joule effect.
  • ionic boilers which comprise a heating body comprising a fluid of the ionic solution type and in which two electrodes, a plate exchanger, a primary circuit and a regulation controller are positioned.
  • the object of the invention is therefore to propose a more efficient ionized boiler and for this purpose concerns, initially, a heating body for ionic boiler, said body comprising an inlet opening to allow the entry of a fluid of ionic solution type and an outlet opening to allow the exit of said fluid, a cylinder head receiving at least partially at least two first ends of at least at least two conductive electrodes connected to a phase, said yoke being connected to neutral.
  • the heating body comprises at least a third conductive electrode, said at least three conductive electrodes defining a geometric shape in said heating body and in that it comprises at least one secondary type electrode connected to neutral and positioned in the center of said geometric shape.
  • the extent of the electric field lines generated by the electrodes in the ionic solution at least 10% is increased. inside the heating body.
  • the heating body for an ionic boiler according to the invention is as defined according to claim 1.
  • This heating body according to the invention comprises a deflector element in the vicinity of said outlet opening, and having a cavity in the form of a trunk of cone in the center of which is provided a central opening coming to the right of said outlet opening of said heating body, the cavity comprising housings for receiving second ends of said conductive and possibly secondary electrodes and maintaining them in a direction parallel to a central axis of said heating body.
  • the invention also relates to an ionic boiler comprising a heating body as defined above and a primary circuit which passes through said heating body as defined above, as well as a plate exchanger, a regulation controller and a primary circulator.
  • the invention also relates to a sanitary installation comprising a boiler as defined above.
  • the invention relates to a method of implementing the ionic boiler comprising a tank, in accordance with the invention and the method is remarkable in that the water in the tank is brought to a temperature of at least substantially 80° vs.
  • FIG. 1 illustrates an ionic boiler conforming to a first embodiment of the invention: it comprises a primary circuit 1 in which a fluid circulates.
  • the fluid is an ionic solution, that is to say a solution which contains ions.
  • the ionic solution contains Na+ and C!- ions.
  • This solution was obtained by adding salt to demineralized water, which allows control of the conductivity of the fluid and therefore the power of the boiler.
  • the primary circuit passes through different elements that the boiler comprises, including a heating body CC, in which the ionic solution (or fluid) is heated, a regulation automaton A, a plate exchanger EP and a primary circulator 2.
  • the regulation controller A has the function of recovering various data transmitted by temperature probes and, thanks to the implementation of a computer program and other information relating to the safety of use of the device, allows you to define the start and stop of the boiler.
  • the temperature probes include a primary circuit outlet temperature probe 4, placed near the outlet of the CC heating body and a primary circuit return temperature probe 5 placed at the outlet of the EP plate exchanger.
  • the EP plate exchanger makes it possible to exchange calories from the primary circuit to a secondary sanitary circuit.
  • the primary circulator 2 has the function of circulating the fluid in the primary circuit.
  • the ionic boiler according to the invention also comprises a tank 3 for filling the primary circuit with fluid, as well as a purge valve 6 of the primary circuit.
  • Connections allow the boiler to be connected to a secondary circuit to ensure the rise in temperature of a network of radiators R or to ensure the rise in temperature of water contained in a water tank or to ensure the rise in temperature of a sanitary network S using in particular the tank (see figures 7 to 9 ).
  • an overheating thermostat 7 is connected to the primary circuit near tank 3 and communicates with the controller A.
  • automaton A will not be further described in this document because it is not the subject of this application and the person skilled in the art has at his disposal many automaton models and literature which he will be able to choose according to the functions he wishes to implement in the boiler and the type of boiler to be created.
  • the CC heating body shown in more detail in figure 2 it comprises a tank 8 of cylindrical shape, comprising a side heating body inlet 9, located laterally and in the lower part of the CC heating body when the latter is fixed in the boiler.
  • the heating body also includes a heating body outlet 10: the outlet is coaxial with the tank 8 and it is located in the upper part of the CC heating body when the latter is fixed in the boiler.
  • the ionic solution enters the heating body through inlet 9 and leaves through outlet 10 to circulate in primary circuit 1.
  • the heating body comprises three conductive electrodes 11 connected to a phase.
  • the tank 8 of the CC heating body is open in the lower part and includes a closing yoke 12, receiving a first support 13 and connected to neutral.
  • the support 13 has three through openings each receiving three bakelite rings 14, each of the rings 14 being fixed by a bolt system 15 in a through opening and receiving a first end 111 of an electrode 11.
  • the electrodes 11 have second ends 112 which are received in a support 80 placed inside the reservoir 8, at its upper end in the vicinity of the outlet 10.
  • Two screws 16 fix the first support 13 to the lower end of the tank 8 and the cylinder head covers the lower end and the support 13.
  • the heating body comprises a fourth secondary electrode 17, connected to neutral.
  • Figure 3 shows the arrangement of the four conductive electrodes 11 and secondary 17 (connected to neutral) in the heating body: three conductive electrodes 11 form an equilateral triangle and the fourth secondary electrode 17 is arranged in the center of the equilateral triangle. In other words, the fourth secondary electrode is positioned at the center of the geometric shape formed by the conductive electrodes 11.
  • the electric field emitted by the conductive electrodes 11 extends further into the reservoir 8 of the CC heating body, because the secondary electrode placed in the center attracts the field emitted by the conductive electrodes 11.
  • the extended electric field 20 is the cause of the heating of the ionic solution.
  • the more extensive the electric field the more efficient the heating body.
  • the performance of the heating body is increased by at least 10%.
  • This embodiment shown in figure 4 further extends the electric field 20 generated by the conductive electrodes in the CC heating body and the performance of the CC heating body increases significantly by around 50%.
  • the operating principle of the heating body is as follows: a single-phase or three-phase electric current is brought by the conductive electrodes 11 into the ionic solution.
  • the ionic solution being itself conductive allows the passage of the current which induces the Joule effect: the charge carriers (the Na+ and Cl- ions in our example) in movement interact with the molecules of the medium which then constitute a brake on their shift.
  • the charge carriers the Na+ and Cl- ions in our example
  • To transfer a predetermined quantity of electric current it is therefore necessary to provide additional power which will be dissipated during the interactions between the charge carriers and the molecules of the medium in the form of thermal energy. This energy is at the origin of the increase in temperature of the environment.
  • a conductive material such as for example poly(3,4-ethylenedioxythiophene), known under the trade name PEDOT ® .
  • PEDOT ® - sometimes abbreviated with the acronym PEDT - is a p-type (electron accelerator) conductive polymer consisting of 3, 4 - ethylenedioxythiophene or EDOT monomers.
  • This coating forms a protective layer which allows electrical conduction while protecting the surface of the electrodes from the redox phenomenon.
  • the invention provides for placing an element in the upper part, near the outlet 10 of the heating body.
  • This item is shown in figure 5 And 6 : it is a deflector element 18 whose external shape 19 is cylindrical and complementary to that of the tank 8 of the CC heating body, to be inserted and supported in the tank 8 of the heating body at its upper end .
  • the deflector element 18 has a cavity 21 in the shape of a truncated cone in the center of which a central opening 22 is provided.
  • the central opening 22 comes to the right of the outlet opening 10 of the tank 8 of the heating body CC when the deflector element 18 is placed in the tank.
  • This deflector element 18 makes it possible to create a funnel around the outlet 10 of the heating body tank. Also, the right angle usually formed by the upper wall 23 and the side wall 24 of the heating body is then erased, and the heated ionic solution no longer rushes into this angle: it is oriented directly towards the outlet of the tank 8 .
  • the ionic solution heated by the heating body is then better guided towards the outlet of the heating body and the performance of the heating body is then further optimized.
  • the truncated cone cavity 21 comprises housings 25 to accommodate second ends 112 of said conductive electrodes 11 and possibly secondary electrodes 17 and maintain them in a direction parallel to a central axis Z of said CC heating body.
  • the cavity has a surface which makes an angle ⁇ of substantially 120° with a direction parallel to the axis of the heating body CC.
  • the deflector element 18 replaces the support 80 in the example shown in figure 2 .
  • the deflector element 18 comprises, in its opening 22, a centering piece 26 which is perforated and which has in its center a ring 27 capable of receiving the second end 112 of the neutral electrode 17 positioned in the center of the geometric shape formed by the conductive electrodes 11.
  • the centering part 26 maintains the neutral secondary electrode 17 in the central axis of the CC heating body.
  • the heating body according to the invention allows better distribution of the electric field produced by the conductive electrodes in the solution ionic, and ensures good distribution of the heated ionic solution towards the outlet opening 10 of the heating body: it is thus more efficient than the heating bodies of ionic boilers currently on the market.
  • the boiler according to the invention comprises a second tank B whose capacity is approximately 50 L.
  • the boiler also includes a second ER exchanger (simply called a radiator exchanger) allowing the temperature of the heat transfer fluid circulating in the heating system (radiators for example) to be adjusted.
  • a second ER exchanger (simply called a radiator exchanger) allowing the temperature of the heat transfer fluid circulating in the heating system (radiators for example) to be adjusted.
  • the primary circuit includes, at output T1 of the heating body, an atmospheric pressure control device CP.
  • the small capacity tank B is positioned at the outlet of the plate exchanger EP and an on-off valve VTOR is positioned at the outlet of the plate exchanger, upstream of tank B.
  • Tank B is very important in this circuit because it will ensure the rise in domestic hot water temperature from 10°C to 60°C: the domestic hot water tank is located in branch T5 and supplies in hot water the exchanger EP and thus the sanitary circuit S.
  • the water contained in tank B is heated to 80°C either by an external plate exchanger (not illustrated) or by its own exchanger which is internal to the tank (outlet T7).
  • An M1 mixer mixes the hot water at 80°C leaving tank B with the domestic cold water to obtain water at 45°C in section T5 which brings the water to the EP plate exchanger. It is thus possible to raise the domestic hot water from 45°C to 60°C using the boiler because this allows the boiler to be used only for drawing, which reduces electricity consumption.
  • the majority of the calories then pass into the radiator exchanger ER.
  • the temperature is then controlled by a set of flow rates between the accelerators (or pump) P1 and P2.
  • the hot water circuit passes through section T3 to supply the various equipment.
  • the cooled water returns to the radiator exchanger ER via section T4 thanks to the presence of a pump P2.
  • a VE expansion tank is also planned on section T4 for reasons of safety and proper functioning of the heating network R.
  • section T2 equipped with a pump P1 completes the network at the inlet of the CC heating body to ensure good circulation of fluids.
  • tank B is separated from the EP plate exchangers and ER radiator exchangers so that each can work at its nominal value.
  • Balloon B is instructed to work at 80°C while the rest works at 65°C.
  • the VTOR valve allows either recharging tank B to 80°C or supplying the EP sanitary exchangers and ER radiator exchangers.
  • a pump P3 is provided on section T10 and controls tank B.
  • Another pump P4 is planned on section T9 and controls the EP plate and ER radiator exchangers which work at approximately the same temperature.
  • T1 connects the output of the DC heater to the atmospheric pressure control device.
  • Sections T3 to T8 are otherwise the same as those of the two previous installations, namely: T3 and T4 connect the radiator exchanger ER to the heating network R, T3 for the hot fluid and T4 for the cooled fluid.
  • T5 connects the M1 mixer to the EP plate exchanger, bringing the fluid to 45°C.
  • T6 connects the EP plate exchanger to the S sanitary network (hot water at 60°C)
  • T7 connects tank B to mixer M1, providing water at 80°C.
  • T8 connects the sanitary network to the M1 mixer (cold water at 10°C)

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Description

  • L'invention concerne une chaudière ionique, appelée encore à ionisation ou chaudière à ions.
  • La chaudière ionique utilise l'électricité comme énergie primaire, comme une chaudière électrique, à la différence qu'elle comporte un corps de chauffe particulier, utilisant un fluide ionique permettant la chauffe de celui-ci : il fonctionne en mettant en oeuvre le principe de l'agitation thermique par friction. La chaleur est produite lorsque les ions présents dans le fluide sont mis en mouvement par l'alternance du champ électrique. Leurs mouvements sont à l'origine d'une élévation de température. Ce phénomène est appelé effet Joule.
  • La chaudière ionique fonctionne en mettant en oeuvre deux circuits hydrauliques :
    • Un circuit primaire qui comporte un fluide caloporteur pouvant être une solution ionique comme de l'eau déminéralisée avec adjonction de sel, un corps de chauffe et un échangeur à plaques. Le fluide est monté en température dans le corps de chauffe grâce à la présence d'électrodes alimentée en électricité ;
    • Deux circuits secondaires dans lesquels circule l'eau du système de chauffage (radiateurs par exemple), le second alimentant l'eau chaude sanitaire. En passant dans l'échangeur à plaques du circuit primaire, l'eau du circuit secondaire récupère la chaleur produite par effet Joule. Elle la transmet ensuite soit au système de chauffage avant de revenir dans la chaudière pour de nouveau être chauffée, soit au puisage sanitaire.
  • On connait ainsi des chaudières ioniques qui comprennent un corps de chauffe comportant un fluide de type solution ionique et dans lequel sont positionnées deux électrodes, un échangeur à plaques, un circuit primaire et un automate de régulation.
  • L'inconvénient des chaudières ioniques actuelles est qu'elles consomment beaucoup d'électricité pour faire monter en température le corps de chauffe. Elles sont par ailleurs encombrantes.
  • Par ailleurs, elles ne permettent pas actuellement une mise en oeuvre pour un réseau d'eau chaude sanitaire et un réseau de chauffage sans mécanisme de surchauffe.
  • L'invention a donc pour objet de proposer une chaudière ionisée plus performante et concerne à cet effet, dans un premier temps, un corps de chauffe pour chaudière ionique, ledit corps comportant une ouverture d'entrée pour permettre l'entrée d'un fluide de type solution ionique et une ouverture de sortie pour permettre la sortie dudit fluide, une culasse recevant au moins partiellement au moins deux premières extrémités d'au moins deux électrodes conductrices reliées à une phase, ladite culasse étant reliée au neutre.
  • Le corps de chauffe comporte au moins une troisième électrode conductrice, lesdites au moins trois électrodes conductrices définissant une forme géométrique dans ledit corps de chauffe et en ce qu'il comporte au moins une électrode de type secondaire reliée au neutre et positionnée au centre de ladite forme géométrique.
  • Les documents DE 3421807 et WO2007/062432 décrivent un tel corps de chauffe.
  • Grâce au positionnement d'au moins une électrode neutre sensiblement au centre de la forme géométrique formée par les électrodes de phase, on augmente d'au moins 10 % l'étendue des lignes de champ électrique générées par les électrodes dans la solution ionique à l'intérieur du corps de chauffe.
  • On connait également d'autres types de corps de chauffe, notamment celui décrit dans la demande EP 3 333 500 , qui concerne une alimentation électrique particulière des moyens de chauffage.
  • Le corps de chauffe pour chaudière ionique conforme à l'invention est tel que défini suivant la revendication 1. Ce corps de chauffe selon l'invention comporte un élément déflecteur au voisinage de ladite ouverture de sortie, et présentant une cavité en forme de tronc de cône au centre de laquelle est ménagée une ouverture centrale venant au droit de ladite ouverture de sortie dudit corps de chauffe, la cavité comprenant des logements pour accueillir des secondes extrémités desdites électrodes conductrices et éventuellement secondaires et les maintenir suivant une direction parallèle à un axe central dudit corps de chauffe.
  • Le corps de chauffe
    peut également comprendre les caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison :
    • le corps de chauffe peut comporter au moins quatre électrodes secondaires, trois électrodes secondaires parmi lesdites au moins quatre électrodes secondaires étant disposées chacune entre deux électrodes conductrices et les trois électrodes secondaires étant équidistantes de ladite électrode secondaire positionnée au centre de ladite forme géométrique,
    • les électrodes peuvent être recouvertes d'un matériau conducteur qui protège la surface des électrodes d'un phénomène d'oxydoréduction,
    • ledit matériau conducteur peut être du poly (3, 4 éthylènedioxythiophène), connu sous le nom commercial PEDOT®,
    • ladite ouverture centrale peut comprendre une pièce ajourée apte à recevoir l'extrémité de ladite au moins une électrode secondaire positionnée au centre de ladite forme géométrique pour maintenir ladite électrode secondaire dans l'axe centrale dudit corps de chauffe.
  • L'invention concerne également une chaudière ionique comportant un corps de chauffe tel que défini ci-dessus et un circuit primaire qui traverse ledit corps de chauffe tel que défini ci-dessus, ainsi qu'un échangeur à plaques, un automate de régulation et un circulateur primaire.
  • La chaudière ionique conforme à l'invention peut également présenter les caractéristiques techniques suivantes, prises séparément ou en combinaison :
    • la chaudière peut comporter un ballon dans lequel circule le fluide du circuit primaire,
    • elle peut en outre comporter au moins un échangeur à radiateurs,
    • elle peut en outre comporter une vanne tout ou rien (appelée encore « vanne trois voies ») qui autorise ou interdit une circulation du fluide entre le ballon et l'échangeur à radiateurs,
    • elle peut en outre comporter une première pompe et une seconde pompe, ladite première pompe alimentant ledit échangeur à plaques et ladite seconde pompe alimentant ledit ballon,
    • elle peut en outre comporter une vanne tout ou rien qui est positionnée en sortie de l'échangeur à radiateurs.
  • L'invention vise également une installation sanitaire comportant une chaudière telle que définie ci-dessus.
  • Enfin, l'invention concerne un procédé de mise en oeuvre de la chaudière ionique comportant un ballon, conforme à l'invention et le procédé est remarquable en ce que l'eau du ballon est porté à une température d'au moins sensiblement 80 °C.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels :
    • [Fig. 1] est une vue en perspective illustrant une chaudière conforme à l'invention,
    • [Fig. 2] est une vue en coupe éclatée d'un corps de chauffe d'une chaudière ionique conforme à l'état de la technique,
    • [Fig. 3] est une vue en coupe d'un corps de chauffe conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, illustrant également la répartition du champ électrique généré dans le corps de chauffe,
    • [Fig. 4] est une vue en coupe d'un corps de chauffe conforme à un second mode de réalisation de l'invention, illustrant également la répartition du champ électrique généré dans le corps de chauffe,
    • [Fig. 5] est une vue en coupe d'un élément déflecteur 18 d'un corps de chauffe conforme à l'invention,
    • [Fig. 6] est une vue de dessous de l'élément portant la référence 18 et montré en figure 5,
    • [Fig. 7] est une représentation schématique d'une installation conforme à un premier mode de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 8] est une représentation schématique d'une installation conforme à un second mode de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 9] est une représentation schématique d'une installation conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention.
  • La figure 1 illustre une chaudière ionique conforme à un premier mode de réalisation de l'invention : elle comporte un circuit primaire 1 dans lequel circule un fluide. Dans le cadre d'une chaudière ionique, le fluide est une solution ionique, c'est-à-dire une solution qui comporte des ions.
  • Dans l'exemple présentement décrit, la solution ionique comporte des ions Na+ et C!-. Cette solution a été obtenue en ajoutant du sel à de l'eau déminéralisée, ce qui permet un contrôle de la conductivité du fluide et donc la puissance de la chaudière.
  • Par exemple, pour 6 litres d'eau déminéralisée, on a ajouté 3g de sel (NaCl).
  • Le circuit primaire traverse différents éléments que comporte la chaudière, parmi lesquels un corps de chauffe CC, dans lequel la solution ionique (ou fluide) est chauffée, un automate de régulation A, un échangeur à plaques EP et un circulateur primaire 2.
  • L'automate de régulation A a pour fonction de récupérer différentes données transmises par des sondes de température et, grâce à la mise en oeuvre d'un programme informatique et à d'autres informations relatives à la sécurité d'utilisation de l'appareil, permet de définir le démarrage et l'arrêt de la chaudière.
  • Les sondes de températures comprennent une sonde 4 de température de départ du circuit primaire, placée au voisinage de la sortie du corps de chauffe CC et une sonde 5 de température de retour du circuit primaire placée en sortie de l'échangeur à plaques EP.
  • L'échangeur à plaques EP permet d'échanger les calories du circuit primaire à un circuit sanitaire secondaire.
  • Le circulateur primaire 2 a pour fonction de faire circuler le fluide dans le circuit primaire.
  • La chaudière ionique conforme à l'invention comporte également un réservoir 3 de remplissage du circuit primaire en fluide, ainsi qu'un robinet de purge 6 du circuit primaire.
  • Des raccords (non illustrés) permettent de raccorder la chaudière à un circuit secondaire pour assurer la montée en température d'un réseau de radiateurs R ou pour assurer la montée en température d'eau contenue dans un ballon d'eau ou pour assurer la montée en température d'un réseau sanitaire S à l'aide notamment du ballon (voir figures 7 à 9).
  • Enfin, un thermostat de surchauffe 7 est raccordé au circuit primaire à proximité du réservoir 3 et communique avec l'automate A.
  • L'automate A ne sera pas davantage décrit dans le présent document car il ne fait pas l'objet de la présente demande et l'homme du métier a à sa disposition beaucoup de modèles d'automates et de littérature qu'il saura choisir suivant les fonctions qu'il souhaite mettre en oeuvre dans la chaudière et le type de chaudière à réaliser.
  • Il va maintenant être fait référence au corps de chauffe CC montré plus en détails en figure 2 : il comporte un réservoir 8 de forme cylindrique, comprenant une entrée 9 de corps de chauffe latérale, située latéralement et en partie basse du corps de chauffe CC quand ce dernier est fixé dans la chaudière.
  • Le corps de chauffe comprend également une sortie 10 de corps de chauffe : la sortie est coaxiale au réservoir 8 et elle est située en partie haute du corps de chauffe CC quand ce dernier est fixé dans la chaudière.
  • La solution ionique entre dans le corps de chauffe par l'entrée 9 et sort part la sortie 10 pour circuler dans le circuit primaire 1.
  • Pour mettre en vibration et faire monter le fluide en température, le corps de chauffe comporte trois électrodes conductrices 11 reliées à une phase.
  • Pour ce faire, le réservoir 8 du corps de chauffe CC est ouvert en partie inférieure et comporte une culasse de fermeture 12, recevant un premier support 13 et reliée au neutre.
  • Le support 13 comporte trois ouvertures traversantes recevant chacune trois bagues 14 en bakélite, chacune des bagues 14 étant fixée par un système à boulon 15 dans une ouverture traversante et recevant une première extrémité 111 d'une électrode 11.
  • Les électrodes 11 présentent des secondes extrémités 112 qui sont reçues dans un support 80 placé à l'intérieur du réservoir 8, à son extrémité supérieure au voisinage de la sortie 10.
  • Deux vis 16 fixent le premier support 13 à l'extrémité inférieure du réservoir 8 et la culasse vient coiffer l'extrémité inférieure et le support 13.
  • Conformément à l'invention, le corps de chauffe comporte une quatrième électrode 17 secondaire, reliée au neutre. La figure 3 montre la disposition des quatre électrodes conductrices 11 et secondaire 17 (reliée au neutre) dans le corps de chauffe : trois électrodes conductrices 11 forment un triangle équilatéral et la quatrième électrodes secondaire 17 est disposée au centre du triangle équilatéral. Autrement dit, la quatrième électrode secondaire est positionnée au centre de la forme géométrique formée par les électrodes conductrices 11.
  • Grâce à cette disposition, le champ électrique émis par les électrodes conductrices 11 s'étend davantage dans le réservoir 8 du corps de chauffe CC, car l'électrode secondaire placée au centre attire le champ émis par les électrodes conductrices 11. Or, l'étendu du champ électrique 20 est à l'origine de l'échauffement de la solution ionique. Ainsi plus le champ électrique est étendu, plus le corps de chauffe est performant.
  • Grâce à cette disposition des électrodes selon l'invention, les performances du corps de chauffe sont augmentées d'au moins 10%.
  • Une autre configuration d'électrodes conductrices 11 et d'électrodes secondaires 17 reliées au neutre est montré en figure 4 et est encore plus performante : Dans le cadre de ce mode de réalisation, le corps de chauffe comporte toujours trois électrodes conductrices positionnées de sorte à forme un triangle équilatérale et quatre électrodes secondaires 17, parmi lesquelles :
    • Une électrode secondaire 17 est positionnée au centre de la figure géométrique formée par les électrodes conductrices 11, et
    • Trois autres électrodes secondaires 17 sont positionnées entre les électrodes conductrices et forment également un triangle équilatéral.
  • Ce mode de réalisation montré en figure 4 étend encore davantage le champ électrique 20 généré par les électrodes conductrices dans le corps de chauffe CC et les performances du corps de chauffe CC augmentent sensiblement d'environ 50%.
  • Le principe de fonctionnement du corps de chauffe est le suivant : un courant électrique monophasé ou triphasé est amené par les électrodes conductrices 11 dans la solution ionique. La solution ionique étant elle-même conductrice permet le passage du courant qui induit l'effet Joule : les porteurs de charges (les ions Na+ et Cl- dans notre exemple) en mouvement interagissent avec les molécules du milieu qui constituent alors un frein à leur déplacement. Pour transférer une quantité prédéterminée de courant électrique, il faut donc fournir une puissance supplémentaire qui sera dissipée lors des interactions entre les porteurs de charges et les molécules du milieu sous forme d'énergie thermique. Cette énergie est à l'origine de l'augmentation de température du milieu.
  • Une telle situation peut également être à l'origine d'une autre réaction chimique du milieu qu'il faut éviter : l'oxydoréduction des électrodes du fait de l'application d'une tension élevée au niveau des électrodes.
  • Pour éviter ce phénomène, et conformément à l'invention, il peut être prévu de recouvrir les électrodes d'un matériau conducteur, comme par exemple le poly(3,4-éthylènedioxythiophène), connu sous le nom commercial PEDOT ®.
  • Le PEDOT ® - parfois abrégé avec l'acronyme PEDT - est un polymère conducteur de type p (accélérateur d'électrons) constitués de monomères 3, 4 - éthylènedioxythiophène ou EDOT.
  • C'est un composé organique à la fois conducteur et transparent plutôt stable (il peut donc être exposé à la lumière sans se dégrader trop vite), avec une largeur de bande interdite modérée (ce qui permet de capter une plus large gamme de longueurs d'onde), et un faible potentiel redox, ce qui permet de l'intégrer dans des structures composites sans déclencher de phénomènes de corrosion des autres matériaux organiques.
  • Ce revêtement forme une couche protectrice qui permet la conduction électrique tout en protégeant la surface des électrodes du phénomène d'oxydoréduction.
  • Pour encore augmenter les performances du corps de chauffe, l'invention prévoit d'y placer un élément en partie haute, au voisinage de la sortie 10 du corps de chauffe.
  • Cet élément est montré en figure 5 et 6 : il s'agit d'un élément déflecteur 18 dont la forme extérieure 19 est cylindrique et complémentaire à celle du réservoir 8 du corps de chauffe CC, pour s'insérer et prendre appui dans le réservoir 8 du corps de chauffe à son extrémité supérieure.
  • Par ailleurs, l'élément déflecteur 18 présente une cavité 21 en forme de tronc de cône au centre de laquelle une ouverture centrale 22 est ménagée. L'ouverture centrale 22 vient au droit de l'ouverture de sortie 10 du réservoir 8 du corps de chauffe CC quand l'élément déflecteur 18 est placé dans le réservoir.
  • Cet élément déflecteur 18 permet de créer un entonnoir autour de la sortie 10 du réservoir du corps de chauffe. Aussi, l'angle droit formé habituellement par la paroi supérieure 23 et la paroi latérale 24 du corps de chauffe est alors gommé, et la solution ionique chauffé ne s'engouffre plus dans cet angle : elle est orientée directement vers la sortie du réservoir 8.
  • La solution ionique chauffée par le corps de chauffe est alors mieux guidée vers la sortie du corps de chauffe et les performances du corps de chauffe sont alors encore optimisées.
  • On remarque que la cavité 21 en tronc de cône comprend des logements 25 pour accueillir des secondes extrémités 112 desdites électrodes conductrices 11 et éventuellement secondaires 17 et les maintenir suivant une direction parallèle à un axe central Z dudit corps de chauffe CC.
  • La cavité présente une surface qui fait un angle α de sensiblement 120° avec une direction parallèle à l'axe du corps de chauffe CC.
  • L'élément déflecteur 18 remplace le support 80 dans l'exemple montré en figure 2.
  • Enfin, on remarque que l'élément déflecteur 18 comprend, dans son ouverture 22 une pièce de centrage 26 qui est ajourée et qui présente en son centre un anneau 27 apte à recevoir la seconde extrémité 112 de l'électrode neutre 17 positionnée au centre de la forme géométrique formée par les électrodes conductrices 11.
  • Ainsi, la pièce de centrage 26 maintient l'électrode secondaire neutre 17 dans l'axe central du corps de chauffe CC.
  • Ainsi réalisé, le corps de chauffe conforme à l'invention permet une meilleure répartition du champ électrique produit par les électrodes conductrices dans la solution ionique, et assure une bonne répartition de la solution ionique chauffée vers l'ouverture de sortie 10 du corps de chauffe : il est ainsi plus performant que les corps de chauffe des chaudières ioniques actuellement sur le marché.
  • Il va maintenant être fait référence à une chaudière perfectionnée conforme à l'invention qui a été représentée schématiquement sur les figures 7 à 9 en étant mis en oeuvre dans des installations également conformes à l'invention.
  • Dans le cadre de ces exemples, la chaudière conforme à l'invention sert à la fois :
    • à chauffer de l'eau sanitaire sensiblement de 10°C à sensiblement 60°C en utilisant un système de chauffe hybride. Un premier palier de température va atteindre sensiblement 45°C en mélangeant de l'eau froide (10°C) à l'eau d'un ballon (sensiblement 80°C). Puis, le second palier (60°C) est atteint par l'échange de chaleur du circuit primaire à l'eau sanitaire par l'échangeur EP, et
    • à alimenter en fluide caloporteur un réseau de radiateurs R (chauffage) via le circuit secondaire.
  • Dans cet exemple, la chaudière conforme à l'invention comporte un second ballon B dont la contenance est sensiblement de 50 L.
  • La chaudière comporte également un second échangeur ER (appelé simplement échangeur à radiateurs) permettant de régler la température du fluide caloporteur circulant dans le système de chauffage (radiateurs par exemple).
  • On note, sur la figure 7, que le circuit primaire comporte, en sortie T1 du corps de chauffe, un dispositif de contrôle de pression atmosphérique CP.
  • Le ballon B de petite contenance est positionné en sortie de l'échangeur à plaques EP et une vanne tout ou rien VTOR est positionnée en sortie de l'échangeur à plaques, en amont du ballon B.
  • De cette façon, toute la puissance peut passer soit dans l'échangeur à plaques EP, soit être partagée entre l'échangeur à plaques et l'échangeur à radiateurs.
  • Le ballon B a toute son importance dans ce circuit car il va permettre d'assurer la montée en température d'eau chaude sanitaire de 10°C à 60°C : le ballon d'eau chaude sanitaire se trouve dans la branche T5 et alimente en eau chaude l'échangeur EP et ainsi le circuit sanitaire S.
  • L'eau contenu dans le ballon B est montée en température à 80°C soit par un 'échangeur à plaques externe (non illustré) soit par son propre échangeur qui est interne au ballon (sortie T7).
  • Sur le tronçon T8 du réseau sanitaire, l'eau froide circule à environ 10°C.Un débitmètre DB illustre cette entrée d'eau froide.
  • Un mitigeur M1 permet de mélanger l'eau chaude à 80°C sortant du ballon B avec l'eau froide sanitaire pour obtenir une eau à 45°C dans le tronçon T5 qui ramène l'eau à l'échangeur à plaques EP. Il est ainsi possible de monter l'eau chaude sanitaire de 45°C à 60 °C au moyen de la chaudière car cela permet une utilisation de la chaudière uniquement en puisage, ce qui diminue la consommation électrique.
  • Sur l'autre partie du réseau qui assure la montée en température du réseau de chauffage R, quand le ballon B a été rechargé et que nous sommes hors puisage sanitaire, la majorité des calories passe alors dans l'échangeur à radiateurs ER. Le contrôle de la température se fait alors par un jeu de débits entre les accélérateurs (ou pompe) P1 et P2. Le circuit d'eau chaude passe par le tronçon T3 pour alimenter les équipements divers.
  • L'eau refroidie retourne vers l'échangeur à radiateurs ER via le tronçon T4 grâce à la présence d'une pompe P2. Un vase d'expansion VE est également prévu sur le tronçon T4 pour des raisons de sécurité et de bon fonctionnement du réseau de chauffage R.
  • Enfin, le tronçon T2 équipé d'une pompe P1 complète le réseau en entrée du corps de chauffe CC pour assurer une bonne circulation des fluides.
  • Il va maintenant être fait référence à l'installation montrée en figure 8. Dans cette installation, la vanne tout ou rien VTOR est placée en sortie de l'échangeur à radiateurs ER et à l'entrée du ballon B.
  • Suivant cette installation, le ballon B est séparé des échangeurs à plaques EP et à radiateurs ER pour que chacun puisse travailler à sa valeur nominale.
  • Le ballon B a pour consigne de travailler à 80°C alors que le reste travaille à 65°C.
  • En T6, la sortie d'eau chaude sanitaire est toujours de 60°C.
  • En T8, l'eau froide sanitaire arrive toujours au mitigeur à 10°C.
  • En T5, l'eau chaude arrive toujours à 45°C à l'échangeur à plaques.
  • La vanne VTOR permet soit de recharger le ballon B à 80°C soit d'alimenter les échangeurs sanitaire EP et à radiateurs ER.
  • L'installation montrée en figure 9 est encore différente : au lieu de prévoir une vanne tout ou rien VTOR, on prévoit deux tronçons T9 et T10 de circuit en sortie du dispositif de contrôle de pression atmosphérique CP, l'un (T9) en direction de l'échangeur à plaques EP et l'autre (T10) en direction du ballon B.
  • Une pompe P3 est prévue sur le tronçon T10 et commande le ballon B.
  • Une autre pompe P4 est prévue sur le tronçon T9 et commande les échangeurs à plaques EP et à radiateurs ER qui travaillent sensiblement à la même température.
  • T1 relie la sortie du corps de chauffe CC au dispositif de contrôle de pression atmosphérique.
  • Dans cette installation, il n'y a plus de pompe dans le tronçon T2 qui relie l'entrée du corps de chauffe CC à l'échangeur à radiateurs ER.
  • Les tronçons T3 à T8 sont par ailleurs les mêmes que ceux des deux installations précédentes, à savoir :
    T3 et T4 relient l'échangeur à radiateurs ER au réseau de chauffage R, T3 pour le fluide chaud et T4 pour le fluide refroidi.
  • T5 relie le mitigeur M1 à l'échangeur à plaques EP en amenant le fluide à 45 °C.
  • T6 relie l'échangeur à plaques EP au réseau sanitaire S (eau chaude à 60°C)
  • T7 relie le ballon B au mitigeur M1 en apportant une eau à 80°C.
  • T8 relie le réseau sanitaire au mitigeur M1 (eau froide à 10°C)
  • Cette installation permet de réaliser un amorçage et une température de consigne en fonction de nombreux cas nécessaires au fonctionnement de la chaudière en mode eau chaude sanitaire. Elle permet également de remplacer la vanne tout ou rien VTOR, qui est un élément moins fiable qu'une pompe (de plus, les pompes sont pilotables en débit).
  • On comprend de ce qui précède comment l'invention permet de réalisation des économies d'énergie, grâce d'une part à la conception optimisée du corps de chauffe et d'autre part à la mise en oeuvre d'un système hybride avec un ballon d'eau chaude B et le corps de chauffe permettant de limiter les pertes d'énergie dans la mise en oeuvre de la chaudière.
  • Il devra être compris que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui a été spécifiquement décrit ou représenté sur les figures, et qu'elle est définie par les revendications.

Claims (13)

  1. Corps de chauffe (CC) pour chaudière ionique, ledit corps de chauffe comportant une ouverture d'entrée (9) pour permettre l'entrée d'un fluide de type solution ionique et une ouverture de sortie (10) pour permettre la sortie dudit fluide, une culasse (12) recevant au moins partiellement au moins deux premières extrémités (111) d'au moins deux électrodes conductrices (11) reliées à une phase, ladite culasse (12) étant reliée au neutre, ledit corps de chauffe comportant au moins une troisième électrode conductrice (11) , lesdites au moins trois électrodes conductrices (11) définissant une forme géométrique dans ledit corps de chauffe (CC) et ledit corps de chauffe (CC) comportant au moins une électrode de type secondaire (17) reliée au neutre et positionnée au centre de ladite forme géométrique, caractérisé en ce qu'il comporte un élément déflecteur (18) au voisinage de ladite ouverture de sortie (10), ledit élément déflecteur (18) présentant une cavité (21) en forme de tronc de cône au centre de laquelle est ménagée une ouverture centrale (22) venant au droit de ladite ouverture de sortie (10) dudit corps, et en ce que la cavité (21) en forme de tronc de cône comprend des logements (25) pour accueillir des secondes extrémités (112) desdites électrodes conductrices (11) et éventuellement secondaires (17) et les maintenir suivant une direction parallèle à un axe central (Z) dudit corps de chauffe.
  2. Corps de chauffe pour chaudière selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins quatre électrodes secondaires (17), en ce que trois électrodes secondaires (17) parmi lesdites au moins quatre électrodes secondaires sont disposées chacune entre deux électrodes conductrices (11) et en ce que les trois électrodes secondaires (17) sont équidistantes de ladite électrode secondaire positionnée (17) au centre de ladite forme géométrique.
  3. Corps de chauffe pour chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes conductrices (11) et/ ou secondaire(s) (17) sont recouvertes d'un matériau conducteur qui protège la surface des électrodes (11, 17) d'un phénomène d'oxydoréduction.
  4. Corps de chauffe pour chaudière selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau conducteur est du poly (3, 4 éthylènedioxythiophène).
  5. Corps de chauffe selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ouverture centrale (22) comprend une pièce ajourée (26) apte à recevoir l'extrémité (112) de ladite au moins une électrode secondaire (17) positionnée au centre de ladite forme géométrique, pour maintenir ladite électrode secondaire (17) dans l'axe centrale (Z) dudit corps de chauffe.
  6. Chaudière ionique comportant un corps de chauffe (CC) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ainsi qu'un circuit primaire (2) qui traverse ledit corps de chauffe (CC), la chaudière comportant en outre un échangeur à plaques (EP), un automate de régulation (A) et un circulateur primaire (2).
  7. Chaudière ionique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'elle comporte un ballon (B) dans lequel circule le fluide du circuit primaire.
  8. Chaudière ionique selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un échangeur à radiateurs (ER).
  9. Chaudière ionique selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une vanne tout ou rien (VTOR) qui autorise ou interdit une circulation du fluide entre le ballon (B) et l'échangeur à radiateurs (ER).
  10. Chaudière ionique selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une première pompe (P4) et une seconde pompe (P3), ladite première pompe (P4) alimentant ledit échangeur à plaques (EP) et ladite seconde pompe (P3) alimentant ledit ballon (B).
  11. Chaudière ionique selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une vanne tout ou rien (VTOR) qui est positionnée en sortie de l'échangeur à radiateurs (ER).
  12. Installation sanitaire comportant une chaudière selon l'une quelconque des revendications 6 à 11.
  13. Procédé de mise en oeuvre de la chaudière ionique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'eau du ballon (B) est porté à une température d'au moins sensiblement 80 °C.
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