FR2461209A1

FR2461209A1 - Accumulateur pour le stockage de chaleur ou de froid

Info

Publication number: FR2461209A1
Application number: FR8015215A
Authority: FR
Inventors: Cornelis Doomernik
Original assignee: DOOMERNIK BV
Current assignee: DOOMERNIK BV
Priority date: 1979-07-05
Filing date: 1980-07-04
Publication date: 1981-01-30
Also published as: AU538083B2; DE3025402A1; FR2461209B1; DK291080A; JPS5625664A; US4408654A; GB2053434B; AU6015180A; SE442779B; NL7905277A; NL8003887A; BE884164A; GB2053434A; SE8004847L; ZA803950B

Abstract

ACCUMULATEUR AVEC CONTENEUR REMPLI D'UNE COUCHE DE MATERIAU TAMPON 48 FONDANT A TEMPERATURE CONSTANTE ET UNE COUCHE DE LIQUIDE DE TRANSFERT DE CHALEUR 47 A POINT DE FUSION INFERIEUR OU SUPERIEUR A CEUX DU MATERIAU TAMPON SOLIDE OU LIQUIDE, AVEC ORIFICE 49 DE DECHARGE DU LIQUIDE DE TRANSFERT VERS DES DISPOSITIFS EXTERIEURS A L'ACCUMULATEUR. ACCUMULATEUR CARACTERISE PAR UN OU PLUSIEURS DISPOSITIFS DE COALESCENCE 50 ENTRE LE MATERIAU TAMPON 48 ET L'ORIFICE DE SORTIE 49 POUR LE LIQUIDE DE TRANSFERT POUR ARRETER LES PARTICULES DE MATERIAU TAMPON. ACCUMULATEUR APPLICABLE AU STOCKAGE DE CHALEUR OU DE FROID.

Description

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La présente invention concerne un accumulateur pour le stockage de chaleur ou de froid. Plus particulièrement, elle a pour objet un accumulateur pour le chaud ou le froid du type comprenant un conteneur rempli en grande partie avec une couche de matériau tampon fondant à une température constante, et une couche considérablement plus mince d'un liquide de transfert de chaleur à point de fusion plus bas que celui du matériau tampon, et présentant une densité spécifique inférieure ou supérieure à la fois à celle du matériau tampon solide et du matériau tampon liquide, ce liquide de transfert de chaleur étant non miscible avec le matériau tampon. Le conteneur comporte un conduit de décharge du liquide de transfert de chaleur à partir de ladite

couche mince intérieure vers des dispositifs extérieurs à l'accu-

mulateur, et un conduit d'alimentation pour réintroduire le li-

quide de transfert de chaleur vers des dispositifs répartiteurs dans la couche de matériau tampon en contraignant ce liquide de transfert de chaleur à s'écouler vers le haut ou vers le bas en

contact direct avec le matériau tampon.

Un appareil de ce genre est décrit au brevet US n2 2 996 894, aux termes duquel il est pmposé d'utiliser un tel

- accumulateur comme réservoir de froid pour une pompe à chaleur.

Le matériau tampon utilisé est alors, par exemple, de l'eau ou un mélange eutectique, tel qu'une solution de sel eutectique, et le liquide de transmission de chaleur est constitué par de

l'huile. Après avoir été refroidie extérieurement à l'accumula-

teur, (par exemple dans la pompe à chaleur), cette huile est

introduite dans le bas de l'accumulateur, o elle est dispersée.

Les gouttelettes formées s'élèvent vers le haut jusqu'à ce qu' elles atteignent la couche d'huile qui flotte sur le matériau tampon, et, dans leur parcours, elles échangent leur chaleur avec le matériau tampon lequel est ainsi partiellement congelé. Le brevet en question précise que le matériau tampon solide accumule

la chaleur au voisinage de l'interface des couches, et ce pro-

cessus peut être continué jusqu'à ce que soit formée une masse

pâteuse épaisse de matériau tampon solide et liquide.

Le froid ainsi stocké peut être récupéré en chauffant lthuile à l'extérieur de l'accumulateur jusqu'au-dessus du point

de fusion du matériau tampon et en continuant la circulation.

En raison de l'échange de chaleur, le matériau tampon fondra-

alors progressivement, tandis que l'huile sera refroidie.

le brevet français n2 1 360 833 décrit un accumulateur de chaleur, dans lequel l'échange entre le matériau tampon et le liquide de transfert de chaleur est provoqué en contraignant le liquide de transfert de chaleur à flotter sur le matériau tampon, et en brassant vigoureusement celui-ci au moyen d'un agitateur, ou en introduisant tangentiellement le liquide de transfert dans la couche supérieure. Conformément à ce procédé, le matériau tampon choisi est un sel en fusion. Si le sel à l'état solide est plus lourd que le sel fondu, l'échange de

chaleur de cette manière ne peut se produire que dans des conte-

neurs peu profonds, et, dans tous les cas, l'agitation exige une

quantité importante d'énergie.

Le DE - A - n2 2 508 447 décrit divers modèles d'accumu-

lateurs, y compris un'appareil dans lequel un matériau tampon à l'état de fusion est pompé à partir du fond d'un conteneur vers le sommet o il est en contact avec un liquide ou un gaz de

transfert de chaleur en circulation.

- le DE-- B - ng 1 015 019 et-la demande de brevet hollan-

daise n2 76 01499 décrivent'des accumulateurs de froid dans lesquels le liquide de transfert de chaleur, ou sa vapeur, est passé à travers des tuyaux métalliques disposés dans le matériau tampon, ces tuyau servant d'échangeurs de chaleur. La demande de brevet hollandaise propose, en outre, l'utilisation d'une pompe

pendant la fusion du matériau tampon solide en vue de faire cir-

culer le matériau tampon fondu à travers l'intervalle entre les tuyaux et le matériau tampon encore solide. Cependant, en raison

du coût élevé des jeux de tuyaux, un tel accumulateur exige l'in-

vestissement d'un capital important.

Des essais effectués avec un accumulateur décrit dans le brevet US n2 2 996 894, en utilisant, comme matériau tampon, de l'eau ou uné solution eutectique de sel, et, comme liquide de transfert de chaleur, une huile légère, et en refroidissant le - liquide de transfert dans un échangeur de chaleur extérieur à l'accumulateur proprement dit, ont montré qu'il était impossible

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d'obtenir un fonctionnement régulier avec un tel accumulateur.

En premier lieu, lorsque le liquide de transfert en circulation est dispersé dans sa phase aqueuse, un certain

nombre de gouttelettes minuscules -se trouvent formées qui échap-

pent à la coalescence, mais restent flottantes dans la phase

aqueuse. En conséquence, le volume de la phase aqueuse est consi-

dérablement accru et il atteint parfois l'orifice de sortie pour le liquide de transfert. le matériau tampon à l'état liquide pénètre alors dans l'échangeur de chaleur extérieur, dans lequel

il se solidifie, de sorte que cet échangeur de chaleur est bien-

- t8t obturé.

lorsque l'organe de dispersion est remplacé par des

moyens distributeurs différents qui ne forment pas de fines gout-

telettes, on constate que les gouttes s'élèvent rapidement vers la surface de séparation entre la phase aqueuse et la phase d'huile, et qu'il se forme une masse de cristaux sur cette surface limite. Même dans ce cas, l'échangeur de chaleur est obturé avec du matériau tampon solide au bout d'un certain temps, ce qui s'oppose à la poursuite du fonctionnement de l'appareil Une recherche des causes de cet inconvénient a montré que lorsqu'une goutte d'huile ayant une température inférieure au point de fusion du matériau tampon est formée dans ce matériau, cette goutte absorbe de la chaleur à partir du matériau tampon, et, en même temps, une petite quantité de ce matériau se trouve

solidifiée et contient encore la goutte sous la forme d'une pel-

licule mince solide. Cette pellicule n'est pas toujours complète-

ment fermée. les globules creux à paroi mince de matériau tampon solide, qui sont remplis de liquide de transfert, s' élèvent dans

le matériau tampon et atteignent une certaine vitesse de déplace-

ment maximale. Lorsqu'ils parviennent à la surface séparatrice limite entre matériau tampon et huile, ilsconservent encore la même vitesse un certain temps et, en conséquence, ils s'élèvent

assez haut dans la couche d'huile. En raison de leur poids appa-

rent léger, ils ne redescendent que lentement vers la surface limite, d'autant plus qu'ils sont retardés dans leur déplacement par le courant d'huile ascendant. lorsque ces globules qui flottent dans l'huile (et, en outre, le matériau tampon solide contient également fréquemment certain matériau tampon à l'état liquide) sont transférés en même temps que l'huile vers l'échangeur de chaleur placé à l'extérieur de l'accumulateur, et qu'ils sont

ainsi supplémentairement refroidis, une proportion de ces glo-

bules se déposera et éventuellement engorgera l'échangeur de chaleur. L'emploi d'un filtre, d'un tamis ou d'un écran, pour retenir ces globules se révèle être sans valeur, car le seul résultat est que ce filtre ou tamis est obturé avec le matériau

tampon solide, qui se révèle adhérer solidement au tamis.

Ces effets défavorables se produisent même après-qu'une masse de cristaux est formée sur la surface séparatrice entre le

matériau tampon et l'huile. Il est vrai qu'une partie des globu-

les éclatent en traversant cette couche séparatrice, mais une autre portion pénètre à travers la masse intacte et s'élève dans l'huile. Cela se produit même lorsque le matériau tampon est

virtuellement complètement congelé.

le brevet américain et les autres littératures sont com-

plètement silencieux relativement à ces difficultés, et ne pré-

sentent aucune méthode pour les résoudre.

La présente invention a pour objet un accumulateur du type décrit qui est caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs moyens de coalescence pour retenir des particules solides et liquides de matériau tampon, ces moyens étant prévus entre le matériau tampon et l'orifice de sortie pour le liolide

de transfert.

Des dispositifs coalescents sont connus et soi. Ils sent utilisés pour intercepter de fines gouttelettes liquides-de gaz

ou autres liquides, dans lesquels flottent de telles gouttelettes.

Un dispositif coalescent consiste en une nappe tricotée d'ur très-

grand nombre de fils minces textiles ou métalliques (U'une épaisseur éui peut être nettement supérieure à la dimension des

gouttelettes à capter), ces fils étant réunis en un réseau spatial.

la surface libre d'un dispositif coalescent est communément égale -

à 95 à 99 % de la surface apparente. Le matériau des fils texti-

les ou métallioues n'est pas critique pour son efficacité, et,

en pratique, utilise un matériau qui est inerte dans les condi-

tions opérationnelles. Si on le désire, ces fils peuvent être ondulés. On constate qu'un tel dispositif coalescent est capable de capter les globules en question sans être obstrué. Le volume du joint des globules captés est souvent supérieur au volume du

dispositif coalescent lui-même. Il est à présumer que les globu-

les frappent contre les fils du dispositif coalescent, de telle sorte que le matériau tampon reste seul derrière le dispositif coalescent. Etant donné que l'huile qui parvient dans l'échangeur de chaleur disposé à ltextérieur de l'accumulateur est maintenant exempte de matériau tampon, la congélation du matériau tampon dans l'accumulateur peut se produire sans perturbation. De manière surprenante, on constate que le matériau tampon peut être congelé à approximativement 99 %, tandis que, néanmoins, le courant d' huile peut s'élever sous la forme de gouttelettes à travers la masse poreuse de matériau tampon sans perturbation, tandis que, sur la surface séparatrice, même des globules entourés par du

matériau tampon solide peuvent continuer à s'élever. En conséquen-

ce, le matériau tampon ne se condense pas en un bloc solide, mais en une masse poreuse non compacte qui comporte de nombreux petits

canaux, à travers lesquels l'huile peut s'élever sans difficultés.

Etant donné que le nombre de gouttelettes qui s'élèvent

est très grand à chaque instant, on obtient une surface très éten-

due pour l'échange de chaleur entre l'huile et le matériau tampon.

Grâce à cette très grande surface, l'échange de chaleur peut être

complet, même dans le cas d'une très faible différence de tempé-

rature.

Lorsque le matériau tampon est complètement ou partielle-

ment congelé, le froid stocké peut à nouveau &tre retiré de lui

(ou la chaleur peut être restaurée en lui) en alimentant mainte-

nant de l'huile ayant une température située juste au-dessus du

point de fusion du matériau tampon au lieu d'huile refroidie au-

dessous du point de fusion. Les gouttelettes d'huile échangent alors la chaleur, de telle-sorte que le matériau tampon solide - est fondu tandis que l'huile est refroidie au-dessous du point de fusion en question. A la fois pendant la solidification du matériau

tampon et au cours de sa fusion, la température de l'huile dé-

chargée reste pratiquement égale à celle du point de fusion du matériau tampon, tandis que, dans-les deux cas, la température de l'huile alimentée nta pas besoin de différer beaucoup du point de fusion (par exemple seulement de 2 degrés), tandis

qu'une grande quantité de chaleur peut être alimentée ou déchar-

gée par unité de temps dans l'accumulateur.

Ce transfert de chaleur favorable est maintenu à partir du commencement de la congélation jusqu'à ce que plus de 99 $ du matériau tampon soit congelé. C'est seulement à ce moment que la température de l'huile déchargée commence à différer de manière appréciable de celle du point de fusion. De la même manière, au cours de la fusion, la température de l'huile déchargée reste continuellement égale au point de fusion, et cette température commence seulement à différer nettement après que plus de 99 % du matériau tampon est parvenu à nouveau à l'état liquide. A ce moment, on observe une brusque élévation de température dans

l'huile déchargée.

Au cours de la fusion de la couche de matériau tampon, le liquide de transfert est refroidi juste au-dessus du point de fusion du matériau tampon. Cependant, on a constaté que le liquide de transfert est alors juste assez chaud pour fondre le matériau tampon solide présent dans le dispositif coalescent, de sorte que

ce matériau s'écoule alors vers le bas à nouveau sous forme liqui-

de vers la couche de matériau tampon. le résultat est que, au cours des cycles de charge et de décharge, le dispositif coalescent

se trouve automatiquement nettoyé.

Dans des accumulateurs pour la chaleur ou le froid, il est de grande importance que le froid ou la chaleur stockés puisse à nouveau être récupéré à partir de l'accumulateur à pratiquement la même température à laquelle il a été alimenté, parce que, autrement, des pertes seraient subies résultant de la dégradations Dans les accumulateurs conformes à l'invention, cet idéal est

approché de très près grâce à la grande surface d'échange de cha-

leur, le matériau tampon fondant à une température constante est sélectionné de telle sorte que son point de fusion coïncide autant

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que possible avec la température à laquelle la chaleur (ou le froid) devient disponible. En conséquence, la chaleur ou le

froid peut 8tre stocké dans l'accumulateur à la môme températu-

re, et lorsque la chaleur ou le froid, ou une portion de ceux-

ci, est à nouveau récupéré plus tard, la chaleur ou le froid peut être retiré de l'accumulateur à essentiellement la même température. Des exemples de matériaux fondant à une température constante sont des substances particulières, dont l'eau est un exemple très utilisé. Cependant, il est possible d'utiliser

d'autres substances particulières.

Lorsque la température de stockage est différente de 0 degré, cependant, on considérera souvent s'il est possible d'utiliser un mélange d'eau et d'un ou plusieurs sels, qui fond à une température constante. De tels mélanges sont dénommés mélanges eutectiques. Des exemples de mélanges eutectiques sont les solutions aqueuses suivantes, qui sont indiquées ciaprès avec les températures eutectiques correspondantes: Concentration T a MgS04.7 H20 64 - 5.2 KCl 24.6 - 10o7 [4RCl a22.0 - 15.8 N41 NaCl 30.7 21.2 NaBr 67 - 28 Mg12.6H20 84 - 33 6 CaC126H20 143 - 55 CC2 2 Exemples de mélanges eutectiques fondant au-dessus de zéro degré:

TE

Na3P04. 12H20 66 NaOH.H20 64 a2 Q2 32 58 Na2S203.5H20 48 Ca(.N03)2.4120 47 FeC 1.6H20 36

3352 36

1Na2C03.12H20 36

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Na2003. 1 0H20 34 Na2S04. 10H20 32 Pour des températures plus élevées, on utilisera souvent des mélanges de sels ayant une composition eutectique et le point de fusion-désirés. Dans tous les cas, il est favorable que le matériau tampon utilisé ait une chaleur latente de fusion élevée et ne possède pas une trop faible densité spécifique, parce que, alors, une grande quantité de chaleur ou de froid peut être

stockée dans un volume donné.

Le liquide de transfert doit être liquide à la température de fonctionnement et il doit de préférence être liquide à toutes les températures qui interviendront en pratique au cours de l'emploi de l'accumulateur. Dans un accumulateur de chaleur pour lequel ces températures se-trouvent au-dessus de la température

du local, le liquide de transfert devra de préférence rester li-

quide à la température du local parce que, autrement, l'accumu-

lateur serait difficile à démarrer. En outre, le liquide de trans-

fert devrait avoir une tension de vapeur suffisamment basse pour éviter des pertes par évaporation et le risque possible dticendie

à toutes les températures d'emploi.

Dans un grand nombre de cas, une fraction de pétrole con-

venable peut être trouvée qui répond-à ces exigences et est inerte relativement au matériau tampon. D'autres liquides inertes sont

également convenables en principe.

Dans la-plupart des cas, un liquide de transfert sera sélectionné ayant une densité inférieure à la f-s au matriau tampon solide et au matériau tampon liquide, mais il est également possible d'utiliser un liquide de transfert qui soit plus lourd que le matériau tampon aussi bien solide que liquide. A chaque instant, cependant, le liquide de transfert doit êtrc suffisamment fluide à l'état liquide pour pouvoir être pompé fauiîement à la

température d'emploi et pouvoir circuler aisément à travers le dis-

positif coalescent.

L'invention est illustrée à l'aide des exemples suivants, avec référence aux figures l à 6 des dessins annexés, dans lesquels; - la figure 1 ezt un schéma d'un accumulateur de froid pour local de magasin réfrigéré;

la figure 2 montre la plaque de fermeture supérieure de l'accu-

mulateur de l'invention utilisé comme glacière; la figure 3 montre la tete de l'échangeur de chaleur la figure 4 montre une autre forme de réalisation, et les figures 5 et 6 sont des vues en coupe transversale de deux

réalisations d'un accumulateur conforme à l'invention.

Bien que dans ces exemples, l'invention soit illustrée au moyen d'appareils dans lesquels la chaleur est stockée à des

températures inférieures à la température du local, il est évi-

dent que, d'une manière analogue, l'invention peut être appliquée pourle stockage de chaleur à une température élevée, pourvu que le matériau tampon et le liquide de transfert soient adaptés à

la température de stockage désirée.

lors de l'utilisation d'un liquide de transfert qui est plus lourd que le matériau tampon, les conduites d'alimentation et de décharge et les moyens de distribution peuvent évidemment être adaptés à la nouvelle situation mais ne soulèvent pas de

problèmes hors de la technique connue.

D'une manière générale, le matériau tampon solide, et le matériau tampon liquide auront des densités différentes de telle sorte qu'au cours de la congélation ainsi qu'au cours du dégel, il se produira un changement de volume du matériau tampon. De tels changements de volume peuvent être pris en compte dans la

conception de l'accumulateur pour éviter que la surface sépara-

trice entre le matériau tampon et le liquide de transfert puisse atteindre le niveau de l'orifice de sortie pour le liquide de transfert. Habituellement, par conséquent, un volume doit être prévu pour le liquide de transfert s'élevant à 15 - 20 go du volume du matériau tampon, tandis que, au sommet également, il doit être prévu un espace vide- suffisant pour éviter le débordement de trop plein. Ce problème est particulièrement clair si le matériau tampon est de l'eau, car la glace formée occupe un volume supérieur

de 11 % à celui de l'eau à partir de laquelle elle a été formée.

Avec des mélanges eutectiques, la différence est généralement plus

faible.

En outre, le niveau du matériau tampon doit être empêché

d'atteindre le dispositif coalescent.

La figure 1 montre l'emploi d'un accumulateur de froid

inclus dans une installation de réfrigération pour magasin ré-

frigéré, dans lequel, pendant la journée, des aliments prove-

nant d'animaux fraîchement abattus sont continuellement intro-

duits dans les compartiments réfrigérés. Pour le refroidissement de ces aliments et pour compenser les pertes de chaleur causées par l'ouverture de l'installation, il est nécessaire de fournir une grande quantité de froid pendant la journée. Pendant la nuit, les ouvertures restent fermées et, une fois que la viande a été complètement refroidie, il suffit d'une faible quantité de froid pour compenser des pertes de chaleur réduites. En conséquence, sans l'accumulateur, il est nécessaire de prévoir un compresseur de grande capacité, pour l'installation, afin de fournir une grande quantité de froid pendant le jour, mais il n'est pas nécessaire pour la nuit, de sorte que le compresseur ne fonctionne à sa pleine capacité que pendant un temps relativement court, soit environ 8 heures par jour. En utilisant un accumulateur de capacité suffisante et en appliquant une température de stockage approximativement égale

à celle de l'air circulant dans le local, il est possible de con-

geler l'accumulateur pendant la nuit et de prélever le froid pendant le jour pour compenser les pertes. En conséquence, dans

ce cas, les compresseurs fournissent une partie du froid néces-

saire et l'accumulateur fournit le reste. Il est alors suffisant - de prévoir un compresseur d'une capacité égale environ au 1/3 de celle à prévoir dans une installation sans accumulateur de froid0 Il est même possible de ne pas utiliser le compresseur pendant le jour. Il suffit de prévoir alors un accumulateur plus important. la figure 1 montre un compresseur 1 pour un réfrigérant tel que l'ammoniac, des réfrigérants 3 pour l'ammoniac comprimé, et un récipient de séparation 2, dans lequel l'ammoniac liquifié est séparé de celui restant sous la forme gazeuse. Cet ammoniac

gazeux et ramené au compresseur 1 à travers les conduites repré-

sentées. A partir du séparateur 2, l'ammoniac liquide est passé, 2l2461209 à travers la soupape 6, vers les cellules de réfrigération 7,

o l'ammoniac est vaporisé, en abandonnant son froid, et retour-

ne ensuite au séparateur 2 et au compresseur.

Lorsque le compresseur possède une grande capacité, supérieure à celle nécessitée pour fournir tout le froid exigé, la quantité d'ammoniac liquide dans le séparateur croit et la pression est réduite d'autant. Un dispositif sensible à la pression

est prévu pour connecter l'accumulateur sur le refroidissement.

L'accumulateur représenté dans la figure 1 comprend une cuve 14 pourvue d'une couche de revêtement de matériau isolant * (non représentée). A l'intérieur de la cuve est placée une couche

de matériau tampon 15, qui est dans ce cas une solution eutecti-

que de sel. Au-dessus de ce matériau tampon, est prévue une couche 16, consistant en une fraction de pétrole, par exemple du Kérosène. La cuve 14 est fermée à son sommet par une plaque 21 pourvue d'une ouverture circulaire excentrique. Autour de cette

ouverture est prévue une collerette 22 présentant une série deori-

fices 23 régulièrement espacés, un canal annulaire restant ouvert

entre la collerette et la paroi de la cuve 14.

La figure 2 montre une vue en plan de cette plaque. La collerette est destinée à la décharge du liquide de transfert

sans turbulence, malgré un niveau variable du liquide. Dans l'ou-

verture circulaire excentrique, à l'intérieur de la collerette 22, est monté un dispositif coalescent 17 qui ferme complètement

l'ouverture.

Juste au-dessus de la plaque 21, est disposée une conduite

latérale 24 qui connecte l'accumulateur proprement dit à un échan-

geur de chaleur 18, de type connu en soi, dans lequel le liquide de transfert abandonne sa chaleur ou son froid à un réfrigérant, qui est dans ce cas de l'ammoniac. Dans l'exemple représenté, cet échangeur de chaleur consiste en un évaporateur à film de chute, dans lequel le liquide de transfert s'écoule le long de la paroi extérieure d'un faisceau de tubes verticaux et, de là, revient à l'accumulateur à travers une conduite 25 et une pompe 19. La tête

de l'échangeur de chaleur 18 est représentée dans la figure 3.

A partir d'un distributeur 26, l'ammoniac liquide est projeté contre une plaque sphérique et il tombe alors sur une 1 1 plaque distributrice 27 pourvue de petites perforations. Sur cette plaque distributrice reste en permanence une couche de liquide, de telle sorte qu'un courant régulier d'ammoniac liquide tombe des perforations sur une plaque à tuyaux 29, d'o il s'écoule sous forme de film uniforme le long de la paroi intérieure des tuyaux 30. Comme mentionné plus haut, la paroi

extérieure des tuyaux est en contact avec le liquide de trans-

fert, qui est ainsi refroidi et transporte le froid vers l'accu-

mulateur. Lorsque la phase de refroidissement est interrompue par le dispositif de coupure sensible à la pression, une soupape magnétique 12 est fermée et des soupapes magnétiques 13 et 11 sont ouvertes, et la pompe 19 est mise en marche. A partir du séparateur 2, l'ammoniac liquide s'écoule alors vers la cuve 20, dans laquelle le niveau s'élève en conséquence. Dès que le liquide est à un niveau suffisant, le régulateur de niveau 9 met la pompe 8 en circuit, l'ammoniac liquide est pompé à travers la soupape 11 vers le distributeur 26. L'ammoniac est vaporisé et le liquide de transfert transporte le froid vers l'accumulateur. L'ammoniac en vapeur retourne à la cuve 20 et en sort à travers dne conduite

vers le récipient séparateur 2.

Le liquide de transfert refroidi passe maintenant à travers la conduite 25 et la pompe 19, vers l'accumulateur dans

lequel il est amené, à travers un tube plongeur, sous un distri-

buteur conique, à la partie inférieure de la cuve 14. Le d ri-

buteur utilisé dans cette invention consiste en ule plaque per-

forée, de préférence en métal tel que l'acier, comportant une série de petits perçages à travers lesquels le liqu de de transfort est réparti dans le matériau tampon. Le distributeur representé

dans la figure 1 comporte un grand nombre de perçages (non repré-

sentés) d'un diamètre de 0,6 mm, la surface entre- les per"ages constituant u-P:roximativement 14 % de la surface colique. Il eIl résulte que des gouttes assez grosses d'huile s'élèvent à travers le mélange eutectique, par exemple des gouttes de 3 à 4 mm de diamètre. En raison du grand nombre de ces gouttes, la surface d'échange de chaleur est très grande (de 300 h 500 m2 jar m3 de

matériau tnprpon). De cette manière, on obtient une très bonne ré-

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partition du liquide de transfert en ne nécessitant qu'une très

faible énergie de pompage. En fait, une telle énergie de pompa-

ge servirait finalement à chauffer les liquides, ce qui dimi-

nuerait le rendement de l'accumulateur de froid. Dans le cas d'un accumulateur de chaleur, cet inconvénient n'existerait

d'ailleurs pas.

Dans l'évaporateur 18, le liquide de transfert est re-

froidi à une température inférieure à la température eutectique.

Lorsque ce liquide s'élève sous la forme de gouttes dans la cuve 14, une pellicule de matériau tampon solide est formée autour

de chaque goutte. La majeure partie du matériau solide se ras-

semble au voisinage de la surface limite de séparation entre

les couches 15 et 16, mais une portion vient adhérer au disposi-

tif coalescent 17 -Aucune trace de matériau solide n'est présenteau-dessus du dispositif coalescent.

La température du liquide de transfert déchargé à travers le conduit 24 est pratiquement égale à la température eutectique

du mélange.

la différence de température est généralement inférieure

à 0,2 C, et cette différence est maintenue jusqu'à ce que essen-

tiellêment la totalité du matériau tampon au-dessus du distri-

buteur 31 soit devenue solide. Ensuite la différence de tempéra-

ture croit rapidement, ce qui constitue un signal pour terminer

le refroidissement de l'accumulateur.

Lorsque les cellules du réfrigérant 7 consomment plus de - froid que le compresseur l est capable de fournir, la pression dans le récipient de séparation 2 croît. Cela peut être utilisé

comme un signal pour commencer le dégivrage de l'accumulateur.

Bien entendu, cette opération peut également être déclenchée

lorsque l'accumulateur n'est que partiellement congelé.

Pour le dégivrage, les soupapes magnétiques 11 et 13 sont

fermées et la pompe 19 est remise en marche. le liquide de trans-

fert arrive maintenant dans l'échangeur 18 à une température vir-

tuellement égale à la température eutectique, par exemple légè-

rement inférieure au point d'ébullition de l'ammoniac dans le récipient de séparation 2 et dans le récipient 20 qui lui est

connecté. En conséquence, de l'ammoniac se condensera sur la sur-

face inférieure du faisceau de tuyaux 18 et s'écoulera vers le bas tandis que, en même temps, du gaz ammoniac s'écoulera vers le haut à partir du récipient 20 et sera également condensé. Le liquide de transfert est ainsi échauffé et il est ramené par pompage à l'accumulateur 14, dans lequel il abandonne sa chaleur absorbée au matériau tampon, en provoquant ainsi sa fusion. Au cours de ce processus, le liquide de transfert est à nouveau refroidi à une température juste au-dessus du point de fusion eutectique, et il s'écoule à travers le dispositif oalescent pour

revenir à l'échangeur de chaleur 18. Dans le dispositif coales-

cent, le liquide de transfert abandonne encore un peu de chaleur

à tout matériau tampon solide éventuellement présent, le con-

traignant à fondre et à s'écouler vers le bas. En conséquence, le dispositif coalescent se trouve automatiquement nettoyé de

tout matériau solide.

L'ammoniac liquéfié est collecté dans le récipient 20 et est périodiquement pompé (par contr8le du régulateur de niveau ), et ramené, à travers la soupape 20 au récipient 2, o il

est disponible pour les cellules de réfrigération 7.

A nouveau, la différence de température entre le liquide de transfert déchargé à travers la conduite 24 et la température

eutectique reste virtuellement constante et inférieure à 0,220.

Cette différence de-température cro.tra brusquement dès que la-

totalité du matériau tampon aura fondue. Cet accroissement brusque de température peut être utilisé comme signal pour la terminaison

du processus de dégivrage de l'accumulateur.

Bien que les figures 1 à 3 représentent un exemple de réalisation dans lequel, au cours du processus de dégivrage, le

liquide de transfert abandonne tout d'abord son froid au réfrigé-

rant, tel que l'ammoniac, il est naturellement également possible de pomper le liquide de transfert lui-même vers les cellules 7 et

de l'utiliser comme réfrigérant.

Un grand avantage de l'accumulateur de l'invention réside

en ce qu'une différence de température aussi faible entre le liqui-

de de transfert et le matériau tampon est suffisante pour produire pratiquement un échange de chaleur complet. Afin que cet avantage

ne soit pas perdu, il est hautement désirable que les autres échan-

1 4 geurs de chaleur utilisés dans l'installation opèrent également le meilleur échange de chaleur possible à une faible différence

de température.

* Pour cette raison, l'évaporateur à film de chute connu en soi est utilisé dans l'exemple décrit ci-dessus, qui, de ce point de vue, est très favorable. D'autres échangeurs de chaleur

de caractéristiques comparables peuvent bien entendu être éga-

lement utilisés.

La figure 2 montre une application de l'accumulateur conforme à l'invention qui peut être utilisé comme producteur

de glace.

Dans les brasseries, fabriques de boissons sucrées,

laiteries et analogues, il est fréquemment nécessaire de refroi-

dir rapidement une quantité donnée de liquide qui a été préparé à plus haute température, jusqu'à une température basse, par

exemple à 52C. En -vue d'éviter la nécessité d'installer un com-

presseur de&grande capacité, il est communément utilisé dans de

telles industries, un appareil producteur de glace qui consiste.

en un conteneur rempli d'eau et équipé avec un grand nombre de tubes à l'intérieur desquels de l'ammoniac peut être évaporé. Il en résulte une couche de glace formée sur la surface extérieure des tubes. De cette manière, il est possible de stocker une quantité importante de froid. Si l'on désire utiliser ce froid, on fait circuler un courant d'eau à travers l'appareil producteur de glace, et à travers les espaces ou récipients à refroidir lesquels sont refroidis à mesure qu'une quantité correspondante

de glace est fondue dans l'appareil.

Cependant, de tels producteurs de glace sont coûteux d'investissement. Ils nécessitent un remplissage avec -une grande quantité de réfrigérant. En outre, le froid n'est pas absorbé ni délivré très rapidement, ce qui exige d'autres dépenses, telles

que pour des agitateurs dans l'appareil à glace.

la figure 4 représente un accumulateur analogue à celui de la figure 1. la principale différence réside en ce que, dans

ce cas, on utilise. de l'eau au lieu du mélange eutectique.

Comme dans la figure 1, un réfrigérant, habituellement de l'ammoniac, est comprimé par un compresseur 41, liquéfié dans un

refroidisseur 42, détendu dans une soupape 43, et ensuite utili-

sé dans un échangeur de chaleur 44 pour refroidir un liquide de

transfert, par exemple une fraction de pétrole, jusqu'à légère-

ment au-dessous de 02C, par exemple à -22C. Ce liquide de trans-

fert est envoyé, par'une pompe 45, au distributeur, et il s'élève en forme de gouttes à travers l'eau dans l'accumulateur qui est ainsi partiellement congelé. Le liquide de transfert réchauffé à 0OC est alors pompé à nouveau en circulation de telle sorte quela totalité de l'eau présente dans l'accumulateur au-dessus du distributeur peut être congelée, tout d'abord en une masse

de cristaux et ensuite en une masse poreuse semi-solide.

Une seconde différence avec l'accumulateur de la figure 1 réside en ce que l'accumulateur de la figure 1 est tel que le distributeur n'est pas placé exactement au bas de l'appareil,

mais légèrement plus haut de sorte qu'il reste toujours une quan-

- tité d'eau liquide au-dessous du distributeur sans pouvoir être

pompée immédiatement.

A partir de eette partie la plus basse de l'appareil,

l'eau peut être pompée par une pompe 52 vers le matériel à réfri-

gérer, indiqué schématiquement par la ligne en zig-zag 51. Pour retenir toute goutte de liquide de transfert qui pourrait 8tre éventuellement entraînée, un dispositif coalescent spécial 50 est

prévu juste en amont de la pompe. La quantité de liquide de trans-

fert ainsi collectée peut se déplacer vers le haut dans un ccnaduit

vertical vers le haut de l'accumulateur.

A partir du dispositif extérieur 51, l'eau qui a été échauffée est ramenée dans l accumulateurpour y être rénrée Dans ce bu, l'eau est dispersée dans la couche de liquide de

transfert après que celui-ci a abandonné son froid à la neasse prin-

cipale de matériau tampon. En conséquence, le liquide de transfert est alors rchauffé jusqu!à environ 020, de telle sorte que toute glace éventuellement restante dans le'dispositif- co leseliG scit fondue par contact avec le liquide de transfert qui, -chauffé, s'écoule vers le bas. l'eau échauff-ée peut alors être ramenée en un point situé au-dessus du dispositif coalescent, de sorte que le

nettoyage de ce dernier s'effectue encore plus rapidement. Cepen-

dant, ce c- n est pas préférée lorsque l'eau échauffée a été

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dispersée dans le liquide de transfert, elle tombe vers le bas et vient alors en contact avec la glace qui flotte à la surface séparatrice entre l'eau et le liquide de transfert. Cela provoque une fusion de la glace et un refroidissement de l'eau à nouveau

à OOC.

Conformément à la présente invention, un volume donné d'accumulateur procure une capacité de stockage beaucoup plus grande que celle d'un appareil frigorifique traditionnel, parce qu'aucun volume n'est occupé par des tuyaux et reste libre pour la circulation de l'eau ou son agitation. La vitesse d'absorption et de délivrance est considérablement plus élevée parce que les gouttes de liquide de transfert présentent une surface beaucoup plus grande que celle qui peut être obtenue par des tubes et la chaleur ou le froid n'ont pas besoin d'être passés à travers une épaisse couche de glace. Enfin, on économise la dépense élevée incluse dans la construction d'un faisceau de tubes. Les appareils frigorifiques antérieurs ont toujours été pratiquement construits

en forme rectangulaire plus co"teuse.

lorsque de l'eau est utilisée comme matériau tampon, on a constaté que la quantité de glace à collecter par le dispositif de coalescence est considérablement supérieure au cas o une solution eutectique est utilisée. La cause n'a pas été clairement éclaircie.

Dans un but de sécurité, on peut prévoir un second disposi-

tif coalescent au-dessous ou au-dessus du premier. On évite ainsi sûrement que de la glace soit déposée dans l'échangeur de chaleur 4. Dans l'exemple de la figure 4, le froid stocké est déchargé sous la forme d'eau ayant une température d'environ 02C, mais il est également possible de prévoir que le froid déchargé à partir de l'accumulateur à glace a la forme d'une suspension de cristaux de glace dans l'eau. Dans ce cas, on ne prévoit évidemment pas de

dispositif coalescent dans le conduit de transfert de cette suspen-

sion, laquelle est pompable jusqu'à une concentration de 60 à 70 % en cristaux de glace. Ces cristaux peuvent alors être fondus à

l'endroit des articles à réfrigérer o l'on peut réaliser une tem-

pérature plus basse et une utilisation plus efficace du froid

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stocké. Une réfrigération avec une suspension de cristaux de glace dans un liquide non miscible à l'eau, tel que le toluène, est déjà connue en soi d'après le brevet US 3 869 870, et le brevet US 3 247 678 décrit un procédé de réfrigération avec une suspension de cristaux de glace dans de la saumure. Mais aucune méthode pratique n'a encore été réalisée pour une fabrication simple et reproductible, avec une suspension concentrée pompable de cristaux de glace dans l'eau, sans que ces cristaux aient

tendance à croître en gros agrégats.

Cependant, conformément à la présente invention, cela est

possible sans aucun problème.

Il est également possible d'utiliser, dans un accumulateur conforme à la figure 4, une saumure eutectique comme matériau tampon, et ensuite de pomper cette saumure ou une suspension - d'eutectique solide dans la saumure jusqu'à l'emplacement o la chaleur doit être déchargée. Dans ce cas, le dispositif coalescent

doit évidemment être supprimé.

Les figures 5 et 6 sont des vues en coupe transversale de deux exemples d'un accumulateur de froid conforme à l'invention capable de fournir de l'eau froid, cette eau, après avoir été réchauffée, étant ramenée dans l'accumulateur. Dans ces deux figures les pièces composantes identiques sont désignées par les

mêmes références.

Un liquide de transfert de chaleur, refroidi extérieurement à l'accumulateur dans un réfrigérateur jusqu'à en dessous de 02C,

par exemple à -220, est alimenté, à travers un raccord 50 et divi-

sés en gouttes par des distributeurs 54 qui comprennent une plaque de métal perforée, ces gouttes ayant un diamètre, par exemple de 2 à 4 mm. Ce liquide de transfert absorbe de la chaleur à partir d'eau 48 présente dans l'accumulateur, qui est ainsi refroidie, et finalement congelée pour former une masse de fins cristaux de glace. Les gouttes qui s'élèvent sont collectées au-dessus de la

surface limite de séparation entre l'eau 48 et la couche de liqui-

de de transfert 47, tous les cristaux entraînés étant retenus par le dispositif coalescent 17. A partir du point 24, le liquide de

transfert est ramené au réfrigérateur (non représenté).

Si l'on désire retirer de l'eau froide de l'accumulateur, elle est déchargée à travers le raccord 50. Dans la figure 5, ce raccord se termine dans un canal annulaire prévu à l'intérieur de l'accumulateur près de son fond. Le sommet de ce canal est formé par une bande annulaire coalescente 59. Dans la figure 6, le raccord se termine au-dessous d'un dispositif coalescent à plaque carrée 59, enfermé à l'intérieur d'un tube qui l'entoure étroitement. Dans les deux cas, l'eau déchargée 50 doit donc tout d'abord s'écouler à travers le dispositif coalescent. Toute goutte de liquide de transfert qui serait entraînée serait ainsi

retenue par le dispositif.

Ces gouttes se regroupent entre elles et s'échappent du

dispositif coalescent sous l'effet de la différence de gravité.

L'eau froide déchargée peut alors fournir du froid extérieurement à l'accumulateur et se trouver ainsi réchauffée. L'eau réchauffée * est dispersée à nouveau dans la couche de-liquide échangeur-de chaleur par le distributeur 53. les gouttes formées tombent et parviennent dans la couche d'eau 48, qui contient à sa partie supérieure une masse de cristaux de glace. Ces cristaux sont fondus et l'eau est ainsi refroidie. Cette circulation peut 8tre continuée jusqu'à ce que toute la glace soit fondue et que la

température de l'eau déchargée 50 croisse au-dessus de 02C. Pen-

dant le prélèvement de froid, la fourniture de froid au moyen du

liquide échangeur de chaleur peut être continuée sans objection.

Du fait que, lorsque l'eau est congelée, le volume de la - glace formée est supérieur à celui de l'eau, la surface limite entre la couche d'eau 48 et la couche de liquide de transfert, se déplacera vers le haut au cours du processus de refroidissement de l'accumulateur, ce qui entraîne le risque de débordement par trop plein. Pour éviter ce risque un dispositif de compensation

est prévu dans les appareils représentés aux figures 5 et 6.

Dans la figure 5, ce dispositif de compensation est un

tube vertical 56, placé centralement à l'intérieur de l'accumula-

teur cylindrique et connecté au sommet, de façon étanche à l'air

au toit de l'accumulateur. L'extrémité inférieure de ce tube est.

- pourvue d'une ou plusieurs ouvertures 64. Au toit de ltaccumula-

teur est connecté un conduit d'alimentation 57 pour un gaz sous 1 9 pression, tel que de l'azote ou de l'air, pourvu de soupapes d'entrée et de sortie à commande magnétique. Si on le désire, une jauge de pression, ou un palpeur sensible à la pression peut être monté à cet endroit. Un autre palpeur 58 est prévu à l'intérieur de l'accumulateur pour donner un signal dès que le niveau du liquide échangeur de chaleur parvient audessus ou

au-dessous d'un niveau de seuil prédéterminé.

De l'air est alors alimenté ou retiré à travers le conduit 57, au moyen d'un dispositif auxiliaire à action autom 0 tique, connu en soi et non représenté, de telle sorte que le a- - niveau de l'eau à l'intérieur du tube 56 monte ou descend et-que le niveau du palpeur 58 monte ou descend en correspondance. Du fait que la différence de niveau à l'intérieur et à l'extérieur

du tube dépend de la quantité d'eau qui se trouve à l'état conge-

lé, la pression dans le tube est une mesure pour cette quantité d'eau congelée. Après étalonnage, cette quantité peut être lue, soit au sommet de l'accumulateur, soit à tout autre endroit en

utilisant des moyens connus en soi tels qu'un dispositif télé-

métrique. Dans le cas de l'accumulateur horizontal représenté dans la figure 6, le dispositif de compensation est de construction légèrement différente. Cet accumulateur est un cylindre horizontal

placé avec une légère-pente sur des pieds 66 et pourvu, à son -

extrémité la plus élevée, d'un carter en forme de dame, contenant

entre autres, un dispositif coalescent 17.

- A son extrémité inférieure, l'accumulateur est pourvu d'une cloison séparatrice 63 fixée de manière 'nche à l'air à la circonférence du cylindre, une ou plusieurs ouvertures 64 éat prévues près de son bord inférieur. De -ette manière, une chambre de compensation est formée à cette-extrémité infrleure et elle a la même fonction et le même fonctionnement que l'epace libre

prévu à l'int6rieur du tube 56 dans la figure 5.

Les figures 5 et 6 môntrent, en outre, un certain nombre de fenêtres d'observation 60, qui ont été utilisé eslors des études de mise au point. Dans un modèle de production courant, de telles fenêtres ne sont pas nécessaires. LX figure 6 montre Également un verre à jauge de niveau 61 pour l'observation du niveau de liquide

dans l'accumulateur au cours du remplissage ou de la vidange.

Lorsque l'accumulateur est complètement dégivré, la chambre de compensation doit contenir un volume de gaz au moins égal à l'augmentation de volume produite lorsque touib l'eau présente est gelée. Il est alors possible de maintenir constant

à chaque instant le niveau de liquide en 58. Tant que l'accumu-

lateur contient sensiblement les quantités correctes d'eau et de liquide de transfert, si l'on utilise un contrôle automatique de l'amenée et de la décharge de gaz à travers le raccord 57,

cette quantité de gaz sera automatiquement amenée lorsque l'ac-

cumulateur est mis en marche.

Etant donné que, lorsque de l'eau est mise en circula-

tion extérieurement à l'accumulateur, il existe toujours la possibilité qu'une portion de l'eau soit perdue par des fuites, ou analogues, il est désirable de prévoir un palpeur 62 dans l'accumulateur à l'endroit de la surface limite séparatrice entre la couche d'eau et la couche de liquide de transfert. Au moyen d'un tel palpeur, il est possible de contrôler, soit lorsque l'accumulateur est totalement congelé ou totalement dégelé, si le niveau présente toujours la hauteur requise, et, si nécessaire, de compléter le remplissage en eau. Dans ce cas, également, si

on le désire, ce palpeur peut être-connecté à un appareil automa-

tique qui peut, soit délivrer un signal, soit déclencher les

mesures de correction nécessaires.

Il est clair que les appareils représentés dans les figu-

res 5 et 6, peuvent être utilisés de manière absolument analogue dans le cas o, au lieu d'eau, on utilise un mélange eutectique, et si la phase liquide est mise en circulation extérieurement à l'accumulateur. Si l'on désire mettre en circulation un mélange de phase liquide et de phase solide, et transporter ainsi un plus grand nombre de frigories par unité de volume, dans un appareil de ce

type, on déchargera naturellement la suspension directement au-

dessous de la surface limite séparatrice de la phase aqueuse 46 et de la couche de liquide de transfert 47, c'est-à-dire o se

- collecte la phase solide. Dans un tel cas, la phase liquide échauf-

fée sera ramenée au bas de l'accumulateur. En outre, dans ce cas,

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aucun dispositif coalescent ne sera prévu dans la conduite de circulation et il sera préférable de cesser temporairement le

pompage du liquide échangeur de chaleur refroidi.

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Claims

-R E V E N D I C A T I O N S-

1. Accumulateur pour le stockage de chaleur ou de froid, comprenant un conteneur (14) rempli en grande partie

avec une couche (15) de matériau tampon fondant à une tempé-

rature constante, et une couche (16) considérablement plus mince d'un liquide de transfert de chaleur ayant un point de fusion inférieur 4telui du matériau tampon, et présentant une densité spécifique inférieure ou supérieure à la fois à celle du matériau tampon à l'état liquide et à l'état solide, ce liquide de transfert étant non miscible avec le matériau tampon, conteneur comprenant un conduit (22) de décharge du liquide de transfert, à partir de cette couche mince vers des dispositifs extérieurs à l'accumulateur, et un conduit d'alimentation (25) pour ramener le liquide de transfert à un distributeur dans la couche de matériau tampon, contraignant celui-ci à circuler vers le haut ou vers le bas en contact direct avec le matériau tampon, accumulateur caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs dispositifs coalescents (17) entre le matériau tampon (15) et le raccord de sortie (22) pour le liquide de transfert, afin de retenir les particules solides et liquides de matériau tampon.

2. Accumulateur suivant la revendication 1, caracté-

risé en ce que le conduit d'alimentation (25) pour le liquide

de transfert de chaleur est connecté à l'intérieur de l'accumu-

lateur à un distributeur (26) comprenant une plaque (27) pour-

vue d'un grand nombre de perçages d'un diamètre de 0,4 à

1,0 mm.

3. Accumulateur suivant la revendication 1, caracté-

risé en ce que le distributeur est constitué par une plaque

conique.

4. Accumulateur suivant la revendication 1, caracté-

risé par un conduit de décharge (50) pour le matériau tampon liquide, disposé près du fond du conteneur, et un conduit d'alimentation (65) pour le matériau tampon liquide échauffé,

disposé au sommet du conteneur.

5. Accumulateur suivant la revendication 1, caracté-

risé par un conduit de décharge (24) pour une suspension de matériau tampon solide dans un matériau tampon liquide dans la moitié supérieure du conteneur, et un conduit d'alimentation

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(55) pour matériau tampon liquide près de l'extrémité

inférieure du conteneur.

6. Accumulateur suivant la revendication 1, caracté-

risé par une chambre de compensation (56) dont la partie infé-

rieure est en communication ouverte avec l'espace prévu pour le matériau tampon (48) dans le conteneur, et dont l'extrémité supérieure comprend des moyens (57) pour l'introduction d'un gaz dans la chambre de compensation d'une manière contrôlée,

lorsque le liquide dans l'accumulateur est à un niveau infé-

rieur à une valeur limite prédéterminée, et des moyens pour décharger du gaz de la chambre de compensation, d'une manière contrôlée, lorsque le niveau du liquide dans l'accumulateur

se situe au-dessus d'une limite prédéterminée.