FR2533538A1 - Hot water storage tank - Google Patents
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Abstract
Description
Réservoir de stockage d'eau chaude.Hot water storage tank.
La présente invention concerne les réservoirs de stockage, pour l'accumulation et l'utilisation d'un fluide, notamment d'eau chaude. The present invention relates to storage tanks, for the accumulation and use of a fluid, in particular hot water.
Le stockage d'un fluide est nécessaire lorsque son utilisation est différée ou disproportionnée par rapport à sa production, c'est pourquoi on prévoit, par exemple dans les installation de chauffage d'eau sanitaire, des réservoirs ou "ballons" de stockage. The storage of a fluid is necessary when its use is deferred or disproportionate to its production, this is why provision is made, for example in domestic water heating installations, for storage tanks or "storage tanks".
La capacité calorifique du stockage est fonction du volume des réservoirs ainsi que de l'écart de température entre le fluide chaud produit et le fluide froid utilisé (ou inversement). Cette capacité calorifique est affectée par tout phénomène conduisant au mélange des deux fluides. The heat capacity of the storage depends on the volume of the tanks as well as the temperature difference between the hot fluid produced and the cold fluid used (or vice versa). This heat capacity is affected by any phenomenon leading to the mixing of the two fluids.
Par ailleurs, la constance du niveau de température de chacun des fluides favorise la production et l'utilisation de la chaleur,. en permettant l'optimisation du dimen sionnementet du fonctionnement des systèmes de réchauffage ou de distribution des fluides. Furthermore, the consistency of the temperature level of each of the fluids promotes the production and use of heat. by optimizing the sizing and operation of heating or fluid distribution systems.
C'est pourquoi on a cherché à réaliser un stockage dit "à stratification" dans lequel le fluide chaud et le fluide froid se mélangent le moins possible. This is why we tried to achieve a so-called "stratification" storage in which the hot fluid and the cold fluid mix as little as possible.
Jusqu a présent, dans les installations de chauffa- ge d'eau sanitaire, on réalise le stockage au moyen de plusieurs réservoirs de faible diamètre et de grande hauteur, raccordés en série, leur raccordement s'effectuant entre le point haut du ballon amont et le point bas du ballon wal . Up to now, in sanitary water heating installations, storage has been carried out by means of several small diameter and large height tanks, connected in series, their connection being made between the top point of the upstream tank and the bottom point of the balloon wal.
Grâce à cette disposition, on réalise une certaine "stratification" entre chacun des réservoirs, mais la stratification est mal résolue à l'intérieur des ballons du fait de courants de convexion préférentiels existant le long des parois à cause des pertes de chaleur, du fait des turbulences provoquées au niveau de l'entrée et de la sortie du fluide (lequel peut etre introduit à des vitesses de l'ordre de 2 mètres-seconde) ainsi que du fait de la dissymétrie de l'entrée et de la sortie du fluide stocké. Thanks to this arrangement, a certain "stratification" is carried out between each of the tanks, but the stratification is poorly resolved inside the balloons due to preferential convection currents existing along the walls due to heat losses, due to turbulence caused at the inlet and outlet of the fluid (which can be introduced at speeds of the order of 2 meters per second) as well as due to the asymmetry of the inlet and outlet of the fluid stored.
Pour obtenir des résultats satisfaisants, on est obligé de multiplier le nombre de réservoirs, donc d'utiliser des réservoirs de petite capacité qui sont plus couteux, à capacité égale, qu'un réservoir de grande capacité. Enfin, la multiplication des réservoirs conduit à une multiplication des vannes d'isolement ou de dérivation entre les réservoirs, ce qui augmente le prix d'installation et complique les manoeuvres d'exploitation. To obtain satisfactory results, it is necessary to multiply the number of tanks, therefore to use small capacity tanks which are more expensive, at equal capacity, than a large capacity tank. Finally, the multiplication of reservoirs leads to a multiplication of isolation or bypass valves between the reservoirs, which increases the installation price and complicates operating maneuvers.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de réaliser des réservoirs de stockage permettant une "stratification" améliorée des fluides stockés, c'est-à-dire évitant en grande partie le mélange du fluide chaud et du fluide froid, ce qui améliore grandement le rendement énergétique de l'installation de chauffa- ge. Cette amélioration de la stratification permet d'éviter d'autre part une division poussée de la capacité de stockage en multiples unités de faible volume, ce qui réduit le prix des installations. The object of the present invention is to remedy these drawbacks and to provide storage tanks allowing improved "stratification" of the stored fluids, that is to say largely avoiding the mixing of the hot fluid and the cold fluid, this which greatly improves the energy efficiency of the heating installation. This improvement in stratification also makes it possible to avoid an extensive division of the storage capacity into multiple low-volume units, which reduces the cost of the installations.
L'invention a pour objet un réservoir de stockage cylindrique à axe vertical, pour l'accumulation et l'utilisation d'eau chaude, qui est raccordé à une première conduite exterieure d'introduction et d'extraction de l'eau chaude dans la partie haute du réservoir, et à ute deuxième conduite extérieure d'introduction et d'extraction de l'eau froide dans la partie basse du réservoir, et dans lequel la première conduite est'prolongée, à l'intérieur du réservoir, par une première portion intérieure de conduite qui débou- che, sensiblement dans l'axe du réservoir, contre et au voisinage du fond supérieur du réservoir, tandis que la deuxième conduite est prolongée, à l'intérieur du réservoir, par une deuxième portion intérieure de conduite qui débouche sensiblement dans ltaxe du réservoir, contre et au voisinage du fond inférieurdu réservoir. The subject of the invention is a cylindrical storage tank with vertical axis, for the accumulation and use of hot water, which is connected to a first external pipe for introducing and extracting hot water into the upper part of the tank, and to a second external pipe for introducing and extracting cold water in the lower part of the tank, and in which the first pipe is extended, inside the tank, by a first inner portion of pipe which opens, substantially in the axis of the tank, against and in the vicinity of the upper bottom of the tank, while the second pipe is extended, inside the tank, by a second inner portion of pipe which opens out appreciably into the tank axis, against and in the vicinity of the bottom bottom of the tank.
Grâce à cette disposition, l'introduction et l'extraction d'eau par lesdites conduites établissent, à I'inté- rieur du réservoir, une circulation hydraulique sensiblement symétrique par rapport à l'axe du réservoir réduisant ou supprimant tout phénomène convectif ou turbulent qui tendrait à mélanger les deux fluides à températuresdiffé- rentes. Thanks to this arrangement, the introduction and extraction of water through said pipes establish, inside the tank, a hydraulic circulation substantially symmetrical with respect to the axis of the tank reducing or eliminating any convective or turbulent phenomenon. which would tend to mix the two fluids at different temperatures.
Suivant une forme préférée de réalisation de l'invention, la première portion précitée intérieure de conduite s'étend sensiblement sur toute la hauteur du réservoir, la première conduite extérieure étant branchée à la partie basse du réservoir. Grâce à cette disposition, les deux conduites extérieures sont situées, avec leurs vannes dtisole- ment ou de dérivation, au niveau de la partie inférieure du réservoir, ce qui facilite le montage et la commande de ces vannes. According to a preferred embodiment of the invention, the aforementioned first inner portion of pipe extends substantially over the entire height of the tank, the first outer pipe being connected to the lower part of the tank. Thanks to this arrangement, the two external pipes are located, with their isolation or bypass valves, at the bottom of the tank, which facilitates the mounting and control of these valves.
De préférence on prévoit, au voisinage de l'embouchure des portions intérieures de conduite, un disque déflecteur répartiteur et/ou, dans la partie intermédiaire du réservoir, des diaphragmes anti-turbulence. Preferably, in the vicinity of the mouth of the internal pipe portions, a distributor deflector disc and / or, in the intermediate part of the tank, anti-turbulence diaphragms are provided.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre eut à l'examen des dessins annexés qui.représentent, à titre d'exemples non limitatifs'plusieurs modes de réalisation de l'invention. The invention will be better understood on reading the detailed description which will follow upon examining the appended drawings which, by way of nonlimiting examples, represent several embodiments of the invention.
La figure 1 est une vue schématique d'une installation de chauffage d'eau sanitaire équipée de réservoirs de stockage classiques. Figure 1 is a schematic view of a sanitary water heating installation equipped with conventional storage tanks.
La figure 2 est une vue en coupe d"un réservoir de stockage conforme à l'invention. Figure 2 is a sectional view of a storage tank according to the invention.
La figure 3 est une vue schématique d'une installation de chauffage d'eau sanitaire équipée de réservoirs de stockage conformes à l'invention. Figure 3 is a schematic view of a sanitary water heating installation equipped with storage tanks according to the invention.
L'invention s'applique au stockage de l'eau chaude dans les installations, par exemple pour le chauffage d'eau sanitaire, dans lesquelles l'élément de production de la chaleur ou de réchauffage du fluide (chaudière, ou échangeur) est extérieur au réservoir de stockage, celui-ci étant utilisé en cycle inversé avec remplissage de fluide chaud ou de fluide froid et, par conséquent, avec stockage de fluide chaud ou de fluide froid. The invention applies to the storage of hot water in installations, for example for heating domestic water, in which the element for producing heat or heating the fluid (boiler, or exchanger) is external. to the storage tank, the latter being used in reverse cycle with filling of hot fluid or cold fluid and, consequently, with storage of hot fluid or cold fluid.
On a représenté sur la figure 1 une installation de ce genre, avec des réservoirs de stockage classiques, pour mieux faire ressortir les inconvénients de ces réservoirs. L'installation comprend une arrivée d'eau froide 2, une distribution d'eau chaude 4, un échangeur de chaleur 6 recevant un fluide primaire 8, et plusieurs réservoirs de stockage, par exemple quatre réservoirs, 101, 102, 1031 104 raccordés en série. Le réservoir 101 est raccordé à une première conduite extérieure 12, pour l'introduction et l'extraction de l'eau chaude dans la partie haute du réservoir et à une deuxième conduite extérieure pour l'introduction et l'extraction de l'eau froide dans la partie basse du réservoir. There is shown in Figure 1 an installation of this kind, with conventional storage tanks, to better highlight the drawbacks of these tanks. The installation includes a cold water inlet 2, a hot water distribution 4, a heat exchanger 6 receiving a primary fluid 8, and several storage tanks, for example four tanks, 101, 102, 1031 104 connected at series. The tank 101 is connected to a first external pipe 12, for the introduction and extraction of hot water in the upper part of the tank and to a second external pipe for the introduction and extraction of cold water. in the lower part of the tank.
Les autres réservoirs sont raccordés de façon identique, comme il est représenté sur la figure. The other tanks are connected identically, as shown in the figure.
En période d'introduction d'eau froide Par la canalisation 14 (pendant le soutirage d'eau chaude par la distribution 4), la vitesse de débit d'eau froide, représentée par les flèches 16, provoque des courants et des turbulences dans le réservoir qui produisent un mélange de l'eau chaude qui pourrait encore être contenue dans la partie supérieure du réservoir avec liteau froide introduite. During the period of introduction of cold water Via the pipe 14 (during the withdrawal of hot water via the distribution 4), the speed of flow of cold water, represented by the arrows 16, causes currents and turbulence in the tank which produce a mixture of hot water which could still be contained in the upper part of the tank with cold strip introduced.
Inversement, pendant les périodes de non soutirage, où l'eau est réchauffée en circuit fermé par l'échangeur 6, l'introduction d'eau chaude, à la partie supérieure du ré servoir~104, produit également des courants qui tendent à mélanger l'eau à deux températures contenue dans le réservoir. Conversely, during periods of non-withdrawal, where the water is heated in a closed circuit by the exchanger 6, the introduction of hot water, at the upper part of the tank ~ 104, also produces currents which tend to mix. the two temperature water contained in the tank.
Jusqu'à présent, pour éviter ce mélange nuisible et pour réaliser une certaine "stratification" des fluides, on montait en série, comme il est représenté sur la figure 1, une pluralité de réservoirs verticaux de grande hauteur et de faible diamètre. Chaque réservoir devant être muni de vannes d'isolement et de dérivation (non représentées), la multiplication des réservoirs entrainait une multiplication de ces vannes. Until now, to avoid this harmful mixing and to achieve a certain "stratification" of the fluids, a series of vertical tanks of great height and small diameter have been mounted in series, as shown in FIG. 1. Each tank having to be fitted with isolation and bypass valves (not shown), the multiplication of the tanks resulted in a multiplication of these valves.
On a représenté sur la figure 2 un réservoir 20 conforme à l'invention qui est de forme cylindrique à axe vertical X-X. La conduite extérieure 14 d'introduction et d'extraction d'eau froide, qui est raccordée à la partie basse du réservoir est prolongée, à l'intérieur du réservoir par une portion intérieure de conduite 22, 24 dont l'extrémité ouverte 26 débouche dans l'axe X-X du réser- voir, contre le fond inférieur 28 du réservoir, à une faible distance de ce fond. FIG. 2 shows a reservoir 20 according to the invention which is cylindrical in shape with a vertical axis X-X. The outer pipe 14 for introducing and extracting cold water, which is connected to the lower part of the tank is extended, inside the tank by an inner portion of pipe 22, 24 whose open end 26 opens out. in the axis XX of the tank, against the lower bottom 28 of the tank, a short distance from this bottom.
La conduite extérieure 12 d'introduction et d'extraction d'eau chaude, qui est également raccordée au réservoir, est prolongée, à l'intérieur du réservoir par une p.ortiodde conduite 30, 32 dont l'extrémité ouverte 34 débouche dans l'axe X-X du réservoir, contre le fond supérieur 36 du réservoir à une faible distance de ce fond. The external pipe 12 for introducing and extracting hot water, which is also connected to the tank, is extended, inside the tank by a p.ortiodde pipe 30, 32 whose open end 34 opens into the axis XX of the tank, against the upper bottom 36 of the tank at a small distance from this bottom.
De préférence, les portions de conduite 24 et 32 sont constituées par un tube unique 38 disposé dans l'axe du-réservoir et pourvu d'une cloison de séparation 40 de part et d'autre de laquelle sont branchees les portions de conduite 22 et 30 Cette disposition permet de placer la portion de conduite 30 pour l'eau chaude dans la partie basse du réservoir, si bien que la conduite extérieure 12 d'eau chaude peut être raccordée au réservoir dans sa partie basse,'c9mmella' conduite extérieure d'eau froide 14. Preferably, the pipe portions 24 and 32 are constituted by a single tube 38 disposed in the axis of the reservoir and provided with a partition 40 on either side of which the pipe portions 22 and 30 This arrangement makes it possible to place the pipe portion 30 for hot water in the lower part of the tank, so that the external hot water pipe 12 can be connected to the tank in its lower part, 'c9mmella' external pipe d cold water 14.
Ceci présente un grand avantage pour la simplicité du montage par rapport aux réservoirs classiques (figure 1) ot la moitié des raccordements devaient être faits en hauteur. This has a great advantage for the simplicity of assembly compared to conventional tanks (Figure 1) ot half of the connections had to be made in height.
De préférence, les fonds 28 et 36 du réservoir sont de forme bombée pour guider les filets d'eau introduits et on prévoit un disque protecteur anti-turbulence 41, aux extrémités inférieure et supérieure du tube 38, pour réduire les mouvements convectifs dus à la vitesse de passage, variable selon les régimes d'exploitation, des fluides chaud et froid. Pour réduire la vitesse de sortie des fluides, on choisit un tube 38 de section plus grande, par exemple deux ou trois fois plus grande, que la section des conduites 14, 22, 12, 30 et aux extrémités duquel sont répartis des orifices latéraux débouchant entre le fond et le disque. Preferably, the bottoms 28 and 36 of the reservoir are of convex shape to guide the water streams introduced and an anti-turbulence protective disc 41 is provided, at the lower and upper ends of the tube 38, to reduce the convective movements due to the passage speed, variable depending on operating conditions, hot and cold fluids. To reduce the fluid exit speed, a tube 38 with a larger section, for example two or three times larger, is chosen than the section of the conduits 14, 22, 12, 30 and at the ends of which are distributed side orifices opening out. between the bottom and the disc.
Enfin on peut prévoir un disque d'équilibrage 42 placé en partie basse et en partie haute du réservoir, voire en partie mediane dans le cas de grands diamètres, percé d'orifices 43 répartis de façon concentrique mais de section croissante ou décroissante en fonction de leur distance par rapport à l'axe et de leur position par rapport à la pénétration de fluide dans le réservoir. Finally, it is possible to provide a balancing disc 42 placed in the lower part and in the upper part of the reservoir, or even in the middle part in the case of large diameters, pierced with orifices 43 distributed concentrically but of increasing or decreasing section depending on their distance from the axis and their position relative to the penetration of fluid into the reservoir.
Grâce à ces diverses dispositions, on réalise une introduction, une extraction et une circulation symétriques du fluide dans le réservoir, ce qui supprime tout phénomène convectif interne tendant à mélanger les deux fluides. Thanks to these various arrangements, a symmetrical introduction, extraction and circulation of the fluid in the reservoir are carried out, which eliminates any internal convective phenomenon tending to mix the two fluids.
On obtient ainsi une "stratification" réelle dans un même réservoir ce qui permet la construction de réservoirs de moins grande hauteur et de plus grand diamètre, que les réservoirs classiques, donc de construction plus économique. La "stratification" étant obtenue de façon "interne", il n'est plus nécessaire de diviser de façon aussi poussée la capacité de stockage et on peut donc adopter des réservoirs individuels de plus grand volume que jusqu'à.présent, ce qui représente également une économie d'investissement, tout en diminuant la surface extérieure exposée à l'atmosphère. This gives a real "stratification" in the same tank which allows the construction of tanks of lesser height and larger diameter, than conventional tanks, therefore of more economical construction. Since the "stratification" is obtained "internally", it is no longer necessary to divide the storage capacity as far and it is therefore possible to adopt individual reservoirs of larger volume than up to now, which represents also an investment saving, while reducing the external surface exposed to the atmosphere.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les sous-stations de préparation d'eau chaude sanitaire comportant un réchauffeur indépendant des ballons d'accumulation. De plus, l'application est particu lièrement intéressante dans le cas où le réseau de chaleur utilise comme source de production les énergies ou les techniques nouvelles à bas potentiel de température, comme la géothermie, comme l'énergie solaire, comme la chaleur de récupération, le fluide de condenseur des pompes à chaleur, mais aussi toute énergie classique, où la température de retour doit être la plus faible possible. The invention finds a particularly advantageous application for the domestic hot water preparation substations comprising a heater independent of the storage tanks. In addition, the application is particularly interesting in the case where the heat network uses as source of production energies or new techniques with low temperature potential, such as geothermal energy, such as solar energy, such as heat recovery. , the heat pump condenser fluid, but also any conventional energy, where the return temperature must be as low as possible.
C'est ainsi qu'on a représenté schématiquement sur la figure 3 une installation de chauffage d'eau sanitaire analogue à celle de la figure 1, mais avec seulement deux réservoirs de stockage 201, 202 conformes à l'invention, au lieu de quatre. Thus, diagrammatically shown in FIG. 3 is a sanitary water heating installation similar to that of FIG. 1, but with only two storage tanks 201, 202 according to the invention, instead of four. .
Chaque réservoir 20 est pourvu d'un robinet d'isolement à trois voies 44 et d'un autre robinet à trois voies 46 situés respectivement aux raccordements du réservoir avec les conduites extérieures 14, 12. Ces robinets permet tent, par une simple manoeuvre simultanée, l'isolement du réservoir considéré et sa mise en dérivation par une canalisation 48. Each tank 20 is provided with a three-way isolation valve 44 and another three-way valve 46 located respectively at the connections of the tank with the external pipes 14, 12. These taps allow a simple simultaneous operation , the isolation of the reservoir considered and its diversion by a pipe 48.
Il est à noter que tous ces robinets sont situés à un niveau bas de l'installation. It should be noted that all these taps are located at a low level of the installation.
En outre, le réservoir pourra comporter tout autre organe, conformément aux règles de l'art habituel, tel que les systèmes de purge, de vidange, de sécurité ou de contrôle, ainsi que le trou d'homme de visite, la jaquette calorifugée ou tout dispositif classique. In addition, the tank may include any other member, in accordance with the rules of the usual art, such as the purging, emptying, safety or control systems, as well as the manhole, the insulated jacket or any conventional device.
Dans le cas de la préparation d'eau chaude sanitaire, les réservoirs étant associés à un réchauffeur indépendant 6, la circulation d'eau étant obtenue par l'intermé- diaire d'une pompe P, l'entrée du ballon étant raccordée à la tuyauterie d'eau froide 2 et la sortie du ballon étant raccordée à la tuyauterie 4. de distribution d'eau chaude, le fonctionnement est le suivant
- en cas de non soutirage d'eau chaude sanitaire l'eau froide stockée en partie basse dans le réservoir est extraite par la canalisation 24 22, 14, puis réchauffée par l'échangeur 6 et l'eau chaude est introduite en partie haute du réservoir par la canalisation 30, 32
- en cas de soutirage.d'eau chaude sanitaire l'eau chaude stockée en parti.haute dans le réservoirest extraite par la canalisation 32, 30, 12 alors que l'eau froide est introduite en partie basse par la canalisation 14, 22, 24
- dans les deux cas, le niveau de séparation entre l'eau froide et l'eau chaude est variable en hauteur dans le réservoir et son déplacement s'effectue sans perturbation notable pouvant favoriser le mélange ; la turbulence la plus importante étant causée par l'arrivée d'eau froide en cas de soutirage maximal, la vitesse d'introduction pouvant s'échelonner entre 0,1 mjs et 2 m/s. Le protecteur anti-turbulences et le disque d'équilibrage ont alors un effet stabilisateur de la diffusion du fluide. In the case of domestic hot water preparation, the tanks being associated with an independent heater 6, the circulation of water being obtained by means of a pump P, the inlet of the tank being connected to the cold water piping 2 and the outlet of the tank being connected to the hot water distribution piping 4. the operation is as follows
- in the event that the domestic hot water is not drawn off, the cold water stored in the lower part of the tank is extracted by the pipe 24 22, 14, then reheated by the exchanger 6 and the hot water is introduced in the upper part of the tank through line 30, 32
- in the event of withdrawal of domestic hot water, the hot water stored in part. high in the tank is extracted by line 32, 30, 12 while cold water is introduced in the lower part by line 14, 22, 24
- In both cases, the level of separation between cold water and hot water is variable in height in the tank and its movement is carried out without significant disturbance that can promote mixing; the greatest turbulence being caused by the arrival of cold water in the event of maximum withdrawal, the speed of introduction can range between 0.1 mjs and 2 m / s. The anti-turbulence protector and the balancing disc then have a stabilizing effect on the diffusion of the fluid.
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