FR2800446A1

FR2800446A1 - Procede et dispositif d'accumulation de chaleur a effet caloduc

Info

Publication number: FR2800446A1
Application number: FR9913768A
Authority: FR
Inventors: Denis Clodic
Original assignee: Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
Current assignee: Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2001-05-04

Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'accumulation de chaleur dans un conteneur (1).Le procédé comprend les étapes suivantes : - on stocke la chaleur dans un premier fluide (2a, 2b) sous sa tension de vapeur, notamment de l'eau, dans un conteneur étanche (1), - on transfère la chaleur par condensation (3) de la phase vapeur (2b) dudit fluide sur la surface externe (4a) d'un échangeur (4), situé dans la phase vapeur (2b) du premier fluide, - on apporte de la chaleur audit conteneur au moyen d'une source chaude (5), notamment une résistance chauffante (5a) ou un brûleur, immergée dans la phase liquide (2a) dudit fluide.Le procédé et le dispositif peuvent être appliqués pour réaliser des chauffe-eau.

Description

Procédé et dispositif d'accumulation de chaleurà effet caloduc.

Il est connu que chauffe-eau, en particulier des chauffe-eau électriques, répondant aux besoins journaliers d'une famille. Pour une famille de quatre personnes consommant environ150 litres d'eau par jour, ces chauffe-eau ont général un volume de 200 litres.

Réglementairement, l'eau chaude doit être stockéeà une température égale ou supérieureà 'C pour éviter les proliférations bactériennes de type légionella. Il existe donc un écart de température de 40 K entre l'eau chaude qui est stockée dans le chauffe-eau et la pièce dans laquelle celui-ci est situé et dont la température est de l'ordre de 20'C.

L'eau chaude chauffe-eau est stockée dans un conteneur (également dénommé "ballon") en général de forme cylindrique ayant un diamètre de 45 cm et une hauteur de plus de125 cm (non compris l'enveloppe isolante thermique).

Les déperditions thermiques journalières d'un tel chauffe eau d'une contenance de litres sont significatives. Elles se situent entre 1,4 et 2 kWh parjour.

Par ailleurs, l'eau chaude consommée, généralement soutirée en haut du ballon d'eau chaude, est remplacée par un volume d'eau froide équivalent entrant par le bas de l'appareil. De tels chauffe-eau présentent un défaut majeur. En effet, même si des anodes sont disposéesà côté de la résistance chauffanteà la base de l'appareil, l'encrassement par le calcaire et les différents sels minéraux est significatif et entreine des pertes énergétiques supplémentaires dues aux résistances thermiques additionnelles associées au dépôt.

L'invention viseà remédierà ces inconvénients età améliorer le bilan énergétique des chauffe-eau. Plus généralement, l'invention viseà améliorer le bilan énergétique des procédés et des dispositifs d'accumulation de chaleur dont les ballons des chauffe-eau ne sont qu'une application particulière.

Le procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes - on stocke la chaleur dans un premier fluide sous sa tension de vapeur, notamment de l'eau, dans un conteneur étanche, - on transfère la chaleur par condensation de la phase vapeur dudit fluide sur la surface externe d'un échangeur, situé dans la phase vapeur du premier fluide, - on apporte de la chaleur audit conteneur au moyend' source chaude, notamment une résistance chauffante ou un brûleur immergée dans la phase liquide dudit fluide.

De préférence, on isole thermiquement le conteneur.

Ainsi que cela va être démontré par la suite, notamment lors de la description détaillée d'un ballon de chauffe-eau, la mise en oeuvre d'un fluide sous sa tension de vapeur permet de réduire les dimensions du conteneur d'environ75 % pour répondre aux mêmes besoins. Compte tenu de cette diminution du volume, pour un coût d'isolation identique, on améliore les performances de l'enveloppe isolante thermique et on réduit les déperditions thermiques d'un facteur de3 à 4.

Par ailleurs, notamment dans le cas d'un ballon de chauffe-eau, l'eau chaude stockée et traitée n'est pas renouvelée.Il n'y a donc ni dépôt ni perte d'efficacité de transfert.

De préférence, on apporte de la chaleur en quantité suffisante pour maintenir le premier fluideà une température telle que la pression dans le conteneur soit sensiblement égaleà la pression atmosphérique.

De préférence également, l'échangeur comprend un circuit parcouru par un second fluide, notamment de l'eau, dont la température est inférieureà celle du premier fluide.

La présente invention concerne également un dispositif d'accumulation de chaleur comprenant: - un conteneur étanche contenant un fluide, notamment del' , sous sa tension de vapeur, - un échangeur situé dans la partie du conteneur contenant phase vapeur dudit fluide, - une source chaude, notamment une résistance chauffante ou un brûleur, immergée dans la phase liquide dudit fluide.

De préférence, le dispositif d'accumulation de chaleur selon l'invention comprend en outre un isolant thermique enveloppant le conteneur.

De préférence également, la quantité de chaleur apportée par la source chaude est déterminée de manière suffisante pour maintenir le fluideà une température telle que la pressionà l'intérieur du conteneur soit sensiblement égaleà la pression atmosphérique.

De préférence également, l'échangeur comprend un circuit parcouru par un second fluide, notamment de l'eau.

La présente invention concerne également l'application du procédé et du dispositif selon l'invention et de leurs variantes réalisations préférentiellesà la réalisation de ballon d'accumulation d'eau chaude, notamment pour chauffe- eau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtrontà la lecture de la description de la variante de réalisation de l'invention, donnéesà titre d'exemple indicatif et non limitatif et de la figure1 qui représente une vue schématique, en perspective ouverte, d'une variante de réalisation d'un dispositif d'accumulation de chaleur.

On va maintenant décrire la figure1. La température de l'eau froide varie relativement peu au cours de l'année, entre 12 et 22'C. Dans le ballon d'accumulation1 à effet caloduc, l'eau froide 4c circule dans un échangeur 4, de préférence dans un circuit 4b en cuivre, situéà la partie supérieure du ballon. L'eau circulant dans l'échangeur 4 est réchauffée par condensation 3 de la vapeur d'eau2b provenant de l'évaporation au niveau de la surface libre 2c de l'eau chaude 2a stockée, sous sa tension vapeur, dans le ballonà effet caloduc. L'eau chaude 2a est stockéeà une température variant entre100 et90 'C. Ces niveaux de température sont choisis pour limiter les déperditions et faire que la pression interne du ballon d'eau chaude varie entre0,7 et1 bar absolu. La description du mécanisme est la suivante. Lorsque de la chaleur est apportée par source chaude5, elle entreine une ébullition du liquide 2a. Ce phénomène a pour effet d'accrcître le nombre de molécules de la phase vapeur2b et par conséquent a pour effet d'accroître la pression. Inversement, lorsque l'on introduit de l'eau froide 4c dans le circuit 4b de l'échangeur 4, on refroidit la phase vapeur2b, une fraction de celle-ci se condense3 sur la surface externe 4a de l'échangeur 4. Corrélativement, le nombre des molécules de la phase gazeuse2b diminue et la pression baisse dans le conteneur1. Il y a donc un ajustement concomitant de la pression et de la température.

Dans l'exemple décrit, le stock d'eau chaude est de50 litres.Il est chauffé à 100 'C. Lorsque l'utilisateur a besoin d'eau chaude, l'ouverture du robinet provoque une circulation d'eau froide 4c qui entre dans l'échangeur 4 situéà la partie supérieure du ballonà accumulationà effet caloduc. Cette eau froide entreà une température variable entre 12 et 22'C. Elle est réchauffée jusqu'à une température de sortie qui peut varier entre 45 et60 'C. Selon le niveau de température souhaité, ajuste le débit dans le circuit 4b de l'échangeur 4 et/ou le mélange avec de l'eau froide additionnelle en sortie de l'échanueur 4. L'échangeur dont la température moyenne de surface 4a se situe entre 34 et36 'C constitue un point froid situé dans la phase vapeur2b du ballonà effet caloduc. Compte tenu du fait que l'eau chaude stockée està une température de100 'C en début de journée et de90 'C en fin de journée, cette eau s'évaporeà la surface libre 2c. Elle vient se condenser3 sur la paroi extérieure 4a de l'échangeur et réchauffe ainsi l'eau circulant 4bà l'intérieur de l'échangeur 4. L'eau condensée3 retombe en gouttes sur la réserve d'eau 2a où elle vient se mélanger. Il en résulte un léger abaissement, entre100 et 90 'C, de la température de l'eau stockée.

Le conteneur1 (le ballon)à effet caloduc permet de modifier radicalement le volume du stockage puisque - l'énergie échangée d'un côté de l'échangeur est constituée une énergie dite sensible, permettant le réchauffement de l'eau liquide pour des écarts de température d'environ 40 K (variable entre23 et58 K) et - l'énergie échangée de l'autre côté résulte d'un échange par chaleur latente de condensationà des températures variables entre90 et100 Les débits habituels d'eau chaude sanitaire sont de l'ordre de10 la puissance échangée est donc élevée: 27,8 kW. Cependant, puisque la chaleur latente de vaporisation de l'eau est de 2250 kJ/kg pour des températures variables entre90 et110 'C, il suffit que le débit d'évapo- condensation provenant du stockage soit de 12 g/s. Le temps de fonctionnement total sur une journée est de900 s.

Pour une telle durée de fonctionnement, la masse évapo-condensée est d'un peu plus deIl kg. Ces11 kg d'eau tombent goutteà goutte,à une température légèrement supérieureà 60 'C, dans la phase liquide 2a (initialementà 100'C) avec laquelle ils se mélangent. On peut calculer la quantité d'eau chaude 2a avec laquelle la masse évapo-condensée deIl kg doit se mélanger pour qu'en fin de journée la température du mélange reste égale ou supérieureà 90 'C. Elle est d'environ 40kg.

En résumé, une masse d'eau de50 ko, à une température initiale de 100'C, sous sa tension de vapeur (ce qui implique une surface libre du stockage d'eau et l'absence de tout autre gaz), permet l'évapo-condensation deIl kg d'eau.Il est ainsi possible de réchauffer150 litres d'eau entre 2060 'C sans que la température du stockage devienne inférieureà 90 Le rapport d'amplification de la chaleur latente de l'eau, comparativementà la capacité calorifique de l'eau, permet de réduire d'un facteur15 le débit de réchauffage et le débit réchauffé.

La réduction de la masse d'eau par 4 implique, pour une déperdition de chaleur de1 'C du stock d'eau pour un ballon de 200 litres comparativementà un ballon de50 litres, une diminution de la perte énergétique qui est en rapport direct avec la masse stockée et qui se calcule par la relation Qdéperditions <B≥ M x cp x DT Dans le cas où l'écart de température est égal, la déperdition énergétique est donc bien diminuée par 4.

Dans le cas d'un ballon de50 litres selon l'invention, la température moyenne sur la journée est de95 'C. Dans le cas d'un ballon de 200 litres classique, la température moyenne et de60'C. Pour une même température extérieure de 20'C, l'écart pour le ballon de50 litres est donc de K et de 40 K pour le ballon de 200 litres. Si l'isolation est de même nature, la déperdition est en première approximation deux fois plus élevée puisqu'elle est proportionnelleà l'écart de température, mais comme la masse est 4 fois moindre,à pouvoir d'isolation égal, la déperdition thermique est divisée par 2.

On peut évaluer les conséquences de la réduction du volume de stockage sur le volume d'isolation. Dans l'hypothèse où les deux ballons, respectivement de50 et de 200 litres, ont le même diamètre de cuve de stockage de 45 cm, pour le ballon de 200 litres, la hauteur sera donc de125 cm, tandis que pourle ballon de50 litres elle ne sera plus que de30 cm. La hauteur est donc divisée par 4 ainsi que le volume d'isolation vertical. On peut par conséquent doubler l'épaisseur d'isolation sur l'ensemble du volume et diminuer d'autant la déperdition thermique,à coût moindre.

Ainsi donc le procédé et le dispositif d'accumulation de chaleur selon l'invention permet de: - réduire le volume de stockage 4, - annuler les phénomènes d'entartrage, - diminuer la déperdition thermique par réduction de la masse stockée, - d'augmenter l'isolationà coût inférieur par réduction du volume de stockage.

Pour d'autres volumes de stockage que celui ayant fait l'objet de la C description détaillée les facteurs de réduction sont les mêmes.

Claims

Revendications. 1. Procédé d'accumulation de chaleur dans un conteneur(1) ; ledit procédé comprenant les étapes suivantes: - on stocke la chaleur dans un premier fluide (2a,2b) sous sa tension de vapeur, notamment de l'eau, dans un conteneur étanche(1), - on transfère la chaleur par condensation(3) de la phase vapeur(2b) dudit fluide sur la surface externe (4a) d'un échangeur situé dans la phase vapeur(2b) du premier fluide, - on apporte de la chaleur audit conteneur au moyen d'une source chaude(5), notamment une résistance chauffante (5a) un brûleur, immergée dans la phase liquide (2a) dudit fluide. 2. Procédé selon la revendication1 tel que on apporte de chaleur en quantité suffisante pour maintenir le premier fluideà une température telle que la pression dans le conteneur soit sensiblement égaleà la pression atmosphérique. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications1 2 tel que l'on isole thermiquement (6) le conteneur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications1 a3 tel que ledit échangeur comprend un circuit (4b) parcouru par un second fluide (4c), notamment de l'eau, dont la température est inférieureà celle du premier fluide. 5. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications1 à 4 à la réalisation de ballon d'accumulation d'eau chaude, notamment pour chauffe- eau. 6. Dispositif d'accumulation de chaleur comprenant - un conteneur étanche(1) contenant un fluide (2a,2b), notamment de l'eau, sous sa tension de vapeur, - un échangeur (4) situé dans la partie du conteneur contenant la phase vapeur(2b) dudit fluide, source chaude(5), notamment une résistance chauffante (5a) ou un brûleur immergée dans la phase liquide (2a) dudit fluide. 7. Dispositif selon la revendication6 tel que la quantité de chaleur apportée par la source chaude est suffisante pour maintenir le fluideà une température telle que la pressionà l'intérieur du conteneur sensiblement égaleà la pression atmosphérique. S. Dispositif selon l'une quelconque des revendications7 tel qu'il comprend en outre un isolant thermique(6) enveloppant le conteneur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendicationsà 8 tel que l'échangeur (4) comprend un circuit (4b) parcouru par un second fluide (4c), notamment de l'eau. 10. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications7 à 9 à la réalisation de ballon d'accumulation d'eau chaude, notamment pour chauffe- eau.