FR2948447A1 - Perche coaxiale de stratification thermique pour reservoir de stockage de fluide liquide - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de puisage et de refoulement simultané adaptable par une unique connexion hydraulique sur des cumulus électriques verticaux d'eau chaude pour les rendre compatibles avec un système de production d'eau chaude solaire ou sur des réservoirs de stockage d'eau chaude ou d'eau fraîche dans lequel une stratification thermique doit être favorisée. Selon l'application visée, le dispositif peut être placé en partie haute ou en partie basse du dit réservoir. L'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend un corps (1) prolongé par un tube (15), fermé en son extrémité et muni sur sa périphérie d'orifices (2), traversé en son axe par un tube (6) de diamètre inférieur pour permettre un espace annulaire (3). Le tube (6) est rendu solidaire à un tube diffuseur (7) muni en son extrémité d'orifices (9).

Description

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La présente invention concerne un dispositif adaptable sur des cumulus électriques d'eau chaude verticaux classiques pour les rendre compatibles avec un système de production d'eau chaude solaire ou des réservoirs de stockage d'eau chaude ou d'eau fraîche dans lequel un stratification doit être favorisée. Ce dispositif permet de raccorder en effet une boucle solaire de manière simple et économique à un cumulus électrique existant sans qu'il soit nécessaire de recourir à un ballon d'eau chaude solaire spécifique.

Contexte de l'invention Généralement, dans les systèmes de production d'eau chaude à partir de capteurs solaires, il est nécessaire d'installer un ballon spécifique intégrant un échangeur de chaleur afin de transférer les calories au ballon stockant l'eau sanitaire. Et donc, par conséquent, le ballon est spécifiquement adapté à la production solaire d'eau chaude et comporte au minimum quatre piquages : deux pour l'eau sanitaire et deux ou plus pour la boucle solaire. Il est bien connu que l'efficacité d'un ballon de stockage est directement liée à sa capacité à favoriser la stratification thermique de l'eau. La stratification est en effet obtenue de façon naturelle du fait que l'eau chaude plus légère s'accumule en partie supérieure là où s'effectue le soutirage d'eau chaude par l'utilisateur. Ainsi, l'utilisateur peut disposer d'un volume d'eau chaude plus important si la capacité du ballon à favoriser la stratification est élevée. C'est pourquoi, les ballons solaires sont spécifiquement développés, fabriqués et équipés de divers dispositifs permettant d'une part d'être couplé à une boucle solaire et d'autre part de favoriser la stratification. De ce fait, les ballons solaires sont relativement onéreux et représente un coût important dans une installation de production d'eau chaude sanitaire solaire. Actuellement, une grande majorité des systèmes de production d'eau chaude sanitaire est assurée par des chauffe-eau électriques. Les ballons électriques sont de volumes variables et comportent seulement deux connections filetés distinctes: une amenée d'eau froide en partie basse et un puisage d'eau chaude en partie haute. L'injection d'eau froide s'effectue généralement en partie basse du ballon par une tubulure courte comportant un brise-jet tandis que le soutirage d'eau chaude s'effectue 2948447 -2-

soit directement par une connexion située en partie supérieure du ballon soit par l'intermédiaire d'une pipe de soutirage partant du haut du ballon jusqu'à la connexion en partie basse du réservoir. Ces ballons électriques sont par conséquent inadaptables à un système de 5 production solaire du fait de la présence de seulement deux piquages. Pour qu'il soit possible d'utiliser un ballon électrique sur une boucle solaire, un échangeur externe raccordé sur l'entrée d'eau froide et la sortie d'eau chaude du ballon est nécessaire. Cependant, cette solution ne permet pas de délivrer de l'eau chaude à une température de puisage suffisante et sans variation importante de la température. En effet dès qu'il y a 10 soutirage d'eau chaude, de l'eau sortant de l'échangeur est directement dirigée vers le puisage sans passer par le ballon pour y être stocké et stratifiée quelque soit sa température . Il n'est donc pas possible de raccorder un cumulus électrique classique directement sur des capteurs solaires thermiques avec ou sans échangeur intermédiaire. 15 La présente invention permet de résoudre cette difficulté par la mise en place du dispositif décrit par la présente invention sur le ballon électrique vertical. L'utilisateur a en effet la possibilité d'adapter de manière simple ce dispositif au ballon électrique afin de le rendre compatible avec une installation solaire sans qu'il soit nécessaire de le changer et de le rendre ainsi utilisable avec ou sans échangeur de chaleur externe. 20 Description de l'invention

Une description détaillée en utilisant les références numériques portées sur les figures 1, 2 et 3 permettra de mieux comprendre le fonctionnement du dispositif de 25 l'invention: La figure 1 représente le schéma de principe du dispositif en coupe selon l'invention. La figure 2 représente le schéma de principe du dispositif intégré dans une installation de production d'eau chaude solaire avec circuit primaire comportant un 30 échangeur de chaleur. La figure 3 représente le schéma de principe du dispositif intégré dans une installation de production d'eau chaude solaire sans circuit primaire et directement couplé au champ de capteurs solaires thermiques. 2948447 -3-

Le dispositif objet de la présente invention et décrit sur la figure 1 est constitué d'un corps (1) muni de deux orifices (4) et (5) prolongée par un tube (15), de longueur de préférence inférieure à H/10, H étant la hauteur utile du ballon. Le tube (15) est muni d'orifices (2) sur sa périphérie. Le corps (1) comporte des dispositifs (13) et (14) de 5 raccordement à la boucle solaire. Ces dispositifs de raccordement pourront être judicieusement constitués de filetages mâle ou femelle. Selon la figure 1, l'ensemble défini par le corps (1) et le tube (15) est solidarisé au réservoir (10) par un dispositif (11) qui est classiquement un filetage. Cet ensemble est traversé en son axe par un tube (6) de diamètre inférieur permettant de réaliser un espace 10 annulaire (3) obturé en son extrémité supérieur pour permettre la circulation d'eau uniquement au travers des orifices périphériques (2). Le tube (6) comporte à son extrémité un dispositif (12) permettant de rallonger le tube (6) par un diffuseur (7). Le dispositif (12) permet aussi de solidariser le tube (6) et le diffuseur (7) de longueur variable choisi en fonction de la hauteur du ballon, grâce au dispositif complémentaire 15 (8) sur le diffuseur (7). De préférence, les dispositifs (12) et (8) sont avantageusement formés de filetages mâle et femelle. Le diffuseur (7) obturé à sont extrémité est muni d'orifices (9) en partie haute et sur sa périphérie. Les différents éléments constituants le dispositif pourront être rendus solidaire entre eux en étant soudés, vissés, collés, rivetés, encastrés ou maintenus entre eux par 20 tout autre mode de fixation. Selon un autre mode de réalisation du dispositif de la présente invention, le corps (1), le tube (6) et le tube (15) forment un ensemble monobloc.

Lorsque la boucle solaire est en fonctionnement, le fluide froid contenue dans le 25 réservoir (10) est aspirée en partie basse par les orifices (2), circule dans l'espace annulaire (3) compris entre le tube (15) et le tube (6) puis dans l'espace compris entre le corps (1) et le tube (6) pour sortir par l'orifice (4). Le retour de l'eau chauffée par la boucle solaire s'effectue par l'orifice (5) pour être acheminée à l'intérieur du tube (6) jusqu'au diffuseur (7). 30 Lors du puisage d'eau chaude par l'utilisateur en partie haute du ballon grâce un tube distinct du diffuseur du dispositif, l'eau froide du réseau arrive par l'orifice (4) pour être injectée en partie basse du ballon par les orifices (2). La hauteur totale du présent dispositif est définie de telle manière que les orifices 2948447 -4-

(9) du diffuseur (7) soient situés entre la moitié et les trois-quarts de la hauteur du réservoir de production d'eau chaude avec comme objectif principale de favoriser la stratification thermique de l'eau dans le ballon. Le volume du ballon situé au dessus des orifices (9) permet à la stratification de se mettre en place et favoriser un puisage sans 5 variation de température. Afin de limiter les turbulences dans le réservoir (10) et ne pas perturber la stratification, le débit à l'intérieur du présent dispositif devra être adapté à une valeur inférieure à 2 litre/mn tout en permettant un bon échange thermique dans la boucle solaire. La section totale des orifices (9) doit être telle que la vitesse de l'eau en sortie d'un orifice (9) soit inférieure à 0.1m/sec. Les orifices (9) peuvent êtres biseautés 10 ou munis de brise jets afin de limiter la vitesse verticale du fluide à la sortie de l'orifice pour favoriser la stratification.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description de la figure 2. La 15 figure représente l'intégration du présent dispositif (1), objet de l'invention, dans un cumulus électrique raccordé à une boucle solaire.

Selon la figure 2, l'eau aspirée du bas du réservoir par le circulateur (13) en matériaux compatible à l'usage sanitaire (bronze, laiton) est acheminé vers un échangeur 20 de chaleur (14) pour y être chauffée. L'échange thermique ayant eu lieu, l'eau retourne au ballon et est refoulé par le diffuseur du dispositif (1). L'échangeur thermique (14) est raccordé à la boucle solaire en circuit fermé comportant un bloc de transfert hydraulique (8) muni d'un circulateur (7) et des capteurs solaires thermiques (9) munis d'une sonde de température (10). 25 La mise en route du système se fait classiquement en fonction d'un différentiel de température AT entre les capteurs solaires (9) par l'intermédiaire de la sonde de température (10) et la température de l'eau contenue en partie basse du réservoir (2) par l'intermédiaire de la sonde (11) grâce à un boîtier de régulation différentiel (12) qui va déclencher le circulateur (7) de la partie primaire et le circulateur (13) de la partie 30 secondaire. Sur la partie primaire, il est généralement placé un vase d'expansion (15) et une soupape de sécurité intégrée au groupe transfert hydraulique (8) pour absorber les variations de volume. Sur la partie secondaire, il est généralement placé un groupe de sécurité (5) sur l'arrivée d'eau froide du réseau. Le raccordement de l'arrivée d'eau froide, 2948447 -5-

s'effectue entre le dispositif (1) et le circulateur (13). Lors du soutirage (4) d'eau chaude en partie haute du ballon par l'intermédiaire du tube (3) intégré au ballon (2), de l'eau froide du réseau arrive par le dispositif (1) en partie base du ballon sans perturber la stratification. Lorsque la boucle solaire est en 5 fonctionnement, l'eau froide du réseau est d'abord réchauffée par l'échangeur thermique (14) avant d'être refoulée par le diffuseur du dispositif (1) en partie intermédiaire du ballon. Si les calories apportées par la boucle solaire sont insuffisantes, l'appoint est assuré par la résistance électrique (6) intégrée au réservoir de production d'eau chaude. 10 Le présent dispositif est opérationnel sous une autre mode de réalisation (Figure 3) similaire à celui décrit sur la figure 2. Ce mode de réalisation fonctionne sans circuit primaire et sans échangeur externe ce qui réduit considérablement le coût de l'installation. L'échangeur est directement remplacé dans ce cas, par le ou les capteurs 15 solaires thermiques (9), dont les tubes à l'intérieur desquels circule l'eau devront être fabriqués dans un matériau compatible avec l'usage sanitaire. Il en va de même pour le circulateur de l'installation (7) dont le choix doit lui aussi être compatible avec l'usage sanitaire. Les matériaux constituant les différents organes d'une installation solaire fonctionnant selon ce mode de réalisation sont généralement en cuivre, inox, bronze ou 20 laiton. Ces matériaux sont dotés de propriétés anti-bactériennes et n'occasionnent aucune répercussion sur la santé de l'utilisateur. Cette variante ne rend plus obligatoire la mise en place d'autres dispositifs de sécurité que ceux existant déjà (groupe de sécurité 5) pour palier à la pression généré par la dilatation de l'eau résultant de la montée en température. Du fait du fonctionnement 25 sans circuit primaire et en circuit ouvert, la mise en place d"un vase d'expansion et d'une soupape de sécurité intégrée au groupe de transfert hydraulique n'est plus justifiée.

De façon évidente, la présente invention ne se limite pas à la forme d'exécution détaillée ci-dessus, elle embrasse toutes les variantes d'application et de réalisation relevant du 30 même principe. Selon d'autres variantes non illustrées, le dispositif de la présente invention est adaptable sur d'autres types d'applications que la production d'eau chaude solaire. En effet, du fait que le présent dispositif permet à un fluide liquide de circuler indifféremment dans l'un ou l'autre sens, le dispositif peut être placée en partie haute ou 2948447 -6-

basse d'un réservoir de stockage d'eau chaude ou d'eau fraîche dans lequel une stratification doit être favorisée. L'homme du métier après avoir pris connaissance de la présente invention appréciera dans tel ou tel contexte les avantages de celle ci sur les techniques de l'art 5 antérieur. 10 15 20 25 30 5 10 15 20 25

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de puisage et de refoulement simultané par une seule connexion hydraulique (11) d'un fluide liquide à des hauteurs différentes dans un réservoir vertical (10) caractérisé en ce qu'il comporte un corps (1) muni de deux orifices (4) et (5), prolongé par un tube (15) fermé en sa partie supérieure et muni sur sa périphérie d'orifices (2), traversé en son axe par un tube (6) communiquant avec l'orifice (5) au bout duquel est solidarisé un diffuseur (7) muni d'orifices (9) et dont le diamètre est inférieur au tube (15) de manière à réaliser un espace annulaire (3) communiquant avec l'orifice (4) .
2. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif est constitué de plusieurs éléments assemblés.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les dits éléments sont collés, vissés, encastrés, soudés ou rivetés.
4. 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble composé par le corps (1), les tubes (6) et (15) est monobloc.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le dispositif est constitué avec des matériaux compatible avec l'usage sanitaire et résistant à la corrosion.
6. 6. Dispositif selon les revendications 1 caractérisé en ce que les orifices du tube (15) sont placés à une hauteur correspondant au 1/10 de la hauteur du réservoir vertical (10).
7. 7. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les orifices du diffuseur (7) sont placés à une hauteur comprise entre la moitié et les trois-quarts de la hauteur du réservoir (10).
8. 8. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les orifices (2) et/ou (9) sont munis de brise-jets dirigés vers l'intérieur du tube de manière à réduire la vitesse verticale du fluide en sortie d'orifice. 30