WO2015121743A1 - Dispositif de stockage et de restitution d'énergie thermique - Google Patents

Dispositif de stockage et de restitution d'énergie thermique Download PDF

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WO2015121743A1
WO2015121743A1 PCT/IB2015/000169 IB2015000169W WO2015121743A1 WO 2015121743 A1 WO2015121743 A1 WO 2015121743A1 IB 2015000169 W IB2015000169 W IB 2015000169W WO 2015121743 A1 WO2015121743 A1 WO 2015121743A1
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Bernard Amrhein
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a storage device for storing thermal energy from, for example, solar thermal panels and to restore this energy later for heating domestic water, radiators, a heated floor, a heated ceiling, etc.
  • the invention also relates to a method for storing and restoring thermal energy using the aforementioned device as well as to heat exchangers.
  • US Patent No. 4,467,958 relates to a solar heating system using an aqueous solution of sodium hydroxide.
  • the heating of this solution evaporates the water and concentrates the solution, thus storing energy, because the concentration process is endothermic.
  • the sodium hydroxide solution is diluted. The dilution process being exothermic, there is release of thermal energy.
  • This system has the major disadvantage of being complex and using a large number of elements: a boiler, a condenser, three tanks, an absorber, an evaporator and pumps to circulate the fluids, an associated electronics to order the set, etc.
  • European patent application published under No. 307297 discloses a method for conducting a thermochemical reaction and an installation for carrying out this method.
  • This installation comprises a first reactor in which a reaction takes place between a solid and a gas in the presence of a coolant circulating in an exchanger.
  • This first reactor is connected by a tubing to a second reactor or vessel in which a reaction takes place between the gas and its liquid phase.
  • This tank comprises only one orifice for the passage of gas. No dissolution, dilution or concentration process takes place during the implementation of the process.
  • German patent application published under No. 43 33 829 proposes a method and a thermal energy storage facility involving an exothermic adsorption / endothermic desorption phase on microporous solids such as zeolites. No dissolution, dilution or concentration process takes place during the implementation of the process.
  • Japanese Patent Application Publication No. 2003004331 relates to a complex heat pump system.
  • the system is connected to boreholes or uses groundwater. All embodiments of this application describe complex systems employing at least two heat exchangers as well as a main tank and a secondary tank. No dissolution, dilution or concentration process takes place during the implementation of the process.
  • British Patent Application Publication No. 2,058,334 relates to a terrestrial heat extraction process and an apparatus for carrying out this method.
  • cold water is injected into the ground where it heats up and is recovered hot on the surface.
  • the first embodiment describes how water is injected cold around a central tube, then enters the central tube and rises to the surface. No change in water phase is mentioned in this document. Summary of the invention
  • the major object of the invention is to provide a device for storing and returning thermal energy that is notably simpler, more efficient, less expensive, easier to produce, install and operate than the aforementioned heating system. .
  • this object is achieved by means of a device comprising:
  • a first fluid which is a heat transfer fluid
  • a heat exchanger comprising an inlet and an outlet for the first fluid as well as an inlet and an outlet for the second fluid and allowing a heat exchange between these fluids;
  • this device having the particular feature that the inlet and the outlet of the second fluid of the heat exchanger are combined into a single orifice.
  • the invention also relates to a method for storing and restoring thermal energy, a high temperature heat exchanger comprising at least one tube equipped with a stirrer and a low temperature heat exchanger comprising two concentric tubes, namely, an outer tube and a central tube, the latter being pierced with holes distributed along its longitudinal axis.
  • FIG. 1 a device according to the invention
  • FIG. 2 a section of a tube of a first exchanger according to the invention
  • FIG. 4 an illustration of the operation of the device according to the invention, in the energy storage phase
  • FIG. 5 an illustration of the operation of the device according to the invention, in the energy destocking phase
  • FIG. 6 an example of use of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a device for storing and restoring thermal energy according to the invention.
  • This device comprises a heat exchanger 1 having an inlet 3 and an outlet 2.
  • the output 2 is connected to a four-way valve 8 which can put it into fluid communication:
  • a thermal energy source 27 which may be a solar thermal panel, a cooling circuit of an engine, or any other source of thermal energy, via a connection 31 and an inlet 4 of the energy source thermal; or with an inlet duct 6 of a thermal energy receiver 28 which may be a sanitary water heating installation, radiators, a floor heating, etc., via a four-way valve 8; in this case, the four-way valve 8 also makes fluid communication with the output pipe 7 of the energy receiver with the connection 31.
  • the inlet 3 of the heat exchanger 1 is in fluid communication both with an outlet 5 of the thermal energy source and with a three-way valve 9 situated between the inlet 4 of the thermal energy source and the connection 31.
  • This three-way valve 9 is configured to allow either communication between the connection 31 and the inlet 3, or a communication between the connection 31 and the inlet 4 of the thermal energy source 27.
  • the first fluid is a heat transfer fluid, that is to say a substance or a mixture of substances in the fluid, liquid or gaseous state, generally between -50 and + 150 ° C. that is, within a temperature range encompassing those that may be known by the thermal energy source and the heat exchanger.
  • the second fluid may be composed of a single substance or a mixture of substances, it may be for example water, ethanol, acetone or acetic acid. It usually has the following properties:
  • This chemical is preferentially very soluble in the second fluid, its dilution in this fluid must be exothermic and therefore its endothermic concentration. Its dissolution, that is to say, its passage from the solid state (not dissolved) to the dissolved state in the second fluid can also be exothermic.
  • the second fluid is called “refrigerant” and the chemical "absorbent".
  • the amounts of coolant, refrigerant and absorbent are generally constant because there is no loss of material.
  • the first fluid may be brine.
  • the refrigerant used is preferably water and the absorbent is preferably calcium chloride, both compounds being inexpensive.
  • the absorbent is preferably calcium chloride, both compounds being inexpensive.
  • calcium chloride is particularly advantageous, in particular for the following reasons:
  • a container in particular a tube 10, which contains the solution of the absorbent in the refrigerant and whose inlet and outlet are merged, that is to say that this tube 10 has only one orifice 11 connected by a refrigerant vapor connection duct 12 to the inlet 13 of a refrigerant storage tank 14.
  • a tube 10 offers the advantage that a tube is resistant to depression without deformation, whereas in conventional exchangers, planar plates are used which have the disadvantage of being deformed under the action of one side, vacuum (solution or absorbent side) and the other, atmospheric pressure (coolant side).
  • the tube 10 is intended to bathe in the coolant.
  • the tube 10 is equipped with a stirrer 15.
  • a stirrer has the function of stirring the absorbent. This provides a significant advantage when the absorbent precipitates, as the stirring then prevents it from forming a compact and hard block. The concentration of the solution can thus be allowed to reach very high values.
  • the stirring improves the heat exchange of the tube 10 and its contents with the coolant present all around it in the heat exchanger 1.
  • the stirrer 15 may be rotated by a motor located inside the tube 10 or by a motor 25 located outside the tube 10, the rotary drive of the stirrer then being provided by a magnetic coupling.
  • the stirrer 15 has a shape enabling it to achieve maximum stirring of the solution and, where appropriate, of the precipitated absorbent inside the tube 10, for example a substantially sinusoidal shape, such as that visible in FIG. 2 which comprises a blade having a width equal to the diameter of the tube 10 and of a length substantially equal to that of the tube 10.
  • This tube fulfills several functions:
  • One of the novel features of the invention is that the absorbent is found only in the heat exchanger 1, precisely in the tube 10.
  • the second fluid consists only of refrigerant and the second fluid tank (14) is a tank or a tank of refrigerant.
  • the refrigerant can be corrosive, the fact that it is confined the heat exchanger 1 reduces corrosion and the consequences in case of leakage in the piping are minimal.
  • filter means (not shown) between the orifice 11 and the inlet 13 of the vessel 14 (see Fig. 1) to prevent the absorbent from being accidentally driven out of the tank. heat exchanger 1.
  • These means may include baffles or a vortex system.
  • the heat exchanger 1 comprises a plurality of tubes 10 each of which is equipped with a stirrer 15 and which are preferably arranged horizontally.
  • FIG. 3 shows an example of arrangement of the tubes 10 inside the exchanger 1.
  • the tubes 10 extend parallel to each other while bathing in the heat transfer fluid.
  • the orifice 11 of the first heat exchanger 1 also communicates by means of a connecting pipe 21 with a second heat exchanger 18 which has the particularity of alternately acting as an evaporator and condenser.
  • the bottom of the refrigerant tank 14 has an outlet 16 connected to a drain conduit 17 which communicates with the inlet 19 of the second heat exchanger
  • the tank 14 has the sole function of storing the refrigerant.
  • the temperature of the latter in the tank is less than or equal to the temperature of the evaporator-condenser. Indeed, if it were higher, the refrigerant of the tank would evaporate which would cause the decrease of its temperature.
  • the second heat exchanger is used directly as a heat exchanger by vaporizing the refrigerant therein.
  • the second heat exchanger performs a heat exchange with the earth. This has the advantage of making it possible to dispense with heat transfer fluid in the second heat exchanger because the heat exchange is then carried out directly between the refrigerant and the earth through a wall of the heat exchanger.
  • the second heat exchanger 18 comprises two concentric tubes visible in Figures 1, 4 and 5, namely, an outer tube 22 and a central tube 23, the latter being pierced with holes 24 advantageously distributed along of its longitudinal axis, preferably in a regular manner. These holes 24 are preferably very fine so as to cause misting or vaporization of the refrigerant during the passage of the central tube 23 to the outer tube 22.
  • the inlet 19 of the second heat exchanger 18 preferably communicates with a longitudinal end of the central tube 23 and the outlet 20 of the second heat exchanger preferably communicates with a longitudinal end of the outer tube 22, these two ends being preferably located on a same side of the second heat exchanger 18.
  • the refrigerant enters the second heat exchanger 18 through the inlet 19 and the central tube 23, out through the holes 24 in the form of mist or fine droplets that are received in the outer tube 24 and driven through the outlet 20 and the connecting duct 21 to the tube (s) 10.
  • the central tube 23 serves both to raise the excess water to the coolant storage tank 14 and mist.
  • the misting of the refrigerant droplets increases the exchange surface between the liquid refrigerant and the refrigerant vapor in an extremely efficient manner.
  • the second heat exchanger 18 may have a length of 50 to 100 m.
  • a submersible watertight pump 32 is provided to assist in raising the refrigerant to the refrigerant storage tank 14.
  • the second heat exchanger 18 may be vertical and be in the form of a well. It is also possible to provide a plurality of heat exchangers 18 all operating in the same manner and preferably in parallel. The number of second heat exchangers 18 depends on the maximum power desired for the operation of the device.
  • the second heat exchanger can be horizontal, then spacers are preferably provided between the central tube 23 and the outer tube 22, to maintain the concentricity of these tubes.
  • the second heat exchanger 18 can be underground, that is to say buried underground so as to take energy from the earth, energy which is used for evaporation of the refrigerant.
  • the total destocking power is obtained for 1/3, the dissolution and / or dilution of the absorbent in the refrigerant and, for 2/3, the phase change of the refrigerant.
  • the power of the evaporator is only 2/3 of the maximum total power.
  • each tube 10 is equipped with an individual valve 26 allowing or preventing the arrival and departure of the refrigerant.
  • the filter means are then disposed between the orifice 11 and the valve 26. Operation - Method according to the invention
  • the operating principle of the device is totally different from that of the devices of the prior art because, in the invention, the boiler and the absorber are combined into a single refrigerant / absorbent tank (the first heat exchanger 1).
  • the device is equipped with pumps and valves and an electronics capable of controlling these elements, such as the valves 30 enabling the liquid refrigerant to be raised or lowered in the refrigerant tank 14 or in the tube 23.
  • the valve 8 is preferably a proportional valve which regulates the temperature of the coolant for heating.
  • the device As for the operation of the device, it generally comprises 3 modes, which can be detailed as follows in the case where the thermal energy source consists of solar panels: 1. Solar panels do not provide any energy (at night, for example). The valve 9 sends the coolant directly into the heat exchanger 1. The dissolution / dilution of the absorbent in the tubes 10 provides all the necessary energy.
  • the solar panels provide energy and the valve 9 sends the heat transfer fluid into the solar panels:
  • the tubes 10 provide the additional energy, or
  • the refrigerant is in the form of steam at the inlet / outlet 11 of the heat exchanger 1, in the connecting duct 12 and in the connecting duct 21, while it is under liquid form in the drain conduit 17 and the tube 23.
  • refrigerant there is also some amount of refrigerant between the inner tube 23 and the outer tube 22 of the second heat exchanger 18.
  • pump 32 involved in the regulation of the refrigerant level between these two tubes.
  • the temperature of the solution is higher than the equilibrium temperature.
  • the pressure tends to increase.
  • the temperature of the second heat exchanger 18 is kept constant, the pressure, increasing, triggers the condensation of the refrigerant in the second heat exchanger 18 which acts as a condenser.
  • FIG. 4 This storage of thermal energy is illustrated in FIG. 4 where:
  • the arrows D symbolize the circulation of the cold refrigerant, that is to say in liquid form.
  • the coolant heated by the thermal energy source circulates in the first heat exchanger 1 and heats the inside of the tubes 10, all the better that the Brewers 15 are operated. Under the effect of heat, the refrigerant evaporates.
  • the absorbent eg salt
  • the refrigerant eg water vapor
  • the pressure tends to decrease.
  • the temperature of the evaporator is kept constant.
  • the pressure, decreasing, triggers evaporation in the second heat exchanger 18 which then acts as an evaporator.
  • FIG. 7 The destocking of the thermal energy is illustrated in FIG. 7 where:
  • the arrows G symbolize the circulation of the hot refrigerant, that is to say in the form of steam;
  • the arrows H symbolize the circulation of cold refrigerant, that is to say in liquid form.
  • the refrigerant is brought, by gravity in the case of one or more vertical geothermal wells, or by a circulation pump in the case of geothermal sensors horizontal through the drain pipe 17 in the tube 23, where it vaporizes or atomizes passing through the holes or mist 24, the steam is then driven through the connecting conduit 21 and the valves 26 open, in the tubes 10 where it comes dilute the solution (or brine) or dissolve the absorbent therein, which produces a release of heat that heats the coolant present in the first heat exchanger 1.
  • the heat transfer fluid can then heat the thermal energy receiver 28.
  • the rotation of the stirrers 15 greatly improves this process.
  • a first device provides a heat transfer fluid at 40 ° C and provides heating of a house
  • a second device according to the invention.
  • the invention ensures the heating of domestic hot water to 60 °.
  • the cold source of this second device is provided by the first device.
  • the overall efficiency is then improved at the cost of a small complexity of the installation.
  • the stirring speed is controlled by the requested heating power. This is a function of the refrigerant absorption temperature (water in the example above) and it is maximum when the concentration of the absorbent (salt) is maximum, which generates the dilution temperature. higher.
  • the energy required by the brewing is to avoid the efficiency of storage. It is therefore advisable to limit the use of brewing to a minimum.
  • one or more valves 26 it is possible to cut off the arrival of the refrigerant in the vapor state (steam) in one or more tubes 10. The energy stored is then stored and remains available at the maximum storage temperature.
  • the height of the level of the refrigerant between the central tube 23 and the outer tube 22 is preferably regulated.
  • the regulation can be refined by measuring and taking into account, on the one hand, the temperature of the outer tube 22 or the pressure of the vapor between the outer tube 22 and the central tube 23 and, on the other hand, the pressure of the liquid in the central tube 23.
  • the sealing condition of the system is checked, thus, if air has been introduced, the pressure is higher (addition of the partial pressures gases) at the pressure correlated with the temperature.
  • the parasitic air slows the absorption-cooling reaction and drastically reduces the destocking power.
  • the regulation can also be refined by checking the quality of the vacuum between the outer tube 22 and the tube central 23, control performed by measuring the temperature of the outer tube 22 and the pressure between the outer tube 22 and the central tube 23.
  • the absorbent is present only in the tubes 10, in which it is in a form ranging from a powdery solid state without water (apart from the water of hydration) and optionally crystallized, to a completely dissolved state and very diluted in water. Between these two states corresponding to extremely different absorbent concentrations, the absorbent can be partially dissolved or completely dissolved and more or less concentrated.
  • the completely solid state corresponds to the maximum energy storage, the device according to the invention then being comparable to a "thermal battery" fully charged.
  • the device according to the invention is comparable to a completely discharged battery.
  • the device according to the invention can very well work without the concentration of the absorbent being pushed to the transition to the solid state, the heat being then released / absorbed by simple dilution / concentration of the solution of absorbent in the refrigerant.
  • FIG. 6 is shown a specific embodiment of the device according to the invention in a house.
  • the device according to the invention is connected to solar thermal panels 27 as a source of thermal energy and to a heating floor 28 as a thermal energy receiver.
  • the second heat exchanger 29 plays the role of "cold source", which is used:
  • This so-called “cold” source may be a vertical well geothermal sensor, a geothermal sensor consisting of a shallow horizontal network or a water table.
  • any heat exchanger with a constant or semi-constant temperature for example air coming from outside the house.
  • the cold source does not provide or receive energy in the long run.
  • the energy it provides or receives is always less than the energy supplied by the thermal energy source (here, the solar thermal panels 27) or the energy received by the thermal energy receiver (here, the underfloor heating 28).
  • - water for the underfloor heating from 25 to 45 ° C.
  • the installation is configured to heat this water to 60 ° C.
  • the water temperature can vary from 5 to 30 ° C.
  • the temperature of the second heat exchanger 29 is decisive for the operation of the installation because it sets the working concentrations. Geothermal studies show that for low temperature geothermal energy, this temperature is around 10 ° C to 14 ° C depending on the depth and location.
  • the heating demand of an installation similar to that shown in FIG. 6 requires a temperature of 30 °.
  • the temperature of the cold source is 10 ° C.
  • the concentration of the absorbent can decrease to 45%, below this percentage, the outlet temperature drops and we can say that the tube is discharged. It then suffices to close the valve 26 to isolate it from operation, leaving it to use it again for lower operating temperatures.
  • the device according to the invention has been studied in a village house located in Saint -Gervais (France) at an altitude of 800 meters.
  • the house has a total area of 120 m 2 spread equally over two floors.
  • the roof is oriented west-southwest and has an inclination of approximately 10% to the ground.
  • the sizing calculations of the device according to the invention are based on the heating system already in place, consisting of an oil boiler ensuring both the heating of the rooms of the house and that of domestic hot water.
  • the maximum power that the device according to the invention must provide depends on the lowest temperature (-22.7 ° C.) and the power required to obtain hot water (in 4 hours), ie 6.2 k ( heating house) + 2.2 kW (water heating) is about 9 kW.
  • the total power required of the device according to the invention is therefore estimated at 15 kW.
  • the roof of the house being practically flat, it is desirable to use a frame fixing and tilting the panels with a south orientation of 60 degrees, so as to have a maximum of yield in winter.
  • the amount of refrigerant used by the device according to the invention must make it possible to compensate for the deficits of sunshine. These occur during certain months (December, December, January) and when the heating works at night.
  • the maximum thermal energy deficit measured over one year is 2,681 kWh, or about 3 MWh.
  • the absorbent used being a salt, calcium chloride and water coolant, based on the enthalpy of dissolution and the enthalpy of dilution of this salt, we deduce that 3 tons of salt and 3.7 m 3 of water are needed.
  • the volume of the tubes 10 to the number of 7 of the first heat exchanger was sized to 4 m 3 .
  • a sinusoidal stirrer 15 shown in FIG. 2 was used in each tube 10.
  • the water tank was also sized at 4 m 3 .
  • the total power required of the device according to the invention is 15 kW.
  • the maximum power that geothermal wells must provide is 10 kW.
  • each geothermal well provides 50 W per linear meter, 200 linear meters of well are required, ie each of the two wells must have a depth of 100 m.
  • the surface of the solar panels could be decreased by increasing storage volumes (salt and water).

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de stockage d'énergie thermique provenant par exemple de panneaux solaires thermiques et de restituer cette énergie ultérieurement en vue de chauffer de l'eau sanitaire, des radiateurs, un plancher chauffant, etc. Ce dispositif comprend : - un premier fluide qui est un fluide caloporteur; - un second fluide; - un produit chimique soluble dans le second fluide et dont la dilution dans ce dernier est exothermique; - un échangeur thermique (1) comportant une entrée et une sortie pour le second fluide; et - une cuve de second fluide (14); et il se distingue en ce que l'entrée et la sortie de second fluide de 1 ' échangeur thermique (1) sont confondues en un seul orifice (11). L'invention a également trait à un procédé de stockage et de restitution d'énergie thermique utilisant le dispositif précité ainsi qu'à un échangeur thermique.

Description

DISPOSITIF DE STOCKAGE ET DE RESTITUTION D'ÉNERGIE THERMIQUE
L'invention concerne un dispositif de stockage permettant de stocker de l'énergie thermique provenant par exemple de panneaux solaires thermiques et de restituer cette énergie ultérieurement en vue de chauffer de l'eau sanitaire, des radiateurs, un plancher chauffant, un plafond chauffant, etc. L'invention a également trait à un procédé de stockage et de restitution d'énergie thermique utilisant le dispositif précité ainsi qu'à des échangeurs thermiques.
Arrière-plan de l'invention
Le brevet américain publié sous le n° 4 467 958 a pour objet un système de chauffage solaire utilisant une solution aqueuse de soude. Le chauffage de cette solution évapore l'eau et concentre la solution, stockant ainsi de l'énergie, car le processus de concentration est endothermique . Pour récupérer ensuite l'énergie thermique stockée, on dilue la solution de soude. Le processus de dilution étant exothermique, il y a libération d'énergie thermique.
Ce système a l'inconvénient majeur d'être complexe et de faire appel à un nombre élevé d'éléments : un bouilleur, un condenseur, trois réservoirs, un absorbeur, un évaporateur ainsi que des pompes pour faire circuler les fluides, une électronique associée pour commander l'ensemble, etc.
La demande de brevet européen publiée sous le n° 307297 décrit un procédé de conduite d'une réaction thermochimique et une installation permettant la mise en œuvre de ce procédé. Cette installation comprend un premier réacteur dans lequel a lieu une réaction entre un solide et un gaz en présence d'un fluide caloporteur circulant dans un échangeur. Ce premier réacteur est relié par une tubulure à un second réacteur ou cuve dans laquelle a lieu une réaction entre le gaz et sa phase liquide. Cette cuve ne comprend qu'un seul orifice pour le passage du gaz. Aucun processus de dissolution, dilution ou concentration n'a lieu lors de la mise en œuvre du procédé.
La demande de brevet allemand publiée sous le n° 43 33 829 propose un procédé et une installation de stockage d'énergie thermique faisant intervenir une phase d'adsorption exothermique/désorption endothermique sur des solides microporeux comme des zéolithes. Aucun processus de dissolution, dilution ou concentration n'a lieu lors de la mise en œuvre du procédé.
La demande de brevet japonais publiée sous le n° 2003 004331 concerne un système de pompe à chaleur complexe. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 8 de cette demande, le système est relié à des trous de forage ou utilise de l'eau souterraine. Tous les modes de réalisation de cette demande décrivent des systèmes complexes faisant appel à au moins deux échangeurs de chaleur ainsi qu'à un réservoir principal et un réservoir secondaire. Aucun processus de dissolution, dilution ou concentration n'a lieu lors de la mise en œuvre du procédé.
La demande de brevet britannique publiée sous le n° 2 058 334 se rapporte à un procédé d'extraction de chaleur terrestre et à un appareil pour mettre en œuvre ce procédé. En bref, de l'eau froide est injectée dans le sol où elle se réchauffe et est récupérée chaude à la surface. En particulier, le premier mode de réalisation décrit comment de .1 ' eau est injectée froide autour d'un tube central, puis pénètre dans le tube central et y remonte vers la surface. Aucun changement de phase de l'eau n'est mentionné dans ce document . Exposé sommaire de l'invention
Le but majeur de l'invention est de proposer un dispositif de stockage et de restitution d'énergie thermique qui soit notamment plus simple, plus performant, moins coûteux, plus facile à produire, à installer et à faire fonctionner que le système de chauffage précité.
Selon l'invention, ce but est atteint au moyen d'un dispositif comprenant :
- un premier fluide qui est un fluide caloporteur ;
- un second fluide ;
- un produit chimique soluble dans le second fluide et dont la dilution dans ce dernier est exothermique ;
- un échangeur thermique comportant une entrée et une sortie pour le premier fluide ainsi qu'une entrée et une sortie pour le second fluide et permettant un échange thermique entre ces fluides ;
- une cuve de second fluide reliée à l' échangeur thermique et comportant une entrée et une sortie pour le second fluide, ces entrée et sortie étant distinctes l'une de l'autre ;
ce dispositif ayant ceci de particulier que l'entrée et la sortie de second fluide de l' échangeur thermique sont confondues en un seul orifice.
Cette surprenante particularité traduit le fait que le second fluide ne peut circuler à travers l'orifice unique qu'à l'état gazeux et donc sans entraîner le produit chimique .
L'invention concerne également un procédé de stockage et de restitution d'énergie thermique, un échangeur thermique haute température comprenant au moins un tube équipé d'un brasseur et un échangeur thermique basse température comprenant deux tubes concentriques, à savoir, un tube extérieur et un tube central, ce dernier étant percé de trous répartis le long de son axe longitudinal.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention vont maintenant être décrits en détail dans l'exposé suivant qui est donné en référence aux figures annexées, lesquelles représentent schématiquement :
- figure 1 : un dispositif selon l'invention ;
- figure 2 : une coupe d'un tube d'un premier échangeur selon l'invention ;
- figure 3 : une coupe d'un échangeur selon
1 ' invention ;
figure 4 : une illustration du fonctionnement du dispositif selon l'invention, en phase de stockage d'énergie ;
- figure 5 : une illustration du fonctionnement du dispositif selon l'invention, en phase de déstockage d'énergie ; et
- figure 6 : un exemple d'utilisation du dispositif selon l'invention.
Exposé détaillé de l' invention
Dispositif selon l'invention
Sur la figure 1 est représenté un dispositif de stockage et de restitution d'énergie thermique selon l'invention. Ce dispositif comprend un échangeur thermique 1 comportant une entrée 3 et une sortie 2.
La sortie 2 est connectée à une vanne à quatre voies 8 qui peut la mettre en communication fluidique :
- soit avec une source d'énergie thermique 27 qui peut être un panneau solaire thermique, un circuit de refroidissement d'un moteur, ou toute autre source d'énergie thermique, via un raccord 31 et une entrée 4 de la source d'énergie thermique; - soit avec une conduite d'entrée 6 d'un récepteur d'énergie thermique 28 qui peut être une installation de chauffage d'eau sanitaire, des radiateurs, un plancher chauffant, etc., via une vanne à quatre voies 8 ; dans ce cas, la vanne à quatre voies 8 met également en communication fluidique la conduite de sortie 7 du récepteur d'énergie avec le raccord 31.
L'entrée 3 de l'échangeur thermique 1 est en communication fluidique à la fois avec une sortie 5 de la source d'énergie thermique et avec une vanne à trois voies 9 située entre l'entrée 4 de la source d'énergie thermique et le raccord 31. Cette vanne à trois voies 9 est configurée pour permettre soit une communication entre le raccord 31 et l'entrée 3, soit une communication entre le raccord 31 et l'entrée 4 de la source d'énergie thermique 27.
Selon l'invention, le premier fluide est un fluide caloporteur, c'est-à-dire une substance ou un mélange de substances se trouvant à l'état fluide, liquide ou gazeux, généralement entre -50 et +150°C, c'est-à-dire dans une plage de températures englobant celles que peuvent connaître la source d'énergie thermique et l'échangeur thermique.
Le second fluide, peut être composé d'une seule substance ou d'un mélange de substances, ce peut être par exemple de l'eau, de l'éthanol, de l'acétone ou de l'acide acétique. Il présente généralement les propriétés suivantes :
- il doit être capable de passer de l'état liquide à l'état gazeux dans les conditions de travail prévues pour le dispositif selon l'invention, c'est-à-dire que sa température d'ébullition doit généralement être comprise entre -50 et 150°C ; - à l'état liquide, il doit être capable de dissoudre le produit chimique.
Ce produit chimique est préférentiellement très soluble dans le second fluide, sa dilution dans ce fluide doit être exothermique et donc sa concentration endothermique . Sa dissolution, c'est-à-dire, son passage de l'état solide (non dissout) à l'état dissout dans le second fluide peut également être exothermique.
Dans la pratique, le second fluide est appelé « réfrigérant » et le produit chimique « absorbant ».
Les quantités de fluide caloporteur, de réfrigérant et d'absorbant sont globalement constantes car il n'y pas de perte de matière.
A titre d'exemple, le premier fluide peut être de l'eau glycolée.
Le réfrigérant utilisé est de préférence de l'eau et l'absorbant est de préférence du chlorure de calcium, ces deux composés étant peu coûteux. De plus, le chlorure de calcium est particulièrement avantageux notamment pour les raisons suivantes :
- contrairement à la soude (hydroxyde de sodium) , il est peu dangereux pour l'être humain (il est d'ailleurs utilisé dans l'industrie alimentaire humaine) ;
- il n'est pas nocif pour le sol ou pour les plantes ;
- il émet beaucoup de chaleur lors de sa dissolution ;
- il est très soluble dans l'eau, ce qui permet d'avoir une plage de travail très large en concentration .
A l'intérieur de 1 ' échangeur thermique 1 se trouve donc une solution de l'absorbant dans le réfrigérant. Ainsi, lorsque la concentration de la solution en absorbant augmente, il se produit une absorption d'énergie. Concrètement, lorsque l'entrée 2 et la sortie 3 sont respectivement en communication fluidique avec l'entrée 4 et la sortie 5 de la source d'énergie thermique, l'énergie thermique apportée est absorbée par la solution. La température de celle-ci augmente, ce qui conduit à une évaporation du réfrigérant et donc à une concentration endothermique de la solution.
Selon l'invention, à l'intérieur de 1 ' échangeur thermique 1, il y a au moins un récipient, en particulier un tube 10, qui contient la solution de l'absorbant dans le réfrigérant et dont l'entrée et la sortie sont confondues, c'est-à-dire que ce tube 10 n'a qu'un orifice 11 relié par un conduit de raccord de vapeur du réfrigérant 12 à l'entrée 13 d'une cuve de stockage du réfrigérant 14.
L'utilisation d'un tube 10 offre l'avantage qu'un tube résiste bien à la dépression sans déformation, alors que dans les échangeurs classiques, on utilise des plateaux plans qui ont l'inconvénient de se déformer sous l'action d'un côté, du vide (côté solution ou absorbant) et de l'autre, de la pression atmosphérique (côté fluide caloporteur) .
Le tube 10 est destiné à baigner dans le fluide caloporteur .
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, dans l' échangeur thermique 1 représenté sur la figure 2, le tube 10 est équipé d'un brasseur 15. Un tel brasseur a pour fonction de brasser l'absorbant. Ceci offre un avantage important lorsque l'absorbant précipite, car le brassage l'empêche alors de former un bloc compact et dur. On peut donc permettre à la concentration de la solution d'atteindre des valeurs très élevées. De plus, le brassage améliore les échanges thermiques du tube 10 et de son contenu avec le fluide caloporteur présent tout autour de lui dans l'échangeur thermique 1.
Le brasseur 15 peut être entraîné en rotation par un moteur situé à l'intérieur du tube 10 ou par un moteur 25 situé à l'extérieur du tube 10, l'entraînement en rotation du brasseur étant alors assuré par un couplage magnétique.
De préférence, le brasseur 15 a une forme lui permettant de réaliser un brassage maximal de la solution et le cas échéant de l'absorbant précipité à l'intérieur du tube 10, par exemple une forme sensiblement sinusoïdale, comme celle visible sur la figure 2 qui comporte un pale d'une largeur égale au diamètre du tube 10 et d'une longueur sensiblement également à celle du tube 10. Celui-ci remplit plusieurs fonctions :
1. Isolation sous vide de l'absorbant (étanchéité de
1 ' ensemble)
2. Stockage de masse de l'absorbant (volume)
3. Echange thermique avec le fluide caloporteur (Surface d'échange, épaisseur des parois, amélioré par le brasseur)
4. Homogénéisation de l'absorbant (par le brasseur)
5. Echange entre l'absorbant et le réfrigérant (Surface d'interface absorbant -réfrigérant , améliorée par le brassage)
Une des caractéristiques inédites de l'invention est que l'absorbant ne se trouve que dans l'échangeur thermique 1, précisément dans le tube 10.
Seul le réfrigérant sous forme vapeur est évacué de 1 ' échangeur thermique 1.
Ainsi, selon l'invention, le second fluide n'est constitué que du réfrigérant et la cuve de second fluide (14) est un réservoir ou une cuve de réfrigérant. Le réfrigérant pouvant être corrosif, le fait qu'il est confiné à l'échangeur thermique 1 réduit la corrosion et les conséquences en cas de fuite dans la tuyauterie sont minimes .
Il est préférable de prévoir des moyens formant filtre (non représentés) entre l'orifice 11 et l'entrée 13 de la cuve 14 (cf. Fig. 1), afin d'empêcher l'absorbant d'être accidentellement entraîné hors de l'échangeur thermique 1.
Ces moyens peuvent comprendre des chicanes ou un système formant un vortex.
Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention qui est aussi visible sur la figure 1, l'échangeur thermique 1 comprend une pluralité de tubes 10 dont chacun est équipé d'un brasseur 15 et qui sont disposés de préférence horizontalement.
La figure 3 représente un exemple d'agencement des tubes 10 à l'intérieur de l'échangeur 1. Les tubes 10 s'étendent parallèlement les uns aux autres tout en baignant dans le fluide caloporteur.
Quel que soit le nombre de tubes 10 utilisés, pour diminuer la concentration en absorbant de la solution contenue dans le ou les tubes, il est nécessaire de lui amener du réfrigérant .
Ainsi, selon un mode de réalisation de l'invention, l'orifice 11 du premier échangeur thermique 1 communique également au moyen d'un conduit de liaison 21 avec un second échangeur thermique 18 qui a la particularité de jouer alternativement le rôle d' évaporateur et de condenseur.
De préférence, le fond de la cuve de réfrigérant 14 comporte une sortie 16 reliée à un conduit de vidange 17 qui communique avec l'entrée 19 du second échangeur thermique
18.
La cuve 14 a pour seule fonction le stockage du réfrigérant . La température de ce dernier dans la cuve est inférieure ou égale à la température de 1 ' évaporâteur- condenseur. En effet, si elle était supérieure, le réfrigérant de la cuve s'évaporerait ce qui entraînerait la diminution de sa température.
Le second échangeur thermique sert directement d' échangeur de chaleur en vaporisant le réfrigérant en son sein .
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, le second échangeur thermique réalise un échange thermique avec la terre. Ceci offre l'avantage de permettre de se passer de fluide caloporteur dans le second échangeur thermique car l'échange thermique se réalise alors directement entre le réfrigérant et la terre à travers une paroi de 1 ' échangeur thermique .
II est nécessaire que l'échange entre le liquide et le gaz soit parfait pour maintenir la pression dans l'ensemble du dispositif, cette pression étant liée à la température du réfrigérant .
Selon un mode de réalisation avantageux, le second échangeur thermique 18 comprend deux tubes concentriques visibles sur les figures 1, 4 et 5, à savoir, un tube extérieur 22 et un tube central 23, ce dernier étant percé de trous 24 avantageusement répartis le long de son axe longitudinal, de préférence de manière régulière. Ces trous 24 sont de préférence très fins de manière à provoquer une brumisation ou vaporisation du réfrigérant lors du passage du tube central 23 au tube extérieur 22.
L'entrée 19 du second échangeur thermique 18 communique de préférence avec une extrémité longitudinale du tube central 23 et la sortie 20 du second échangeur thermique communique de préférence avec une extrémité longitudinale du tube extérieur 22, ces deux extrémités étant de préférence situées d'un même côté du second échangeur thermique 18. Ainsi, le réfrigérant entre dans le second échangeur thermique 18 par l'entrée 19 et le tube central 23, en sort à travers les trous 24 sous forme de brume ou fines gouttelettes qui sont reçues dans le tube extérieur 24 et entraînées à travers la sortie 20 et le conduit de liaison 21 vers le (s) tube (s) 10.
Le tube central 23 sert à la fois à la remontée de l'eau en excès vers la cuve de stockage du réfrigérant 14 et de brumisateur. La brumisation des gouttelettes du réfrigérant augmente de manière extrêmement efficace la surface d'échange entre le réfrigérant liquide et la vapeur du réfrigérant .
A titre d'exemple, le second échangeur thermique 18 peut avoir une longueur de 50 à 100 m.
De préférence, une pompe immergée étanche 32 est prévue pour aider à la remontée du réfrigérant vers la cuve de stockage du réfrigérant 14.
Comme cela est représenté sur la figure 1, le second échangeur thermique 18 peut être vertical et se présenter sous la forme d'un puits. On peut aussi prévoir plusieurs échangeurs thermiques 18 fonctionnant tous de la même manière et de préférence en parallèle. Le nombre de seconds échangeurs thermiques 18 dépend de la puissance maximale voulue pour le fonctionnement du dispositif.
En variante (non représentée) , le second échangeur thermique peut être horizontal, des entretoises étant alors de préférence prévues entre le tube central 23 et le tube extérieur 22, afin de maintenir la concentricité de ces tubes.
Une caractéristique particulièrement intéressante du dispositif selon l'invention est que le second échangeur thermique 18 peut être souterrain, c'est-à-dire enfoui sous terre de manière à prélever de l'énergie à la terre, énergie qui est utilisée pour 1 ' évaporation du réfrigérant. Dans le cas du chlorure de calcium, La puissance totale de déstockage est obtenue pour 1/3, de la dissolution et/ou dilution de l'absorbant dans le réfrigérant et, pour 2/3, du changement de phase du réfrigérant. Ainsi la puissance de 1 ' évaporateur n'est que de 2/3 de la puissance totale maximum.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, lorsque le premier échangeur thermique 1 comprend plusieurs tubes 10, chaque tube 10 est équipé d'une vanne individuelle 26 permettant ou empêchant l'arrivée et le départ du réfrigérant. De préférence, les moyens formant filtre sont alors disposés entre l'orifice 11 et la vanne 26. Fonctionnement - Procédé selon l'invention
Le principe de fonctionnement du dispositif est totalement différent de celui des dispositifs de l'art antérieur car, dans l'invention, le bouilleur et 1 ' absorbeur sont réunis en un seul réservoir de réfrigérant/absorbant (le premier échangeur thermique 1) .
En réduisant ainsi le nombre de réservoir indépendants, on évite des pertes de chaleur latente.
Le dispositif est équipé de pompes et de vannes et d'une électronique apte à commander ces éléments, comme les vannes 30 permettant la montée ou la descente du réfrigérant liquide dans la cuve de réfrigérant 14 ou dans le tube 23.
La vanne 8 est de préférence une vanne proportionnelle qui régule la température du fluide caloporteur pour le chauffage .
Quant au fonctionnement du dispositif, il comporte globalement 3 modes, que l'on peut détailler comme suit dans le cas où la source d'énergie thermique est constituée de panneaux solaires : 1. Les panneaux solaires ne fournissent aucune énergie (la nuit par exemple) . La vanne 9 envoie le fluide caloporteur directement dans l'échangeur thermique 1. La dissolution/dilution de l'absorbant dans les tubes 10 fournit toute l'énergie nécessaire.
2. Les panneaux solaires fournissent de l'énergie et la vanne 9 envoie le fluide caloporteur dans les panneaux solaires :
a. Si l'énergie fournie par les panneaux solaires est inférieure à la demande, les tubes 10 fournissent le complément d'énergie, ou
b. Si l'énergie fournie par les panneaux solaires est supérieure à la demande, le supplément d'énergie est stocké par concentration/précipitation de l'absorbant.
Ces modes de fonctionnement se déterminent au moyen des températures des différents éléments :
- soit Tr la température de retour du fluide caloporteur dans le raccord 31 ;
- soit Ts la température du fluide caloporteur à la sortie 5 des panneaux solaires;
- soit Te la température à la sortie 2 de l'échangeur thermique ;
Cas 1 : Tr >= Ts
Cas 2 :
a) Tr < Ts et Ts < Te
b) Tr < Ts et Ts > Te
Une autre caractéristique notable de l'invention est que le réfrigérant est sous forme de vapeur à l'entrée/sortie 11 de l'échangeur thermique 1, dans le conduit de raccord 12 et dans le conduit de liaison 21 alors qu'il est sous forme liquide dans le conduit de vidange 17 et le tube 23. En outre, il y a également une certaine quantité de réfrigérant entre le tube intérieur 23 et le tube extérieur 22 du second échangeur thermique 18. Sur la figure 1, on peut voir une pompe 32 participant à la régulation du niveau de réfrigérant entre ces deux tubes.
Le fait que le conduit de liaison 21 communique avec le conduit de raccord 12 permet un meilleur équilibrage de la pression dans le dispositif. a) Stockage d'énergie thermique
En phase de stockage, la solution dégage du réfrigérant
(ex. de l'eau) sous forme vapeur. La température de la solution est supérieure à la température d'équilibre. La pression a tendance à augmenter. La température du second échangeur thermique 18 étant maintenue constante, la pression, en augmentant, déclenche la condensation du réfrigérant dans le second échangeur thermique 18 qui joue le rôle de condenseur.
Ce stockage d'énergie thermique est illustré sur la figure 4 où :
- les flèches A symbolisent la circulation du fluide caloporteur chaud ;
les flèches B symbolisent la circulation du fluide caloporteur froid ;
- les flèches C symbolisent la circulation du réfrigérant chaud, c'est-à-dire sous forme de vapeur ; et
- les flèches D symbolisent la circulation du réfrigérant froid, c'est-à-dire sous forme liquide.
Ainsi, lors du stockage de l'énergie thermique, le fluide caloporteur chauffé par la source d'énergie thermique circule dans le premier échangeur thermique 1 et chauffe l'intérieur des tubes 10, ceci d'autant mieux que les brasseurs 15 sont actionnés. Sous l'effet de la chaleur, le réfrigérant s'évapore.
L' évaporation du réfrigérant conduit a une concentration de la solution qui peut aboutir à la précipitation de l'absorbant, voire à l'obtention d'un solide composé de l'absorbant (éventuellement hydraté si le réfrigérant est constitué d'eau) . C'est cette solution concentrée ou ce solide poudreux qui contient potentiellement de l'énergie thermique qui se libérera lors de la dilution/dissolution par rajout de réfrigérant. b) Déstockage d'énergie thermique
En phase de déstockage, l'absorbant (ex. du sel) absorbe le réfrigérant (ex. de la vapeur d'eau). La pression a tendance à diminuer. La température de 1 ' évaporateur est maintenue constante. La pression, en diminuant, déclenche 1 ' évaporation dans le second échangeur thermique 18 qui joue alors le rôle d' évaporateur .
Le déstockage de l'énergie thermique est illustré sur la figure 7 où :
- les flèches E symbolisent la circulation du fluide caloporteur chaud ;
- les flèches F symbolisent la circulation du fluide caloporteur froid ;
- les flèches G symbolisent la circulation du réfrigérant chaud, c'est-à-dire sous forme de vapeur ; et
- les flèches H symbolisent la circulation du réfrigérant froid, c'est-à-dire sous forme liquide. Ainsi, lors du déstockage de l'énergie thermique, le réfrigérant est amené, par gravité dans le cas d'un ou plusieurs puits géothermiques verticaux, ou par une pompe de circulation dans le cas de capteurs géothermiques horizontaux par le conduit de vidange 17 dans le tube 23, où il se vaporise ou s'atomise en passant à travers les trous ou brumisateurs 24, la vapeur est ensuite entraînée, à travers le conduit de liaison 21 et les vannes 26 ouvertes, dans les tubes 10 où elle vient diluer la solution (ou saumure) ou dissoudre l'absorbant qui s'y trouve, ce qui produit un dégagement de chaleur qui chauffe le fluide caloporteur présent dans le premier échangeur thermique 1. Le fluide caloporteur peut ensuite chauffer le récepteur d'énergie thermique 28. La rotation des brasseurs 15 améliore nettement ce processus.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, on met en cascade plusieurs dispositifs, par exemple de la manière suivante : un premier dispositif fournit un fluide caloporteur à 40°C et assure le chauffage d'une maison, un deuxième dispositif selon l'invention assure le chauffage de l'eau chaude sanitaire à 60°. La source froide de ce deuxième dispositif est fournie par le premier dispositif. Le rendement global est alors amélioré au prix d'une petite complexification de l'installation.
Quel que soit le mode de réalisation du dispositif, dans sa version comportant un premier échangeur thermique 1 muni de brasseurs 15, la vitesse de brassage est asservie à la puissance de chauffage demandée. Celle-ci est fonction de la température d'absorption du réfrigérant (l'eau dans l'exemple ci-dessus) et elle est maximale lorsque la concentration de l'absorbant (sel) est maximale, ce qui engendre la température de dilution la plus élevée.
On notera que l'énergie demandée par le brassage vient se soustraire au rendement du stockage. Il est donc recommandable de limiter l'usage du brassage au minimum.
Pour augmenter la durée pendant laquelle la puissance totale disponible est maximale, une ou plusieurs vanne (s) 26 peu(ven)t couper l'arrivée du réfrigérant à l'état vapeur (vapeur d'eau) dans un ou plusieurs tube (s) 10. L'énergie emmagasinée est alors conservée et reste disponible à la température maximale de stockage.
Lorsque la puissance demandée est faible, un ou quelques tube (s) 10 sont suffisants pour alimenter en énergie l'installation. A faible puissance, la température d'utilisation n'est pas très élevée. L'exploitation des tubes 10 en service peut alors être poussée au maximum du déstockage autrement dit, au maximum de la dilution de l'absorbant. Mais l'absorbant une fois dilué ne peut plus fournir des températures aussi élevés que lorsqu' il est concentré, d'où l'intérêt de conserver des tubes avec tout leur potentiel de puissance pour garder une puissance maximale.
Dans le cas où on utilise le second échangeur 18 vertical tel que défini précédemment, on régule de préférence la hauteur du niveau du réfrigérant entre le tube central 23 et le tube extérieur 22.
La régulation peut être affinée en mesurant et prenant en compte d'une part, la température du tube extérieur 22 ou la pression de la vapeur entre le tube extérieur 22 et le tube central 23 et, d'autre part, la pression du liquide dans le tube central 23.
En effet, en mesurant à la fois la pression et la température dans le tube 22, on vérifie l'état d'étanchéité du système, ainsi, si de l'air s'est introduit, la pression est supérieure (addition des pressions partielles des gaz) à la pression corrélée avec la température. L'air parasite freine la réaction absorbant -réfrigérant et diminue drastiquement la puissance de déstockage.
La régulation peut aussi être affinée par un contrôle de la qualité du vide entre le tube extérieur 22 et le tube central 23, contrôle effectué en mesurant de la température du tube extérieur 22 et la pression entre le tube extérieur 22 et le tube central 23.
Au cours du fonctionnement du dispositif selon l'invention, l'absorbant n'est présent que dans les tubes 10, dans lesquels il est sous une forme allant d'un état solide poudreux sans eau (à part l'eau d'hydratation) et éventuellement cristallisé, à un état complètement dissout et très dilué dans l'eau. Entre ces deux états correspondant à des concentrations d'absorbant extrêmement différentes, l'absorbant peut être partiellement dissout ou complètement dissout et plus ou moins concentré.
L'état complètement solide correspond au stockage maximal d'énergie, le dispositif selon l'invention étant alors assimilable à une « batterie thermique » complètement chargée .
Inversement, dans l'état de dilution maximale, qui est fonction des paramètres techniques du dispositif (quantités de réfrigérant et d'absorbant, etc.), le dispositif selon l'invention est comparable à une batterie complètement déchargée .
Bien entendu, le dispositif selon l'invention peut très bien fonctionner sans que la concentration de l'absorbant soit poussée jusqu'au passage à l'état solide, la chaleur étant alors libérée/absorbée par simple dilution/concentration de la solution d'absorbant dans le réfrigérant .
Exemples
Exemple 1
Sur la figure 6 est représenté un mode de mise en œuvre concrète du dispositif selon l'invention dans une maison. Le dispositif selon l'invention est connecté à des panneaux solaires thermiques 27 comme source d'énergie thermique et à un plancher chauffant 28 comme récepteur d'énergie thermique.
Dans cet exemple, le second échangeur thermique 29 joue le rôle de « source froide », qui est utilisée :
- lors du stockage de l'énergie thermique, pour évacuer l'énergie libérée par la condensation de 1 ' eau ;
- lors du déstockage de l'énergie thermique, pour fournir l'énergie nécessaire à 1 ' évaporation de l'eau, la vapeur d'eau étant ensuite envoyée dans le premier échangeur thermique 1.
Cette source dite « froide » peut être un capteur géothermique à puits vertical, un capteur géothermique constitué d'un réseau horizontal à faible profondeur ou d'une nappe phréatique.
On peut aussi utiliser comme source froide tout échangeur à température constante ou semi-constante, par exemple de l'air provenant de l'extérieur de la maison.
La source froide ne fournit ni ne reçoit d'énergie à long terme. L'énergie qu'elle fournit ou reçoit est toujours inférieure à l'énergie fournie par la source d'énergie thermique (ici, les panneaux solaires thermiques 27) ou à l'énergie reçue par le récepteur d'énergie thermique (ici, le plancher chauffant 28) .
Quant aux températures entrant en jeu, elles sont généralement les suivantes :
- eau provenant des panneaux solaires : de 30 et 95 degrés Celsius ;
- eau pour le plancher chauffant : de 25 à 45 °C. En variante, si on utilise l'eau du dispositif pour chauffer l'eau chaude sanitaire de la maison, l'installation est configurée pour chauffer cette eau à 60°C.
Pour le chauffage d'une piscine, la température de l'eau peut varier de 5 à 30°C.
La température du second échangeur thermique 29 est déterminante pour le fonctionnement de l'installation car elle fixe les concentrations de travail. Les études géothermiques montrent que pour la géothermie basse température, cette température se situe aux alentours de 10°C à 14°C selon la profondeur et la localisation.
Exemple 2
La demande de chauffage d'une installation semblable à celle représentée sur la figure 6 nécessite une température de 30°.
La température de la source froide est de 10 °C.
Pour garder une température minimale de 30°C, la concentration de l'absorbant (chlorure de calcium) peut diminuer jusqu'à 45%, en dessous de ce pourcentage, la température de sortie baisse et on peut dire que le tube est déchargé. Il suffit alors de fermer la vanne 26 pour l'isoler du fonctionnement, quitte à de nouveau l'utiliser pour des températures d'utilisation plus basses.
Si la demande passe par exemple à 40°C, il est souhaitable de disposer de tubes 10 ayant encore tout leur potentiel d'énergie. Pour obtenir cette température, la concentration minimale nécessaire de l'absorbant dans le réfrigérant (eau) est alors de 55%. Exemple 3 - cas concret
Le dispositif selon l'invention a été étudié dans une maison de village située à Saint -Gervais (France) à une altitude de 800 mètres.
La maison a une surface totale de 120 m2 répartie de manière égale sur deux étages. Le toit est orienté à l'ouest-sud-ouest et a une inclinaison de 10% environ par rapport au sol .
Les calculs de dimensionnement du dispositif selon l'invention sont basés sur le système de chauffage déjà en place, constitué d'une chaudière à mazout assurant à la fois le chauffage des pièces de la maison et celui de l'eau chaude sanitaire.
Consommation d'énergie
La consommation était en moyenne de 1700 litres annuels de mazout, soit 19 740 k h consommés avec un rendement thermique de 90%. Les besoins en énergie de cette maison sont donc de 17 766 kWh par an soit environ 18 kWh.
La consommation d'eau chaude sanitaire étant de l'ordre de 150 1 d'eau à 60°C/jour, sachant que l'eau froide était à 10°C, on peut donc estimer que l'énergie thermique annuelle à fournir se décompose comme suit :
- pour le chauffage : 14 600 kWh
- pour l'eau chaude sanitaire : 3 400 kWh.
Les déperditions totales calculées de la maison sont d'environ 145 W/°C, ce qui donne 3,48 k h/°C/jour, en utilisant la définition du °C/jour des météorologistes. Données climatiques
D'après la station météo de Chamonix :
- la température de l'air la plus basse est de -22,7°C ;
- la température de l'air la plus élevée de 35,1°C ; et - le nombre annuel d'heures d'ensoleillement est de 18 000 heures/an.
La puissance maximale que doit fournir le dispositif selon l'invention dépend de la température la plus basse (- 22,7°C) et de la puissance nécessaire pour obtenir l'eau chaude (en 4 heures), soit 6,2 k (chauffage maison) + 2,2 kW (chauffage eau) soit environ 9 kW.
Cependant, après un arrêt du chauffage (par exemple en cas d'absence de l'occupant), la température de la maison peut avoir considérablement chuté (en hiver) , plus de puissance sera donc nécessaire pour la réchauffer. Par conséquent, il importe de conserver une marge de puissance.
La puissance totale nécessaire du dispositif selon l'invention est donc estimée à 15 kW.
Equipement solaire
Il a été décidé d'utiliser des panneaux solaires sous vide, car ceux-ci permettent atteindre des températures de fluide caloporteur élevées. De plus, ce type de panneaux a une sensibilité supérieure au faible rayonnement par temps moyen ou laiteux. Leur rendement est de 0,7 (70%) .
Le toit de la maison étant pratiquement plat, il est souhaitable d'utiliser un châssis fixant et inclinant les panneaux avec une orientation plein sud de 60 degrés, de manière à avoir un maximum de rendement en hiver.
Etant donné que ces panneaux sont fixes, on leur associe un coefficient de 0,6 (60%) tenant compte notamment des considérations sidérales (du soleil) et impliquant que l'hiver, la perte de rendement est de 17%, au printemps et en automne elle est de 28% et en été de 50%.
La surface minimale des panneaux solaires est égale à l'énergie totale nécessaire/nombre d'heures d' ensoleillement/rendement des panneaux/coefficient sidéral, soit : 18000/1800/0,7/0,6 = environ 24 m2.
Toutefois, il est usuel de prévoir une marge de sécurité de 50%, celle-ci permettant en outre de diminuer le volume de stockage de solution (d'absorbant dans le réfrigérant) .
Ainsi, dans la pratique, on évalue la surface nécessaire de panneaux solaires à 36 m2. Stockage d'énergie
La quantité de réfrigérant utilisée par le dispositif selon l'invention doit permettre de compenser les déficits d'ensoleillement. Ceux-ci se produisent de jour pendant certains mois (novembre, décembre, janvier) et lorsque le chauffage fonctionne la nuit.
Le déficit maximal d'énergie thermique mesuré sur un an est de 2 681 kWh, soit environ 3 MWh.
L'absorbant utilisé étant un sel, le chlorure de calcium et le réfrigérant l'eau, en se basant sur l'enthalpie de dissolution et l'enthalpie de dilution de ce sel, on en déduit que 3 tonnes de sel et 3,7 m3 d'eau sont nécessaires .
Compte tenu des volumes perdus (brasseurs, échangeur) , le volume des tubes 10 au nombre de 7 du premier échangeur thermique a été dimensionné à 4 m3. Un brasseur 15 du type sinusoïdal représenté sur la figure 2 était utilisé dans chaque tube 10.
La cuve d'eau était également dimensionnée à 4 m3. Second échangeur thermique 18
Des puits géothermiques tels que ceux représentés sur la figure 1 ont été installés. Comme indiqué plus haut, la puissance totale nécessaire du dispositif selon l'invention est de 15 kW.
Or, on considère généralement que 2/3 de cette puissance est fournie par les puits géothermiques jouant le rôle de source froide car le 1/3 restant est fourni par la dissolution/dilution du réfrigérant dans l'absorbant.
Par conséquent, la puissance maximale que les puits géothermiques doivent fournir est de 10 kW.
Etant donné que chaque puits géothermique fournit 50 W par mètre linéaire, il faut donc 200 mètres linéaires de puits, c'est-à-dire que chacun des deux puits doit avoir une profondeur de 100 m.
Il convient de noter que la maison étant située à 800 mètres d'altitude, son besoin en chauffage est important. Si elle était située en plaine, son besoin en chauffage serait inférieur de 25% environ.
En variante, on pourrait diminuer la surface des panneaux solaires en augmentant les volumes de stockage (de sel et d' eau) .

Claims

Revendications
1.- Dispositif de stockage et de restitution d'énergie thermique, comprenant :
- un premier fluide qui est un fluide caloporteur ;
- un second fluide ;
- un produit chimique soluble dans le second fluide et dont la dilution dans ce dernier est exothermique ;
- un échangeur thermique (1) comportant une entrée (3) et une sortie (2) pour le premier fluide ainsi qu'une entrée et une sortie pour le second fluide et permettant un échange thermique entre ces fluides ;
une cuve de second fluide (14) reliée à 1 ' échangeur thermique (1) et comportant une entrée (13) et une sortie (16) distinctes pour le second fluide ;
caractérisé en ce que l'entrée et la sortie de second fluide de l' échangeur thermique (1) sont confondues en un seul orifice (11) .
2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le produit chimique est présent uniquement dans l' échangeur thermique (1) .
3. - Dispositif selon la revendication 2, dans lequel 1 ' échangeur thermique (1) inclut au moins un tube (10) contenant ledit produit chimique.
4. - Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le tube (10) est équipé d'un brasseur (15).
5. - Dispositif selon la revendication 2, dans lequel 1' échangeur thermique (1) comprend une pluralité de tubes (10) contenant ledit produit chimique et dont chacun est équipé d'un brasseur (15) .
6. - Dispositif selon la revendication 5, dans lequel chaque tube (10) est équipé d'une vanne individuelle (26).
7. - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel le ou chaque brasseur (15) est entraîné en rotation par un moteur situé à l'intérieur du tube (10) ou par un moteur (25) situé à l'extérieur du tube (10), l'entraînement en rotation du brasseur étant alors assuré par un couplage magnétique .
8. - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, dans lequel le ou chaque brasseur (15) a sensiblement la forme d'une sinusoïde.
9. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel des moyens sont prévus entre le premier échangeur thermique (1) et la cuve de second fluide (14) pour empêcher le produit chimique d'être entraîné par le second fluide vers cette cuve .
10. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant en outre un second échangeur thermique (18) relié à l'orifice (11) de l' échangeur thermique (1) .
11. - Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le second échangeur thermique (18) comprend deux tubes concentriques (22,23), à savoir, un tube extérieur (22) et un tube central (23) , ce dernier étant percé de trous (24) répartis le long de son axe longitudinal .
12. - Dispositif selon la revendication 11, dans lequel le tube central (23) est relié à la cuve de second fluide (14) et le tube extérieur (22) est reliée à l'orifice (11) de l'échangeur thermique (1).
13. - Dispositif selon la revendication 11 ou 12, dans lequel la taille des trous (24) est prévue pour que le second fluide puisse sortir du tube central (23) uniquement sous forme de brume ou de gouttelettes.
14. - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, dans lequel le second échangeur thermique (18) est vertical.
15. - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, dans lequel le second échangeur thermique (18) est horizontal et des entretoises sont prévues entre le tube central (23) et le tube extérieur (22) , afin de maintenir leur concentricité .
16.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, dans lequel le second fluide est de l'eau et le produit chimique est du chlorure de calcium.
17. - Procédé de stockage et de restitution d'énergie thermique dans lequel on utilise un dispositif selon l'une des revendications 1 à 16.
18. - Procédé selon la revendication 17, dans lequel on utilise un dispositif selon la revendication 5 ou selon l'une des revendications 6 à 16 dépendantes de la revendication 5 et dans lequel, lors de la restitution de l'énergie thermique, on met en œuvre un nombre de tubes (10) de l'échangeur thermique (1) qui est fonction de la puissance demandée.
19. - Procédé selon la revendication 17 ou 18, dans lequel on utilise un dispositif selon l'une des revendications 11 à 15 ou selon la revendication 16 rattachée directement ou indirectement à la revendication 11 et dans lequel on régule la hauteur du niveau du réfrigérant entre le tube central (23) et le tube extérieur (22) du second échangeur thermique (18) .
20. - Procédé selon la revendication 19, dans lequel la régulation est affinée en mesurant et prenant en compte d'une part, la température du tube extérieur (22) ou la pression entre le tube extérieur (22) et le tube central (23) et, d'autre part, la pression dans le tube central (23) .
21. - Procédé selon la revendication 19 ou la revendication 20, dans lequel la régulation est affinée par un contrôle de la qualité du vide entre le tube extérieur (22) et le tube central (23) effectué en mesurant de la température du tube extérieur (22) et la pression entre le tube extérieur (22) et le tube central (23) .
22. - Dispositif de stockage et de restitution d'énergie thermique, comprenant :
- un premier fluide qui est un fluide caloporteur ;
- un second fluide ;
- un produit chimique soluble dans le second fluide et dont la dilution dans ce dernier est exothermique ;
- un échangeur thermique (1) comportant une entrée (3) et une sortie (2) pour le premier fluide ainsi qu'une entrée et une sortie pour le second fluide et permettant un échange thermique entre ces fluides ;
une cuve de second fluide (14) reliée à l'échangeur thermique (1) et comportant une entrée (13) et une sortie (16) distinctes pour le second fluide ;
- un second échangeur thermique (18) ;
caractérisé en ce que ce second échangeur thermique (18) comprend deux tubes concentriques (22,23), à savoir, un tube extérieur (22) et un tube central (23) , ce dernier étant percé de trous (24) répartis le long de son axe longitudinal .
23. - Dispositif selon la revendication 22, dans lequel l'entrée et la sortie de second fluide de l'échangeur thermique (1) sont confondues en un seul orifice (11) .
24. - Dispositif selon la revendication 23, dans lequel le tube central (23) est relié à la cuve de second fluide (14) et le tube extérieur (22) est reliée à l'orifice (11) de l'échangeur thermique (1) .
25. - Dispositif selon la revendication 24, dans lequel la taille des trous (24) est prévue pour que le second fluide puisse sortir du tube central (23) uniquement sous forme de brume ou de gouttelettes.
26. - Procédé de stockage et de restitution d'énergie thermique dans lequel on utilise un dispositif selon l'une des revendications 22 à 25.
27. - Procédé selon la revendication 26, dans lequel on utilise un dispositif selon la revendication 25, le second fluide sortant des trous (24) pour entrer dans le tube extérieur (22) sous la forme de brume ou de gouttelettes.
28.- Echangeur thermique (1) comprenant au moins un tube (10) équipé d'un brasseur (15) .
29. - Echangeur thermique (1) selon la revendication 28, comprenant en outre un moteur apte à entraîner en rotation le brasseur (15) .
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