WO2022216146A1 - Dispositif de chauffage d'eau programmable économique, multifonction et multiusage et procédé de sa mise en œuvre - Google Patents

Dispositif de chauffage d'eau programmable économique, multifonction et multiusage et procédé de sa mise en œuvre Download PDF

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WO2022216146A1
WO2022216146A1 PCT/MA2021/050016 MA2021050016W WO2022216146A1 WO 2022216146 A1 WO2022216146 A1 WO 2022216146A1 MA 2021050016 W MA2021050016 W MA 2021050016W WO 2022216146 A1 WO2022216146 A1 WO 2022216146A1
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heating
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economical
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Oussama GUENNOUNI
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Mg Advanced Technology
Greepsys Sarl
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Definitions

  • the present invention relates to a programmable, economical, multifunction and multipurpose water heating device and method, the particularity of which is to have a multitude of heating elements energized and selectively according to need, by combining order and time for energizing the heating elements in order to make hot water available at the lowest cost.
  • Electric water heaters appeared at the end of the First World War in the form of balloons that could contain from a few liters to a hundred liters of water.
  • the heating of the water contained in the tank is done by means of electrical resistance heaters immersed directly in the water, something that caused their rapid deterioration due to scale.
  • a first patent was filed in 1932 by the German Theodor Stiebel following his development of the first immersion heater in 1924. [1]
  • the two most common families of domestic water heaters are the balloon type with a large hot water reserve and the instantaneous type which have no reserve, but can provide hot water on demand.
  • US patent US7190886 B2 describes an invention which relates to an electric water heater, a single device, comprising one or more heating resistors and the means for supplying and controlling the electrical energy supplied to the resistors.
  • the heaters of this invention are capable of heating incoming water to a desired temperature for the period of time required for the inlet water to flow from the heating water inlet to the outlet. heating water, thus requiring no storage capacity.
  • high electrical energy consumption normally associated with on-demand or instantaneous electric water heaters is reduced by powering only those heating elements that may be required to meet the demand.
  • Patent application WO2015135934A1 describes an invention which relates to auxiliary electrical heating equipment for a motor vehicle, comprising one or more heating bars comprising resistors with a positive temperature coefficient, and a power electronics stage alternately under on and off each heating bar, in accordance with a duty cycle adjustable by control means, characterized in that it comprises means for limiting the effective intensity of the current passing through the power electronics stage, by measuring of the peak current passing through at least one heating bar and by comparing the measured peak current value with a peak current value read in a table for the current duty cycle, and by lowering the duty cycle in the event of a measured peak current greater than the peak current value read in the correspondence table, the peak current value read in the table of correspondence corresponds to the maximum effective current value admissible by the control unit for the duty cycle considered.
  • the invention described in the present application provides a novelty in the way of managing the switching on and off of the heating elements, in an alternative and selective manner, which takes into consideration the rise in temperature of the water in the direction vertical of the tank and more particularly the phenomenon of the thermosiphon.
  • the present invention provides an electric water heater ( ) economic since it combines in its principle of operation thermo-physical properties, in particular the phenomenon of the thermosiphon which conditions the switching on and off of the heating elements (103) as well as their order of selection.
  • thermosiphon is the phenomenon of natural circulation of a liquid in an installation due to the variation of its density as a function of temperature.
  • the heat transfer liquid heated in the heat generator which is lighter, rises towards an exchanger located in the upper part of the installation to transfer its calories to the ambient air.
  • the cooled heat transfer fluid naturally descends to the bottom of the installation to be reheated by the generator and start the cycle again continuously. This operating mode makes it possible to dispense with a circulator. » [2]
  • the distribution of the heating elements (103) vertically throughout the tank makes it possible to supply the energy just necessary to the heating element (103) in contact with the water whose temperature has reached a certain value, otherwise -said, the amount of energy required to heat a quantity of water to a given temperature strongly depends on the initial temperature of the water, since the amount of energy required is a function of the temperature difference between the final temperature and initial temperature; the smaller this gap, the smaller the amount of energy needed, similarly, the larger this gap, the amount of energy needed is also substantial.
  • the selection of the heating resistors (103) is made. Indeed, given that the cold water enters from the bottom (101) of the tank (100) for its filling, the exit of the water (102) is done, on the contrary by the top of the said tank (100) in view to exploit the hot water from the top of the tank (100) which is brought to a higher temperature compared to the rest of the tank (100) thanks to the thermosiphon phenomenon.
  • the present invention provides an electric water heater ( ) economic since it combines in its principle of operation thermo-physical properties, in particular the phenomenon of the thermosiphon which conditions the switching on and off of the heating elements (103) as well as their order of selection.
  • the present invention relates to an economical, programmable, multifunction, multipurpose and modular electric water heater allowing:
  • It is a programmable, economical, multifunction and multipurpose water heating device intended to heat water in a tank (100) of variable capacity comprising:
  • a flow sensor (105) for measuring the flow of hot water flowing from the outlet (102) of the tank (100);
  • a flow sensor intended to measure the flow of cold water flowing at the inlet of the pipe of a mixer
  • Said device is characterized in that it consists of a plurality of elementary reservoirs (110) cascaded in the form of a serpentine and connected to each other by means of pipes (111) having a reduced opening ( ) so as to limit the transfer of heat by conduction from one tank to another.
  • Said device is also characterized in that said heating resistors are distributed along the edge of the reservoir so as to be placed at locations defined according to the consumption needs of the user and powered up independently and selectively, said energized are performed for predefined times.
  • Said heating resistors (103) are selectively energized.
  • the tank (100) is designed to preserve its shape and not swell due to the rise in water temperature or under the pressure of incoming water, to prevent this swelling, a set of plates (107 ) were welded inside its walls. These metal plates are provided with openings (108) large enough to ensure an almost continuous volume for the circulation of water inside the tank (100).
  • Said tank (100) is equipped with a magnesium anode to prevent clogging of the tank (100) by limestone.
  • thermosiphon is the phenomenon of natural circulation of a liquid in an installation due to the variation of its density as a function of temperature.
  • the heat transfer liquid heated in the heat generator which is lighter, rises towards an exchanger located in the upper part of the installation to transfer its calories to the ambient air.
  • the cooled heat transfer fluid naturally descends to the bottom of the installation to be reheated by the generator and start the cycle again continuously. This operating mode makes it possible to dispense with a circulator. » [2]
  • the distribution of the heating elements (103) vertically throughout the tank makes it possible to supply the energy just necessary to the heating element (103) in contact with the water whose temperature has reached a certain value, otherwise -said, the amount of energy required to heat a quantity of water to a given temperature strongly depends on the initial temperature of the water, since the amount of energy required is a function of the temperature difference between the final temperature and initial temperature; the smaller this gap, the smaller the amount of energy needed, similarly, the larger this gap, the amount of energy needed is also substantial.
  • the selection of the heating resistors (103) is operated. Indeed, given that the cold water enters from the bottom (101) of the tank (100) for its filling, the exit of the water (102) is done, on the contrary by the top of the said tank (100) in view to exploit the hot water from the top of the tank (100) which is brought to a higher temperature compared to the rest of the tank (100) thanks to the thermosiphon phenomenon.
  • the present invention is characterized by a set of particular operating modes due to the management of the switching on and off of said heating resistors (103) taking into account the thermosiphon phenomenon.
  • thermosiphon phenomenon Since the water outlet is from the top of the tank, it is planned to heat the water in the said tank partially from top to bottom, exploiting the thermosiphon phenomenon.
  • the heating begins with the volume located at the top of the tank and therefore it is the first heating resistor (R1), located at the top of the tank which is turned on first.
  • the other resistors are energized alternately and selectively.
  • the heating resistors located in this zone of the tank are switched on alternately according to switch-on and switch-off delays. well-defined tension.
  • the two heating resistors located at the top of the tank and at the lower limit of said desired volume of hot water are switched on and off alternately.
  • [R1 – R1] corresponds to permanently energizing R1, the first heating resistor located at the top of the tank, in order to heat only the volume of water located at the water outlet at the top of the tank.
  • [R1 – Rv] corresponds to the energization of the pair of heating resistors R1 and Rv, located at the top and in the middle of the tank respectively, in an alternating manner, in order to partially heat a chosen quantity of the total volume of the tank available in the upper part of the tank.
  • [R1 – Rn] corresponds to the energization of the pair of heating resistors R1 and Rn, the first and the last heating resistors, located at the top and bottom of the tank respectively, in an alternating manner, in order to heat the total quantity of water in the tank.
  • the switching on and off alternately of a pair of heating resistors take place for respective predefined durations which take into account the heating time of the quantity of water chosen, for example 30 seconds of switching on and 30 seconds off.
  • the reservoir comprises three heating resistors distributed over the vertical of said reservoir and separated by predefined distances.
  • a partial heating is performed by energizing the first heating resistor, located at the top of the tank, the quantity of water heated to the desired temperature will be available at the water outlet of the tank in an equally reduced time compared to the total quantity contained in the tank.
  • the volume of water containing part of the middle and part of the top of the tank will be heated by means of the two heating resistors R1 and R2 located at the top and in the middle of the tank respectively.
  • the alternation of the switching on and off of these two resistors is ensured according to predefined durations for optimal performance and energy saving.
  • the heating operation begins by energizing the heating resistor located at the top of the tank (100) in order to heat the volume of water surrounding the outlet, called the first heating resistor.
  • the heating resistor which will favor an acceleration of the heating of the quantity of water contained in the tank is that which located at the bottom of the tank (100), called the last heating resistor.
  • the operating mode is therefore an alternation between said first heating resistor and said last heating resistor, during a first heating phase.
  • the two resistors are supplied alternately according to a predefined duty cycle until the volume of water, located at the top of the tank in which said first heating resistor is immersed, reaches a temperature below the setpoint temperature, the difference of which is preset.
  • said first heating resistor will no longer be energized for this heating cycle, it is therefore the heating resistor located just below said first heating resistor which will be energized alternately with said last heating resistor.
  • it is an alternation of switching on and off between said last heating resistor and one among the other heating resistors selected from the top to the bottom of the tank, in this case, the couple [R2 – R3 ] in said preferred embodiment.
  • the transition from one resistor pair to the other is conditioned by the temperature of the water that is near the top resistor with the lower index; this pair of heating resistors preferably consists of said last heating resistor Rn and one of the other (n-1) heating resistors, in this case [R1 – R3], [R2 – R3] and [R3 alone] in said preferred embodiment.
  • This temperature is measured by means of a temperature sensor (104) arranged close to each heating resistor (103).
  • Said water heating device ( ) is characterized in that the temperature of the water is obtained by means of a combination of the times of energizing and de-energizing and the order of selection of said heating resistors (103);
  • thermosiphon This mode of operation exploits the phenomenon of the thermosiphon which creates heterogeneity in the distribution of the temperature of the water in the tank (100). This heterogeneity is manifested by a distribution of water temperature which increases from the bottom to the top of the reservoir (100). Since the exit of the hot water (102) is chosen to take place at the top of the tank (100), it is clear that this has the highest temperature of the contents of the tank (100).
  • the temperature of the upper volume (106) of the tank (100) reaches a predefined value lower than the desired temperature of use (setpoint), and taking into account the phenomenon of the thermosiphon, it will be the turn of the resistance located below said first heating resistor (R2) to be energized alternately with said last heating resistor.
  • R2 first heating resistor
  • the process continues in the same way by monitoring the temperature of the volume which is close (106) to each heating resistor (103) which must reach a predefined value lower than the desired temperature of use to select the heating resistor located below in the vertical of the reservoir alternately with said last heating resistor located at the bottom of the reservoir (100).
  • the last step of the heating resistor selection process (103) is limited to the switching on and off of the only said last heating resistor.
  • This phase finally leads to the desired operating temperature determined by the average value of the temperatures from the temperature sensors (104) installed near the heating resistors (103).
  • thermosiphon By taking into account the phenomenon of the thermosiphon, it is obvious that the temperature of the water of the volume (106) located at the top of the tank (100) and at the outlet thereof, is clearly higher than the average temperature of the water in the tank, which can be taken as an advantage to be able to use the hot water prematurely by using the water located in this upper volume (106) of the tank (100).
  • this command can be executed.
  • this command can be executed.
  • the performance of the modes is manifested in the user's request for the mode, operation and desired temperature.
  • the present invention relates to an electric water heater ( ) programmable and economical comprising at least two heating resistors (103) or immersion heaters placed at well-defined locations at the level of the tank (100) thus allowing said device:
  • This type of heating uses heating resistors (103) or immersion heaters connected directly to the power source (203, 204) by means of controlled switches such as relays (201).
  • the heating resistors (103) chosen, in a preferred embodiment, have a power of 500 W each for example, in this way and with an operation by alternation, one resistor energized at a time, the consumption will be limited to 500 W, but the saving in heating time is obtained by means of the duration of energization and de-energization of the heating resistors on the one hand, and the selection of the heating elements one after the other, on the other hand.
  • Said water heating device ( ) is characterized in that in another preferred embodiment said device is also powered by solar panels (204).
  • the device comprises three heating resistors (103) of 500 W each distributed in the height of the tank, a set of tests, for volumes of 31 liters and 28 liters respectively, were carried out to confirm the expected results. .
  • total volume Q1 total volume Q1 where a single 500 W heating resistor, the one at the bottom of the tank [R3 alone] at the water inlet (101), is permanently supplied, a volume of water of approximately 26 liters reached the outlet temperature of 60°C in approximately 4h50min. The rest of the total amount (about 5 liters) is at about 45°C.
  • the temperature is around 25°C for around 26 liters of water. It is an ideal temperature for washing hands, face and for all common uses.
  • the temperature is around 30°C for around 26 liters of water. It is a very comfortable temperature for washing hands, face and for all common uses.
  • the temperature is around 35°C for around 26 liters of water. It is an ideal temperature for taking a cold shower during the hot seasons for example.
  • the temperature is around 43°C for around 26 liters of water. This is an ideal temperature for taking a hot shower.
  • the temperature is around 60°C for around 26 liters of water.
  • total volume Q1 total volume Q1 where the third 500 W heating resistor, the one located at the bottom of the tank at the water inlet (101), and the first 500 W heating resistor, the one located at the top of the tank (100) at the water outlet (102), are supplied alternately for 30 seconds each, a volume of water of 11 liters has reached the outlet temperature of 60° C. in approximately 2h 55min.
  • the temperature is around 25°C for around 11 liters of water. It is an ideal temperature for washing hands, face and for all common uses.
  • the quantity of water heated to 30°C is around 11 litres. It is a very comfortable temperature for washing hands, face and for all common uses. Another reserve of water of about 15 liters is preheated to 25°C.
  • the quantity of water heated to 35°C is around 11 litres. It is an ideal temperature to take a cold shower during the hot seasons for example.
  • Another reserve of water of about 15 liters is preheated to 30°C.
  • the temperature is around 53°C for around 11 liters of water and 43°C for around 15 litres.
  • the temperature is around 60°C for around 11 liters of water, 53°C for around 7 liters and 43°C for around 8 litres.
  • volume Q2 In a third test (volume Q2) where the second heating resistor (103) of 500 W, that which is in the middle of the tank, and the first heating resistance of 500 W, that which is at the top of the tank at the outlet of water, are supplied alternately for 30 seconds each, a volume of water of 11 liters reached the outlet temperature of 60°C in approximately 2h 30 min.
  • the temperature is around 25°C for around 11 liters of water. An ideal temperature for washing hands, face and for all common uses.
  • the quantity of water heated to 30°C is around 11 litres. A very comfortable temperature for washing hands, face and for all common uses. Another reserve of water of about 7 liters is preheated to 25°C.
  • the quantity of water heated to 35°C is around 11 litres.
  • Another reserve of water of about 7 liters is preheated to 30°C.
  • the temperature is about 56°C for about 11 liters of water, 53°C for about 3 liters and 43°C for about 4 liters.
  • the temperature is about 60°C for about 11 liters of water, 56°C for about 2 liters, 53°C for about 2 liters and 43°C for about 3 liters.
  • volume Q3 In a fourth test (volume Q3) where the first heating resistor (103) of 500 W, the one located at the top of the tank at the water outlet, is permanently powered, a volume of water of 11 liters reached the outlet temperature of 60°C in about 2 hours.
  • the temperature is around 25°C for around 11 liters of water.
  • the temperature is around 30°C for around 11 liters of water. A comfortable temperature for washing hands, face and for all common uses for more than one person.
  • the temperature is around 35°C for around 11 liters of water; it is lukewarm water; Ideal water for taking a cold shower (eg during hot seasons).
  • the temperature is around 43°C for around 11 liters of water. Ideal temperature and more than enough quantity to take a hot shower.
  • the temperature is around 60°C for around 11 liters of water. Ideal temperature and more than enough quantity to take a hot shower for more than one person.
  • the temperature is around 25°C for around 11 liters of water. An ideal temperature for washing hands, face and for all common uses.
  • the temperature is about 35°C for about 23 liters of water; it is lukewarm water; Ideal water for taking a cold shower (eg during hot seasons).
  • the temperature is about 43°C for about 23 liters of water. Ideal temperature and more than enough quantity for more than one person to shower.
  • the temperature is around 25°C for around 11 liters of water. An ideal temperature for washing hands, face and for all common uses.
  • the temperature is about 35°C for about 23 liters of water; it is lukewarm water; Ideal water for taking a cold shower (eg during hot seasons).
  • the temperature is about 43°C for about 23 liters of water. Ideal temperature and more than enough quantity for more than one person to shower.
  • total volume Q'1 total volume of water of 11 liters reached the outlet temperature of 60°C in about 3 h 18 min.
  • the temperature is around 25°C for around 3.6 liters of water.
  • the temperature is around 30°C for around 3.6 liters of water.
  • the temperature is about 43°C for about 3.6 liters of water.
  • the temperature is about 60°C for about 3.6 liters of water.
  • the temperature is about 60°C for about 3.6 liters of water.
  • cold water about 17°C
  • the temperature is around 25°C for around 7.2 liters of water.
  • the temperature is around 30°C for around 7.2 liters of water.
  • the temperature is about 43°C for about 6 liters of water. Small amount for taking a quick shower.
  • the temperature is about 60°C for about 6 liters of water.
  • the temperature is about 60°C for about 6 liters of water.
  • cold water about 17°C
  • the temperature is around 25°C for around 3.6 liters of water.
  • the temperature is around 30°C for around 3.6 liters of water.
  • the temperature is about 60°C for about 3.6 liters of water.
  • the temperature is about 60°C for about 3.6 liters of water.
  • cold water about 17°C
  • total volume Q'1 total volume Q'1 where the first 500 W heating resistor (103), the one at the top of the tank at the water outlet, is powered for 19 seconds and the third resistor (103) of 500 W, the one located at the bottom of the tank at the water inlet (101), is supplied for 29 seconds, a volume of water of 11 liters has reached the outlet temperature of 60°C in approximately 2h15min .
  • the temperature is around 25°C for around 11 liters of water.
  • the temperature is around 30°C for around 11 liters of water.
  • the temperature is around 35°C for around 11 liters of water.
  • the temperature is around 43°C for around 11 liters of water. An ideal temperature and quantity to take a hot shower for one person.
  • the temperature is about 60°C for about 11 liters of water.
  • the temperature is about 60°C for about 11 liters of water.
  • cold water about 17°C
  • the water heater is programmed according to need.
  • the initial temperature, for first use, of the water heater is equal to the ambient temperature.
  • test 4 volume 31 liters
  • the water heater is programmed according to need.
  • the programmed initial temperature of the water heater is between 25°C and 30°C.
  • control program maintains said temperature.
  • control program maintains said temperature.
  • control program maintains said temperature.
  • control program maintains said temperature.
  • the water heater is programmed according to need.
  • the programmed initial temperature of the water heater is between 40°C and 45°C.
  • control program maintains said temperature.
  • control program maintains said temperature.
  • the temperature of the water heater automatically reaches 60°C to eliminate legionella.
  • the layout of the resistors is variable depending on the minimum quantity of water to be heated, desired by the user.
  • the first resistor has been placed in such a way as to have a minimum quantity of water of 11 liters (according to our various tests, this is a quantity of water largely sufficient to take a shower for one person ).
  • the water heater will be programmed at a temperature and quantity of water desired by the user.
  • test 4 volume 31 liters
  • 27min a heating time saving of 27min which translates into an energy saving of about 60%.
  • test 4 volume 31 litres
  • 50min a heating time saving of 50min
  • test 4 volume 31 litres
  • test 2 volume 28 litres
  • 10min a heating time saving of 10min
  • test 2 volume 28 litres
  • 5min a heating time saving of 5min
  • a quantity of water of 3.6 liters is heated to 25°C within 6min.
  • a quantity of water of 11 liters is heated to 43°C within 1h09min.
  • the coil must be sized so that it provides a water reserve of at least 24 liters and that each resistor (R1, R2 and R3) will support the heating about 8 liters.
  • the outlet temperature is at 43°C.
  • the outlet temperature is at 35°C.
  • the outlet temperature is at 43°C.
  • the outlet temperature is at 35°C.
  • the tank in the form of a serpentine consists of 3 modules connected by pipes of reduced section where the transfer of heat by conduction is low.
  • the most appropriate solution is to create a design made up of several modules in the form of tanks connected to each other by means of a pipe with a reduced opening as shown in so that the modules are heated according to the quantity of water desired by the user.
  • the heating device of the present invention makes it possible to heat a room by radiation, in this way, the coating of said device has a very high emissivity coefficient.
  • the heating of the room takes place during the cold seasons only, this is the reason why the device is wrapped in a cover having a low emissivity coefficient during the hot seasons in order to greatly reduce the radiation of heat. in the room and exploit this heat to accelerate the heating of the water contained in the tank.
  • said water heating device is characterized in that the outer surface of said tank has a high emissivity to radiate heat to the surrounding environment during the cold season.
  • said water heating device is characterized in that said tank is intended to be wrapped in a cover having a low emissivity to reduce the radiation of heat in the surrounding environment during the hot season.
  • - Said device is intended to fulfill several functions and have several uses such that it is characterized in that the tank takes on a non-cumbersome geometric shape which adapts to any location chosen by the user.
  • the manufacture of the heating device will take into account its layout at the place of its installation, its design and its shape are fixed at the user's request.
  • Said device intended to be installed in floors, mattresses, armchairs, etc. with a view to obtaining warm places; it is also intended to be used as a support for linen and towels for drying. Use in the kitchen is also envisaged for the purpose of heating food, for example.
  • Said water heater is characterized in that it is intended to be used to heat a multitude of objects such as mattresses, armchairs, floor, swimming pool, linen, towels and food.
  • This heating device may be provided for such a use that it may be moved into a space where local heating is required.
  • means for moving it such as wheels are also provided.
  • Said water heating device is characterized in that in a preferred embodiment said device comprises means for moving it from one place to another.
  • the device of the present invention can be modular so that modules can be added together to form a heater composed of several other heaters associated in cascade for example. It can also be used to thaw frozen water pipes.
  • Said water heating device is characterized in that it is intended to be associated with other complementary heating modules.
  • Said water heater is characterized in that it is intended to be used to thaw frozen water in pipes.
  • the method of implementing the multi-function and multi-purpose economical water heater includes several steps that take into consideration the different operating conditions: switching on and off the different heating resistors according to the chosen order, measuring the different temperatures from installed sensors, measurement of water flow rates consumed and calculation of the various consequent costs, operation in manual or automatic mode, monitoring of water consumption in the event of use.
  • the method of operating said heater includes the following steps:
  • the start-up phase of the device includes:
  • said method comprises a first so-called "Economic” mode, a second so-called “Comfort” mode and a third so-called “Instant” mode.
  • Said method also includes a first so-called “Manual” operation and a second so-called “Automatic” operation.
  • Said first operation called “Manual” includes:
  • Said second operation called “Automatic” includes:
  • the so-called "Heating” phase includes:
  • FIG. 1a- The is an illustration of the water heating device, with a perspective view (figure -1a-) and a front view (figure -1b-), consisting of its tank in its configuration set up according to the present invention.
  • Figure -1c- is a rear view of said device.
  • Figures 1d- and -1e- represent the side and top views respectively.
  • Figure -1f- is an illustration of an optimal tank design allowing longer heat retention.
  • (101) represents the water inlet pipe to the tank
  • (102) represents the water outlet pipe from the tank
  • (103) represents the heating element (500 W electrical resistance heater for example);
  • (104) represents the temperature sensor located near the resistance heater
  • (106) represents the volume surrounding a resistance heater
  • (107) represents a blade welded inside the tank to prevent its deformation due to temperature rise;
  • (108) represents an opening allowing the free flow of water inside the tank
  • (201) represents the heater power and selection interface
  • (202) represents the interface for acquiring information from the various sensors
  • the ( Figure-4a-) illustrates the algorithm of the economical mode in so-called “Manual” operation of the programmable, economical, multifunction and multipurpose water heating device.
  • This algorithm is similar to the other modes in manual operation with the only difference of the heating time which is shorter compared to the economic mode, these heating times are noted De0, Dc0 and Di0 respectively for the modes known as “Economic”, “Comfort and “Instant”.
  • the ( Figure-5a-) illustrates the algorithm of the economical mode in so-called “Automatic” operation of the programmable, economical, multifunction and multipurpose water heating device.
  • This algorithm is similar to the other modes in automatic operation with the only difference of the heating time which is shorter compared to the economy mode, these times of heating are noted De0, Dc0 and Di0 respectively for the modes known as "Economic”, “Comfort and “Instant”.
  • Graph -1- represents the increase in temperature in a first test in the case of a 31-litre rectangular tank.
  • Graph -2- represents the increase in temperature in a second test in the case of a 31-litre rectangular tank.
  • Graph -3- represents the increase in temperature in a third test in the case of a 31-litre rectangular tank.
  • Graph -4- represents the increase in temperature in a fourth test in the case of a 31-litre rectangular tank.
  • Graph -5- represents the increase in temperature in a first test in the case of a 28-litre rectangular tank.
  • Graph -6- represents the increase in temperature in a second test in the case of a 28-litre rectangular tank.
  • Graph -7- represents the increase in temperature in a first test in the case of an 11-litre serpentine tank.
  • Graph -8- represents the temperature increase in a second test in the case of an 11 liter serpentine tank.
  • Graph -9- represents the temperature increase in a third test in the case of an 11 liter serpentine tank.
  • Graph -10- represents the temperature increase in a fourth test in the case of an 11 liter serpentine tank.
  • Graph -11- represents the temperature increase in a fifth test in the case of an 11 liter serpentine tank.
  • Graph -12- represents the decrease in temperature in the case of a rectangular tank.
  • Graph -13- represents the decrease in temperature in the case of a serpentine-shaped tank.

Landscapes

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Abstract

La présente invention a trait à un dispositif et un procédé de chauffage d'eau programmable, économique multifonction et multiusage destiné pour chauffer l'eau dans un réservoir (100) de capacité variable. Ledit dispositif est constitué d'une pluralité de réservoirs élémentaires (110) mis en cascade en forme de serpentin et reliés les uns aux autres au moyen de canalisations (111) ayant une ouverture réduite (Figure -1f-) de manière à limiter le transfert de chaleur par conduction d'un réservoir à l'autre. Ledit dispositif est caractérisé également en ce que lesdites résistances chauffantes sont réparties le long du bord du réservoir de manière à être placées à des endroits définis selon les besoins en consommation de l'utilisateur et mises sous tension électrique de manière indépendante et sélective, lesdites mises sous tension sont effectuées pendant des temps prédéfinis.

Description

Dispositif de chauffage d’eau programmable économique, multifonction et multiusage et procédé de sa mise en œuvre
La présente demande prétend bénéficier de la priorité N° MA53034, en date du 06 avril 2021, qui est incorporée ici à titre de référence dans son intégralité.
La présente invention a trait à un dispositif et un procédé de chauffage d’eau programmable, économique multifonction et multiusage dont la particularité est d’avoir une multitude d’éléments chauffants mis sous tension et de manière sélective en fonction du besoin, en combinant ordre et temps de mise sous tension des éléments chauffants en vue de mettre à disposition l’eau chaude à moindre coût.
Cadre général
Les chauffe-eaux électriques ont fait leur apparition dès la fin de la première guerre mondiale sous forme de ballons pouvant contenir de quelques litres à une centaine de litres d’eau. Le chauffage de l’eau contenu dans le ballon se fait au moyen de résistances électriques chauffantes plongées directement dans l’eau, chose qui provoquait leur détérioration rapide à cause du tartre. Un premier brevet fut déposé en 1932 par l’allemand Theodor Stiebel suite à sa mise au point du premier thermoplongeur en 1924. [1]
Les deux familles les plus courantes des chauffe-eaux domestiques sont de type ballon ayant une réserve d’eau chaude importante et de type instantané qui n’ont pas de réserve, mais peuvent fournir de l’eau chaude à la demande.
Dans les deux cas, la consommation d’énergie électrique est importante en raison de l’alimentation de l’élément chauffant pour une durée assez longue en ce qui concerne le ballon et de l’appel important de puissance dans le cas du chauffe-eau instantané lors de l’utilisation.
Des améliorations ont eu lieu sur les résistances, d’une part, en vue de les rendre plus robustes face à l’entartrage et d’autre part, sur l’économie d’énergie. C’est dans cette dernière perspective qu’un ensemble de brevets ont été déposés pour gérer la consommation d’énergie des chauffe-eaux électriques en utilisant une source d’alimentation variable afin de contrôler cette consommation et plus particulière l’utilisation de gradateurs.
 Etat de la technique
Le brevet américain US7190886 B2 décrit une invention qui concerne un chauffe-eau électrique, dispositif seul, comprenant une ou plusieurs résistances chauffantes et les moyens pour fournir et contrôler l'énergie électrique fournie aux résistances. Les appareils de chauffage de cette invention sont capables de chauffer l'eau entrante à une température désirée pendant la période de temps nécessaire pour que l'eau d'entrée s'écoule de l'entrée d'eau de chauffage à la sortie d'eau de chauffage, ne nécessitant ainsi aucune capacité de stockage. En outre, une consommation d'énergie électrique élevée, normalement associée à des chauffe-eaux électriques à la demande ou instantanés, est réduite en alimentant uniquement les éléments chauffants qui peuvent être nécessaires pour satisfaire la demande.
Il s’agit donc d’un dispositif qui comprend des éléments chauffants en vue de disposer instantanément de l’eau chaude sans stockage, ce qui entraîne un appel de puissance considérable, notamment lorsque l’utilisation est fréquente.
La demande de brevet WO2015135934A1 décrit une l'invention qui a pour objet un équipement de chauffage électrique auxiliaire de véhicule automobile, comprenant un ou plusieurs barreaux chauffants comprenant des résistances à coefficient de température positif, et un étage d'électronique de puissance mettant alternativement sous tension et hors tension chaque barreau chauffant, conformément à un rapport cyclique ajustable par des moyens de commande, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de limitation de l'intensité efficace du courant traversant l'étage d'électronique de puissance, par mesure du courant crête traversant au moins un barreau chauffant et par comparaison de la valeur de courant crête mesurée avec une valeur de courant crête lue dans une table pour le rapport cyclique en cours, et par abaissement du rapport cyclique en cas de courant crête mesuré supérieur à la valeur de courant crête lue dans la table de correspondance, la valeur de courant crête lue dans la table de correspondance correspond à la valeur de courant efficace maximale admissible par l'unité de commande pour le rapport cyclique considéré.
Il s’agit d’un dispositif de chauffage destiné à une utilisation dans les véhicules automobiles mis en œuvre par un procédé qui surveille le courant de crête traversant les éléments chauffants alimentés alternativement et dont le rapport cyclique varie selon ce courant crête.
L’invention décrite dans la présente demande apporte une nouveauté dans la manière de gérer la mise sous tension et hors tension des éléments chauffants, de manière alternative et sélective, qui prend en considération l’élévation de la température de l’eau dans la direction verticale du réservoir et plus particulièrement le phénomène du thermosiphon.
Résumé de la description
La présente invention propose un chauffe-eau électrique ( ) économique puisqu’il combine dans son principe de fonctionnement des propriétés thermo-physiques, notamment le phénomène du thermosiphon qui conditionne la mise sous tension et hors tension des éléments chauffants (103) ainsi que leur ordre de sélection.
« Un thermosiphon est le phénomène de circulation naturelle d'un liquide dans une installation du fait de la variation de sa masse volumique en fonction de la température.
Dans un circuit de chauffage en thermosiphon, le liquide caloporteur réchauffé dans le générateur thermique, plus léger, monte vers un échangeur situé en partie haute de l'installation pour céder ses calories à l'air ambiant. Le fluide caloporteur refroidi redescend naturellement vers le bas de l'installation pour être réchauffé par le générateur et recommencer le cycle en continu. Ce mode de fonctionnement permet de se passer d'un circulateur. » [2]
De cette manière, la répartition des éléments chauffants (103) verticalement tout au long du réservoir permet de fournir l’énergie juste nécessaire à l’élément chauffant (103) en contact avec l’eau dont la température a atteint une certaine valeur, autrement-dit, la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer une quantité d’eau à une température donnée dépend fortement de la température initiale de l’eau, puisque la quantité d’énergie nécessaire est fonction de l’écart de température entre la température finale et la température initiale ; plus cet écart est petit, plus la quantité d’énergie nécessaire est petite, de même, plus cet écart est grand, la quantité d’énergie nécessaire est également conséquente.
C’est selon ce principe, donc, que la sélection des résistance chauffantes (103) est opérée. En effet, étant donné que l’eau froide entre par le bas (101) du réservoir (100) pour son remplissage, la sortie de l’eau (102) se fait, au contraire par le haut dudit réservoir (100) en vue d’exploiter l’eau chaude du haut du réservoir (100) qui est portée à température supérieure par rapport au reste du réservoir (100) grâce au phénomène du thermosiphon.
 Description détaillée
La présente invention propose un chauffe-eau électrique ( ) économique puisqu’il combine dans son principe de fonctionnement des propriétés thermo-physiques, notamment le phénomène du thermosiphon qui conditionne la mise sous tension et hors tension des éléments chauffants (103) ainsi que leur ordre de sélection.
La présente invention concerne un chauffe-eau électrique économique, programmable, multifonction, multiusage et modulaire permettant :
- de chauffer l’eau pendant une période de temps réduite par rapport au chauffe-eau existant ayant la même puissance (500W), grâce au mode de gestion des mises sous tension et hors tension des éléments chauffants ;
- de chauffer l'eau du réservoir à n’importe quelle température programmée par l’utilisateur ;
- de chauffer juste une quantité d’eau du réservoir programmée par l’utilisateur ;
- de ralentir le refroidissement de l’eau grâce à la mise de canalisations réduire entre les réservoirs élémentaires ;
- de garantir un minimum de quantité d’eau chaude désirée par l’utilisateur en positionnant les éléments chauffants à des endroits bien déterminés sur le bord du réservoir ;
- d’informer à tout moment l’utilisateur de la quantité d’eau chaude disponible et chauffée à la température désirée ;
- d’informer à tout moment l’utilisateur après une utilisation de l’eau chaude, de la quantité restante de celle-ci au niveau du réservoir qui est toujours à la température désirée ;
- d’avertir l’utilisateur pendant une prise de douche, par exemple, de la quantité d’eau chaude restante au niveau du réservoir pour lui éviter ainsi de se retrouver sans eau chaude.
Il s’agit d’un dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage destiné pour chauffer l’eau dans un réservoir (100) de capacité variable comprenant :
- une pluralité de résistances chauffantes (103) disposées à l’intérieur dudit réservoir (100) de manière à être en contact avec l’eau à chauffer ;
- une unité de traitement (200) destinée à commander ledit dispositif ;
- une pluralité de capteurs de température (104) destinés à mesurer la température de l’eau à différents endroits dudit réservoir (100) ;
- un capteur de débit (105) destiné à mesurer le débit d’eau chaude écoulée à la sortie (102) du réservoir (100) ;
- un capteur de débit destiné à mesurer le débit d’eau froide écoulée à l’entrée de la canalisation d’un mélangeur ; et
- une pluralité d’indicateurs lumineux et sonores (207) destinés à indiquer l’état de fonctionnement dudit dispositif.
Ledit dispositif est caractérisé en ce qu’il est constitué d’une pluralité de réservoirs élémentaires (110) mis en cascade en forme de serpentin et reliés les uns aux autres au moyen de canalisations (111) ayant une ouverture réduite ( ) de manière à limiter le transfert de chaleur par conduction d’un réservoir à l’autre. Ledit dispositif est caractérisé également en ce que lesdites résistances chauffantes sont réparties le long du bord du réservoir de manière à être placées à des endroits définis selon les besoins en consommation de l’utilisateur et mises sous tension électrique de manière indépendante et sélective, lesdites mises sous tension sont effectuées pendant des temps prédéfinis.
Lesdites résistances chauffantes (103) sont mises sous tension de manière sélective.
Le réservoir (100) est conçu de manière à préserver sa forme et ne pas gonfler à cause de l’élévation de température de l’eau ou sous la pression de l’eau entrante, pour éviter ce gonflement, un ensemble de plaques (107) ont été soudées l’intérieur de ses parois. Ces plaques métalliques sont munies d’ouvertures (108) suffisamment grandes pour assurer un volume quasi continu pour la circulation d’eau à l’intérieur du réservoir (100).
Ledit réservoir (100) est muni d’une anode de magnésium pour empêcher l’encrassement du réservoir (100) par le calcaire.
« Un thermosiphon est le phénomène de circulation naturelle d'un liquide dans une installation du fait de la variation de sa masse volumique en fonction de la température.
Dans un circuit de chauffage en thermosiphon, le liquide caloporteur réchauffé dans le générateur thermique, plus léger, monte vers un échangeur situé en partie haute de l'installation pour céder ses calories à l'air ambiant. Le fluide caloporteur refroidi redescend naturellement vers le bas de l'installation pour être réchauffé par le générateur et recommencer le cycle en continu. Ce mode de fonctionnement permet de se passer d'un circulateur. » [2]
De cette manière, la répartition des éléments chauffants (103) verticalement tout au long du réservoir permet de fournir l’énergie juste nécessaire à l’élément chauffant (103) en contact avec l’eau dont la température a atteint une certaine valeur, autrement-dit, la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer une quantité d’eau à une température donnée dépend fortement de la température initiale de l’eau, puisque la quantité d’énergie nécessaire est fonction de l’écart de température entre la température finale et la température initiale ; plus cet écart est petit, plus la quantité d’énergie nécessaire est petite, de même, plus cet écart est grand, la quantité d’énergie nécessaire est également conséquente.
C’est selon ce principe, donc, que la sélection des résistances chauffantes (103) est opérée. En effet, étant donné que l’eau froide entre par le bas (101) du réservoir (100) pour son remplissage, la sortie de l’eau (102) se fait, au contraire par le haut dudit réservoir (100) en vue d’exploiter l’eau chaude du haut du réservoir (100) qui est portée à température supérieure par rapport au reste du réservoir (100) grâce au phénomène du thermosiphon.
La présente invention se caractérise par un ensemble de modes opératoires particuliers en raison de la gestion des mises sous tension et hors tension des dites résistances chauffantes (103) tenant compte du phénomène du thermosiphon.
Etant donné que la sortie d’eau s’effectue par le haut du réservoir, il est envisagé de chauffer l’eau dudit réservoir de façon partielle du haut vers le bas exploitant le phénomène du thermosiphon.
De cette manière, et pour réduire le temps d’attente pour utiliser l’eau chaude, le chauffage commence par le volume situé en haut du réservoir et par conséquent c’est la première résistance chauffante (R1), située en haut du réservoir qui est mise sous tension en premier. Pour chauffer un volume d’eau plus important, les autres résistances sont mises sous tension de manière alternative et sélective.
Dans un cas de figure où la partie supérieure du réservoir est demandée compte tenu de la quantité d’eau souhaitée par l’utilisateur, les résistances chauffantes situées dans cette zone du réservoir sont mises sous tension alternativement selon des délais de mise sous tension et hors tension bien définis.
Donc, selon le volume souhaité d’eau chaude, les deux résistances chauffantes situées en haut du réservoir et à la limite inférieure dudit volume souhaité d’eau chaude sont mises sous tension et hors tension de manière alternative.
Toutefois, et pour éviter une surchauffe de l’eau contenue dans le volume supérieur du réservoir sans que le reste de l’eau n’atteigne la température désirée, il est envisagé de sélectionner les résistances chauffantes situées vers le bas du réservoir pour les mettre sous tension et hors tension alternativement.
Les combinaisons possibles pour ce fonctionnement peuvent s’expliciter par la mise sous tension et hors tension des couples constitués des résistances chauffantes [Ru – Rv] où u est un premier indice de rang et v est un second indice de rang, ces deux indices de rang sont compris entre 1 et n inclus, alors que u est inférieur ou égal à v ; n étant le nombre total des résistances chauffantes installées.
En tenant compte de cette condition, les combinaisons possibles des résistances chauffantes sélectionnées sont :
[R1 – Rn] ; [R2 – Rn] ; … ; [Ru – Rn] ; … ; [Rn – Rn]
[R1 – Rv] ; [R2 – Rv] ; … ; [Ru – Rv] ;
[Ru – Rv] ; avec u <= v
[R1 – R1]
[R1 – R1] correspond à la mise sous tension en permanence de R1, la première résistance chauffante située en haut du réservoir, en vue de chauffer uniquement le volume d’eau situé à la sortie d’eau en haut du réservoir.
[R1 – Rv] correspond à la mise sous tension du couple de résistances chauffantes R1 et Rv, situées en haut et au milieu du réservoir respectivement, de manière alternative, en vue de chauffer partiellement une quantité choisie du volume total du réservoir disponible dans la partie supérieure du réservoir.
[R1 – Rn] correspond à la mise sous tension du couple de résistances chauffantes R1 et Rn, la première et la dernière résistances chauffantes, situées en haut et en bas du réservoir respectivement, de manière alternative, en vue de chauffer la quantité totale d’eau contenue dans le réservoir.
[Ru – Rv] correspond à un couple de résistances chauffantes quelconque de R1 à Rn.
Les mises sous tension et hors tension de manière alternative d’un couple de résistances chauffantes ont lieu pendant des durées respectives prédéfinies qui prend en considération le temps de chauffe de la quantité d’eau choisie, par exemple 30 secondes de mise sous tension et 30 secondes de mise hors tension.
Dans un mode de réalisation préférentiel, le réservoir comprend trois résistances chauffantes réparties sur la verticale dudit réservoir et séparées par des distances prédéfinies.
Les combinaisons possibles sont :
[R1 seule] : seule R1, située en haut du réservoir, est mise sous tension en permanence ;
[R1 – R2] : les deux résistances, situées en haut du réservoir et au milieu du réservoir respectivement sont mises sous tension de manière alternative avec un rapport cyclique prédéfini ; toutefois, dans cette configuration, la température du volume supérieur est surveillée de telle sorte que la résistance chauffante R1 est mise hors tension dès que la température du volume d’eau qu’elle chauffe atteigne une température prédéfinie, inférieure à la température d’utilisation, car celle-ci continuera d’augmenter par le phénomène du thermosiphon tant que la résistance R2 située en dessous de ladite résistance chauffante R1 située en haut du réservoir, reste mise sous tension.
[R1 – R3] : les deux résistances chauffantes, situées en haut du réservoir et en bas du réservoir respectivement sont mises sous tension de manière alternative avec un rapport cyclique prédéfini ; toutefois, dans cette configuration, la température du volume supérieur est surveillée de telle sorte que la résistance chauffante R1 est mise hors tension dès que la température du volume d’eau qu’elle chauffe atteigne une température prédéfinie, inférieure à la température d’utilisation, car celle-ci continuera d’augmenter par le phénomène du thermosiphon tant que la résistance R3 située en dessous de ladite résistance chauffante R1, située en haut du réservoir, reste mise sous tension.
[R2 – R3] : lorsqu’un chauffage de la quantité totale d’eau contenue dans le réservoir est demandée, et que l’opération de chauffage commence par le couple de résistances chauffantes [R1 – R3] tandis que le volume d’eau situé dans la partie supérieure du réservoir atteint une température prédéfinie, inférieure à la température d’utilisation (consigne), c’est le couple de résistances [R2 – R3] qui seront mises sous tension alternativement afin de continuer à chauffer l’eau vers le bas du réservoir et exploiter le phénomène du thermosiphon.
En effet, pour chauffer seulement un volume réduit pour une utilisation ne nécessitant pas beaucoup d’eau chaude, un chauffage partiel est exécuté mettant sous tension la première résistance chauffante, située en haut du réservoir, la quantité d’eau chauffée à la température désirée sera disponible à la sortie d’eau du réservoir en un temps également réduit par rapport à la quantité totale contenue dans le réservoir.
De cette façon, de l’eau chaude est disponible selon la quantité demandée.
De même, si une quantité plus importante est demandée, le volume d’eau contenant une partie du milieu et une partie du haut du réservoir sera chauffé au moyen des deux résistances chauffantes R1 et R2 situées en haut et au milieu du réservoir respectivement. L’alternance quant à la mise sous tension et hors tension de ces deux résistances est assurée selon des durées prédéfinies pour un rendement optimal et d’économie d’énergie.
En outre, pour chauffer la quantité totale (Q1) de l’eau contenue dans le réservoir, l’opération de chauffage commence par la mise sous tension de la résistance chauffante située en haut du réservoir (100) en vue de chauffer le volume d’eau avoisinant la sortie, dite la première résistance chauffante. Après une durée prédéfinie de mise sous tension, et étant donné que l’eau chaude remonte vers le haut du réservoir (100), la résistance chauffante qui favorisera une accélération du chauffage de la quantité d’eau contenue dans le réservoir est celle qui se situe en bas du réservoir (100), dite la dernière résistance chauffante. Le mode opératoire est donc une alternance entre ladite première résistance chauffante et ladite dernière résistance chauffante, lors d’une première phase de chauffage.
Les deux résistances sont alimentées alternativement selon un rapport cyclique prédéfini jusqu’à ce que le volume d’eau, situé en haut du réservoir dans lequel ladite première résistance chauffante est immergée, atteigne une température inférieure à la température de consigne dont l’écart est prédéfini. De cette manière, ladite première résistance chauffante ne sera plus mise sous tension pour ce cycle de chauffage, c’est donc la résistance chauffante située juste en dessous de ladite première résistance chauffante qui sera mise sous tension alternativement avec ladite dernière résistance chauffante. Autrement-dit, c’est une alternance de mise sous tension et hors tension entre ladite dernière résistance chauffante et l’une parmi les autres résistances chauffantes sélectionnée du haut vers le bas du réservoir, en l’occurrence, le couple [R2 – R3] dans ledit mode de réalisation préférentiel.
La transition d’une paire de résistance à l’autre est conditionnée par la température de l’eau qui se trouve à proximité de la résistance de dessus ayant le plus petit indice ; cette paire de résistances chauffantes est constituée de préférence par ladite dernière résistance chauffante Rn et l’une des autres (n-1) résistances chauffantes, en l’occurrence [R1 – R3], [R2 – R3] et [R3 seule] dans ledit mode de réalisation préférentiel. Cette température est mesurée au moyen d’un capteur de température (104) disposé à proximité de chaque résistance chauffante (103).
Ledit dispositif de chauffage d’eau ( ) est caractérisé en ce que la température de l’eau est obtenue au moyen d’une combinaison des temps de mise sous tension et hors tension et de l’ordre de sélection desdites résistances chauffantes (103) ;
Ce mode de fonctionnement exploite le phénomène du thermosiphon qui crée une hétérogénéité dans la distribution de la température de l’eau dans le réservoir (100). Cette hétérogénéité se manifeste par une répartition de la température de l’eau qui augmente du bas vers le haut du réservoir (100). Etant donné que la sortie de l’eau (102) chaude est choisie pour avoir lieu en haut du réservoir (100), il est manifeste que celle-ci ait la température la plus élevée du contenu du réservoir (100).
C’est sur ce principe que l’ordre de mise sous tension et hors tension des résistances chauffantes est choisi : en commençant par la mise sous tension de la première résistance chauffante, située en haut du réservoir, cela crée une augmentation de température du volume d’eau situé au voisinage de ladite première résistance. Afin d’accélérer l’augmentation de température de cette quantité d’eau au niveau du volume haut (106) avoisinant ladite première résistance chauffante du réservoir (100), ladite dernière résistance chauffante est mise sous tension, l’alternance entre les deux résistances chauffantes, la première et la dernière, selon un rapport cyclique prédéfini, permet d’atteindre la température désirée en un temps inférieur à celui de la mise sous tension d’une seule résistance chauffante, cela représente la particularité et l’inventivité manifestées de la présente invention.
Une fois la température du volume supérieur (106) du réservoir (100) atteint une valeur prédéfinie inférieure à la température désirée d’utilisation (consigne), et compte tenu du phénomène du thermosiphon, ce sera le tour de la résistance située en dessous de ladite première résistance chauffante (R2) d’être mise sous tension alternativement avec ladite dernière résistance chauffante. De cette manière, la température de l’eau située dans le volume supérieur (106) du réservoir (100) continue toujours d’augmenter ainsi que celle du volume situé juste en dessous (106) jusqu’à ce qu’elle atteigne une valeur prédéfinie dépendant du temps de mise sous tension et hors tension des deux résistances chauffantes respectives.
Le processus se poursuit de la même manière en surveillant la température du volume qui se trouve à proximité (106) de chaque résistance chauffante (103) qui doit atteindre une valeur prédéfinie inférieure à la température désirée d’utilisation pour sélectionner la résistance chauffante se trouvant en dessous dans la verticale du réservoir en alternance avec ladite dernière résistance chauffante située en bas du réservoir (100). La dernière étape du processus de sélection des résistance chauffantes (103) se limite par la mise sous tension et hors tension de la seule dite dernière résistance chauffante.
Cette phase aboutit finalement à la température désirée d’utilisation déterminée par la valeur moyenne des températures issues des capteurs de température (104) installés à proximité des résistance chauffantes (103).
En tenant compte du phénomène du thermosiphon, il est évident que la température de l’eau du volume (106) situé en haut du réservoir (100) et à la sortie de celui-ci, est manifestement supérieure à la température moyenne de l’eau dans le réservoir, ce qui pourra être pris comme avantage pour pouvoir utiliser l’eau chaude prématurément par l’utilisation de l’eau située dans ce volume (106) supérieur du réservoir (100).
Dans un autre mode opératoire particulier, c’est-à-dire en fonction de la quantité d’eau désirée Q2 dans la partie supérieure du réservoir (avec Q2<Q1), cet ordre peut être exécuté. En adoptant le même principe, toutefois sans ladite dernière résistance.
Dans un autre mode opératoire particulier, c’est-à-dire en fonction de la quantité d’eau désirée Q3 (avec Q3<Q2<Q1), seule ladite première résistance chauffante est mise sous tension en permanence.
Les performances des modes se manifestent dans la demande de l’utilisateur quant au mode, au fonctionnement et à la température souhaitée.
La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique d’eau ( ) programmable et économique comprenant au moins deux résistances chauffantes (103) ou thermoplongeurs placés à des endroits bien définis au niveau du réservoir (100) permettant ainsi audit dispositif :
- de chauffer l'eau du réservoir à une température désirée pendant une période de temps considérablement réduite par rapport à une seule résistance ;
- de chauffer seulement la quantité d'eau désirée par l'utilisateur au niveau du réservoir indépendamment du volume total du réservoir, ce qui évite de chauffer intégralement l'eau du réservoir et minimiser ainsi la période de temps de chauffage et par conséquent minimiser la consommation énergétique ;
- d'informer à tout moment l'utilisateur de la quantité d'eau disponible qui est chauffée à la température désirée et d’éviter ainsi à l'utilisateur de se retrouver sans eau chaude pendant une prise de douche par exemple ;
- d’être alimenté à travers des panneaux photovoltaïques ou de l’éolien ;
- de prendre plusieurs formes ou designs non encombrants ;
Ce type de chauffage utilise des résistances chauffantes (103) ou thermoplongeurs connectés directement à la source d'alimentation (203, 204) au moyen d’interrupteurs commandés tels que des relais (201).
Les résistances chauffantes (103) choisies, dans un mode de réalisation préférentiel, ont une puissance de 500 W chacune par exemple, de cette manière et avec un fonctionnement par alternance, une résistance mise sous tension à la fois, la consommation sera limitée à 500 W, mais le gain en temps de chauffe est obtenu au moyen de la durée de mise sous tension et hors tension des résistances chauffante d’une part, et de la sélection des éléments chauffants les uns après les autres, d’autre part.
Partant du fait que le chauffage de l’eau dans le réservoir peut avoir lieu de manière partielle, une configuration a été envisagée qui présente le réservoir sous forme d’un ensemble de réservoirs élémentaires mis en cascade et reliés entre eux au moyen de canalisation dont l’ouverture est réduite ; cette configuration permet la circulation d’eau entre les différents réservoirs élémentaires, mais elle permet également de réduire le transfert de chaleur par conduction en raison de la section réduite de ladite canalisation.
Grace à la mise en place d’une canalisation réduite entre lesdits réservoirs, le temps de descente de la température pour chaque réservoir est ralenti. Par conséquent, pour maintenir une quantité d’eau à une température souhaitée, le temps de mise sous tension des résistances concernées sera moindre, d’où une économie d’énergie supplémentaire.
Le choix de telles résistances chauffantes de 500 W est fait pour permettre une alimentation électrique à partir de panneaux solaires (204) ou d’éoliennes de puissance similaire pouvant être installés par exemple dans des habitations individuelles ou autres.
Ledit dispositif de chauffage d’eau ( ) est caractérisé en ce que dans un autre mode de réalisation préférentiel ledit dispositif est également alimenté par des panneaux solaires (204).
Dans un mode de réalisation où le dispositif comprend trois résistances chauffantes (103) de 500W chacune réparties en hauteur du réservoir, un ensemble d’essais, pour des volumes de 31 litres et de 28 litres respectivement, ont été réalisés pour confirmer les résultats escomptés.
D’autres essais ont été réalisés sur un réservoir en forme de serpentin.
Essai sur un réservoir de 31 litres
Dans un premier essai (volume total Q1) où une seule résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en bas du réservoir [R3 seule] à l’entrée d’eau (101), est alimentée en permanence, un volume d’eau de 26 litres environ a atteint la température de sortie de 60°C en 4h50min environ. Le reste de la quantité totale (environ 5 litres) est à environ 45°C.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -1-) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 40min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 26 litres d’eau. C’est une température idéale pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes.
- Après 1h de mise sous tension, la température est d’environ 30°C pour environ 26 litres d’eau. C’est une température très confortable pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes.
- Après 1h30min de mise sous tension, la température est d’environ 35°C pour environ 26 litres d’eau. C’est une température idéale pour prendre une douche froide pendant les saisons chaudes par exemple.
- Après 2h16min de mise sous tension, la température est d’environ 43°C pour environ 26 litres d’eau. C’est une température idéale pour prendre une douche chaude.
- Après 4h50min de mise sous tension, la température est d’environ 60°C pour environ 26 litres d’eau.
En moyenne et après mélange avec l’eau froide (à environ 17°C), une quantité équivalente à environ 43 litres ayant une température moyenne de 43°C est atteinte.
Dans un second essai (volume total Q1) où la troisième résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en bas du réservoir à l’entrée d’eau (101), et la première résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en haut du réservoir (100) à la sortie d’eau (102), sont alimentées en alternance pendant 30 secondes chacune, un volume d’eau de 11 litres a atteint la température de sortie de de 60°C en 2h 55min environ.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -2-) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 19 min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 11 litres d’eau. C’est une température idéale pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes.
- Quand la température de sortie atteint 30°C, c’est-à-dire après 40 min de mise sous tension, la quantité d’eau chauffée à 30°C est de l’ordre de 11 litres. C’est une température très confortable pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes. Une autre réserve d’eau d’environ 15 litres est préchauffée à 25°C.
- Quand la température de sortie atteint 35°C, c’est-à-dire après 56 min de mise sous tension, la quantité d’eau chauffée à 35°C est de l’ordre de 11 litres. C’est une température idéale prendre une douche froide pendant les saisons chaudes par exemple. Une autre réserve d’eau d’environ 15 litres est préchauffée à 30°C.
- Quand la température de sortie atteint 43°C, c’est-à-dire après 1h30min de mise sous tension, la quantité d’eau chauffée à 43°C est de l’ordre de 11 litres. C’est une température idéale pour prendre une douche chaude. Une autre réserve d’eau d’environ 15 litres est préchauffée à 35°C.
- Après 2h16min de mise sous tension, la température est d’environ 53°C pour environ 11 litres d’eau et de 43°C pour environ 15 litres.
En moyenne et après mélange avec l’eau froide (à environ 17°C), une quantité équivalente à environ 30 litres ayant une température moyenne de 43°C est atteinte.
- Après 2h56min de mise sous tension, la température est d’environ 60°C pour environ 11 litres d’eau, de 53°C pour environ 7 litres et de 43°C pour environ 8 litres.
En moyenne et après mélange avec l’eau froide (à environ 17°C), une quantité équivalente à environ 36 litres ayant une température moyenne de 43°C est atteinte.
Dans un troisième essai (volume Q2) où la seconde résistance chauffante (103) de 500 W, celle qui se trouve au milieu du réservoir, et la première résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en haut du réservoir à la sortie d’eau, sont alimentées en alternance pendant 30 secondes chacune, un volume d’eau de 11 litres a atteint la température de sortie de de 60°C en 2h 30 min environ.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -3-) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 15min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 11 litres d’eau. Une température idéale pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes.
Quand la température de sortie atteint 30°C, c’est-à-dire après 30min de mise sous tension, la quantité d’eau chauffée à 30°C est de l’ordre de 11 litres. Une température très confortable pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes. Une autre réserve d’eau d’environ 7 litres est préchauffée à 25°C.
Quand la température de sortie atteint 35°C, c’est-à-dire après 47min de mise sous tension, la quantité d’eau chauffée à 35°C est de l’ordre de 11 litres. Une température idéale prendre une douche froide pendant les saisons chaudes par exemple. Une autre réserve d’eau d’environ 7 litres est préchauffée à 30°C.
Quand la température de sortie atteint 43°C, c’est-à-dire après 1h18min de mise sous tension, la quantité d’eau chauffée à 43°C est de l’ordre de 11 litres. Une température idéale pour prendre une douche chaude. Une autre réserve d’eau d’environ 7 litres est préchauffée à 35°C.
Après 2h16min de mise sous tension, la température est d’environ 56°C pour environ 11 litres d’eau, de 53°C pour environ 3 litres et 43°C pour environ 4 litres.
En moyenne et après mélange avec l’eau froide (à environ 17°C), une quantité équivalente à environ 24,5 litres ayant une température moyenne de 43°C est atteinte.
- Après 2h32min de mise sous tension, la température est d’environ 60°C pour environ 11 litres d’eau, de 56°C pour environ 2 litres, de 53°C pour environ 2 litres et de 43°C pour environ 3 litres.
En moyenne et après mélange avec l’eau froide (à environ 17°C), une quantité équivalente à environ 27 litres ayant une température moyenne de 43°C est atteinte.
Dans un quatrième essai (volume Q3) où la première résistance chauffante (103) de 500 W, celle qui se trouve en haut du réservoir à la sortie d’eau, est alimentée en permanence, un volume d’eau de 11 litres a atteint la température de sortie de 60°C en 2h environ.
Le déroulement du processus de chauffage ( ) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 14min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 11 litres d’eau. Une température idéale pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes pour plus d’une personne.
- Après 26min de mise sous tension, la température est d’environ 30°C pour environ 11 litres d’eau. Une température confortable pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes pour plus d’une personne.
- Après 36min de mise sous tension, la température est d’environ 35°C pour environ 11 litres d’eau ; il s’agit de l’eau tiède ; Eau idéale pour prendre une douche froide (par exemple pendant les saisons chaudes).
- Après 58min de mise sous tension, la température est d’environ 43°C pour environ 11 litres d’eau. Température idéale et quantité largement suffisante pour prendre une douche chaude.
- Après 1h43min de mise sous tension, la température est d’environ 60°C pour environ 11 litres d’eau. Température idéale et quantité largement suffisante pour prendre une douche chaude pour plus d’une personne.
Essai sur un réservoir de 28 litres
Dans un premier essai (volume total du réservoir) où la troisième résistance chauffante (103) de 500 W, celle qui se trouve en bas du réservoir, et la première résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en haut du réservoir à la sortie d’eau, sont alimentées en alternance pendant 30 secondes chacune. Toutefois, dès que la température de sortie atteint 30°C, la première résistance est mise hors tension, seule la troisième résistance chauffante reste sous tension en permanence jusqu’à ce que la température de sortie atteigne 43°C pour la mettre hors tension. Dans cet essai, un volume d’eau de 23 litres environ a atteint la température de sortie de de 43°C en 2h 13 min environ. Le reste de la quantité totale (environ 5 litres) est à environ 32°C.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -5-) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 19min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 11 litres d’eau. Une température idéale pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes.
- Quand la température de sortie atteint 30°C, c’est-à-dire après 35min de mise sous tension, la quantité d’eau chauffée à 30°C est de l’ordre de 11 litres. Une température très confortable pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes. Une autre réserve d’eau d’environ 12 litres est préchauffée à 25°C.
- Après 1h25min de mise sous tension, la température est d’environ 35°C pour environ 23 litres d’eau ; il s’agit de l’eau tiède ; Eau idéale pour prendre une douche froide (par exemple pendant les saisons chaudes).
- Après 2h13min de mise sous tension, la température est d’environ 43°C pour environ 23 litres d’eau. Température idéale et quantité largement suffisante pour que plus d’une personne prennent leurs douches.
Dans un second essai (volume total du réservoir) où la seconde résistance chauffante (103) de 500 W, celle qui se trouve au milieu du réservoir, et la première résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en haut du réservoir à la sortie d’eau, sont alimentées en alternance pendant 30 secondes chacune. Toutefois, dès que la température de sortie atteint 30°C, la première résistance est mise hors tension et la seconde résistance chauffante est mise sous tension alternativement avec la troisième résistance chauffante pendant un intervalle de temps de 30 secondes, cette alternance continue jusqu’à ce que la température de sortie atteigne 43°C. Dans cet essai, un volume d’eau de 23 litres a atteint la température de sortie de de 43°C en 2h 10 min environ. Le reste de la quantité totale (environ 5 litres) est à environ 30°C.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -6-) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 19min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 11 litres d’eau. Une température idéale pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes.
- Quand la température de sortie atteint 30°C, c’est-à-dire après 35min de mise sous tension, la quantité d’eau chauffée à 30°C est de l’ordre de 11 litres. Une température très confortable pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes. Une autre réserve d’eau d’environ 12 litres est préchauffée à 25°C.
- Après 1h20min de mise sous tension, la température est d’environ 35°C pour environ 23 litres d’eau ; il s’agit de l’eau tiède ; Eau idéale pour prendre une douche froide (par exemple pendant les saisons chaudes).
- Après 2h11min de mise sous tension, la température est d’environ 43°C pour environ 23 litres d’eau. Température idéale et quantité largement suffisante pour que plus d’une personne prennent leurs douches.
Essai sur un réservoir en forme de serpentin
Dans un essai similaire, cette fois-ci, sur un réservoir en forme de serpentin ( ) de volume 11 litres (Q’1). La mise sous tension de ladite première résistance dure environ 19 secondes et celle de ladite troisième résistance dure environ 13 secondes. Cette alternance a ramené la température d’une quantité d’eau de 11 litres à 60°C en un temps de 2h 15 min environ.
Un ensemble d’essais ont été réalisés pour confirmer les résultats escomptés.
Dans un premier essai (volume total Q’1) où une seule résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en bas du réservoir à l’entrée d’eau (101), est alimentée en permanence, un volume d’eau de 11 litres a atteint la température de sortie de de 60°C en 3 h 18 min environ.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -7-) montre que la température de sortie est beaucoup moindre que celle à l’entrée du chauffe-eau à l’instant t, par conséquent nous constatons un surchauffage inutile.
Dans un second essai (volume total Q’1) où la première résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en haut du réservoir (100) à la sortie d’eau (102), et la troisième résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en bas du réservoir à l’entrée d’eau (101), sont alimentées en alternance pendant 30 secondes chacune, un volume d’eau de 3,6 litres a atteint la température de sortie de de 60°C en 1h28 environ.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -8-) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 11min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 3,6 litres d’eau. Une température et quantité idéales pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes pour une seule personne.
- Après 18min de mise sous tension, la température est d’environ 30°C pour environ 3,6 litres d’eau. Une température et quantité très confortables pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes pour une seule personne.
- Après 41min de mise sous tension, la température est d’environ 43°C pour environ 3,6 litres d’eau.
- Après 1h28min de mise sous tension, la température est d’environ 60°C pour environ 3,6 litres d’eau. Toutefois, après essais nous avons constaté qu’avec ces 3,6 litres à 60°C mélangée avec de l’eau froide (17°c environ) on atteint une quantité d’environ 7 litres à une température d’environ 43°C. Petite quantité pour prendre une petite douche rapide.
Dans un troisième essai (volume total Q’2 d’environ 7,2 litres) où la seconde résistance chauffante (103) de 500 W, celle qui se trouve au milieu du réservoir, et la première résistance chauffante de 500 W, celle qui se trouve en haut du réservoir à la sortie d’eau, sont alimentées en alternance pendant 30 secondes chacune, un volume d’eau de 7,2 litres a atteint la température de sortie de de 60°C en 1h12 min environ.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -9-) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 13min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 7,2 litres d’eau. Une température et quantité idéales pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes pour une personne au minimum.
- Après 21min de mise sous tension, la température est d’environ 30°C pour environ 7,2 litres d’eau. Une température et quantité très confortables pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes pour une personne au minimum
- Après 39min de mise sous tension, la température est d’environ 43°C pour environ 6 litres d’eau. Petite quantité pour prendre une petite douche rapide.
- Après 1h12min de mise sous tension, la température est d’environ 60°C pour environ 6 litres d’eau. Toutefois, après essais nous avons constaté qu’avec ces 6 litres à 60°C mélangée avec de l’eau froide (17°c environ) on atteint une quantité d’environ 7 litres à une température d’environ 43°C. Quantité confortable pour prendre une douche chaude.
Dans un quatrième essai (volume total Q’3 d’environ 3,6 litres) où la première résistance chauffante (103) de 500 W, celle qui se trouve en haut du réservoir à la sortie d’eau, est alimentée en permanence, un volume d’eau de 3,6 litres a atteint la température de sortie de 60°C en 34min environ.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -10-) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 6min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 3,6 litres d’eau. Une température et quantité idéales pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes pour une seule personne.
- Après 10min de mise sous tension, la température est d’environ 30°C pour environ 3,6 litres d’eau. Une température et quantité très confortables pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes pour une seule personne.
- Après 34min de mise sous tension, la température est d’environ 60°C pour environ 3,6 litres d’eau. Toutefois, après essais nous avons constaté qu’avec ces 3,6 litres à 60°C mélangés avec de l’eau froide (17°c environ) on atteint une quantité d’environ 7 litres à une température d’environ 43°C. Petite quantité pour prendre une petite douche rapide.
Dans un cinquième essai (volume total Q’1) où la première résistance chauffante (103) de 500 W, celle qui se trouve en haut du réservoir à la sortie d’eau, est alimentée pendant 19 secondes et la troisième résistance (103) de 500 W, celle qui se trouve en bas du réservoir à l’entrée d’eau (101), est alimentée pendant 29 secondes, un volume d’eau de 11 litres a atteint la température de sortie de 60°C en 2h15min environ.
Le déroulement du processus de chauffage (Graphe -11-) a eu lieu de la façon suivante :
- Après 21min de mise sous tension, la température est d’environ 25°C pour environ 11 litres d’eau. Une température et quantité idéales pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations courantes pour plus d’une personne.
- Après 32min de mise sous tension, la température est d’environ 30°C pour environ 11 litres d’eau. Une température et quantité très confortables pour se laver les mains, le visage et pour toutes utilisations pour plus d’une personne.
- Après 45min de mise sous tension, la température est d’environ 35°C pour environ 11 litres d’eau. Une température et quantité idéales pour prendre une douche froide pour une seule personne pendant les saisons chaudes par exemple.
- Après 1h09min de mise sous tension, la température est d’environ 43°C pour environ 11 litres d’eau. Une température et quantité idéales pour prendre une douche chaude pour une seule personne.
- Après 2h15min de mise sous tension, la température est d’environ 60°C pour environ 11 litres d’eau. Toutefois après essais nous avons constaté qu’avec ces 11 litres à 60°C mélangés avec de l’eau froide (17°c environ) on atteint une quantité d’environ 7 litres à une température d’environ 43°C. Une température et quantité idéales pour que plus d’une personne prennent leurs douches.
Performances du réservoir rectangulaire
A - Mode économique du chauffe-eau :
Le chauffe-eau est programmé en fonction du besoin.
La température initiale, pour une première utilisation, du chauffe-eau est égale à la température ambiante.
A-1 Programmation du chauffe-eau pour une seule personne : pour atteindre la température souhaitée avec une quantité économique d’eau dans les meilleurs délais, l’essai 4 (volume 31 litres) (mise sous tension de la première résistance toute seule en permanence jusqu’à atteindre une température de sortie TS=60°C) s’avère le plus concluant pour une quantité d’eau de 11 litres.
L’essai 3 (volume 31 litres) (mise sous tension des première et deuxième résistances d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s jusqu’à atteindre une température de sortie TS=60°C) est aussi concluant pour une quantité d’eau supérieure à 11 litres.
A-2 Programmation du chauffe-eau pour plus d’une personne : pour atteindre la température souhaitée avec une quantité d’eau pour deux personnes dans les meilleurs délais, l’essai 2 (volume 28 litres) s’avère le plus concluant (mise sous tension des première et troisième résistances d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s. A TS=30°C, la première résistance est mise hors tension, les deuxième et troisième résistances sont mises sous tension d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s jusqu’à atteindre une température de sortie TS=43°C).
B - Mode Confort du chauffe-eau :
Le chauffe-eau est programmé en fonction du besoin.
La température initiale programmée du chauffe-eau est entre 25°C et 30°C.
B-1 Programmation du chauffe-eau pour une seule personne : pour atteindre une température entre 25°C et 30°C avec une quantité économique d’eau dans les meilleurs délais, l’essai 4 (volume 31 litres) (mise sous tension de la première résistance toute seule en permanence jusqu’à atteindre une température de sortie TS=60°C) s’avère le plus concluant pour une quantité d’eau de 11 litres.
L’essai 3 (volume 31 litres) (mise sous tension des première et deuxième résistances d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s jusqu’à atteindre une température de sortie TS=30°C) s’avère aussi concluant pour une quantité d’eau supérieure à 11 litres.
Une fois la température de consigne est atteinte, le programme de régulation maintient ladite température.
Pour atteindre une autre température, par exemple 43°C avec une quantité économique d’eau dans les meilleurs délais, l’essai 4 (volume 31 litres) (mise sous tension de la première résistance toute seule en permanence jusqu’à atteindre une température de sortie TS=60°C) s’avère le plus concluant pour une quantité d’eau de 11 litres.
L’essai 3 (volume 31 litres) (mise sous tension des première et deuxième résistances d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s jusqu’à atteindre une température de sortie TS=43°C) s’avère aussi concluant pour une quantité d’eau supérieure à 11 litres.
Une fois la température de consigne est atteinte, le programme de régulation maintient ladite température.
B-2 Programmation du chauffe-eau pour plus d’une personne : pour atteindre une température entre 25°C et 30°C avec une quantité d’eau pour deux personnes dans les meilleurs délais, l’essai 2 (volume 28 litres) s’avère le plus concluant (mise sous tension des première et troisième résistances d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s. A TS=30°C, la première résistance est mise hors tension, les deuxième et troisième résistances sont mise sous tension d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s jusqu’à atteindre une température de sortie TS=30°C).
Une fois la température de consigne est atteinte, le programme de régulation maintient ladite température.
Pour atteindre une autre température, par exemple 43°C avec une quantité d’eau pour deux personnes dans les meilleurs délais, l’essai 2 (volume 28 litres) s’avère le plus concluant (mise sous tension des première et troisième résistances d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s. A TS=30°C, la première résistance est mise hors tension, les deuxième et troisième résistances sont mise sous tension d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s jusqu’à atteindre une température de sortie TS=43°C).
Une fois la température de consigne est atteinte, le programme de régulation maintient ladite température.
C - Mode instantané du chauffe-eau :
Le chauffe-eau est programmé en fonction du besoin.
La température initiale programmée du chauffe-eau est entre 40°C et 45°C.
C-1 Programmation du chauffe-eau pour une seule personne : pour atteindre une température entre 40°C et 45°C avec une quantité économique d’eau dans les meilleurs délais, l’essai 4 (volume 31 litres) (mise sous tension de la première résistance toute seule en permanence jusqu’à atteindre une température de sortie TS=60°C) s’avère le plus concluant pour une quantité d’eau de 11 litres.
L’essai 3 (volume 31 litres) (mise sous tension des première et deuxième résistances d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s jusqu’à atteindre une température de sortie TS=45°C) s’avère aussi concluant pour une quantité d’eau supérieure à 11 litres.
Une fois la température de consigne est atteinte, le programme de régulation maintient ladite température.
C-2 Programmation du chauffe-eau pour plus d’une personne : pour atteindre une température entre 40°C et 45°C avec une quantité d’eau pour deux personnes dans les meilleurs délais, l’essai 2 (volume 28 litres) s’avère le plus concluant (mise sous tension des première et troisième résistances d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s. A TS=30°C, la première résistance est mise hors tension, les deuxième et troisième résistances sont mise sous tension d’une manière alternative chacune pendant une durée d’environ 30s jusqu’à atteindre une température de sortie TS=45°C).
Une fois la température de consigne est atteinte, le programme de régulation maintient ladite température.
D - Mode élimination des légionelles :
Une fois par semaine la température du chauffe-eau atteint automatiquement les 60°C pour l’élimination des légionelles.
E – Disposition des résistances :
La disposition des résistances est variable en fonction de la quantité d’eau minimale à chauffer, souhaitée par l’utilisateur.
Dans un mode de réalisation préférentiel, la première résistance a été placée de telle sorte à avoir une quantité d’eau minimale de 11 litres (selon nos divers essais, c’est une quantité d’eau largement suffisante pour prendre une douche pour une personne).
F – Economie d’énergie :
Au niveau de notre chauffe-eau rectangulaire de volume 31 litres, chauffer une quantité d’eau d’environ 26 litres à 43°C avec une seule résistance chauffante (500W), nécessite une durée de 2h16min (Essai 1) ; une partie non négligeable de cette quantité d’eau chauffée (environ 5 litres) ne sera pas utilisée pour une prise de douche par exemple.
Pour éviter ce gaspillage, le chauffe-eau sera programmé à une température et quantité d’eau souhaitées par l’utilisateur.
Pour les usages courants (25°C), c’est à dire se laver les mains, visage, ablutions, etc., l’essai 4 (volume 31 litres) est le plus approprié. Nous avons obtenu un gain de temps de chauffage de 27min qui se traduit par une économie d’énergie d’environ 60%.
Pour une prise de douche froide à 35°C, pour une seule personne, l’essai 4 (volume 31 litres) est le plus approprié. Nous avons obtenu un gain de temps de chauffage de 50min, ce qui se traduit par une économie d’énergie d’environ 50%.
Pour une prise de douche chaude à 43°C, pour une seule personne, l’essai 4 (volume 31 litres) est le plus approprié. Nous avons obtenu un gain de temps de chauffage de 1h11min, ce qui se traduit par une économie d’énergie d’environ 45%.
Pour une prise de douche froide à 35°C, pour plus d’une personne, l’essai 2 (volume 28 litres) est le plus approprié. Nous avons obtenu un gain de temps de chauffage de 10min, ce qui se traduit par une économie d’énergie d’environ 10%.
Pour une prise de douche chaude à 43°C, pour plus d’une personne, l’essai 2 (volume 28 litres) est le plus approprié. Nous avons obtenu un gain de temps de chauffage de 5min, ce qui se traduit par une économie d’énergie d’environ 4%.
Performances du réservoir en forme de serpentin
Dans le réservoir sous forme de serpentin, pour les utilisations courantes pour une personne, l’essai 4 (volume 3,6 litres) (La résistance R1 est mise sous tension toute seule jusqu’à atteindre une température de sortie TS= 60°C) est le plus concluant.
Une quantité d’eau de 3,6 litres est chauffée à 25°C dans un délai de 6min.
Pour prendre une douche pour une personne, l’essai 5 (volume 11 litres) (Les résistances R1 et R3 sont mises sous tension d’une manière alternative, R1 pendant 13s et R3 pendant 29s jusqu’à atteindre une température de sortie TS= 60°C) est le plus concluant.
Une quantité d’eau de 11 litres est chauffée à 43°C dans un délai de 1h09min.
Vu ce qui précède, pour une utilisation de plus d’une personne le serpentin doit être dimensionné de telle sorte qu’il assure une réserve d’eau de 24 litres minimum et que chaque résistance (R1, R2 et R3) prendra en charge le chauffage d’environ 8 litres.
Dans le cas du réservoir rectangulaire, la phase de refroidissement se déroule de la manière suivante (Graphe -12-) :
- Après 35min de mise hors tension, la température de sortie passe de 60°C à 50°C.
- Après 60min de mise hors tension, la température de sortie est à 43°C.
- Après 1h55min de mise hors tension, la température de sortie est à 35°C.
Dans le cas du réservoir en forme de serpentin, la phase de refroidissement se déroule de la manière suivante (Graphe -13-) :
- Après 45min de mise hors tension, la température de sortie passe de 60°C à 50°C.
- Après 1h29min de mise hors tension, la température de sortie est à 43°C.
- Après 2h37min de mise hors tension, la température de sortie est à 35°C.
En conclusion, en termes de temps de chauffage d’une quantité d’eau de 11 litres, le réservoir rectangulaire s’avère le plus concluant.
Par contre en termes de temps de refroidissement après mise hors tension, le réservoir en forme de serpentin s’avère le plus concluant.
Cela est dû au transfert du chaleur par conduction entre les différentes couches du réservoir rectangulaire, par contre le réservoir en forme de serpentin est constitué de 3 modules reliés par des canalisations de section réduite où le transfert de chaleur par conduction est faible.
Après comparaison des deux modèles, la solution la plus adéquate est de réaliser une conception constituée de plusieurs modules sous forme de réservoirs reliés les uns aux autres au moyen de canalisation ayant une ouverture réduite tel qu’illustré à la de telle sorte qu’on chauffe les modules selon la quantité d’eau souhaitée par l’utilisateur.
Plusieurs tests ont été réalisés, dans le cas des deux types de réservoir, par une dizaine d’utilisateurs, la consommation d’eau chaude pour une prise de douche est d’une moyenne de 15 litres environ.
Ces mêmes tests ont été réalisés dans des conditions similaires que les précédents, toutefois, ces utilisateurs ont été avertis en temps réel de la consommation d’eau chaude, de l’énergie électrique et du coût en sus, ces avertissements sont de types visuels, sonores et lumineux.
La mise à disposition de ces informations en permanence aux utilisateurs a permis de conduire à un comportement d’attention et de bonne gestion de la consommation d’eau chaude ; en effet, pour la même utilisation et les mêmes conditions que précédemment, ces mêmes utilisateurs n’ont pu consommer qu’une quantité d’eau chaude de moyenne 9 litres environ.
On retrouve ici l’intérêt d’un conditionnement des utilisateurs pour les avertir en continu de leur consommation d’eau chaude pour qu’ils puissent changer de comportement et agir en conséquence pour ne consommer que la quantité nécessaire dont ils ont besoins.
Une autre particularité du dispositif de chauffage de la présente invention est qu’il permet de chauffer un local par rayonnement, de cette façon, le revêtement dudit dispositif a un coefficient d’émissivité très grand. Toutefois, le chauffage du local a lieu pendant les saisons froides seulement, c’est la raison pour laquelle le dispositif est enveloppé d’une couverture ayant un coefficient d’émissivité faible pendant les saisons chaudes en vue de réduire fortement le rayonnement de la chaleur dans le local et exploiter cette chaleur pour accélérer le chauffage de l’eau contenu dans le réservoir.
- Ledit dispositif de chauffage d’eau est caractérisé en ce que la surface extérieure dudit réservoir a une émissivité élevée pour rayonner la chaleur dans l’environnement avoisinant pendant la saison froide.
- Ledit dispositif de chauffage d’eau est caractérisé en ce que ledit réservoir est destiné à être enveloppé d’une couverture ayant une émissivité faible pour réduire le rayonnement de la chaleur dans l’environnement avoisinant pendant la saison chaude.
- Ledit dispositif est destiné à remplir plusieurs fonctions et avoir plusieurs utilisations telles qu’il est caractérisé en ce que le réservoir prend une forme géométrique non encombrante qui s’adapte à tout emplacement choisi par l’utilisateur.
- La fabrication du dispositif de chauffage tiendra compte de sa disposition à l’endroit de son installation, son design et sa forme sont fixés sur demande de l’utilisateur.
- Ledit dispositif destiné à être installé dans les sols, les matelas, les fauteuils, etc. en vue d’obtenir des endroits chauds ; il est destiné à servir également comme support de linge et de serviettes pour séchage. Une utilisation en cuisine est également envisagée dans le but de chauffer des aliments par exemple.
- Ledit dispositif de chauffage d’eau est caractérisé en ce qu’il est destiné à être utilisé pour chauffer une multitude d’objets tels que matelas, fauteuils, sol, piscine, linge, serviettes et aliments.
Ce dispositif de chauffage pourra être prévu pour une utilisation telle qu’il pourra être déplacé dans un espace où le chauffage de proximité est demandé. Pour cela, des moyens pour le déplacer tels que des roulettes sont prévus également.
Ledit dispositif de chauffage d’eau est caractérisé en ce que dans un mode de réalisation préférentiel ledit dispositif comprend des moyens pour son déplacement d’un endroit à un autre.
Le dispositif de la présente invention peut être modulaire de telle sorte que des modules puissent s’adjoindre ensemble pour constituer un chauffage composé de plusieurs autres chauffages associés en cascade par exemple. Il pourra être utilisé également pour dégeler les canalisations d’eau où celle-ci est gelée.
Ledit dispositif de chauffage d’eau est caractérisé en ce qu’il est destiné à être associé à d’autres modules chauffants complémentaires.
Ledit dispositif de chauffage d’eau est caractérisé en ce qu’il est destiné pour être utilisé pour dégeler l’eau gelée dans les canalisations.
Le procédé de mise en œuvre du dispositif de chauffage d’eau économique multifonction et multiusage comprend plusieurs étapes qui prennent en considération les différentes conditions de fonctionnement : mise sous tension et hors tension des différentes résistances chauffantes selon l’ordre choisi, mesure des différentes températures issues des capteurs installés, mesure des débits d’eau consommée et calcul des différents coûts conséquents, fonctionnement en mode manuel ou en mode automatique, surveillance de la consommation d’eau en cas d’utilisation.
Le procédé de mise en œuvre dudit dispositif de chauffage comprend les étapes suivantes :
- choisir un mode parmi une pluralité de modes ;
- choisir un fonctionnement parmi une pluralité de fonctionnements ;
- choisir la température de consigne ;
- entrer la quantité d’eau souhaitée ;
- choisir l’heure/les heures d’utilisation de l’eau chaude ;
- mettre successivement sous tension le couple constitué de la dernière résistance chauffante située en bat du réservoir et d’une seconde résistance chauffante sélectionnée parmi les autres résistances chauffantes dans un ordre croissant allant de la première résistance chauffante située à proximité de la sortie d’eau jusqu’à atteindre ladite dernière résistance chauffante, ladite mise sous tension est opérée pendant des durées prédéfinies ;
- lire les températures indiquées par l’ensemble des capteurs de température disposés à proximité des résistances chauffantes ;
- calculer la valeur moyenne de la température de l’eau dans le réservoir ;
- mettre hors tension la pluralité de résistances chauffantes en cas de vérification de la condition de la température moyenne supérieure ou égale à la température de consigne ;
- exécuter la phase d’« Utilisation » de l’eau chaude.
La phase de démarrage du dispositif comprend :
- initialiser les paramètres mis en œuvre dans le processus de traitement des données ;
- lire la température actuelle issue de l’un des capteurs de température disposés sur ledit dispositif ;
- afficher l’heure de l’unité de traitement et la température ;
- choisir un mode d’utilisation parmi une pluralité de modes d’utilisation ;
- choisir un fonctionnement parmi un premier fonctionnement dit « Manuel » ou un second fonctionnement dit « Automatique » ;
- exécuter ledit fonctionnement dudit mode choisi ;
Dans un mode de réalisation préférentiel ledit procédé comprend un premier mode dit « Economique », un second mode dit « Confort » et un troisième mode dit « Instantané ».
Ledit procédé comprend également un premier fonctionnement dit « Manuel » et un second fonctionnement dit « Automatique ».
Ledit premier fonctionnement dit « Manuel » comprend :
- entrer l’heure d’utilisation de l’eau chaude ;
- entrer la température d’utilisation de l’eau ;
- entrer la quantité d’eau souhaitée ;
- reprendre les étapes précédentes en cas de vérification de la condition de l’heure d’utilisation de l’eau chaude est inférieure à l’heure résultant de l’heure actuelle augmentée de la durée nécessaire pour le chauffage de l’eau prescrite pour le mode choisi ;
- calculer l’énergie nécessaire pour ladite utilisation ;
- calculer le coût nécessaire pour ladite utilisation ;
- afficher l’énergie nécessaire d’utilisation et le coût nécessaire d’utilisation ;
- proposer une multitude de choix d’utilisation en cas de vérification de la condition d’existence de solutions plus économiques ;
- lire l’heure actuelle de l’horloge interne de l’unité de traitement ;
- Initialiser un premier indice de rang des résistances chauffantes à sa valeur minimale pour sélectionner la première résistance chauffante ;
- entrer la quantité d’eau à utiliser ;
- initialiser un second indice à sa valeur maximale en cas de vérification du choix de la quantité maximale d’eau choisie ;
- initialiser un second indice à une valeur intermédiaire prédéfinie en cas de vérification du choix d’une quantité intermédiaire d’eau choisie ;
- initialiser un second indice à sa valeur minimale en cas de vérification du choix de la quantité minimale d’eau choisie ;
- exécuter la phase de « Chauffage ».
Ledit second fonctionnement dit « Automatique » comprend :
- initialiser l’indice de rang des jours à 1 ;
- entrer l’heure de début d’utilisation de l’eau chaude pour le jour sélectionné ;
- entrer l’heure de fin d’utilisation de l’eau chaude pour le jour sélectionné ;
- incrémenter l’indice de rang des jours ;
- reprendre les trois étapes précédentes en cas de vérification de la condition d’indice de rang des jours inférieur à 7 ;
- initialiser l’indice de rang des autres usages à 1 ;
- entrer l’heure de début d’utilisation de l’eau chaude pour l’usage sélectionné ;
- entrer l’heure de fin d’utilisation de l’eau chaude pour l’usage sélectionné ;
- incrémenter ledit indice de rang des autres usages ;
- reprendre les trois étapes précédentes en cas de vérification de la condition d’indice de rang des autres usages inférieur à une valeur prédéfinie ;
- initialiser l’indice de rang d’un local à 1 ;
- entrer l’heure de début d’utilisation de l’eau chaude pour le local sélectionné ;
- entrer l’heure de fin d’utilisation de l’eau chaude pour le local sélectionné ;
- incrémenter ledit indice de rang dudit local ;
- reprendre les trois étapes précédentes en cas de vérification de la condition d’indice de rang d’un local inférieur à une valeur prédéfinie ;
- exécuter la phase dite de « Chauffage ».
Dans ce précédé de mise en œuvre dudit dispositif de chauffage d’eau, la phase dite de « Chauffage » comprend :
- exécuter la phase dite d’« Utilisation » en cas de vérification de la condition de débit d’eau chaude non nul ;
- mettre sous tension la résistance chauffante ayant ledit premier indice de rang sélectionné ;
- attendre pendant une durée prédéfinie ;
- mettre hors tension ladite résistance chauffante ayant ledit premier indice de rang sélectionné ;
- mettre sous tension la résistance chauffante ayant ledit second indice de rang sélectionné ;
- attendre pendant une durée prédéfinie ;
- mettre hors tension ladite résistance chauffante ayant ledit second indice de rang sélectionné ;
- mesurer la température du capteur disposé à proximité de ladite résistance chauffante ayant ledit premier indice de rang sélectionné ;
- reprendre les étapes précédentes en cas de vérification de la condition de température mesurée inférieure à l’écart entre la température entrée d’utilisation de l’eau et une température de référence choisie selon l’emplacement du capteur de température sélectionné ;
- incrémenter ledit premier indice de rang des résistances chauffantes d’un rang ;
- reprendre les étapes précédentes en cas de vérification de la condition dudit premier indice de rang différent dudit second indice de rang sélectionné ;
- calculer la température moyenne de l’eau dans le réservoir ;
- calculer la quantité d’eau disponible ayant atteint la température souhaitée ;
- reprendre les étapes précédentes en cas de vérification de la condition de température moyenne calculée inférieure à la température entrée d’utilisation ;
- donner l’ordre d’utilisation de l’eau chaude ;
- exécuter la phase d’« Utilisation » de l’eau chaude.
De même, la phase dite « Utilisation » comprend :
- initialiser le volume consommé d’eau ;
- lire le débit d’eau froide ;
- lire le débit d’eau chaude ;
- exécuter la phase dite de « Chauffage » en cas de vérification de la condition de débit d’eau chaude nul ;
- attendre l’écoulement d’un temps prédéfini ;
- calculer le volume consommé d’eau ;
- calculer le volume restant d’eau dans le réservoir ayant atteint la température d’utilisation ;
- additionner le volume consommé d’eau actuel au volume précédent ;
- afficher et annoncer par message vocal le volume en cours et le volume total consommés d’eau ;
- reprendre les huit étapes précédentes en cas de non vérification de la condition d’arrêt d’utilisation de l’eau chaude ;
- calculer l’énergie électrique consommée ;
- calculer l’énergie électrique consommée ;
- calculer le coût engendré ;
- afficher et annoncer par message vocal l’énergie électrique consommée, la quantité d’eau consommée et le coût engendré ;
- retourner à la phase de démarrage.
 Description des figures Fig.1
La est une illustration du dispositif de chauffage d’eau, avec une vue de perspective (figure -1a-) et une vue de face (figure -1b-), constitué de son réservoir dans sa configuration mise en place selon la présente invention. La figure -1c- est une vue de derrière dudit dispositif. Les figures 1d- et -1e- représentent les vues de côté et des dessus respectivement. La figure -1f- est une illustration d’un modèle de réservoir optimal permettant une plus longue conservation de la chaleur.
Les éléments constituants ledit dispositif sont énumérés ci-dessous :
(100) : représente le réservoir d’eau dont le volume varie en fonction de sa configuration ;
(101) : représente la canalisation d’entrée d’eau au réservoir ;
(102) : représente la canalisation de sortie d’eau du réservoir ;
(103) : représente l’élément chauffant (résistance électrique chauffante de 500 W par exemple) ;
(104) : représente le capteur de température situé à proximité de la résistance chauffante ;
(105) : représente le débitmètre de mesure du volume d’eau de sortie ;
(106) : représente le volume avoisinant une résistance chauffante ;
(107) : représente une lame soudée à l’intérieur du réservoir pour empêcher sa déformation à cause de l’élévation de température ;
(108) : représente une ouverture permettant la circulation libre de l’eau à l’intérieur du réservoir ;
(109) : représente l’anode de magnésium anti calcaire ;
(110) : représente un réservoir élémentaire constituant le réservoir ;
(111) : représente la canalisation étroite reliant les réservoirs élémentaires.
Fig.2
La est une illustration générale du dispositif de chauffage d’eau programmable et économique constitué de son réservoir d’eau et du système de commande associé :
(200) : représente l’unité de traitement permettant de commander le dispositif de chauffage d’eau ;
(201) : représente l’interface de puissance et de sélection des résistances chauffantes ;
(202) : représente l’interface d’acquisition des informations issues des différents capteurs ;
(203) : représente le réseau électrique public ;
(204) : représente une source des énergies renouvelables tels que des panneaux solaires ;
(205) : représente un commutateur pour basculer d’une source d’alimentation à une autre ;
(206) : représente une unité de mesure de la consommation électrique ;
(207) : représente le moyen de signalisation sonore et visuelle.
Outre ces éléments constituants ledit dispositif, il y a également des adaptateurs de tension pour adapter le niveau de la tension à chaque partie du dispositif, des adaptateurs de signaux lumineux et sonores, des adaptateurs pour l’affichage et tout adaptateur considéré comme indispensable à la mise en œuvre dudit dispositif.
Fig.3
La illustre le procédé général de fonctionnement du dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonctions et multiusages.
Fig.4
La (Figure-4a-) illustre l’algorithme du mode économique en fonctionnement dit « Manuel » du dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonctions et multiusages. Cet algorithme est similaire aux autres modes en fonctionnement manuel à la seule différence du délai de chauffage qui est plus court par rapport au mode économique, ces délais de chauffage sont notés De0, Dc0 et Di0 respectivement pour les modes dits « Economique », « Confort » et « Instantané ».
Fig.5
La (Figure-4b-) représente la suite de l’algorithme illustré sur la Figure-4a-.
Fig.6
La (Figure-5a-) illustre l’algorithme du mode économique en fonctionnement dit « Automatique » du dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonctions et multiusages. Cet algorithme est similaire aux autres modes en fonctionnement automatique à la seule différence du délai de chauffage qui est plus court par rapport au mode économique, ces délais de chauffage sont notés De0, Dc0 et Di0 respectivement pour les modes dits « Economique », « Confort » et « Instantané ».
Fig.7
La (Figure-5b-) représente la suite de l’algorithme illustré sur la Figure-5a-.
Fig.8
La illustre l’algorithme de la phase dite « Utilisation » de l’eau chaude.
Fig.9
La (Figure -7a-) illustre l’algorithme de la phase dite « Chauffage » de l’eau.
Fig.10
La (Figure -7b-) représente la suite de l’algorithme illustré sur la Figure-7a-.
Fig.11
La représente le graphes 1.
Fig.12
La représente le graphes 2.
Fig.13
La représente le graphes 3.
Fig.14
La représente le graphes 4.
Fig.15
La représente le graphes 5.
Fig.16
La représente le graphes 6.
Fig.17
La représente le graphes 7.
Fig.18
La représente le graphes 8.
Fig.19
La représente le graphes 9.
Fig.20
La représente le graphes 10.
Fig.21
La représente le graphes 11.
Fig.22
La représente le graphes 12.
Fig.23
La représente le graphes 13.
Graphes
Le graphe -1- représente l’augmentation de la température dans un premier essai dans le cas d’un réservoir rectangulaire de 31 litres.
Le graphe -2- représente l’augmentation de la température dans un second essai dans le cas d’un réservoir rectangulaire de 31 litres.
Le graphe -3- représente l’augmentation de la température dans un troisième essai dans le cas d’un réservoir rectangulaire de 31 litres.
Le graphe -4- représente l’augmentation de la température dans un quatrième essai dans le cas d’un réservoir rectangulaire de 31 litres.
Le graphe -5- représente l’augmentation de la température dans un premier essai dans le cas d’un réservoir rectangulaire de 28 litres.
Le graphe -6- représente l’augmentation de la température dans un second essai dans le cas d’un réservoir rectangulaire de 28 litres.
Le graphe -7- représente l’augmentation de la température dans un premier essai dans le cas d’un réservoir en forme serpentin de 11 litres.
Le graphe -8- représente l’augmentation de la température dans un second essai dans le cas d’un réservoir en forme de serpentin de 11 litres.
Le graphe -9- représente l’augmentation de la température dans un troisième essai dans le cas d’un réservoir en forme de serpentin de 11 litres.
Le graphe -10- représente l’augmentation de la température dans un quatrième essai dans le cas d’un réservoir en forme de serpentin de 11 litres.
Le graphe -11- représente l’augmentation de la température dans un cinquième essai dans le cas d’un réservoir en forme de serpentin de 11 litres.
Le graphe -12- représente la diminution de la température dans le cas d’un réservoir rectangulaire.
Le graphe -13- représente la diminution de la température dans le cas d’un réservoir en forme de serpentin.
Documents brevets
US7190886 B2
WO2015135934A1
Littérature non-brevet
https://www.systemed.fr/plomberie/chauffe-eau-electrique,4922.html#:~:text=L'invention%20du%20chauffe%2Deau,qui%20d%C3%A9pose%20le%20premier%20brevet.&text=En%201932%2C%20il%20pr%C3%A9sente%20dans,Le%20succ%C3%A8s%20est%20imm%C3%A9diat.
https://www.climamaison.com/lexique/thermosiphon.htm

Claims (20)

  1. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusages destiné pour chauffer l’eau dans un réservoir de capacité variable comprenant :
    • une pluralité de résistances chauffantes disposées à l’intérieur dudit réservoir de manière à être en contact avec l’eau à chauffer ;
    • une unité de traitement destinée à commander ledit dispositif ;
    • une pluralité de capteurs de température destinés à mesurer la température de l’eau à différents endroits dudit réservoir ;
    • un capteur de débit destiné à mesurer le débit d’eau chaude écoulée à la sortie du réservoir ;
    • un capteur de débit destiné à mesurer le débit d’eau froide écoulée à l’entrée de la canalisation d’un mélangeur ; et
    • une pluralité d’indicateurs lumineux et sonores destinés à indiquer l’état de fonctionnement dudit dispositif.
    Ledit dispositif est caractérisé en ce qu’il est constitué d’une pluralité de réservoirs élémentaires (110) mis en cascade en forme de serpentin et reliés les uns aux autres au moyen de canalisations (111) ayant une ouverture réduite (Figure -1f-) de manière à limiter le transfert de chaleur par conduction d’un réservoir à l’autre. Ledit dispositif est caractérisé également en ce que lesdites résistances chauffantes sont réparties le long du bord du réservoir de manière à être placées à des endroits définis selon les besoins en consommation de l’utilisateur et mises sous tension électrique de manière indépendante et sélective, lesdites mises sous tension sont effectuées pendant des temps prédéfinis.
  2. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans un mode de réalisation préférentiel le réservoir a une forme rectangulaire ;
  3. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites résistances chauffantes sont mises sous tension de manière sélective ;
  4. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la température de l’eau est obtenue au moyen d’une combinaison des temps de mise sous tension et hors tension et de l’ordre de sélection desdites résistances chauffantes ;
  5. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir prend une forme géométrique non encombrante qui s’adapte à tout emplacement choisi par l’utilisateur ;
  6. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que la surface extérieure dudit réservoir a une émissivité élevée pour rayonner la chaleur dans l’environnement avoisinant pendant la saison froide ;
  7. Dispositif de chauffage programmable, économique, multifonction et multiusage selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que ledit réservoir est destiné à être enveloppé d’une couverture ayant une émissivité faible pour réduire le rayonnement de la chaleur dans l’environnement avoisinant pendant la saison chaude ;
  8. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il est destiné à être utilisé pour chauffer une multitude d’objets tels que matelas, fauteuils, sol, piscine, linge, serviettes et aliments ;
  9. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que dans un mode de réalisation préférentiel ledit dispositif comprend des moyens pour son déplacement d’un endroit à un autre ;
  10. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon les revendications 1 à 9, caractérisé en ce que dans un autre mode de réalisation préférentiel ledit dispositif est également alimenté par des panneaux solaires ;
  11. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il est destiné à être associé à d’autres modules chauffants complémentaires ;
  12. Dispositif de chauffage d’eau programmable, économique, multifonction et multiusage selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il est destiné à être utilisé pour dégeler l’eau gelée dans les canalisations ;
  13. Procédé de mise en œuvre du dispositif de chauffage de la revendication 1, comprenant :
    • choisir un mode parmi une pluralité de modes ;
    • choisir un fonctionnement parmi une pluralité de fonctionnements ;
    • choisir la température de consigne ;
    • entrer la quantité d’eau souhaitée ;
    • choisir l’heure/les heures d’utilisation de l’eau chaude ;
    • mettre successivement sous tension le couple constitué de la dernière résistance chauffante située en bat du réservoir et d’une seconde résistance chauffante sélectionnée parmi les autres résistances chauffantes dans un ordre croissant allant de la première résistance chauffante située à proximité de la sortie d’eau jusqu’à atteindre ladite dernière résistance chauffante, ladite mise sous tension est opérée pendant des durées prédéfinies ;
    • lire les températures indiquées par l’ensemble des capteurs de température disposés à proximité des résistances chauffantes ;
    • calculer la valeur moyenne de la température de l’eau dans le réservoir ;
    • mettre hors tension la pluralité de résistances chauffantes en cas de vérification de la condition de la température moyenne supérieure ou égale à la température de consigne ;
    • exécuter la phase d’« Utilisation » de l’eau chaude.
  14. Procédé de mise en œuvre du dispositif de chauffage de la revendication 1 selon la revendication 13, caractérisé en ce que la phase de démarrage du dispositif comprend :
    • initialiser les paramètres mis en œuvre dans le processus de traitement des données ;
    • lire la température actuelle issue de l’un des capteurs de température disposés sur ledit dispositif ;
    • afficher l’heure de l’unité de traitement et la température ;
    • choisir un mode d’utilisation parmi une pluralité de modes d’utilisation ;
    • choisir un fonctionnement parmi une pluralité de fonctionnements ;
    • exécuter ledit fonctionnement dudit mode choisi ;
  15. Procédé de mise en œuvre du dispositif de chauffage de la revendication 1 selon les revendications 13 et 14, caractérisé en ce que dans un mode de réalisation préférentiel ledit procédé comprend un premier mode dit « Economique », un second mode dit « Confort » et un troisième mode dit « Instantané » ;
  16. Procédé de mise en œuvre du dispositif de chauffage de la revendication 1 selon les revendications de 13 à 15, caractérisé en ce que dans un mode de réalisation préférentiel ledit procédé comprend un premier fonctionnement dit « Manuel » et un second fonctionnement dit « Automatique » ;
  17. Procédé de mise en œuvre du dispositif de chauffage de la revendication 1 selon les revendications de 13 à 16, caractérisé en ce que ledit premier fonctionnement dit « Manuel » comprend :
    • entrer l’heure d’utilisation de l’eau chaude ;
    • entrer la température d’utilisation de l’eau ;
    • entrer la quantité d’eau souhaitée ;
    • reprendre les étapes précédentes en cas de vérification de la condition de l’heure d’utilisation de l’eau chaude est inférieure à l’heure résultant de l’heure actuelle augmentée de la durée nécessaire pour le chauffage de l’eau prescrite pour le mode choisi ;
    • calculer l’énergie nécessaire pour ladite utilisation ;
    • calculer le coût nécessaire pour ladite utilisation ;
    • afficher l’énergie nécessaire d’utilisation et le coût nécessaire d’utilisation ;
    • proposer une multitude de choix d’utilisation en cas de vérification de la condition d’existence de solutions plus économiques ;
    • lire l’heure actuelle de l’horloge interne de l’unité de traitement ;
    • Initialiser un premier indice de rang des résistances chauffantes à sa valeur minimale pour sélectionner la première résistance chauffante ;
    • entrer la quantité d’eau à utiliser ;
    • initialiser un second indice à sa valeur maximale en cas de vérification du choix de la quantité maximale d’eau choisie ;
    • initialiser un second indice à une valeur intermédiaire prédéfinie en cas de vérification du choix d’une quantité intermédiaire d’eau choisie ;
    • initialiser un second indice à sa valeur minimale en cas de vérification du choix de la quantité minimale d’eau choisie ;
    • exécuter la phase de « Chauffage ».
  18. Procédé de mise en œuvre du dispositif de chauffage de la revendication 1 selon les revendications de 12 à 15, caractérisé en ce que ledit second fonctionnement dit « Automatique » comprend :
    • initialiser l’indice de rang des jours à 1 ;
    • entrer l’heure de début d’utilisation de l’eau chaude pour le jour sélectionné ;
    • entrer l’heure de fin d’utilisation de l’eau chaude pour le jour sélectionné ;
    • incrémenter l’indice de rang des jours ;
    • reprendre les trois étapes précédentes en cas de vérification de la condition d’indice de rang des jours inférieur à 7 ;
    • initialiser l’indice de rang des autres usages à 1 ;
    • entrer l’heure de début d’utilisation de l’eau chaude pour l’usage sélectionné ;
    • entrer l’heure de fin d’utilisation de l’eau chaude pour l’usage sélectionné ;
    • incrémenter ledit indice de rang des autres usages ;
    • reprendre les trois étapes précédentes en cas de vérification de la condition d’indice de rang des autres usages inférieur à une valeur prédéfinie ;
    • initialiser l’indice de rang d’un local à 1 ;
    • entrer l’heure de début d’utilisation de l’eau chaude pour le local sélectionné ;
    • entrer l’heure de fin d’utilisation de l’eau chaude pour le local sélectionné ;
    • incrémenter ledit indice de rang dudit local ;
    • reprendre les trois étapes précédentes en cas de vérification de la condition d’indice de rang d’un local inférieur à une valeur prédéfinie ;
    • exécuter la phase dite de « Chauffage ».
  19. Procédé de mise en œuvre du dispositif de chauffage de la revendication 1 selon les revendications de 12 à 17, caractérisé en ce que la phase dite de « Chauffage » comprend :
    • exécuter la phase dite d’« Utilisation » en cas de vérification de la condition de débit d’eau chaude non nul ;
    • mettre sous tension la résistance chauffante ayant ledit premier indice de rang sélectionné ;
    • attendre pendant une durée prédéfinie ;
    • mettre hors tension ladite résistance chauffante ayant ledit premier indice de rang sélectionné ;
    • mettre sous tension la résistance chauffante ayant ledit second indice de rang sélectionné ;
    • attendre pendant une durée prédéfinie ;
    • mettre hors tension ladite résistance chauffante ayant ledit second indice de rang sélectionné ;
    • mesurer la température du capteur disposé à proximité de ladite résistance chauffante ayant ledit premier indice de rang sélectionné ;
    • reprendre les étapes précédentes en cas de vérification de la condition de température mesurée inférieure à l’écart entre la température entrée d’utilisation de l’eau et une température de référence choisie selon l’emplacement du capteur de température sélectionné ;
    • incrémenter ledit premier indice de rang des résistances chauffantes d’un rang ;
    • reprendre les étapes précédentes en cas de vérification de la condition dudit premier indice de rang différent dudit second indice de rang sélectionné ;
    • calculer la température moyenne de l’eau dans le réservoir ;
    • calculer la quantité d’eau disponible ayant atteint la température souhaitée ;
    • reprendre les étapes précédentes en cas de vérification de la condition de température moyenne calculée inférieure à la température entrée d’utilisation;
    • donner l’ordre d’utilisation de l’eau chaude;
    • exécuter la phase d’« Utilisation » de l’eau chaude.
  20. Procédé de mise en œuvre du dispositif de chauffage de la revendication 1 selon les revendications de 12 à 18, caractérisé en ce que la phase dite d’« Utilisation » comprend:
    • initialiser le volume consommé d’eau ;
    • lire le débit d’eau froide ;
    • lire le débit d’eau chaude ;
    • exécuter la phase dite de « Chauffage » en cas de vérification de la condition de débit d’eau chaude nul ;
    • attendre l’écoulement d’un temps prédéfini ;
    • calculer le volume consommé d’eau ;
    • calculer le volume restant d’eau dans le réservoir ayant atteint la température d’utilisation ;
    • additionner le volume consommé d’eau actuel au volume précédent ;
    • afficher et annoncer par message vocal le volume en cours et le volume total consommés d’eau ;
    • reprendre les huit étapes précédentes en cas de non vérification de la condition d’arrêt d’utilisation de l’eau chaude ;
    • calculer l’énergie électrique consommée ;
    • calculer l’énergie électrique consommée ;
    • calculer le coût engendré ;
    • afficher et annoncer par message vocal l’énergie électrique consommée, la quantité d’eau consommée et le coût engendré ;
    • retourner à la phase de démarrage.
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