Traitement en cours

Veuillez attendre...

Paramétrages

Paramétrages

Aller à Demande

1. FR2446996 - APPAREIL ACCUMULATEUR DE CHALEUR

Note: Texte fondé sur des processus automatiques de reconnaissance optique de caractères. Seule la version PDF a une valeur juridique

[ FR ]
i
APPAREIL ACCUMULATEUR DE CHALEUR
La présente invention concerne un appareil accumulateur de chaleur comprenant un récipient qui contient une matière destinée à accumuler et à fournir de la chaleur respectivement^ pendant sa fusion et sa solidification et un dispositif pour pomper un agent de transport de chaleur dans un circuit oy il est amené en contact d'échange de chaleur avec la matière accumulatrice du type défini ci-dessus.
Il est bien connu que de nombreuses matières à modification de phase, telles que certains sels hydratés, présentent une grande chaleur de fusion qui offre des possibilités intéressantes pour l'accumulation de chaleur à basse température ( inférieure à 100° Celsius ), par exemple pour des systèmes de chauffage solaire ou bien pour un rechargement de chauffe-eau électriques en dehors des périodes de pointe. -
Des sels hydratés de ce genre absorbent de grandes quantités d'énergie dans le processus de fusion qui transforme leur structure cristalline en un liquide ou une solution. Quand le processus est inversé et quand le liquide chaud est refroidi jusqu'au point de fusion, il se solidifie graduellement en formant des cristaux de sel qui grossissent et en dégageant simultanément la chaleur latente qui a été absorbée dans le processus de fusion.
On ne peut pas utiliser un grand nombre de sels hydratés à cause de facteurs tels que la toxicité, l'inflammabilité, l'instabilité chimique et le coût élevé. Parmi les substances restantes, il en existe peu qui présentent des combinaisons particulièrement intéressantes de propriétés, par exemple le sulfate de sodium décahydraté, l'acétate de sodium pentahydraté et le thiosulfate de sodium pentahydraté Cependant il en existe également qui ont une mauvaise conduc tibilité thermique sous une forme cristalline qui a tendance à empêcher la restitution de la chaleur latente. C'est ce problème que l'invention a pour but de résoudre.
Si on utilise un échangeur de chaleur classique, le processus de décharge de chaleur provoque la formation d'une couche progressivement croissante de cristaux sur les parois de 1 ' échang-eur, ce qui se traduit par une diminution rapide de la vitesse de transmission de chaleur. On peut contrebalancer cet inconvénient en augmentant fortement les surfaces de transmission de chaleur, ce qui rend cependant la construction à la fois volumineuse et coûteuse. . Une autre solution au problème consiste à utiliser une transmission de chaleur par contact direct à l'aide d'une huile non miscible, c’est à dire une huile qui n'a pas tendance à se mélanger avec la solution saline. L'huile est pompée par l'intermédiaire de buses placées au fond du récipient de sel hydraté. Du fait de sa faible masse spécifique, l'huile monte rapidement dans la solution saline, en absorbant ou en cédant de la chaleur au passage.
Cet échange de chaleur entre l'huile et la solution est extrêmement efficace.
Un appareil connu de ce genre comporte un tuyau horizontal d'écoulement d'huile qui est placé à proximité du fond du récipient. A partir de buses dirigées vers le bas dans le tuyau, l'huile progresse librement vers le haut jusqu'à la surface lorsque le sel hydraté se trouve sous forme liquide. Pour permettre un fonctionnement de l'appareil ♦ quand les buses sont obstruées par des cristaux de sel, l'extrémité éloignée du tuyau horizontal est reliée à un tuyau vertical dépassant de la surface du sel hydraté, en établissant ainsi un circuit d'huile qui contourne les buses et qui reste ainsi toujours ouvert. Il a pour effet de transmettre la chaleur de l'huile chaude aux buses. A partir du tuyau vertical, l'huile chaude est dirigée vers la surface du sel hydraté où l'action de fusion se poursuit.
Le temps nécessaire à la fusion d'un bloc cristallin solide peut être considérable. Si on ajoute une quantité supplémentaire d'eau au sel hydraté, par exemple pour éviter une fusion incorrecte, un fonctionnement constant de la pompe a tendance à maintenir le sel hydraté solidifié sous la forme d'une boue ou d’une bouillie, c'est à dire dans une condition qui peut accélérer le processus de fusion Une condition défavorable s'établit pendant des opérations de décharge, c'est à‘dire lorsque le système accumulateur cède de la chaleur à l'huile en circulation.
Ce processus se déroule uniformément seulement tant que la température de la solution est supérieure au point de fusion du sel hydraté. Lorsqu'elle tombe en dessous de cette valeur la solution apparaît soudainement comme étant remplie de nombreux Cristaux fins.qui commencent à grossir. Leur aspect et leur grossissement sont accompagnés par un dégagement d’énergie qui a tendance à maintenir une température légère- ment inférieure'au point de fusion. Les gouttelettes d’huile ascensionnelles maintiennent les petits cristaux en suspension dans le liquide tandis que les plus gros descendent lentement jusqu'au fond. Elles produisent alors une obstruction graduelle des buses, ce qui diminue considérablement l'écoulement d'huile bien avant que tout le liquide soit solidifié et que sa chaleur latente soit récupérée.
Si la pompe est arrêtée, soit accidentellement soit intentionnellement, les cristaux se trouvant au fond . ont tendance à geler sous forme d'une structure solide qui assure une obturation effective des passages subsistant dans les orifices de buses. L'invention a pour but d'établir un écoulement continu d'huile à chaque fois que cela est souhaitable, de manière à pouvoir récupérer la chaleur latente à volonté aussi longtemps qu'il en reste dans le système;accumulateur.
Selon l'invention, ce problème est résolu en ce que le circuit comprend un ou plusieurs canaux reliant le côté de décharge d'une pompe à plusieurs orifices ou groupes d'orifices de sortie qui sont répartis dans la matière accumulatrice et en ce qu'il est prévu au moins une valve agencée pour établir et supprimer les liaisons entbe le côté de décharge de la pompe.et les orifices ou groupes d'orifices de sortie dans une séquence prédéterminée. D’autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référencé aux dessins annexés dans lesquels :
la fig. 1 est une coupe verticale d'un mode de réalisation de l'invention ; la fig. 2 est une coupe horizontale faite suivant la ligne II-II de la fig. .1 ; la fig. 3 représente schématiquement le circuit suivi par l'agent de transfert de chaleur ; la fig. 4 est une coupe verticale d'un autre mode de réalisation de l'invention ; · la fig. 5 est une représentation schématique du circuit de l'agent de transfert de chaleur dans le dernier mode de réalisation, et les fig. 6 et 7 sont des vues en perspective montrant des variantes des dispositifs de sortie de l'agent de transfert de chaleur.
Dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur les figures 1, 2et 3, un récipient cylindrique 40, étanche à l'air et pourvu de pieds 41, est entouré par une gaine 42, munie d'une couche d'isolation thermique 43.
La gaine 42 comporte à sa partie supérieure un tuyau d’entrée 44 et à sa partie inférieure un tuyau de sortie 45 permettant la circulation d'un liquide chaud, provenant par exemple d'un collecteur solaire, dans l'intervalle existant entre la gaine 42 et le récipient 40.
Dans la partie supérieure du récipient 40, il est prévu un réservoir d'eau 46 se présentant sous la forme d'un cylindre et pourvu d'un canal central 47 d'un diamètre relativement grand. Le réservoir d'eau 46 comporte à sa partie inférieure un tuyau 48 d'entrée d'eau froide et à· sa partie supérieure un tuyau 49 de sortie d'eau chaude.
Au dessus du réservoir d'eau 46, il est prévu une pompe 50 dont le côté de refoulement ou de pression est relié à une tuyauterie s’étendant verticalement et se composant d'un tuyau extérieur cylindrique 51 et d'un tuyau central cylindrique 52 qui forme un canal central 68, les deux tuyaux 51 et 52 étant disposés coaxialement par rapport au récipient 40. Dans la partie inférieure du récipient 40 le tuyau extérieur 51 est muni de sept chambres de buses 53 se présentant sous la forme de cylindres de faible hauteur.
La chambre de buse placée complètement en bas comporte un certain nombre de branches radiales creuses 54. Chaque . chambre de buse 53 et les branches 54 comportent un certain nombre d'orifices de buses 55, qui sont dirigées en oblique et vers le bas.
Le récipient 40 est rempli jusqu'au niveau d'un sel hydraté approprié, par exemple du thiosulfate de sodium pentahydraté- Au dessus du sel hydraté et jusqu'au niveau 57, le récipient est rempli d'une huile non miscible.
La dilatation thermique du sel hydraté et de l'huile est absorbée par compression de l'air situé au dessus du niveau 57.
La partie supérieure du tuyau central 52 contient un corps de valve mobile se présentant sous la forme d'un piston coulissant 58 relativement lourd dont le mouve- ment dans le tuyau est limité vers le bas par un collet de butée 59 et vers le haut par un collet de butée 60. Ladite partie supérieure du tuyau central forme une chambre de valve 69.
Des parois radiales 61 réparties à intervalles angulaires de 45°, divisent l'espace compris entre le tuyau extérieur 51 et le tuyau central 52 en huit canaux verticaux. Un canal 62 est relié à sa partie supérieure au côté de refoulement ou de pression de la pompe 50 et à sa partie inférieure, par l'intermédiaire d’une ouverture 63, au canal central 68. Le tuyau central 52 comporte une autre ouverture 64 située juste en dessous du piston coulissant 58 et assurant sa communication avec un autre canal-vertical 65. Ce canal 65 est lui-même relié par l'intermédiaire d'une ouverture 66 avec la chambre de" buse située complètement en bas.
Les six autres canaux sont reliés par l'intermédiaire d'ouvertures, qui sont décalées axialement et le long de la circonférence du tuyau central 52, avec la chambre de valve 69 de manière que chaque ouverture soit reliée à un canal différent, qui est lui-même relié à une chambre de buse correspondante 53 par l'intermédiaire d'ouvertures ménagées‘dans la paroi du tuyau extérieur 51. Les ouvertures ménagées dans la paroi de la chambre de valve 69 sont dégagées successivement lors du mouvement de montée du piston coulissant 58.
La fig. 3 représente schématiquement la valve à piston et les liaisons qu'elle contrôle entre la pompe et les différentes chambres de buses.
Dans la position limite inférieure, le piston 58 permet à l'huile débitée par la pompe 50 d'accéder librement à la chambre de buse complètement inférieure 53.
Une position légèrement supérieure du piston établit une liberté d'accès supplémentaire à la chambre de buse immédiatement supérieure, et ainsi de suite. Dans sa position limite supérieure, le piston permet à l'huile d'accéder aux sept chambres de buses. A l'état froid, tout le sel hydraté se présente sous la forme de cristaux solides constituant un bloc plus ou moins cohérent. Si on fait circuler un liquide chaud dans le tuyau d'entrée 44, dans l'intervalle existant entre la gaine 42 et le récipient 40, et dans le tuyau de sortie 45, il en résulte un échauffement du récipient 40 et de son contenu constitué par le sel hydraté et l'huile. A une température prédéterminée de l'huile du récipient 40, la pompe 50 est enclenchée automatiquement. On va supposer dans ce cas que la fourniture de chaleur se poursuit, en faisant monter la température de l'huile au dessus du point de fusion du sel hydraté.
La pompe 50 a tendance à aspirer l'huile se trouvant dans le récipient 40 pour la faire parvenir, par l’intermédiaire du canal 62, de l'ouverture 63, du canal central 68, de l'ouverture 64, du canal 65 et de l'ouverture 66, dans la chambre de buse complètement inférieure 53 et dans ses branches 54 pour que l'huile sorte finalement p>ar les orifices de buses. Lorsque ces derniers sont obstrués par du sel hydraté solide, la pression engendrée par la pompe fait monter le piston 58 jusqu'à ce qu'une liaison soit établie, par l'intermédiaire d'une ou plusieurs des ouvertures du tuyau central 52, avec une ou plusieurs chambres de buses comportant des orifices de buses dégagés.
Puisque la chambre complètement supérieure est placée à un niveau situé aù dessus du sel hydraté, un écoulement non entravé peut toujours s'effectuer par l'intermédiaire des buses de cette chambre.
La chaleur provoque aussitôt la fusion d’une mince couche de sél hydraté sur la paroi intérieure du récipient 40, ce qui débloque les buses situées aux extrémités des branches 54 et ce qui permet un écoulement de l'huile entre la paroi du récipient et le sel hydraté. En même temps, l'huile s'écoulant à partir de la chambre supérieure provoque une fusion des couches supérieures du sel hydraté et,très rapidement des cristaux obstruant les buses de la chambre immédiatement inférieure 53. A chaque fois que le. nombre de buses dégagées est ainsi augmenté, la pression s'exçrçant en dessous du piston 58 diminue et, à intervalles, le piston descend sous l'effet de son propre poids et diminue le nombre des canaux en liaison avec les chambres de buses. De cette manière, l'écoulement d'huile est décalé vers le bas de chaque chambre de buse à la suivante, jusqu’à ce que tout le sel hydraté se trouvant dans le récipient soit fondu, ou bien jusqu'à ce que la fourniture de chaleur cesse.
Lorsque le sel hydraté du récipient 40 a été fondu, l'huile s'écoule en passant par la chambre de buse complètement inférieure. Si la fourniture de chaleur cesse. et si de l'eau chaude est consommée à partir du réservoir 46, la température de l^huile diminue graduellement jusqu'au point où le sel hydraté liquide commence à se ressolidif 1er en dégageant de la chaleur. Pour que ce processus soit enclen cfeé sans refroidissement excessif, il doit exister des cristaux d'amorçage. On résout ce problème en disposant dans le fond du récipient 40 un petit tube 67 qui fest pourvu jde cristaux d'amorçage. Ceux-ci définissent le point d’amorçage de grossissement correct des cristaux à une température juste inférieure au point de fusion du sel hydraté. Le grossissement des cristaux provoque une obturation graduelle des buses de la chambre complètement inférieure 53 et de ses branches 54 et il en résulte que la pression engendrée par la pompe soulève le piston 58 suffisamment pour établir une nouvelle sortie par l'intermédiaire de la chambre immédiatement supérieure, et ainsi de suite-
Par suite de l'agitation causée par l'écoulement d'huile, le grossissement des cristaux se déroule en concor- dance avec la décharge de chaleur. Il est accompagné par une libération correspondante de chaleur qui a tendance à maintenir la température de l'huile au voisinage du point de fusion du sel hydraté pendant tout le processus, jusqu'à ce que tout le sel hydraté soit solidifié.
Dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur les fig. 4, 5, 6 et 7, un récipient cylindrique et étanche à l'air. 70 est monté sur un socle en bois 71, à effet d'isolation thermique, et il est entouré par une gaine 72. Le récipient et la gaine sont eux—mêmes entourés par une couche thermiquement isolante 73. A la partie supérieure, là gaine 72 comporte un tuyau d'entrée 74 et à sa partie inférieure un tuyau de sortiè 75 pour un liquide de transfert de chaleur, canalisé à partir de et vers une . source de chaleur, non représentée, par exemple un collecteur. solaire. Sur la fig. 4, la surface du liquide se trouvant dans l'intervalle 77 existant entre la gaine et le récipient a été désignée par 76- Le volume rempli d'air situé au dessus du liquide est destiné à absorber la dilatation thermique du liquide .-
Dans la partie supérieure du récipient 70, et coaxialement par rapport à celui-ci, il est prévu un réservoir d'eau 79 qui comporte dans son fond un tuyau 80 d'entrée d'eau froide et dans sa partie supérieure un tuyau 81 de sortie d'eau chaude. Le réservoir 79 et la partie verticale du tuyau dRentrée 80 comportent des doubles parois, la paroi extérieure étant pourvue d'ondulations qui établissent un bon contact de conduction de chaleur et qui créent d'autre part un passage d'écoulement de liquide entre les parois afin que du liquide qui a pénétré à cause d’une fuite possible s'échappe par l'extrémité inférieure 81 du tuyau extérieur et permette ainsi de détecter la fuite.
Le récipient 70 est partiellement rempli d'une certaine quantité de sel hydraté, par exemple du thiosulfate de sodium pentahydraté, représenté sur la fig. 4 sous sa forme solide. Au dessus du sel hydraté, il est prévu une certaine quantité d'une huile non miscible 83 et, au dessus de l'huile, un espace rempli d'air 84. Dans le fond du ÎO récipient 70, il est prévu un petit tube 85 contenant des cristaux d'amorçage.
En dessous du réservoir d'eau 79, la paroi intérieure du récipient 70 comporte un certain nombre de tuyaux à buses se présentant sous la forme de tuyaux circu— laires horizontaux 86 qui sont pourvus d'orifices de buses 87 dirigés vers le bas et vers l'intérieur, comme indiqué sur la fig. 5; Ces tuyaux à buses, dont le tuyau supérieur est placé au dessus du niveau de sel hydraté, sont chacun reliés par l'intermédiaire d'un tuyau ou flexible 88 - dont un seul est visible sur la fig. 4 - avec un orifice respectif 89, faisant partie d'un nombre correspondant d'orifices 89 répartis axiaïement dans un corps de valve ou cylindre vertical 90. Un piston coulissant 91 peut se déplacer librement dans le cylindre entre un collet supérieur de butée 92 et un collet inférieur de butée 93. Un tuyau ou flexible 94 assure la liaison de l'extrémité extérieure du cylindre 90 avec le côté de refoulement ou de pression d'une pompe 95 dont le tuyau d'admission 96 pénètre dans la masse d'huile 83.
Dans la condition représentée sur la fig. 4 où le sel hydraté est sous forme solide, la circulation d’un liquide chaud, provenant par exemple d'un collecteur' solaire, dans le tuyau 74, l'espace de gaine 77 et le tuyau'75, provoque un échauffement du récipient 70 et de son contenu consti- tué par le sel hydraté 82 et l'huile 83. La pompe 95 est enclenchée automatiquement et, puisque le sel hydraté solide obture les orifices 87 de tous les tuyaux à buses, à l'exception du tuyau supérieur, là pression d'huile engendrée dans ίο le tuyau 94 soulève le piston 91 jusque dans une position située au dessus de l'orifice complètement supérieur 89 du cylindre 90, en permettant ainsi à l'huile chaude de sortir par les buses dudit tuyau supérieur 86 au dessus de la surface supérieure du sel hydraté 82. La chaleur canalisée à partir du liquide se trouvant dans l'espace de gaine 77 au travers de la paroi de récipient provoque immédiatement la fusion d'une mince couche de sel hydraté se trouvant sur la paroi intérieure, ce qui crée un passage d'écoulement de l'huile par l'intermédiaire du second tuyau à buses 86. Cela provoque une descente du piston 91 sous l'effet de son propre poids et une fermeture de l'orifice supérieur 89.
Au bout d'un certain temps, les orifices de buses 87 sont dégagés par fusion des cristaux le long de toute la partie intérieure du récipient 70 et le piston 91 descend ainsi de lui-même jusque dans une position où il permet à l'huile d'accéder seulement à la chambre de buse complètement inférieure 86. A partir de cette chambre, l'huile chaude monte au travers du sel hydraté fondu le long de la paroi intérieure du récipient, en faisant fondre une quantité progressivement croissante du sel hydraté solide se trouvant au centre du récipient. Le processus se poursuit jusqu'à ce que tout le sel hydraté soit fondu, ou bien jusqu'à ce que la fourniture de chaleur cesse. L'huile cède une partie de sa chaleur à l'eau se trouvant dans le réservoir 79 et la fourniture de chaleur à partir du collecteur solaire peut être automatiquement interrompue quand l'eau atteint une température pré-réglée.
Lorsque de l'eau chaude est prélevée dans le réservoir 79, de l'eau froide pénètre par l'intermédiaire du tuyau 81 et il se produit un refroidissement de l'huile. Quand la température de l'huile tombe en dessous d'un niveau pré-réglé - à savoir environ 46° Celsius dans le cas du thiosulfate de sodium pentahydraté - la pompe 95 est auto- matiquement enclenchée, en obligeant l'huile froide à s'élever au travers de la masse à partir du tuyau à buses inférieur 86. Cela produit une recristallisation d'une partie ,ju sel hydraté, et également un dégagement de chaleur qui eS£ absorbée par l'huile qui cède à son tour de la chaleur au réservoir d'eau 79.
Les petits cristaux de sel formés grossissent de plus en.plus et ils tombent alors au fond du récipient où ils obstruent de plus en plus les orifices de buses du tuyau inférieur. Cela provoque 'une augmentation de la pression d'huile et un relevage du piston 91 en vue de la canalisation de l'huile vers, le tuyau à buses immédiatement supérieur, et ainsi de suite.
La valve à piston représentée sur la fig. remplit une fonction supplémentaire du fait que le piston 91 obture tous les orifices 89 dans sa position inférieure. Cela empêche le sel hydraté fondu de pénétrer dans le tuyau à buses en cas d'arrêt de la pompe, qu'il soit accidentel ou intentionnel.
Lorsque la source de chaleur externe est • inactive, par exemple un collecteur solaire pendant la nuit, et lorsqu'on ne prélève pas d'eau chaude au réservoir 79, la seule perte de chaleur est provoquée par transmission au travers de la couche isolante 73, du socle 71 et des tuyauteries de raccordement. Dans cette condition, il n'est pas nécessaire de faire fonctionner la pompe 96 d'une manière continue, ce qui consomme de l'énergie. Une commande automatique peut assurer la commande de la pompe en vue de produire son fonctionnement intermittent, avec par exemple une minute de marche toutes les cinq minutes. L'effet combiné de la pompe et du poids du piston 91 maintient tous lés tuyaux d'huile constamment remplis d'huile, même lorsqu 'une légère baisse de température provoque une contraction de l'huile. Cela permet d’établir une circulation instantanée de l'huile à chaque fois que la pompe est réenclenchée.
La disposition de la pompe dans l'espace d*air situé au dessus de l'huile permet d'utiliser efficacement la chaleur qui est partiellement transmise à l'huile passant dans la pompe. ,
Dans la.construction représentée sur les 1 dessins, la valve à piston est placée verticalement dans le récipient 70 et le piston est seulement commandé par gravité
En principe, la valve peut être placée de nombreuses autres manières et le piston peut être commandé par ressort.
Egalement l'agencement des tuyaux à buses peut se présenter sous diverses configurations. Les fig. 6 et 7 représentent deux variantes où le tuyau à buses extérieur 97 - correspondant au tuyau à buses 86 des fig. 4 et - est associé à un tuyau à buses intérieur 98, relié en série avec l’anneau extérieur par l'intermédiaire d'un tuyau radial 99. Pour compenser la différence considérable d'éloignement entre la première et la dernière buse des tuyaux, les orifices de buses peuvent être pourvus de diamètres croissants le long des tuyaux. Dans la variante représentée sur la fig. 7, les distances sont réduites en divisant l'anneau extérieur de buses en deux demi-cercles ÎOO, 101 branchés en parallèle et en reliant en parallèle l'anneau intérieur 102 avec les deux demi-cercles par l’intermédiaire d'un tuyau 103.
Lorsque le sel hydraté utilisé a un point de fusion supérieur à la température imposée à l'eau chaude, comme dans le cas de l'acétate de sodium et du thiosulfate de sodium, on peut monter dans le réservoir 2 un élément électrique chauffant auxiliaire. Quand la température de l'eau tombe en dessous de 45° Celsius et quand l'accumulateur est complètement déchargé, l'élément électrique chauffant peut être enclenché automatiquèment.
Une conversion en un chauffe-eau électrique ën vue d'un rechargement en dehors des périodes de pointe ne nécessite que* de petites modifications. On dispose alors l'élément chauffant dans l'huile juste en dessous du réser- voir d’eau et, au lieu de prévoir des tuyaux· externes d’entrée,et de sortie 74 et 75, on établit les raccordements en intégrant l'espace 77 dans le circuit d'huile desservi par la pompe 95.
Bien que les agencements représentés sur les fig. 1 à 4 comportent tous deux des réservoirs de chauffage d'eau incorporés, l'invention peut aussi bien s'appliquer à des appareils accumulateurs de chaleur utilisables dans d'autres buts.