~3 ~`P~7~ ` `
I,a presente invention a pour objet un accumulateur
thermique.
Dans l'emploi de ce que l'on appelle les sources
alternatives d'energie thermique,il est bien connu que la
difficulte que l'on rencontre le plus souvent, est le fait
que l'on soit en presence de deux diagrammes pratiquement
cycliques de production et d'emploi de l'energie thermique,
lesquels se differencient notablement l'un de l'autre soit par
leur développement soit par leur phase. Un cas typique
est celui que l'on rencontre dans des installations utilisant
des panneaux solaires, lesquels produisent de l'energie thermi-
que seulement pendant les heures d'ensoleillement alors que la
. .
demande peut avoir lieu jour et nuit. Si, par exemple,
l'energie est utilisee pour le chauffage d'un edifice, la
demande peut avoir un diagramme dont l'allure est peu variable,
mais qui presente des maxima et des minima disposes d'une
manière differente de ceux de production lies aux heures
d'ensoleillement, par journee de vingt-quatre heures.
Dans ce cas typique, et dans beaucoup d'autres cas,
il est donc necessaire de pouvoir disposer d'un accumulateur
de chaleur qui puisse fonctionner comme un volant thermique
capable d'emmagasiner la chaleur dans les heures o~ elle est
disponible en exces par rapport à la demande, et la cedex
successivement dans les modes et les temps dictes par l'usage.
~ Il est à signaler qu'un tel accumulateur doit pouvoir
conserver la chaleur pour des periodes de temps extrêmement
diverses, allant de quelques heures à une semaine complète
ou même davantage.
Au vu de tels problemes, l'objet principal de la
presente invention est de fournir un accumulateur thermique qui
soit capable d'emmagasiner efficacement la chaleur provenant
d'une source primaire, comme par exemple d'un ensemble de
~.3~ 3
collecteurs solaires.
Un autre objet de l'invention est de fournir un
accumulateur thermique de structure telle que le fluide
d'emploi qui le parcourt puisse absorber de la chaleur d'une
manière non uniforme et puisse subir une stratification thermi-
que permettant son extraction à une temperature toujours
élevée.
Un objet additionnel de l'invention est de fournir un
accumulateur dont la structure facilite autant l'échange
thermique entre le fluide primaire et le fluide d'emploi, que
la stratification thermique du fluide d'emploi.
Encore un autre objet de l'invention est de fournir
un accumulateur thermique de bas cout et de haut rendement.
Selon l'invention, ces divers objects sont satisfaits
a l'aide d'un accumulateur thermique dont la structure est
telle que, d'une par-t, les mouvements convectifs du
fluide qu'il contient soient interdits et, d'autre part,
une sëparation entre la zone chaude et celle froide du
fluide soit maintenue en permanence pour pouvoir lorsque cela
est necessaire, ne soutirer que du fluide chaud jusqula
l'épuisement de ce dernier.
L'accumulateur thermique selon l'invention qui
comprend~ comme tout accumulateur de ce type, un réservoir
bien isolé thermiquement, est caractérisé en ce qulil comprend
en outre au moins une cloison le subdivisant intérieurement
pour déterminer un parcours obli~é pour le fluide qui évolue
du bas vers le haut et pour simultanément bloquer les mouvements
de convection et de mélange du fluide tout en maintenant ainsi
une stratification thermique de ce dernier. Le réservoir ainsi
cloisonné est connecté à la fois à un circuit d'emploi de
manière à ce que le fluide soit pré~eve dans sa partie
supérieure et soit réintroduit dans sa partie inférieure, et à
-- 2 --
~ 3~7~3 ~
à circuit de réchauffement associe à une source chaude, de
manière à ce que le circuit de rechauffement preleve du fluide
froid dans la partie inferieure du reservoir et reintroduisse
le fluide ainsi prelevé après l'avoir rechauffe dans la
partie superieure de ce dernier.
Selon un premier mode de realisation prefere de
l'invention, le circuit d'emploi et celui de rechauffement
communiquenet directement ensemble via le reservoir. On
comprend alors que lorsque les circuits de réchauffement et
d'emploi fonctionnent en meme temps, le fluide rechauffe rein- -;
troduit à l'interieur du recipient par le circuit de rechauffe-
ment est immediatement preleve par le circuit d'emploi sans
etre oblige de circuler dans le reservoir, de meme que le fluide
refroidi reintroduit dans le reservoir par le circuit d'emploi
est immediatement preleve par le circuit de rechauffement
sans circuler dans le reservoir. Ce dernier est donc court-
circuite~>, ce qui bien sûr augmente considerablement le ren-
dement energetique du tout.
Selon un second mode de realisation de l'invention,
le circuit d'emploi communique directement avec le reservoir mais
le circuit de rechauffement ne fait que passer au sein de ce
dernier. Le reservoir qui contient en son sein une pluralite de
cloisons qui le subdivisent interieurement en couches superpo-
sees, est connecte à un circuit d'emploi qui prelève le fluide
chaud contenu dans la partie superieure du reservoir e~ reintro-
duit le fluide utilise dans sa partie inferieure. Le reservoir
comprend egalement un serpentin passan-t dans chacune des couches
superposees et definissant un partous continu perpendiculaire
au parcours suivi par le fluide d'emploi. Ce serpentin est
associe à une source de chaleur avec laquelle il definit un
circuit de rechauffement dans lequel circule un fluide pri-
maire different du fluide d'emploi. Ce fluide primaire passe
dans le serpentin qui croise chacune des couches du reservoir
-- 3 --
~3~73
et chauffent celles-ci. On constate que dans ce cas, le fluide
d'emploi qui aremonte)~ le reservoir de couche en couche
se rechauffe au fur et a mesure pour être a sa temperature
maximale en haut de celui-ci, c'est-à-dire la o~ il est
preleve pour usage.
D'autres caractëristiques et avantages de l'invention
résulteront mieux de la description detaillee qui va suivre de
quelques modes de realisation preferes donnes à titre d'exemple
non limitatif, et illustres dans les dessins ci-~oints dans
lesquels:
- la fig. 1 represente une vue en coupe d'un premier
mode de realisation d'un accumulateur selon l'invention;
- la Eig. 2 represente une première variante du type
d'accumulateur illustre sur la fig. l;
- la fig. 3 represente une seconde variante du type
d'accumulateur illustre sur la fig. l;
- la fig. 4 represente une vue en perspective
partiellement sectionnee d'un second mode de realisation d'un
accumulateur selon l'invention;
- fig. 5 represente une section-verticale de
l'accumulateur de la fig. 4 qui met en evidence le parcours -
du fluide d'emploi;
- la fig. 6 represente une section ortogonale à
celle de la fig. 5, qui met en evidence le parcours du fluide
primaire;
- les figs 7, 8 et 9 illustrent trois types possibles ;
de tuyau~, adoptables pour le c~ircuit d'echange de l'accumula- -
teur de la fig. 4;
- - la fig. 10 représente une vue en perspective
partiellement sectionnee d'une variante du type d'accumulateur
de la fig. 4 avec une cloison à helicolde cylindrique;
- la fig. 11 represente une vue en section verticale
d~une variante du type d'accumulateur de la figO 4;
-- 4 --
"
. . . ": ,
3 ~
- la fig. 12 représente une section selon la ligne
IX-IX de la fig. 11; et
- la fig. 13 représente une vue en perspective
de l'élément d'échange de l'accumulateur illustré dans les
flgs.ll et 12.
En se référant à la figùre 1 des dessins ci-joints
le mode de réalisation illustré comprend un réservoir 1
thermiquement bien isolé, auquel aboutissent deux circuits,
respectivement un circuit 2 de réchauffement du fluide et un
circuit 3 d'emploi. ~ ;
Dans le circuit ~ est interposée une source chaude
4, qui peut avantageusement être une batterie de panneaux
solaires ou un dispositif quelconque de récupération d'énergie
thermique. Le fluide circulant dans ce circuit 2 est préle~é
en bas du réservoir 1 au moyen d'un conduit 5 et est reintro-
duit en haut du reservoir 1 à travers un conduit 6 pourvu d'une
première pompe 7.
La pompe est avantageusement d'un type volumetrique
ou à portee variable, commandée par exemple par un t~ermostat
lie à la temperature du fluide ou par un differentiel.
Le circuit d'emploi 3 est relie à un système
d'util~sation ~ du fluide, selon un cycle qui peut être ferme
ou ouvert.
Dans les deux cas, le retour dans le reservoir 1 du
fluide circulant dans le circuit d'emploi s'effectue dans le
bas du reservoir,via un conduit ~,alors que le prelèvement de
ce meme fluide s'effectue en haut du reservoir, via un conduit
10 equipe d'une pompe 11.
A l'interieur du reservoir 1 est montee une pluralite
de cloisons 12, qui occupent partiellement la section du
reservoir 1 et sont disposees alternativement. Ces cloisons
12 determinent un parcours 13 en forme de S qui cree une
stratification au sein du reservoir et empeche un mélange
-- 5 --
~. .-
~3i~ 3
complet du fluide dans le reservoir à cause des mouvements de
convection et des perturbations associees à l'introduction
ou au prélèvement du fluide.
Le fonctionnement de ce mode de réalisation illustré
sur la fig. 1 est simple. Lorsqu'il n'y a aucun prélèvement
de fluide pour l'emploi, le circuit de réchauffement 2 prelève
le fluide, qui peut etre de l'eau, au bas du recipient et le
réintroduit en haut de celui-ci après l'avoir réchauffé à une
température prédéterminée.
Du à l'impossibilité de brassages à l'intérieur du
réservoir l'on peut noter que pendant le fonctionnement, les
couches stratifiées inférieures vont se réchauffer l'une
après l'autre en allant vers le bas au fur et à mesure que le
fluide se réchauffe. La ligne arbitraire de démarcation entre
les couches chaudes et froides va donc aller en descendant.
Dans le cas où il a soutirage pour un emploi
quelconque, en supposant que la quant:ité prélevée par le circuit
d'emploi est supérieure de celle introduite par le clrcuit de
réchauffement, la ligne de démarcation que l'on considère
comme la ligne idéale de séparation entre le chaud et le froid
va remonter jusqu'à ce que le fluide chaud soit totalement
utilisé.
Tout çaa lieu sans qu'aucun mélange ne soit possible
au sein d~ réservoir, lequel mélange risquerait d'homogénéiser
la température générale à l'intérieur du réservoir à un
nivèau plus bas, ceci correspondant à une perte d'énergie
thermique.
La fig. 2 représente une variante du mode de réalisation
illustré sur la figure 1. Cette variante comprend un réservoir
isolé 101 dont l'intérieur est subdivisé en deux parcours
parallèles 113a et 113b, au moyen de diaphragmes 112.
Le fluide du circuit de réchauffement est prélevé en bas
du réservoir par un conduit 105 et réintroduit en haut de
-- 6 --
~3~7 ;3 ~
celui-ci par un conduit 106 a l'aide d'une pompe 107.
Le fluide d'emploi est quant a lui preleve par un
conduit 110 e~uipé d'une pompe 111 et réintroduit par un conduit
109.
La fig. 3 represente une autre variante du mode de
realisation de la fig. 1. Cette variante comprend un reservoir
201 contenant une helice cylindrique 212 avec des fonctions
analogues aux diaphragmes de la fig. 2. Le circuit de chauffage
est relie à ce reservoir par des conduits 205 et 206 et celui
d'emploi par des conduits 209 et 210. Ces deux variantes de
realisations sont parfaitement equivalentes à celle decrite
en se referant à la fig. 1, avec des caractéristiques de
fonctionnement analogues. Il est bien evident qu'en pratique,
les reservoirs 1, 101 et 201 seront equipes de tous les disposi-
tifs de regulation et de contrôle nécessaires. Il est bien ;
évident egalement que les materiaux et les dimensions peuvent
varier ~ volonte selon les besoins.
En se referant maintenant aux figures 4 et suivantes,
le second mode possible de realisation de l'inventio~ comprend
un reservoir parallelepipedique 51 bien isole par une couche
52 de materiel calorifuge. La chambre interieure 53 du
reservoir 51 est pourvue de parois en forme de plaques 54 de
dimensions telles qu'elles arrivent a toucher trois des parois,
et laissent une ouverture vers la quatrieme des parois creent
par leur disposition alternee un parcours compose par une
succession de S>~; ce parcours est indique par la ligne hachuree
55 sur la fig. 5.
Le fluide d'emploi qui peut être de l'eau puisque
un tel accumulateur peut avantageusement être utilise pour
chauffer de l'eau pour un usage hydrosanitaire ou bien pour le
chauffage de pièces, entre dans le reservoir par un tuyau
d'entree 57 localise dans la partie la plus basse du reservoir
51, et ressort par un second tuyau de sortie localise dans la
.
~ ~l3 g~r7 3
partie la plus haute clu reservoir.
En pratique, une circulation guidee du bas vers le
hau-t se cree donc dans le reservoir 51 qui assure une strati-
fication thermique de l'eau contenue. La circulation se produit
sans qu'aucun mouvement de melange ne soit possible qui pourrait
affecter une telle situation de stratification thermique et
ainsi egaliser la temperature, comme c'est le cas dans les
reservoirs d'accumulation usuels. Le rechauffement de l'eau
contenue dans le reservoir s'effectue au moyen d'un serpentin
59 dispose de manière a traverser transversalement chacu~ des
couches 60 creees par deux plaques consecutives du type 54.
Dans ce serpentin 59 circule un fluide chaud venant
par exemple d'une batterie de panneau~ solaires pas indiques
sur les dessins~depuis le haut vers le bas du reservoir. Ainsi,
le fluide chaud entre par une ouverture superieure 61, et sort
par une sortie inferieure 62. ~'eau a l'interieur du reservoir
et celle circulant dans le serpentin forment donc deux 1ux
contrecroises, qui assurent un plus grand echange de chaleur
dans la partie superieure du reservoir que dans sa partie
2Q inferieure.
Dans le cas o~ aucune eau d'emploi n'est prelevee
par les usagers,l'apport de chaleur due au serpentin 59
slaccumule dans le reservoir. Cette accumulation s'effectue
en descendant de couche en couche au fur et à mesure que chacune
de celles-ci se rechauffe. On peut donc considerer que la ligne
de separation entre la zone chaude et ~ zone froide du
reservoir va en descendant au fur et à mesure de l'accumulation,
malgre l'efficace effet de stratification thermique qui
permet d'avoir de l'eau à température plus haute dans la region
superieure du reservoir que dans le bas de celui-ci. Lorsque
l'on soutire de l'eau d'emploi, celle-ci qui est prelevee en
haut du reservoir sort toujours à la plus haute temperature
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~ ~ 3 ~
disponible, tandis que l'eau froide reintroduite par le bas ne
peut pas provGquer de mouvements internes de melange grâce ~
la presence des plaques 54. L'eau reintroduite ne modifie donc
pas d'une façon substantielle la situation de stratification
si ce n'est que la ligne de separation precedemment definie va
se deplacer en consequence vers le haut.
Les figs 7, 8 et 9 montrent trois solutions possibles
pour realiser le serpentin 59. Dans le premier cas, ce dernier
est constitue par deux tuyaux circulaires cote à cote 63 et 64.
Dans le deuxième cas, le serpentin est constitue par deux
tuyaux cote à cote ayant une section romboidale 65 et 66. Dans
le troisième cas le serpentin est constitue par un tuyau 67
fa~onne en 8. Dans les trois cas, le but est d'avoir la
plus grande surface d'echange à quantite egale de fluide chaud
transporte.
La fig. 10 montre un reservoir de structure differente,
qui est compose par un corps cylindrique 68, evidemment bien
calorifuge, dans l'interieur duquel le parcours de stratifica-
tion de l'eau d'emploi est obtenu par un helicolde cylindrique
69 qui s'enroule preferablement autour d'un noyau central 70.
Un serpentin 71 parcourt selon un trajet transversal les diverses
spirales de l'helice; ce serpentin est parcouru par le
fluide chaud.
Le fonctionnement est le même que celui illustre dans
le cas precedent autant en ce que concerne le mode d'echange
thermique que en ce qui concerne le regime de stratification
thermique qui s'instaure.
Les dessins 11, 12 et 13 illustrent une seconde
variante de l'accumulateur illustre sur la fig. 4.
Dans ce cas aussi, le reservoir qui est indique par
le numero 72 a une forme de parallelepipède, bien qu'il puisse
avoir une autre forme quelconque, cylindrique ou prismatique.
g _
~3~3
Ce réservoir est egalement calorifuge.
Des plaques 73 sont situees au sein de ce reservoir,
lesquelles s'etendent sur une portion de la section interieure
du reservoir. Ces plaques sont parall~les et sont alternative-
ment decalees, afin de determiner un parcours compose de S
successifs indiques par la flèche 74. Ce parcours permet,
comme il a dejà ete decrit, d'obtenir une stratification de
l'eau d'emploi qui entre par un conduit inferieur 75 et est
prelevee, pour l'usage, par un conduit superieur 76. Les
plaques 73 presentent des trous 76a places dans leur zone
mediane et qui peuvent être par exemple carres. Ces trous sont
alignes entre eux.
Dans chacun de ces trous qui sont alignes ensemble
substantiellement à la verticale, est insere un element
radiant d'echange 77, composé par une pluralite de conduits
verticaux 78, de preference ondules et: raccordes à leurs
extremites par des tetes 79 au travers desquelles ils sont ~-~
alimentes par le fluide chaud. Ces cor~duits 78 presentent des
petites plaques transversales de liaison 80 placées dans
une position telle a realiser une continuite avec les plaques
73 lorsque un element radiant 77 est insere dans le reservoir
72. Dans ce cas aussi, le fluide chaud circule depuis le
haut vers le bas du reservoir en suivant un flux croise par
rapport au flux de strati~ication thermique au sein du
reservoir, ainsi qu'au flux du liquide d'emploi qui coincide
d'aïlleurs avec le flux de stratification.
Evidemment, tous les tuyaux et les sections de passage
du fluide primaire chaud ou du fluide d'accumulation ou d'em-
ploi, seront avantageusement dimensionnes selon les caracteristi-
ques des courants et des circuits thermiques. Ainsi, l'on devra
eventuellement prevoir des moyens de circulation pour les
divers circuits et des moyens de contrôle des types usuellement
employes dans ce domaine. En l'occurrence, on devra prevoir
-- 10 --
~3 ~ ~ 3
une pompe de circulation independante qui soit commandee
automatiquement lorsque l'eau ne sera pas soutiree en haut du
circuit d'emploi/ et que le circuit de chauffement sera en
marche, pour renvoyer l'eau d'emploi à la base du recipient.
Tel que precedemment indique et en ne considerant
pas en première approximation les pertes de chaleur vers
l'exterieur, qui pourront quand même être reduites par un
choix adequat des dimensions du reservoir et de l'isolation
thermique, il se forme après un certain temps dans l'accumula-
teur, une stratification de temp~rature qui est lie aux fluxcroises et à leurs temperatures. Cette strafitication peut se
detailler comme suit:
a) une zone superieure à temperature elevee sensiblement egale
pour les deux fluides, à celle d'entree du fluide chauffant;
b) une zone intermediaire dans laquelle se developpe un echange
thermique à travers les parois des conduits, entre le courant
chaud descendant et qui se refroidit, et celui ascendant qui se
rechauffe; et
c) une zone froide inferieure, dans laquelle le courant
descendant a dejà transmis toute sa chaleur de sorte que les
deux fluides sont substantiellement à la même temperature
basse. Il est evident que, si à un moment donr.e après que de
telles zones se sont etablies, l'on commence à prelever de
l'eau chaude~ elle est fournie à la temperature maximale
puisqu'elle est prelevee dans la zone chaude; cette zone va
alors diminuer, pendant que la zone intermediaire va se
deplacer vers le haut, et que la zone inferieure s'agrandit.
Si au contraire la demande diminue, l'on a un
fonctionnement inverse, avec un agrandissement de la zone
superieure, une translation vers le bas de celle intermediaire,
et une reduction de celle inferieure. L'on doit noter qu'en
intervertissant les sens des courants et les temperatures
dans les deux circuits, l'on peut obtenir un ~<accumulateur de
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~3~ 73
froid qui peut s'averer utile en beaucbup de cas pour des
installations de refrigeration ou de conditionnement.
Bien entendu, diverses modifications peuvent etre
apportees aux modes de realisations precedemments decrits,
sans sortir du cadre de la presente invention telle que
definie dans les revendications qui suivent.
12 -
