Brevet FR2081113A1 — publié le 19711203

La présente invention couvre un accçmulateur de chaleur ou de froid comportant un réservoir contenant le liquide à refroidir ou à réchauffer qui traverse l'accumulateur et un échangeur de chaleur constitué par la masse accunulatrice fusible disposée dans une ou plusieurs enveloppes et soumise à l'action du fluide traversant le réservoir tandis qu'un dispositif de chauffage ou de refroidissement sert à réchauffer ou à refroidir cette masse accumuLatrice. On sait que l'on peut utiliser l'énergie à tarif réduit au cours des périodes creuses,telle que le courant de nuit en ce sens que l'on fait comporter à des machines frigorifiques ou productrices d'eau chaude des masses accumulatrices qui absorbent ou abandonnent leur chaleur Latente lorsqu'elles changent d'état, C'est ainsi que la masse accumulatrice est soumise à une charge directement par un élément de chauffage tel qu'une résistance électrique ou bien par un élément de refroidissement tel qu'un serpentin évaporateur. Si un tel serpentin évaporateur se trouve dans un réservoir rempli d'eau, il se forme de la glace au moment de la charge, ctest-à-dire du refroidissement, et cette glace se dépose en couches concentriques sur Les tubes. En raison de ce que le fort accroissement en volume de l'eau peut faire éclater le réservoir, il est nécessaire de prendre des mesures de protection pour limiter l'épaisseur de la couche de glace enrobant les tubes. L'épaisseur maxima admissible de cette couche est d'environ 5 mm, tandis que l'épaisseur de la paroi du serpentin en cuivre est d'environ 1 mm. De ce rapport il résulte que le poids en glace de l'accumulateur de chaleur correspond à peu pres au poids de cuivre.C'est pourquoi les accumulateurs de froid pour la préparation dteau froide ou pour les appareils de climatisation n'ont pu trouver de marché jusqu'a' présent, On connait un dispositif analogue pour l'accu- mulateur de chaleur pour la production d'eau chaude en utilisant Les nitrates hydratés qui fondent à 800. Vn serpentin en cuivre est disposé dans un réservoir rempli par la masse accumulatrice et est narcouru par de L'eau. I1 se forme dans ce cas,d'une manière analogue à ce qi se produit dans un accumulateur de froid, au cours des prélevements d'eau une croate saline entourant le tube du serpentin et cette croate envahit finalement tout l'intérieur du réservoir Un réchauffage provoqué par les baguettes chauffantes distribuées uniformément dans la masse détermine un accroisse ment notable de volume de telle sorte que les parois du réservoir doivent absorber des forces extremement importantes.En fait, dans les dispositifs antérieurs, la masse accumulatrice est chargée elle-meme directement en chaleur ou en froid et se décharge au contact du milieu à chauffer ou à refroidir. L'inconvénient de cette disposition,que la présente invention cherche à supprimer, consiste en ce que Les masses accumulatrices présentent à l'état cristallin nne très grande résistance à La transmission de La chaleur entre le dispositif de refroidissement ou de chauffage et le fluide à refroidir ou à réchaufffer. Pour protéger Les récipients contenant les masses accumulatrices susceptibles de déposer des cristaux, il faut prévoir des dispositifs de réglage dispendieux. L'invention résoud ces différentes difficuLtés grâce à ce que le dispositif de refyoid--issement ou de chauffage ne peut échanger de chaleur qu'avec le liquide qui traverse le réservoir pour être refroidi ou réchauffé et que les surfaces extérieures des enveloppes des masses accumulatrices forment dans le réservoir un système de canaux provoquant sous l'effet de la pesanteur une circulation du liquide traversant Le réservoir d'accumulateur avec abandon ou absorption de la chaleur de la masse accumulatrice contenue dans le réservoir.Il n'y a donc pas,comme dans les appareils connus,d'échange thermique direct entre le dispositif de refroidissement ou de chauffage et les masses accumulatrices et au contraire ce dispositif ne peut plus échanger de chaleur qu'avec le liquide contenu dans le réservoir, liquide qui â son tour échange la chaleur avec les masses accumulatrices disposées dans leurs enveloppes. La masse accumulatrice contenue dans le réservoirfqui peut échanger la chaleur avec le liquide du réservoir, sert ainsi à augmenter pour un même volume le pouvoir réfrigérant ou chauffant de l'accumulateur.On peut donc utiliser qans la partie supérieure de l'appareil un évaporateur beaucoup plus petit que dans le cas des appareils précédents. La circulation déterminée par la pesanteur oblige le liquide contenu dans le réservoir à transmettre la chaleur des masses accumulatrices à l'évaporateur. Dans le cas d'un appareil de chauffageon dispose d'une manière analogue dans la partie inférieure de l'appareil un élément de chauffage, le liquide contenu dans le réservoir transmettant par convexion la chaleur aux masses accueulatrices. L'accroissement en volume de ces dernières empaquetées avantageusement dans des feuilles de matière pLastique ne provoque plus de charge mécanique sur le réservoir et déclenche seulement une déformation négligeable des différentes enveloppes contenant les masses accumulatrices et qui se dilatent dans les intervalles laissés libres entre les éléments accumulateurs, Ceci permet d'augmenter â volonté la surface d'échange thermique entre la masse accumulatrice et le liquide d'ui2isation,râce à quoi l'on obtient une différence de température minima entre les éléments accumulateurs et le liquide prélevé. Il demeure ainsi constamment entre les éléments accumulateurs des intervalles remplis de liquide de telle sorte qu'après un prélèvement subit d'une certaine quantité de liquide d'utilisation,La température de celle-ci coincide avec celle des éléments accumulateurs aussi longtemps que la quantité prélevée n'est Pas supérieure à celle qui est emmagasinée pendant ce temps dans le réservoir.Ceci est vrai aussi bien pour les distributeurs d'eau froide d'où L'on ne prélève jamais au maximum plus de 1/5 litre de boisson que pour les distributeurs d'eau chaude Lors qu' on n'a à prélever que quelques litres pour les besoins de la cuisine. Pour le prélèvement de plus grandes quantités,par exemple pour remplir une batnoire,ces grandes quantités ne sont prélevées qu' des températures beaucoup plus basses.Les accumulateurs de froid conformes à l'invention peuvent être utilisés dans les appareils de conditionnement d'air qui prélèvent la chaleur au cours de la nuit pour réchauffer l'air traversant l'accumulateur et provenant de la fenêtre ouverte voisine,tandis que pendant la journée la machine productrice de froid ne fonctionne pas et que l'air des pièces est refroidi par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur traversé par le liquide porteur de calories, On va maintenant décrire quelques exemples d'atlication de L'invention en se référant aux dessins ci-joints sur lesquels: La fig. 1 est une vue en perspective d'un générateur d'eau froide conforme à l'invention avec arrachenemtn d'une partie de la paroi du réservoir. La fig. 2 représente un appareil de climatisation alimenté en courant de nuit. La fig. 3 est une vue latérale en Dlan de ce générateur d'eau froide. La fig. 4 est une vue en plan de ce même générateur La fig. 5 est une vue en plan partielle de l'échangeur de chaleur faisant partie de ce générateur ra fig. 6 représente un distributeur d'eau chaude conforme à L'invention + La fig. 7 est une coupe schématique de l'enveloppe de masse accumulatrice de ce distributeur suivant la fig. 6. La fig. 8 représente en perspective les extrémités d'une enveloppe de masse accumulatrice pour un distributeur du type représenté en fig. 6. L'appareil distributeur d'eau comporte une machine frigorifique non représentée dont I'évaporatéu 80 est disposé dans le réservoir à.eau 83. Cet évaporateur présente avantageusement des nervures 8L et est disposé au-dessus d'un tas d'éléments accumulateurs constitués par des enveloppes remplies de masse accumulatrice.Ces enveloppes peuvent être constituéas par des coquilles hémisphériques embouties embouties l'une dans l'autre, ces coquilles une fois rempLies étant soudées ou collées l'une à l'autre. Lorsque Le refroidissement est en cours, l'eau qui se trouve dans le réservoir 83 entre les éléments accumulateurs 82 produit un cour-ant de convexion de la chaleur dans la direction des fLèc-es 84, ce qui provoque le refroidissement des éléments amortisseurs 82.Au moment de la décharge,c' est-à-dire du préLèvement d'eau froide, l'eau provenant des canalisations est amenée par La tubulure 85 vers le coin 86 du réservoir pour qu'elle traverse en diagonale le tas d'aeveloppes de masse accumulatrice et sorte par la tubulure 87. La masse accumulatrice distribuée dans les énveloppes éLémentaires retire ainsi la chaleur de l'eau pour l'accumuler sous forme latente.L'essentiel dans la fonde d'exécution représentée réside en ce que le dispositif de refroidissement,à savoir l'évaporateur 81 ne refroidit plus directement las éléments accumulateurs et que le refroidissement de ces derniers se fait par l'intermédiaire de l'eau de canalisation se trouvant dans le réservoir 83, La fig. 2 représente en coupe un appareil de climatisation alimenté en courant de nuit. Non seulement l'appareil de climatisation conforme à L'invention utilise le courant de nuit qui est moins cher que le courant de jour, mais il bénéficie aussi du fait que la température de l'air entourant L'évaporatrjr est inférieure à celle régnant pendant Le jour. Ceci améliore le rendemeïtt thermodynamique du circuit frigorifique.L'appareil comporte un réservoir loo entouré par un isolant 1o9 et disposé dans un carter lol. A l'intéfleur du réservoir loo sont disposés dans des plans verticaux parallèles voinsins des plateaux ac- cumulateurs de chaleur 102, de telle sorte que le liquide remplissant le réservoir, tel que le méthanol ou le tétrachlorure de carbone puisse y circuler aisément. A la partie supérieure du réservoir se trouve un serpentin 104 constitué avantageusement par un tube à ailettes.Comme on le voit sur la fig. 4; les éléments de ce tube sont tels que l'on trouve,au-dessus d'un intervalle sur deux séparant deux plateaux successifs 102, un élément de tube s'étendant ainsi audessus du passage défini par deux plateaux successifs. C'est par ce passage que le méthanol refroidi par échange thermique avec le fluide intérieur du serpentin descend pour remonter dans le passage suivantwau-dessus duquel aucun élément de tube ne se trouve, après avoir retiré la chaleur des éléments accumulateurs constituant les plateaux. Le méthanol convient particulièrement dans ce cas, étant donné que son coefficient de dilatation est un multiple de celui de l'eau et que son point de congélation est très bas.Pendant la nuit, l'évaporation à l'intérieur du serpentin 104 retire de la chaleur.comme décrit, des plateaux accumulateurs et du métha nol. La chaleur est transmise à une température plus élevée à l'atmosphère extérieure par le condenseur 105. Ce condenseur 105 et le compresseur 106 représentés en fig. 4 de la machine frigorifique, sont montés avec le soufflerie 107 dans un compartiment d'extrémité 110 du carter 101. Au moment de la charge, la soufflerie 107 aspire l'air dans la direction des flèches et retire ainsi de la chaleur au condenseur. L'échangeur de chaleur de ce dernier,dont une partie est représentée en fig. 5, comporte plusieurs groupes superposés de tubes. Les groupes extérieurs 109 sont parcourus par le réfrigérant, tandis que les groupes intérieurs 124 débouchent dans le distributeur 125 le long des faces transversales de l'appareil, ce distributeur étant raccordé à une pompe. On s'efforce ainsi d'obtenir un écoulement en diagonale dans cet échangeur de chaleur du condenseur 105. Au cours du fonctionnement de jour, on retire par pompage du méthanol dans le fond du réservoir 100 pour le refouler par l'un des distributeurs 125 et le groupe de tubes vers le deuxième distributeur situé du côté opposé d'où il est amené an point le plus élevé du réservoir.Ainsi, l'appareil peut restituer pendant le jour la chaleur emmagasinée pendant la nuit. Le tétrachlorure de carbone convient particulièrement dans le cas où les produits fusibles d'emmagasinage dans les plateaux 102 ont une densité voisine, parce que l'on peut donner alors aux parois des enveloppes formant ces plateaux une épaisseur faible. On utilise comme masse accumulatrice, conformément à l'invention, un hydrate dont le point de congélation est seulement de -5 ou même de + 50, étant donné ,dans ce cas, que l'échangeur de chaleur en 105 ne peut pas se givrer.Lorsqu'on utilise des masses accumulatrices se solidifant à des températures encore plus basses, on applique conformément à l'invention, une fraction du liquide sortant de cet échangeur de chaleur 105 à son entrée en passant par le distributeur 125, et cela en choisissant le rapport entre le débit de cette fraction et le débit traversant le réservoir 100, de telle manière qie la température de I'échangeur de chaleur 105 traversé par de l'air, demeure au-dessus du point de congélation afin d'exclure tout givrage de l'échangeur de chaleur. On peut également utiliser, conformément à l'invention, de l'eau comme fluide accumulateur de chaleur. La fig. 6 représente un autre appareil conforme à l'invention, cet appareil servant à la préparation d'eau chaude Il comprend un réservoir 1, une tubulure d'amenée 2 , une tubulure de sortie 3, une enveloppe extérieure 4 et un isolant 5. A l'intérieur du réservoir se trouve un dispositif de chauffage électrique 6 et un élément enroulé en spirale 7 formant accumulateur de chaleur. Ce dernier est représenté en plan en fig. 7. Au moment de la charge, l'eau chaude monte à l'intérieur du canal axial 8 resté libre pour être distribuée dans la partie supérieure du réservoir comme indiqué par les flèches 9. L'eau retombe ensuite en abandonnant sa chaleur à l'élément accumulateur 7. Le courant de circulation est maintenu jusqu'à ce que la masse accumulatrice soit chargée. Dans la zone 10 au-dessous de l'élément accumulateur, se trouve un interrupteur, non représenté, commandé par la température, étant donné que c'est là que la température finale est atteinte en dernier lieu. Ainsi, si dans cette zone 10 la température atteint une valeur au-dessus de la température de transformation. de la masse accumulatrice, le chauffage s'arrente automatiquement. tomme on le voit en fig. 7, l'élément accumulateur est constitué par une bande de tôle non ondulée 20 et par une autre bande de tôle ondulée 21, ces deux bandes présentant éventuellement entre elles une troisième bande de tôle 23 assurant une meilleure distribution de la chaleur. A l'extré- mité proche de l'axe, les bandes de tôle ondulée sont repliées comme indiqué en 24 sur la figure, de telle manière que leur développement est égal pour toutes les sections droites perpendiculaires à l'axe du réservoir. Cette forme donnée dans cette zone extrême rend inutile la fermeture des canaux constitués par les tôles ondulées par des recouvriment particuliers à leurs extrémités. La gouttière 25 sert à assurer un écartement déterminé par rapport à la tôle voisine en regard 20. Cette configuration peut stappliquer à des plateaux comportant des couches superposées aussi bien qu'à des couches enroulées en spirale, comme dans le cas représenté. Entre les bandes de tôle 26 et 27 garnies de masse accumulatrice, est disposée une tôle 23 bonne conductrice de la chaleur,pla- cée avantageusement de telle manière que sa profondeur de pé nétration dans la masse soit partout la même et que cette m se puisse être déchargée d'une manière uniforme de sa chaleur. Conformément à l'invention, les parois extérieures 20 et 21 sont établies avantageusement à partir d'un matériau non métallique. On choisit l'écartement 28 et la profondeur de la gouttière 25 pour déterminer les dimensions des canaux disponibles pour le liquide à chauffer, en l'espèce de l'eau. Un élément accumulateur constitué par l'ensemble enroulé en spirale 7 peut présenter une paroi très mince,de manière à compenser de petites modifications de densité de la masse accumulatrice qui y est enfermée, en provoquant de faibles déformations des parois des tôles 21. Une petite quantité d'eau est alors refoulée dans l'appareil vers la canalisation ou bien contrainte de sortir du réservoir par une dérivation la menant vers un autre emplacement. Dans le cas de réservoirs à eau chaude où l'eau chaude ne doit pas être refoulée vers la canalisation, on prévoit une pièce en forme d'accordéon absorbant les modifications de volume produites par la densité variable du produit accumulateur de chaleur. R E V E N D I C A T I O N S le Accumulateur de chaleur ou de froid comportant un réservoir contenant un liquide traversant l'accumulateur pour astre chauffé ou refroidi, une masse accumulatrice fusible portée dans une ou plusieurs enveloppes et~disposée de manière à échanger de la chaleur avec ce liquide traversant l'accumulateur, tandis qu'un-dispositif- est prévu pour chauffer ou refroidir cette masse accumulatrice, cet accumulateur étant caractérisé par le fait que ce dernier dispositif n'est au contact pour échange thermique qu'avec le liquide traversant le réservoir et que les surfaces-extérieures des enveloppes des masses accumulatrices définissent un ensemble de canaux dans le réservoir pour provoquer sous l'effet de la pesanteur une circulation du liquide traversant le réservoir qui absorbe ou abandonne de la chaleur par échange avec les masses accumulatrices portées dans les enveloppes0 2o Accumulateur suivant la revendication 1 pour distributeur d'eau froide, caractérisé par le fait que l'on utilise l'eau d'alimentation à rafratchir comme liquide traversant l'accumulateur et se trouvant au contact pour échange de chaleur, d'une part avec les enveloppes contenant les masses accumulatrices et, d'autre part, avec le dispositif ré réfrigérant0 3. Accumulateur suivant la revendication 1 pour distributeur d'eau chaude, caractérisé par le fait qu! l'on utilise l'eau d'alimentation à réchauffer comme liquide traversant l'accumulateur et se trouvant au contact pour échange de chaleur, d'une part avec les enveloppes contenant les masses accumulatrices et, d'autre part, avec le dispositif de chaude fage. 4o Accumulateur suivant la revendication 1 pour tp- pareil de climatisation, caractérisé par le fait que l'on utilise comme liquide traversant l'accumulateur et échangeant sa chaleur, d'une part avec le dispositif réfrigérant et, d'autre part, avec la masse accumulatrice, du tétrachlorure de carbone ou du méthanol,qui transmet au cours du char gemment de l'appareil la chaleur de la masse accumulatrice au dispositif réfrigérant constitué par l'évaporateur d'un circuit réfrigérant et qui transmet au cours du déchargement à la masse accumulatrice la chaleur d'un échangeur de chaleur disposé en-dehors du réservoir pour refroidir l'air des pièces à refroidir. 5. Accumulateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la masse accumulatrice est subdivisée en un grand nombre d'enveloppes semblables enfermant chacune une fraction de la masse accumulatrice, ces enveloppes avantageusement en matière plastique occupant en vrac une partie de l'intérieur du réservoir. 6. Accumulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérf par le fait que la masse accumulatrice est subdivisée en un grand nombre d'enveloppes semblables enfermant chacune une fraction de la masse accumulatrice, ces enveloppes juxtaposées verticalement formant entre elles des canaux traversant le réservoir de l'accumulateur dans le sens vertical.