Brevet FR2128656A1 — publié le 19721020

L'invention concerne un accumulateur de chaleur à surfaces fixes destinées à transmettre la chaleur et sur lesquelles un débit prédéterminé de fluide gazeux de travail est chauffé pendant la période de décharge ; l'invention concerne par ailleurs un procédé d'exploi- tation de cet accumulateur. On sait qu'il existe de nombreuses réalisations d'accumulateurs de chaleur de ce type. Par exemple, les blocs accumulateurs peuvent consister en tôles disposées à distance les unes des autres dans une enveloppe ou en feuillards enroulés en spirales et comportant des camlelures en ondulation, ces tales ou ces feuillards étant chauffés par un fluide gazeux ou liquide, ou éventuellement électriquement, pendant le processus de charge. Les blocs accumulateurs d'un autre mode de réalisation sont formés de tubes remplis par exemple d'un liquide. Selon un autre mode de réalisation connu, les blocs accumulateurs sont des éléments de garnissage en matière céramique. L'invention a pour objet un accumulateur de chaleur et un procédé d'exploitation de ce dernier permettant le chauffage d'un débit prédéterminé d'un fluide liquide ou gazeux porté à la température nécessaire par exemple à un poste d'essai. L'invention concerne d'une part le cas dans lequel la température du fluide de travail doit rester au moins approximativement constante, ctest-à-dire entre des limites étroites de tolérances, pen- dant une certaine période, et, d'autre part,le cas dans lequel la ten- pérature du fluide chauffé de travail doit suivre une courbe voulue, non constante dans le temps, aux différents instants du processus de décharge. Dans les deux cas, l'invention est essentiellement destinée à la réalisation d'un accumulateur de chaleur, dont les blocs accumulateurs extrêmement petits fournissent l'énergie calorifique ne cessaire et dont un appareillage très simple permet de générer cette énergie. Selon la pratique courante de l'art antérieur, la totalité des blocs d'un accumulateur de chaleur était portée pendant le processus de charge à la te.mpératlre néoessaire, qui est fonction de la température voulue de sortie du fluide de travail. Lorsque la température de sortie du fluide chauffé doit rester constante pendant la période de décharge, il faut porter la totalité des blocs accumulateurs à une température légèrement supérieure à cette température de sortie et l'accumulateur de chaleur doit être relativeeient très long. Lorsque le fluide de travail doit rendre différentee températures de sortie pendant la période de décharge, il faut aussi porter la totalité des blocs d'un accumulateur de chaleur de l'art antérieur à une température légèrement supérieure à la température maximale de sortie du fluide de travail pendant la période de charge ou de régénération et ensuite refroidir accessoirement le fluide de sortie avant qu'il ntatteigne son lieu d'utilisation, par exemple un poste d'essai d'engins spaciaux. Cette modification continue de la température de sortie nécessiterait toutefois une commande pratiquement sans inertie extrêmement peu rentable, car les dispositifs nécessaires de commande, en particulier, devraient comprendre un appareillage très compliqué. Selon une particularité essentielle de l'invention, l'accumulateur de chaleur est divisé en au moins deux sections dans le sens de circulation du fluide de travail devant être chauffé et un circuit d'apport de chaleur aux blocs accumulateurs porte les différentes sections à des températures différentes. Selon une particularité essentielle du procédé d'exploitation de l'accumulateur de chaleur selon l'invention, les blocs accumulateurs des différentes sections sont portés à des températures différentes pendant le processus de charge,de manière que la section balayée en dernier par le fluide de travail se trouve au moins approximativement à la température nécessaire de ce fluide aux différents instants du processus de décharge. L'invention permet donc de conférer au fluide de travail devant être chauffé la température voulue de sortie qui, soit reste constante dans les limites d'une plage étroite de tolérance pendant la période de travail, c'est-à-dire pendant le processus de décharge, soit suit une courbe prédéterminée, l'accumulateur de chaleur correspondant selon l'invention comprenant plusieurs sections, contrairement aux modes de réalisation classiques sans division, les blocs accumulateurs ayant des dimensions considérablement réduites et l'appareil~ lage de génération de l'énergie calorifique nécessaire au moyen du circuit de chauffage étant très simplifié. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe axiale schématique d'un accumulateur de chaleur en trois parties destiné à conférer une température constante de sortie au fluide de travail les figures la, lb et le sont des diagrammes de température illustrant les processus pendant l'exploitation de l'accumulateur de chaleur les figures 2 et 3 sont des coupes axiales schématiques d'accumulateurs de chaleur comprenant un grand nombre de sections des tintées au chauffage du fluide de travail suivant une courbe de température déterminée pendant une période de travail ; et les figures 2a, 2b 2c, ainsi que 3a, 3b et 3c illustrent également sous forme de diagrammes les courbes de température régnant dans les accumulateurs de chaleur, c'est-à-dire la courbe de la température de sortie du fluide pendant une période de travail. La figure 1 représente un accumulateur de chaleur en trois parties, dans l'enveloppe 1 duquel trois sections renfermant des blocs accumulateurs 2, 3 et 4 sont superposées. Ces blocs accumulateurs peuvent être par exemple formés de tôles placées à distance les unes des autres ou de structures de tôle en nid d'abeilles à canaux verticaux. Des tubulures 5 et 6 d'arrivée et de départ du fluide de travail, par exemple d'air comprimé, sont raccordées à 11 enveloppe 1 et comportent des vannes 7 et 8 permettant de les ouvrir ou de les fermer. Par ailleurs, des tubulures 9, 10, il et 12 d'arrivée et de départ d'un fluide de chauffage, par exemple d'air comprimé, sont raccordées à ltenveloppe. Des vannes 13, 14, 15 et 16, montées sur ces tubulures sont fermées pendant la période de travail, c'est-à-dire pendant le processus de décharge. Finalement, un conduit 17 relié à la tubulure 11 traverse le bloc accumulateur 2 et un conduit 18 relié à la tubulure 12 traverse les blocs accumulateurs 2 et 3. Le mode d'exploitation de cet accumulateur de chaleur est le suivant : On admet que la section de l'accumulateur est circulaire et que son diamètre est par exemple de 2 m, la hauteur du bloc accumulateur 2 étant de 11,5 m, celle du bloc accumulateur 3, de 3 m, et celle du bloc accumulateur 4, de 1,5 m. On admet qu'un débit d'air comprimé de 1500 kg/s, ayant une pression d'entrée de 17 bars, doit être chauffé dans l'accumulateur ayant les cotes indiquées pendant environ 19 s à 4000C avec une tolérance de 30C. Cet air comprimé peut être, par exemple, destiné à faire des essais sur un engin spatial dans un poste correspondant, la durée d'un essai devant être d'environ 19 s, comme indiqué, et ces essais devant entre effectués plusieurs fois à de longs intervalles de temps au cours d'une journee. On admet qu'à la mise en service, l'accumulateur est à la température ambiante. n doit donc être porté à 4000C.pour la première période de travail. La charge à l'aide d'air comprimé à environ 10 bars et à un débit d'environ 10 kg/s doit durer 4 1/2 heures dans cet exemple de réalisation. L'air comprimé est envoyé à ce débit dans l'accumulateur à une température de 4000C par la tubulure 9, dont la vanne 13 est ouverte,et doit en ressortir par la tubulure 10 dont la vanne 14 est ouverte. Cet air balaye les blocs accumulateurs 2, 3 et 4 pendant environ 3 1/2 heures. Les vannes 7, 8, 15 et 16 sont fermées pendant cette période. Ensuite, la vanne 13 est fermée et la vanne 15 est ouverte pendant environ 30 mn et de l'air comprimé à 6000C est envoyé par le conduit 17 sous un débit de 10 kg/s et sous une pression de 10 bars dans les sections 3 et 4, dont les blocs accumulateurs continuent d'être chauffés. Ensuite, la vanne 15 est fermée et la vanne 16 est ouverte, de l'air comprimé à 6000C étant encore envoyé pendant 30 minutes par le tube 18, égalisent à un débit de 10 kg/s, dans la section 4, dont le bloc accumulateur continue autre chauffé. Après 4 1/2 heures, l'accumulateur de chaleur est dans un état de charge représenté par le diagramme de la figure la. Dans ce dernier, la longueur z de l'accuenlateur de chaleur est portée en mètres sur itaxe des ordonnées et la température T est portée en degrés centigrades sur l'axe des abscisses. On procède alors au premier essai avec les vannes 11, 12, 13 et 14 fermées et les vannes 7 et 8, ouvertes, le fluide de travail qui, dans cet exemple, est de l'air comprimé à un débit de 1500 kg/s et sous une pression de 17 bars, étant envoyé pendant 19 s à travers l'accumulateur et porté à 4000C. La température de sortie reste constante dans les limites admissibles de tolérance pendant toute la durée de essai. A la fin de la période de travail, les blocs accumulateurs ont subi un certain refroidissement et sont partiellement déchargés. Le diagramme de la figure lb représente la courbe de température dans les blocs accumulateurs à cet instant. Les surfaces (2) (3) et (4) sont une représentation de la quantité de chaleur que les sections 2, 3 et 4 contiennent encore. Au cours de la période suivante de régénération, c 'est-à- dire de recharge des blocs accumulateurs (voir figure lo , qui est iden- tique à la figure la), il suffit d'envoyer dans cet exemple d'accumulateur de l'air comprimé au même débit que pendant la première charge décrite, à la ireme pression et aux mêmes températures, mais pendant une période beaucoup plus brève. Ainsi, la première période de charge au cours de laquelle les sections 2, 3 et 4 sont balayées par le fluide de chauffage ne dure que 25 mn, la seconde période (balayage des sections 3 et 4) ne dure que 36 mn et la troisième période (balayage de la section 4) ne dure que 36 mn. L'accumulateur de chaleur est alors à nouveau à un état de charge qui permet l'essai suivant pendant 19 s dans les mêmes conditions. Le processus décrit de charge représente certes un procédé avantageux de chauffage, mais il est bien entendu que d'autres procédés de charge d'un accumulateur de chaleur sont possibles. Par exemple, le fluide de chauffage pourrait aussi être dirigé latéralement entre les sections 2 et 3 et entre les sections 3 et 4 pendant les seconde et troisième périodes de charge. Par ailleurs, l'accumulateur peut aussi comporter plusieurs enveloppes, dont chacune renferme des blocs accumulateurs et ses enveloppes pourraient être superposées ou placées côte à côte ou encore décalées dans l'espace et être reliées par des conduits de fluide de travail et de fluide de chauffage ou pourraient comporter des raccords indépendants aux conduits destinés au fluide de chauffage. Les différentes sections pourraient aussi renfermer des blocs accumulateurs à taux différents de remplissage ou en matériaux différents afin que leurs capacités thermiques atteignent le degré voulu. La répartition des températures dans un accumulateur de chaleur peut être déterminée à la fin d'une période de décharge numériquement sur la base des bilans thermiques ou par des essais, par exemple à " aide de thermo-couples placés dans les blocs accumulateurs.Les conditions dans lesquelles la charge doit être effectuée sont également déterminées numériquement par les bilans thermiques. La figure 2 représente un accumulateur de chaleur destiné à conférer une allure particulière à la courbe de la température de sortie d'lm.e quantité prédéterminée de fluide de travail pendant une période d-termjlée. Ce cas se présente par exemple lorsqu'il faut observer par des essais les phénomènes de fatigue auxquels le matériau d'engins spatiaux est exposé. Les blocs accumulateurs 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 et 27 de l'exemple représenté de réalisation sont séparés par des intervalles dans l'enveloppe 28 dans laquelle ils sont montés. Des fluides de chauffage, qui sont à des températures différentes, balaient les différents blocs accumulateurs perpendiculairement à l'axe de symétrie longitudinal de l'enveloppe pendant la période de charge ou de régénération et portent chacun d'eux à une température préalablement calculée. Des flèches indiquent la direction de la circulation. Le diagramme de la figure 2a représente la gradation de la température à laquelle les différents blocs accumulateurs sont portés à la fin de la charge et le diagramme de la figure 2b représente la quantité de chaleur que les différentes sections contiennent à la fin d'une période de travail pendant laquelle le fluide correspondant a été chauffé. Pendant la période travail ou de décharge, le fluide de travail, qui est par exemple de l'air comprimé, est dirigé dans l'accumulateur de chaleur par une tubulure 29, dont la vanne 30 est ouverte, il balaie les passages des blocs accumulateurs 27 à 20 et ressort par une tubulure 31, dont la vanne 32 est ouverte, pour être dirigé sur son lieu d'utilisation, par exemple sur un poste d'est sai.La température de sortie du fluide de travail monte pendant la période correspondante de la manière représentée sur la figure 2c. La figure 3 représente un accumulateur 40 de chaleur a blocs 41 à 46 et à tubulures 47 et 48 de raccord comportant des vannes 49 et 50. Les figures 3a à 3c sont des diagrammes analogues à ceux des figures 2a à 2c, et représentent par contre la courbe descendante exigée de la température de sortie du fluide de travail pendant une période correspondante. La forme et le matériau des différents blocs accumulateurs, ainsi que les températures choisies du fluide de chauffage peuvent, bien entendu, permettre d'obtenir d'autres courbes de température de sortie. De même que pour le premier exemple de réalisation, l'accumulateur de chaleur pourrait aussi comprendre par exemple plusieurs enveloppes pour le cas où la courbe de la température de sortie du fluide de travail varie et les blocs accumulateurs pourraient etre chauffés aussi en principe par passage du fluide de chauffage dans la direction de l'axe de symétrie longitudinal de l'accumulateur, de la meme manière que dans l'exemple de la figure 1. Alors que dans les exemples des figures 2 et 3, les blocs accumulateurs, dont la réalisation est la même, sont portés à des températures différentes par des fluides de chauffage, dont les températures diffèrent, il est aussi possible de donner des capacités thermiques différentes aux différents blocs et de chauffer tous ceux-ci au moyen de fluides ayant la même température. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent castre apportées aux dispositifs décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Accumulateur de chaleur à surfaces fixes de transfert sur lesquelles un fluide gazeux ou liquide de travail est chauffé à débit prédéterminé pendant la période de décharge, caractérisé en ce qutil est divisé en au moins deux sections dans le sens de circulation du fluide de travail devant être chauffé et il comprend ut circuit d'apport de chaleur par lequel les blocs accumulateurs des différentes sections sont portés à des températures différentes. 2. Accumulateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections renfermant les blocs accumulateurs sont disposées dans une enveloppe commune. 3. Accumulateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des arrivées et départs,pouvant être coupés, de l'apport de la chaleur d'accumulation et du fluide de travail devant castre chauffé. 4. Accumulateur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque section comporte une arrivée et un départ, pouvant être coupés, de l'apport de chaleur et 11 enveloppe comporte un conduit d'arrivée et un conduit de départ obturables du fluide de travail devant être chauffé. 5. Accumulateur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qutau moins un conduit traversant le bloc accumulateur de la première section est destiné à l'envoi de fluide de chauffage sur le bloc accumulateur d'au moins la section située en aval de la première, par rapport au sens de circulation du fluide de chauffage. 6. Accumulateur de chaleur selon la revendication 1, > caractérisé en ce que les blocs accumulateurs des différentes sections sont en des matériaux différents et/ou sont réalisés de manières différentes. 7. Procédé d'exploitation dtun accumulateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs accumulateurs des différentes sections sont chauffés à des températures différentes pendant le processus de charge, de manière que la section balayée en dernier par le fluide de travail reste au moins approximativement à la température nécessaire de sortie de ce dernier aux différents instants du processus de décharge. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le bloc accumulateur d'une section située en amont par rapport au sens de circulation du fluide de travail est à lme température moyenne supérieure à celle de la section suivante située en avals au début du processus de décharge. 9. Pro=JIé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les températures ,3 chauffage des blocs accumulateurs des différentes sections pend-- le processus de charge sont calculées de maniere que la température de sortie du fluide chauffé de travail reste -constante pendant la période de décharge. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les températures e chauffage des blocs accumulateurs des différentes sections pendit le processus de charge sont calculées de manière que le fluide chauffé de travail soit à une température de sortie qui suit une courbe prédéterminée; non constante dans le temps, pendant la période de décharge. 11. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la durée de la période de charge au cours de laquelle le fluide de chauffage balaie les différentes sections de l'accumulateur est un multiple de la dure de décharge.