Brevet FR2364411A1 — publié le 19780407

L'invention a pour objet un réservoir servant au stockage d'un liquide de chauffage, par exemple de liteau, qui se trouve S une température appelée ici modérée pour signifier quelle ne dépasse pas 9000. L'emploi d'un liquide de chauffage a une telle température tend a se généraliser depuis que l'on cherche à exploiter les sources de chaleur telles que les chaudières solaires, les sondages géothermiques, etc... Ces sources peuvent fournir des volumes d'eau assez grands à une température qui peut se situer entre 20 et 400C seulement ; de plus, leur production est susceptible d'être interrompue pendant plusieurs jours de suite au cours de la saison dthiver, quand on exploite la chaleur solaire. I1 est donc nécessaire de pouvoir stocker un volume suffisant du liquide provenant directement de la source d'énergie à une température de 20 à 4000. Il arrive aussi que la source fournisse un liquide à une température de 60 à 800C ; on peut alors utiliser ce liquide directement dans les cireuits de chauffage des bâtiments. Mais cette circonstance favorable est plutôt rare quand le chauffage est assuré par une chaudière ou des insolateurs solaires qui, comme on l'a dit, fournissent plus fréquemment un liquide chauffé à une température se situant entre 20 et 4000. Il est donc nécessaire d'élever la température de ce liquide à une température de 50 à 7000 environ avant de l'envoyer dans les radiateurs de chauffage sinon ces derniers devraient avoir une surface d'échange très importante, souvent inacceptable. Il faut donc prévoir aussi la possibilité de stocker un volume suffisant de liquide de chauf- fage à une température de 50 à 700C. A la sortie des circuits de chauffage, le liquide est refroidi à une température qui peut descendre jusqu'S une valeur de 5 à 100 et il n'est pas toujours possible de le renvoyer directement à la source de chauffage. I1 faut donc prévoir encore la possibilité de stocker un volume suffisant de liquide refroidi se trouvant à une température de 5 à 100C. Il est évident qu'il est très coûteux d'employer trois réservoirs de stockage distincts susceptibles d'avoir chacun une grande capacité. L'invention a donc pour but principal d'apporter un réservoir unique de stockage contenant trois volumes distincts de liquide ayant des températures différentes se situant dans les gammes de 60 à 800C,-20 à OOC, 5 à 100C, l'importance relative de ces volumes pouvant varier constamment et dans des proportions importantes à l'intérieur du réservoir, sans inconvénient. Un but secondaire de l'invention est de combiner avantageusement avec le réservoir unique de stockage un moyen de traitement du volume d'eau se trouvant à la température de 20 à 400C pour diviser ce volume en deux fractions dont l'une est échauffée jusqu'à 60 à 800C et l'autre refroidie à 5 à 1000. On atteint le but principal de l'invention au moyen d'un réservoir allongé en sens vertical pouvant contenir trois couches superposées de liquide se trouvant en état naturel de stratification, la couche supérieure correspondant au volume à température plus élevée allant de 60 à 800C, la couche intermédiaire correspondant au volume à température moyenne allant de 20 à 400c et la couche inférieure correspondant au volume à tempéra ture plus basse allant de 5 à 10 C, ce réservoir étant muni d'un moyen d'introduction à faible vitesse au sein de la couche intermédiaire du liquide provenant de la source de chaleur à une température de 20 à 4000. Selon un mode de réalisation de l'invention, le réservoir est équipé en sens vertical d'une pluralité de vannes d'alimentation raccordées à la source de chaleur et associées chacune respectivement à un détecteur de température de telle sorte que seules peuvent s'ouvrir les vannes en face desquelles se trouve la couche intermédiaire à température de 20 à 4000. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le réservoir unique contient un flotteur ayant une flottabilité déterminée pour qu'il se tienne constamment entre deux des trois couches ; ce flotteur est relié par un tube souple intérieur à une arrivée du liquide venant de la source de chaleur et il présente une sortie de diffusion de ce liquide dans la couche intermédiaire contenue dans le réservoir. Le réservoir est muni par ailleurs d'un orifice supérieur permettant le prélèvement dans la couche supérieure de liquide à température plus élevée en vue de l'alimentation d'un circuit de chauffage ; il a aussi un orifice inférieur par lequel le liquide refroidi venant du circuit de chauffage est introduit dans la couche inférieure et par lequel aussi le liquide à température plus basse peut être repris pour alimenter la source de chauffage. Le liquide à température moyenne (de 20 à 400C) fourni par cette dernière source est introduit dans le réservoir au sein de la couche intermédiaire comme on l'a expliqué plus haut. On atteint le but secondaire de l'invention en envoyant le liquide à température moyenne dans une pompe de chaleur qui fournit une fraction de ce liquide plus chaude envoyée à la couche supérieure et une fraction inférieure plus froide envoyée à la couche intérieure Pour mieux faire apprécier l'invention on donnera maintenant une description de plusieurs exemples de réalisation.On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique en vue extérieure d'un premier mode de réalisation d'un réservoir de stockage conforme à l'invention ; - les figures 2A à 2D sont des schémas d'un réservoir de stockage selon l'invention montrant des variations possibles de l'importance des volumes de liquide contenu en couches superposées dans ce réservoir ; - la figure 3 est une représentation schématique en coupe d'un exemple de réalisation d'un flotteur interne conforme à l'invention ; - la figure 4 est une vue partielle en coupe d'un réservoir selon l'invention et une vue en coupe d'un autre exemple de réalisation d'un flotteur interne équipant ce réservoir ; ; - la figure 5 est une vue schématique montrant un réservoir dessiné en coupe avec un flotteur interne analogue à celui de la figure 4, combiné à une pompe de chaleur conformément à l'invention et raccordé à une chaudière solaire. Le réservoir l.représenté est un cylindre allongé en sens vertical dont la construction est classique en soi. Il peut contenir trois couches superposées d'eau à des températures différentes, par exemple une couche inférieure 2 dont la température se situe dans une gamme de 5 à 1000 environ, une couche intermédiaire 3 dans la gamme de 20 à 40 C environ, une couche supérieure 4 dans la gamme de 60 à 800C environ. Quand le volume intérieur ne subit pas de perturbation ces trois couches ne se mélangent pas ; elles restent en état naturel de stratifi Sur la figure 2C, le circuit d'utilisation continue à réduire le volume de la couche chaude Lt et la chaudière solaire fait croître plus vite le volume de la couche intermédiaire 3. Sur la figure 2D, la consommation de fluide chaud de la couche supérieure 4 a encore diminué et cette couche a vu son volume s'accroître à nouveau. La reconstitution du volume de la couche supérieure chaude 4 peut se faire de la façon suivante. Sur la figure I une vanne de répartition 14 raccorde la canalisation 9 d'une part à la tubulure 11 d'autre part à une canalisation 15 qui aboutit à un appareil complémentaire de chauffage 16 puis revient à l'orifice supérieur 5. De cette façon, quand la couche chaude supérieure 4 a trop diminué de volume, on peut réchauffer à 600C l'eau venant à 200C, par exemple, de la chaudière solaire et lten- voyer directement dans la couche supérieure 4 par l'orifice 5. On peut également prévoir, comme on le montrera mieux plus loin, que l'eau chauffée ainsi à 600C soit envoyée directement à un circuit d'utilisation. Selon un autre mode de réalisation de l'in invention, on dispose à l'intérieur du réservoir 1 un flotteur 17 (figure 3) ayant une flottabilité déterminée pour qu'il flotte constamment entre deux des trois couches, par exemple entre la couche supérieure 4 et la couche intermédiaire 3. Ce flotteur 17 présente une première chambre 18 remplie de gaz ou, de préférence, d'une matière à faible densité comme une mousse de matière plastique et une seconde chambre 19 destinée à contenir de l'eau qui arrive de la chaudière solaire à une température de 20 à 400C. L'importance de la chambre 18 est calculée pour que le flotteur reste en état d'équilibre dans l'eau à 600C. Quand il est immergé dans de l'eau à 300C, ce flotteur subit une poussée plus forte qui tend à le faire monter dans la couche d'eau plus chaude. Dans un réservoir 1 ayant une section droite de lOm2, on peut, en utilisant la moitié de cette surface, donner au flotteur un volume de 10m3. Compte tenu des densités indiquées plus haut, une eau à 300C produira par rapport à l'eau à 600C une poussée supplémentaire de 120 Kg. Ceci montre que le flotteur 17 peut supporter une tuyauterie souple 20 (figures 4 et 5) qui raccorde l'orifice supérieur 5 à la seconde chambre 19 en traversant la première chambre 18. cation, en raison des différences de densité qui sont les suivantes, pour de l'eau à 50C , densité 1 à 300C , densité 0 > 995 à 600c , densité 0,983. Le réservoir 1 a un orifice supérieur 5 et un orifice inférieur 6. Une canalisation 7 raccordée à l'orifice supérieur 5 permet de prélever de l'eau chaude à 600C-800C pour l'utiliser par exemple dans un circuit de chauffage et une canalisation 8 raccordée à l'orifice inférieur 5 permet de renvoyer dans la couche inférieure 2 l'eau utilisée refroidie jusqu'à 5 10 C. Une canalisation 9 apporte de l'eau venant d'une chaudière solaire (non représentée) dont la température peut se situer le plus souvent dans la gamme 20 à 400C.Cette eau doit etre introduire dans le réservoir 1 au sein de la couche intermédiaire 3 A cet effet, dans l'exemple de la figure 1, le réservoir 1 est équipé en sens vertical d'une pluralité de vannes d'alimentation 10, espacées régulièrement qui sont raccordées chacune, d'une part grâce à une tubulure Il à la canalisation 9 venant de la source de chialeur, d'autre part au réservoir 1. A chaque vanne 10 est associé un détecteur de température 12 qui commande ltouver- ture et la fermeture de la vanne 10 correspondante.L'ouverture est commandée quand l'eau qui se trouve à l'intérieur en face d'une vanne quelconque est à une température de 300C, par exemple, comprise dans la gamme 20 à 40 C. Ainsi l'eau qui arrive par la canalisation 9 est toujours envoyée dans le réservoir 1 au sein de la couche intermédiaire 3, quelles que soient les variations de celle-ci. Une canalisation 13 également raccordée à l'orifice inférieur 6 permet de prélever dans la couche inférieure 2 de l'eau refroidie pour alimenter la chaudière solaire. On se reportera maintenant aux figures 2A à 2D pour montrer que les couches 2, 3, 4 peuvent varier considérablement en volume et en position à l'intérieur du réservoir 1. Sur la figure 2A le réservoir -1 est presque rempli totalement par la couche 4 de fluide chaud à 600C, les couches 2 et 3 étant réduites à un volume minimum. Sur la figure 2B, le circuit dtutili- sation ayant été mis en service, la couche 4 a diminué de volume, la couche 2 a augmenté considérablement de volume et la couche 3 a commencé à se gonfler grâce à la marche de la chaudière solaire. En pratique, le flotteur 17 est plus aisément réalisable sous forme cylindrique (figures 4 et 5) avec un diamètre égal à 70/100 environ du diamètre du réservoir 1. Le fond 21 de la seconde chambre 19 est constitué par une tôle présentant de nombreuses perforations. De cette façon, quand le flotteur 17 flotte entre la couche supérieure 4 et la couche intermédiaire 3, l'eau qui vient de la chaudière solaire à une température de 20 à 400C pénètre dans la seconde chambre 19 et en sort à une vitesse faible et régulière par les perforations 22, au sein de la couche intermédiaire 3, sans perturber celle-ci. Quand le flotteur 17 a une première chambre 18 à volume constant remplie de mousse de matière plastique, il évolue toujours avec les fluctuations de l'interface des deux couches 4, 3. En variante, il est possible de remplir la première chambre 18 d'un gaz tel que de l'air et de lui donner un volume variable en séparant cette chambre 18 de la seconde chambre 19 à l'aide d'une membrane élastique 23 (figure 3). On peut alors raccorder à la première chambre 18 un tuyau souple (non représenté) qui sort du réservoir 1 et qui permet de faire varier le volume de la première chambre 18. Ainsi, on peut modifier la flottabilité du flotteur 17 et lui faire occuper un niveau quelconque souhai- table à l'intérieur du réservoir 1.On peut le faire flotter dans l'une quelconque des trois couches 2, 3, 4 quelles que soient les températures de ces dernières. Sur la figure 4, on a montré que le flotteur 17 peut être guidé en sens vertical par un câble 24 tendu dans le réservoir 1 et traversant une ouverture 25 prévue dans le centre du flotteur 17 pour assurer son guidage. Cette variante n'est pas représentée sur la figure 5. Cette figure 5 montre un réservoir de stockage 1 conforme à l'invention faisant partie d'une installation complète avec plusieurs variantes et perfectionnements par rapport à la figure 1. L'eau chauffée par une chaudière solaire comprenant plusieurs insolateurs 26 est dirigée par la canalisation 9 à l'orifice supérieur 5 ; celui-ci est raccordé à l'intérieur du réservoir 1 par une tuyauterie souple 20 à la seconde chambre 19 du flotteur 17. La première chambre -18 de ce dernier est du type à volume variable fermé par une membrane élastique 23. La position du flotteur 17 est donc réglable à volonté ; ce réglage se fait par l'intermédiaire d'une pompe 27 associée à un manomètre et à l'aide de laquelle on peut modifier la pression de l'eau contenue dans le réservoir 1.Ceci a pour effet de modifier le volume de la première chambre 18 et, par conséquent, la flottabilité du flotteur 17. Selon l'invention, il est avantageux de ne pas employer l'appareil complémentaire de chauffage 16 de la figure 1 et de combiner avec le réservoir 1 une pompe de chaleur 28 (figure 5) connue en soi comprenant un évaporateur 29 et un condenseur 30. L'eau venant de la chaudière solaire par la canalisation 9 à une température de 2C à 400C peut être conduite directement par la canalisation 15 au condenseur 30 et à l'évaporateur 29. Il se produit un transfert de chaleur, ainsi qu'il est connu, et on obtient à la sortie du condenseur 30 une eau plus chaude à 50-700C qui est soit renvoyée dans la couche supérieure 4 par une canalisation 31, soit envoyée directement à un circuit d'utilisation par une canalisation 32 dessinée en trait mixte.La canalisation 31 pénètre dans le réservoir 1 où elle se termine, dans la couche su périeure 4, par un diffuseur 33. Celui-ci a pour rôle de ralentir la vitesse de l'eau ; sa construction n'offre pas de difficulté à l'homme du métier. La canalisation 31 sert aussi à prélever dans la couche supérieure 4 de l'eau chaude qui est conduite à l'utilisation par la canalisation 32. A la sortie de l'évaporateur 29 on obtient une eau plus froide, à 5-10 C, qui est dirigée par une canalisation 34 à la canalisation de retour 8 et à l'orifice inférieur 6 pour revenir à la couche inférieure 2. Dans celle-ci, à l'orifice 6 est raccordé aussi un diffuseur intérieur 33. Une canalisation 35 représentée en trait mixte aboutit d'une part au circuit d'utilisation (non représenté) et à l'orifice supérieur 5 à travers la vanne de répartition 14. Elle sert à prélever de l'eau dans la couche intermédiaire 3, quand on le désire, à travers la canalisation 20 et le flotteur 17. Il est possible d'apporter d'autres variantes ou adjonctions à une installation de stockage comprenant un réservoir conforme à l'invention. Par exemple, quand la chaudière solaire est installée dans une région où le gel de l'eau est à craindre, on interpose entre cette chaudière et le réservoir de stockage un échangeur de chaleur 36 représenté en trait mixte avec les canalisations qui sty rapportent. On peut mettre un produit anti-gel dans le volume limité de l'eau qui circule entre les insolateurs 26 de la chaudière et l'échangeur 36. REVENDICATIONS 1 / Réservoir de stockage d'un liquide de chauffage à température modérée, allonge en sens vertical, caractérisé en ce qu'il contient trois volumes distincts de liquide ayant des températures différentes se situant dans les gammes de 60 à 800C environ, de 20 à 400C environ, de 5 à 100C environ, ces volumes constituant une couche supérieure, une couche intermédiaire et une couche inférieure en état naturel de stratification et pouvant varier constamment dans des proportions importantes, ce réservoir ayant un orifice supérieur, un orifice inférieur raccordés respectivement à un circuit de chauffage d'un bâtiment, ainsi qu'un moyen d'introduction à faible vitesse au sein de la couche intermédiaire du liquide de chauffage provenant d'une source de chaleur à une température se situant dans la gamme de 20 à 4000. 20/ Réservoir de stockage selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen d'introduction du liquide au sein de la couche intermédiaire est constitué par une pluralité de vannes d'alimentation espacées en sens vertical raccordées chacune au réservoir et à la source de chaleur et associées chacune à un détecteur de température de telle sorte que seules peuvent s'ouvrir les vannes en face desquelles se trouve la couche intermédiaire à température de 20 à 400C environ. 3 / Réservoir de stockage selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen d'introduction du liquide au sein de la couche intermédiaire est constitué par un flotteur intérieur comprenant une première chambre lui donnant une flottabilité déterminée pour qu'il flotte entre deux couches superposées et une seconde chambre mise en communication avec la couche intermédiaire d'une part et raccordée d'autre part par une tuyauterie souple à l'orifice supérieur du réservoir et à l'arrivée d'eau chauffée provenant de la source de chaleur. 40/ Réservoir selon la revendication 3 caractérisé en ce que le flotteur a une première chambre ayant un volume constant. 50/ Réservoir selon la revendication 3 caractérisé en ce que le flotteur a une première chambre à volume variable limité sur un côté par une membrane élastique, le volume de cette chambre étant modifiable à volonté par l'un quelconque des deux moyens suivants : - un tuyau souple relie la première chambre à l'extérieur du réservoir et à une source de gaz sous pression, - une pompe de pression associée R un manomètre est raccordée au réservoir et permet de modifier la pression du liquide dans ce dernier. 60/ Réservoir selon l'une quelconque des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que le flotteur est un cylindre ayant la première chambre à sa partie supérieure et la seconde chambre à sa partie inférieure cette seconde chambre étant limitée dans le fond-du réservoir par une tôle à nombreuses perforations, la flottabilité de ce flotteur étant déterminée pour qu'il flotte à l'interface des couches supérieure et intermédiaire. 70/ Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le liquide chauffé par la source de chaleur est conduit par une canalisation susceptible d'être raccordée sélectivement au moyen d'introduction du liquide dans la couche intermédiaire, à un circuit d'utilisation de ce liquide chauffé, à un appareil complémentaire de chauffage réchauffant le liquide à 600C environ, la sortie de l'eau réchauffée de cet appareil complémentaire étant elle-même susceptible d'être raccordée sélectivement soit à un circuit d'utilisation soit à la partie supérieure du réservoir pour alimenter directement la couche supérieure. 80/ Réservoir selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'appareil complémentaire de chauffage est une pompe de chaleur ayant un condenseur et un évaporateur reliés chacun dtune part à la canalisation de liquide chauffé venant de la source de chaleur à une température de 20 à 400C, le condenseur étant raccordé d'autre part à la partie supérieure du réservoir pour alimenter la couche supérieure et l'évaporateur étant raccordé d'autre part à la partie inférieure du réservoir pour alimenter la couche inférieure. 90/ Réservoir selon la revendication 1 caractérisé en ce que les canalisations aboutissant à la partie supérieure et à la partie inférieure du réservoir au sein des couches supérieure et inférieure pour fournir ou prélever du liquide sont pourvues dans le réservoir d'un diffuseur apte à diminuer la vitesse de passage du liquide.