Brevet FR2407434A1 — publié le 19790525

L'invention concerne un dispositif de stockage thermique à- chaleur latente. Un tel dispositif est utile lorsque on dispose d'une source de chaleur intermittente, le soleil par exemple, pour satisfaire des besoins continus, par exemple le chauffage d'une maison, ou lorsque une source de chaleur continue doit satisfaire des besoins intermittents, par exemple un appel d'eau chaude dans une salle de bain. Le stockage de chaleur par chaleur latente de fusion a pour intérêt a) d'éviter la dégradation de la chaleur prélevée due aux pertes thermiques pendant le stockage, à la stratification imparfaite de température dans le réservoir au cours du prélèvement d'énergie (intérêt pour la production d'eau chaude sanitaire, pour le chaux fage, et également pour l'utilisation de la chaleur dans un cycle thermodynamique). b) de réduire l'encombrement du réservoir de stockage pour une même énergie thermique stockée c) de fonctionner avec de faibles écarts de température, ce qui diminue le risque d'entartrage d) de s'adapter au rendement optimal des capteurs, lorsque l'énergie est captée par des panneaux-solaires. Les dispositifs de stockage proposés jusqu'à présent sont peu pratiques à mettre en oeuvre. Le matériau dont on utilise la chaleur latente de fusion, un sel par exemple, est contenu dans une enveloppe qui le sépare du fluide caloporteur assurant les échanges thermiques (air, eau et glycol, huile, selon le type d'application et le domaine de températures correspondant). Cette enveloppe à travers laquelle doivent s'effectuer les échanges de chaleur doit assurer un bon contact thermique avec le matériau en cours de eo- lidification, et doit également réster étanche pour éviter la dé- gradation du sel par modification de son taux d'hydratation.Les enveloppes en forme de billes n'assurent plus le contact avec le matériau à cause du retrait en cours de solidification. I1 en est de même des tubes métalliques contenant un sel, dont les extrémit6 scellées sont la cause de fuites, et qui ne sont pas aptes autre assemblés pour constituer à prix acceptable le grand volume néces- saire pour le stockage. Les enveloppes en un matériau plastique cours tituant des modules en forme de briques aplaties au contact desquelles circule le fluide d'échanges supportent mal les contraintes mécaniques cycliques dues à la différence de densité du sel de l'état liquide à 1tétant solide, et ces enveloppes perdent leur étanchéité. La présente invention a pour but la réalisation dtun dispositif de stockage thermique à chaleur latente dont la mise en oeuvre est facile et pas coûteuse, et qui peut notamment s'adapter à des accumulateurs à eau chaude de toutes tailles pour en accroître le rendement, grâce à une meilleure stratification des températures,et la capacité de stockage. Elle a pour objet un dispositif de stockage thermique à chaleur latente comportant - une cuve munie d'une entrée et d'une sortie pour permettre la circulation d t un fluide caloporteur, - dans cette cuve, au moins un tube fermé contenant un matériau de stockage thermique susceptible de se liquéfier en absorbant de la chaleur et de se solidifier en restituant la chaleur absorbée, - et au moins un support pour ce tube, caractérisé par le fait que ce tube est souple, présente une longueur supérieure à la plus grande dimension de la cuve, et est replié sur lui-même de manière à être contenu dans la cuve. Le tube souple est avantageusement enroulé sur lui-même en spirale de manière à former une galette plate, et la cuve contient de préfë- rence un empilage vertical de plusieurs telles galettes plates qui sont disposées horizontalement.Le tube est enroulé en spirale à spires sensiblement jointives dans chaque galette, des intervalles de circulation étant ménagés entre les galettes horizontales successives de 11 empilage. Un séparateur est disposé dans chacun de ces intervalles de manière à séparer cet intervalle en deux zones qui sont une zone supérieure dans laquelle le fluide caloporteur circule au contact de la face inférieure de la galette supérieure à cet intervalle, et une zone inférieure dans laquelle ce fluide circule au contact de la face supérieure de la galette inférieure. Chaque galette comporte un orifice central, chaque séparateur s t étendant en regard de toute la surface des galettes adjacentes y compris leurs orifices centraux, en laissant un passage libre à sa périphérie pour faire communiquer la zone supérieure avec la zone inférieure de l'intervalle correspondant. Chaque séparateur présente avantageusement la forme d'une feuille ondulée rigide de manière à constituer un support pour la galette supérieure, par appui de cette galette sur les lignes sommitales des ondulations. Chaque séparateur comporte avantageusement plusieurs ondulations réparties angulairement autour de son centre, chaque ondulation s'étendant du centre vers la périphérie selon une ligne en spirale faisant un angle progressiverent croissant avec les rayons quand elle s'éloigne du centre. Le tube souple présente avantageusement une section déformable de xanSre à suivre les variations de volume du matériau de stockage thermique. n peut Outre constitué par un polymère organique extrudable comportant une charge theiniqu-ent conductrice, par exemple un caoutchouc à base de silicone du type dimethyl contenant 18 % d'oxyde de titane TiO2 et 12 % d'oxyde de zinc ZnO. On peut consulter à ce sujet le docunent suivant E.H. RATCLIFFE "Thermal conductivity of silicone rubber and some other elastomers" Transactions of the Institution of the Rubber Industry, Vo, 38, n 5 (1962). A l'aide des figures schématiques 1 à 4 ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment ltinvention peut être mis en oeuvre. Les él**ents qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les mameJ signes de référence. La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention comportant une cuve cylindrique, le plan de coupe passant par l'axe du cylindre. La figure 2 représente un détail de la figure 1. La figure 3 représente une vue en perspective d'une galette du dispositif de la figure 1. La figure 4 représente une vue en perspective d'un séparateur du dispositif de la figure 1. Un tube de grande longueur souple ou semi-rigide, en caoutchouc ou en polythène, contient le matériau de stockage constitué par un sel absorbant la chaleur par fusion et la restituant par solidification.Le tube a un diantre d'environ 5 cm et une épaisseur de auelques millimètres. Selon un mode non représenté de réalisation de l'invention, ce tube peut être entouré d'un jonc qui constitue simultanément un espaceur permettant la circulation d'eau au contact du tube, et un léger frettage du tube limitant son gon un autre flement pendant les étapes de fabrication et de pose. Selon e de réalisation représenté notamment figure 3, ce tube 2 peut être \à spires jointives / enroulé en spiralelautour daun axe vertical pour former une galette plane horizontale.On constitue une bobine par un empilage de galettes successives occupant la majeure partie du volume intérieur dlune cuve cylindrique 12 (figure 1). Cet enroulement peut soit être exécuté directement dans la cuve, soit sur mandrin avant dtêtre installé dans la cuve 12. Celle-ci contient en outre l'eau qui est utilisée comme fluide caloporteur et qui circule au contact des galettes. Le tube est obtenu en grande longueur par un procédé d'extrusion et fermé par soudure à ses deux extrémités 5 (figure 3). Dans le cas d'un tube semi-rigide, le remplissage du tube par le sel fondu 1 peut ne s'effectuer qu'auprès enroulement. Le rapport du volume de sel au volume d'eau présent dans llenceinte autour des tubes dépend du type dtapplication proposé. Ce rapport est aussi fort que possible lorsque le stockage serttlniquement au chauffage permanent. Par contre, lorsque l'utilisation de la chaleur stockée estintermittente (eau chaude sanitaire), il convient de laisser subsister dans le réservoir de stockage un volume d'eau au moins égal à la quantité maximale prélevée occasionnellement. En effet, la conduction thermique à travers la partie du sel à l'état solide, et à travers l'enveloppe dont la conductivité thermique diffère peu de la précédente ne s1 effectue que lentement, entre deux prélèvements successifs suffisamment espacés. Le dispositif ainsi constitué est à stratification de température selon la hauteur bien que la température de fusion du sel soit la même dans le tube sur toute la hauteur de la cuve : en effet, au cours du prélèvement d'énergie, de l'eau froide pénètre à la base du réservoir, créant à ce niveau une solidification plus rapide dans le tube ; lorsque l'eau stélève, la différence de température entre l'eau et le sel fondu se réduit, ce qui modifie la vitesse de solidification qui décroît bien que l'épaisseur de la couche de sel à 1 t état solide soit moindre aussi.L'intérêt d'un taux de solidification décroissant de bas en haut dans la cuve est d'obtenir un soutirage d'eau chaude à une température plus proche de la température de fusion du sel quten l'absence de stratification, compte tenu de la faible valeur de la conductivité thermique du sel solide et de celle du matériau d'enveloppe. La cuve est nécessairement reliée à un vase d'expansion, par suite de la forte réduction de volume du sel lors de sa solidification ; cette réduction peut atteindre 20 %. Moins la quantité de chaleur restant stockée est grande, plus la résistance thermique à travers la couche à l'état solide est grande. L'utilisation d'un tube souple (caoutchouc,polythène, etc...) permet a) de conserver le contact mécanique et thermique avec le sel au cours de la solidification, ce qui nta pas toujours lieu dans un tube rigide, vertical ou horizontal, b) de briser à plusieurs reprises la couche à l'état solide au début de sa formation, la pression de l'eau transmise à travers le tube stexercant à rencontre de la très faible tension de vapeur de sel au dessus du niveau de liquide pendant la solidification d'où une réduction de la résistance thermique. Selon la résistance mécanique du tube, on peut admettre un écoulement du sel a l'étant liquide, de la partie haute à la partie basse de l'enroulement, par gravité, ce qui a pour effet de vider les spires hautes et de conserver aux spires basses et interné~ diaires un diamètre constant pendant leur solidification. Lorsque le stockage d'énergie thermique a lieu de nouveau, par un apport d'eau chaude à la partie haute, une liquéfaction du sel se produit de proche en proche de haut en bas au contact de la paroi du tube ; 11 écoulement du liquide a lieu de bas en haut dans les spires, et ltobstruction presque complète par les fragments pseudocylindriques de sel à l'état solide jusqu'à la fin de la liquéfaction crée sans inconvénient un gonflement de 10 % du diamètre des tubes en caoutchouc ou polythène. Le tube contenant le matériau de stockage peut être semi rigide et de forme elliptique, ce qui présente les avantages suivants - le tube peut gonfler sans dommage pendant la fusion du matériau de stockage, dans le cas général où une évacuation du surplus liqué- fié ne peut avoir lieu. - à section donnée, le périmètre du tube, plus grand que celui d'un tube circulaire, permet d'obtenir dès le début du déstockage une résistance thermique moindre. - lorsqu'aucun déplacement longitudinal de matériau à l'état liquide nla lieu, le tube peut s'aplatir sans dommage au cours de la no- lidification du matériau de stockage. Soumis 6 sur sa paroi externe à la pression de l'eau, le tube déformable prend appui sur une couche d'abord peu épaisse de matériau à l'état solide. La pression du matériau liquide décroissant vers la pression de vapeur résiduelle, des ruptures répétées de la couche elliptique, mécaniquement peu résistante, ont lieu, de sorte que certaines portions du tube seront entièrement écrasées tandis que des portions voisines conserveront leur section initiale, bénéficiant de rapport complémentaire de liquide qui s'y trouve refoulé. Conformément aux figures, on peut utiliser de préférence des nappes de tubes souples à spires jointives. Ces nappes peuvent être constituées de galettes ou de couches cylindriques formées au moyen d'un tube souple dont les spires prennent appui l'une contre l'autre, la section du tube 2 devenant voisine d'un rectangle à bords arrondis. Des séparateurs permettent la circulation d'eau au contact des nappes de tubes. La conductibilité thermique de l'enveloppe isolante des tubes étant peu différente de celle du matériau de stockage à l'état solide, on obtient une répartition modifiée du matériau à l'état solide, qui est presque analogue à celle d'un module plan de stockage. La résistance thermique transversale, faible au début du déstockage est plus grande que pour des tubes cylindriques de même section. Contrairement au cas d'un tube cylindrique indépendant dont la résistance thermique croft indéfiniment vers la fin du déstockage car le rayon de l'interface liquide/solide tend vers zéro, l'utilisation d'une nappe de tubes conduit à maintenir pratiquement constante l'aire de l'interface liquide/solide jusqu'à la fin de la solidification, au bénéfice d'une résistance thermique croissant lentement jusqu'à une valeur finale amoindrie. Dans le dispositif représenté, les galettes circulaires planes formées chacune par un tube tel que 2 enroulé en spirales à spires jointives présentent chacune un orifice central 7 (Fig. 1 et 3) dans l'axe de la cuve 12. Elles sont empilées et séparées par des séparateurs tels que 8 (Fig.1,2 et 4i constitués d'une plaque métallique enboutie dont la périphérie est plate et découpée pour former des saillies telles que 20.Ces saillies s'appuient (Fig. 2) sur des entretoises telles que 22 disposées contre la paroi de la cuve 12, de manière à permettre à chaque séparateur de jouer le rôle de support mécanique pour la galette constituée par le tube 2.' - Pen- dant une période de fourniture de chaleur par le dispositif, le fluide caloporteur circule comme indiqué sur la Fig. 1 : il entre par l'ouverture axiale basse 15 et sort par l'ouverture axiale haute 11. I1 traverse chaque galette par son ouverture axiale telle que 7 , puis va du centre vers la périphérie en longeant la face supérieure de cette galette. Arrivé à la périphérie, il traverse un séparateur tel que 8 par les intervalles entre les saillies telle que 20, puis regagne le centre en longeant la face inférieure de la galette située juste au dessus, et en suivant les canaux formes par les ondulations du séparateur entre cette face inférieure et le séparateur, et ainsi de suite. Lors du stockage de chaleur le trajet suivi est exactement inverse. La forme spiralée des ondulations du séparateur 8 permet d'éviter de trop grands écarts à la périphérie entre les lignes sommitales de ces ondulations de manière à éviter un fléchissement du tube souple 2 qui s'appuie seulement sur ces lignes sommitales. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de stockage thermique à chaleur latente comportant - une cuve (12) munie de deux orifices (11, 15) pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur, - dans cette cuve, au moins un tube fermé (2) contenant un matériau de stockage thermique (1) susceptible de se liquéfier en absorbant de la chaleur et de se solidifier en restituant la chaleur absorbée, - et au moins un support (8) pour ce tube, caractérisé par le fait que ce tube (2) est souple, présente une longueur supérieure à la plus grande dimension de la cuve (12), et est replié sur lui-même de manière à être contenu dans la cuve. 2/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ledit tube (2) est enroulé sur lui-même en spirale de manière à former une galette plate. 3/ Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que ladite cuve (12) -contient un empilage vertical de plusieurs dites galettes plates qui sont disposées horizontalement. 4/ Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que ledit tube (2) est enroulé en spirale à spires sensiblement jointives dans chacune desdites galettes - des intervalles de circulation étant ménagés entre les galettes horizontales successives dudit empilage. 5/ Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait qu'un séparateur (8) est disposé dans chacun desdits intervalles de manière à séparer cet intervalle en deux zones qui sont une zone supérieure dans laquelle le fluide caloporteur circule au contact de la race inférieure de la galette supérieure à cet intervalle, et une zone inférieure dans laquelle ce fluide circule au contact de la face supérieure de la galette inférieure. 6/ Dispositif selon la revendication 5 caractérisé par le fait que chacune desdites galettes comporte un orifice central (7), - chacun desdits séparateurs (8) s'étendant en regard de toute la surface des galettes adjacentes y compris leurs orifices centraux (7), en laissant un passage libre à sa périphérie pour faire communiquer la zone supérieure avec la zone inférieure de l'intervalle correspondant. 7/ Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que chaque séparateur (8) présente la forme d'une feuille ondulée rigide de manière à constituer un support pour la galette supérieure, par appui de cette galette sur les lignes sommitales des ondulations. 8/ Dispositif selon la revendication 7 caractérisé par le fait que chaque séparateur (8) comporte plusieurs ondulations réparties angulairement autour de son centre, chaque ondulation s'étendant du centre vers la périphérie selon une ligne en spirale faisant un angle progressivement croissant avec les rayons quand elle 8 'éloigne du centre. 9/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ledit tube (2) présente une section déformable de manière à suivre les variations de volume dudit matériau de stockage thermique (1). 10/ Dispositif selon la revendication 9 caractérisé par le fait que ledit tube (2) est constitué par un polymère organique extrudable comportant une charge thermiquement conductrice. 11/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ledit tube (2) est entouré d'un jonc enroulé dtune facon helicoldale, constituant simultantrent un espaceur permettant la circulation d'eau au contact du tube et un léger fret- tage du tube limitant son gonflement pendant les étapes de fabrication et de pose.