Brevet FR2398267A1 — publié le 19790216

La présente invention a pbur objet des cuves ou réservoirs verticaux, de forme allongée, à stratification contrôlée destinés à accumuler des calories provenant notamment de capteurs solaires. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des installations de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire à partir de capteurs solaires. On sait que le chauffage des locaux au moyen dteau chaude produite par des capteurs solaires présente des difficultés par suite des niveaux de température très variables à la sortie des capteurs, selon les heures de la journée et l'intensité de l'ensoleillement. Il en résulte que lorsque l'on stocke l'eau chaude pendant la journée dans un réservoir d'accumulation on obtient en fin de journée une température moyenne qui résulte du mélange d'eau à différentes températures et qui est évidemment inférieure à la température de l'eau délivrée parles capteurs aux heures les plus chaudes de la jourtee. Un des objectifs de l'invention est de procurer une cuve verticale d'accumulation de calories,de forme allongée telle que l'eau se stratifie à l'intérieur de la cuve et reste stratifiée selon plusieurs niveaux de température, l'eau la plus chaude et la plus légère étant située en haut de la cuve. Un autre objectif de l'invention est de procurer des moyens pour prélever l'eau nécessaire au chauffage à différents niveaux de la cuve verticale qui sont choisis en fonction de la température d'utilisation désirée, de telle sorte que l'on évite de prélever inutilement de l'eau dont la température est nettement au-dessus de la température d'utilisation désirée. Une cuve d'accumulation de calories suivant l'invention est insérée, de façon connue, dans un premier circuit fermé, dans lequel circule un fluide caloporteur, lequel circuit comporte des moyens pour chauffer ledit fluide, par exemple des capteurs solaires. Elle est également insérée dans un circuit d'utilisation de l'eau chaude comportant des appareils de chauffage. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'une cuve verticale, de forme allongée, qui comporte plusieurs cloisons transversales anticonvection qui la divisent en plusieurs compartiments superposés et le circuit fermé dans lequel circule le fluide caloporteur comporte plusieurs entrées de fluide caloporteur dans la cuve qui sont superposées et qui débouchent chacune dans un desdits compartiments. Le rapport entre la hauteur de la cuve et la plus grande dimension transversale de celle-ci est au moins égal à 1,5 et de préférence de l'ordre de 4 ou 5 LEs cloisons anti-convection comportent une jupe de forme évasée vers le bas, par exemple une jupe tronconique si la cuve est cylindrique ou une jupe en tronc de pyramide si la section de la cuve est carrée ou rectangulaire. Le sommet de la jupe délimite un orifice central coaxial avec la cuve à travers lequel peut circuler un courant ascendant d'eau chaude et le bord inférieur de la jupe délimite avec les parois verticales de la cuve un espace annulaire libre à travers lequel un courant descendant d'eau froide peut circuler. Les entrées de fluide caloporteur dans la cuve sont connectées en parallèle par l'intermédiaire de vannes motorisées, une sonde de température est placée en amont des vannes motorisées et la cuve comporte un dispositif comparateur qui compare la température mesurée par la sonde à des seuils échelonnés et qui ouvre automatiquement et successivement les différentes vannes motorisées. Le dispositif comparateur est constitué, de préférence, par un thermomètre équipé d'une aiguille mobile portant un contact électrique et de plusieurs secteurs conducteurs sur lesquels frotte ledit contact, lesquels secteurs correspondent à des plages de température échelonnées et chacun des secteurs est relié électriquement au circuit de commande du moteur de l'une des vannes motorisées. Le circuit de chauffage alimenté par la cuve comporte au départ de celle-ci plusieurs sorties superposées dont chacune part de l'un des compartiments delimités par les cloisons anti-convection. Ces sorties sont connectées en parallèle par l'intermédiaire de vannes motorisées et la cuve est équipée de sondes de température situées au droit de chaque extraction et à l'aval desdites vannes et d'un dispositif comparateur qui compare la température mesurée par des sondes à des seuils échelonnes et qui commande automatiquement et successivement les manoeuvres des vannes motorisées. Le résultat de l'invention est une nouvelle cuve de stockage de calories particulièrement adaptée pour alimenter un circuit de chauffage de bâtiments ou d'appartements à partir de capteurs solaires. Grâce à sa forme allongée et grâce aux cloisons anti-convection qui équipent une cuve selon l'invention, celle-ci permet d'obtenir une bonne stratification de l'eau chaude avec des différences de température de plusieurs dizaines de degrés entre le haut et le bas de la cuve. Le phénomène de stratification est amélioré par le fait que le-circuit de fluide caloporteur débouche en plusieurs points superposés de la cuve et que,gr ce à des vannes automatiques,on aiguille le fluide chaud vers le niveau qui correspond à la température du fluide,de sorte que l'on évite de mélanger l'eau chaude,par exemple l'eau à une température de plus de 600 qui'sort des capteurs aux heures de fort ensoleillement et l'eau plus tiède qui en sort aux périodes où l'ensoleillement est plus faible. De plus, du fait que le circuit de chauffage comporte plusieurs départs de la cuve superposés qui correspondent à des compartiments de la cuve dans lesquels l'eau est à des températures différentes, il est possible de prélever automatiquement de lteau dont la température se rapproche le plus de la température requise, de sorte que l'on évite d'utiliser sans nécessité de l'eau dont la température est plus élevée que ce qui est strictement neces- saire. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation d'une cuve selon l'invention. La figure 1 est une coupe verticale d'un premier mode de réalisation, la figure 2 est une coupe verticale d'un deuxième mode de réalisa-tion. Les figures 3 et 3bis sont des coupes horizontales de cuves selon les figures 1 et 2 placées dans une enceinte isolante. Les figures 4 et 4bis sont des vues de dessus et en coupe verticale d'une cloison anti-convection. La figure 5 est une représentation d'un dispositif de sélection automatique du niveau d'entre de l'eau chaude. La figure 6 est.une représentation d'un dispositif de sélection automatique du niveau de sortie de l'eau chaude. La figure 1 représente un réservoir de stockage de calories qui est constitué par une cuve 1, verticale, de forme allongée, par exemple une cuve cylindrique d'axe x x 1 dont le rapport entre la hauteur et le diamètre est supérieur à 1,5 et, de préférence, de l'ordre de 4 ou 5. La cuve 1 est en métal, en béton ou en matière plastique. La cuve. ] est remplie d'un liquide caloporteur en circuit fermé comportant des capteurs solaires, non représentés, une canalisation 8 de retour d'eau chaude provenant des capteurs, une canalisation 18 de départ d'eau de la cuve vers les capteurs, située au fond de la cuve et une pompe de circulation 18a. Ce circuit comporte au moins deux entrées de fluide chaud dans la cuve disposées à des niveaux différents. Par exemple dans le cas de la figure 1, il comporte trois entres superposées 10, 11 et 12. Les deux entrées supérieures 10 et 11 sont branchées en dérivation sur le circuit par l'intermédiaire d'une vanne à trqis voies respectivement 9a et 9b tandis que l'entrée inférieure est connectée directement sur le circuit 8. L'extrémité de chaque tubulure d'entrée débouchant à l'intérieur de la cuve comporte un dispositif 21 anti-remous destiné à éviter les turbulences qui présente par exemple la forme d'une crépine perforée ou d'un chapeau conique coiffant I'extrémité de la tubulure. La cuve 1 comporte des dispositifs anti-convection 2 qui sont des cloisons horizontales destinées à freiner les mouvements de convection à l'intérieur de la cuve. Ces cloisons 2, représentées en détail sur les figures 4 et 4bis comportent une jupe tronconique 2 dont le sommet est dirigé vers le haut. cette jupe délimite à sa partie supérieure un orifice central 29 qui est entouré d'une ceinture cylindrique 30. C?t orifice central sert à canaliser l'eau chaude qui monte au centre de la cuve. La base de la jupe a un diamètre inférieur au diamètre intérieur de la cuve de sorte qu'elle délimite avec celui-ci un espace libre annulaire 28 dans lequel circule l'eau froide qui descend le long des parois de la cuve. Les cloisons 2 sont supportées par des pattes 26 qui prennent appui sur des supports 27 fixés à la paroi intérieure de la cuve.Pour faciliter la mise en place des cloisons 2 dans la cuve, chaque cloison est composée, de préférence, de deux demi-cloisons, en forme de demitronc de cone, qui sont assemblées entre elles par des dispositifs d'assemblage 32, par exemple des dispositifs en forme de clip ou tout autre dispositif d'assemblage équivalent. La jupe tronconique 2 peut être percée, dans sa partie basse, d'orifices 25 de petite dimension qui favorisent la montée de l'eau a travers les orifices centraux. Les cloisqns 2 divisent la cuve en plusieurs compartiments superpo sés,trois dans le cas de la figure, -et les différentes entrées d'eau chaude 10, 11 et 12 débouchent chacune dans un compartiment différent. Les cloisons 2 freinent les mouvements de convection à l'intérieur de la cuve et il se produit une stratification de l'eau contenue dans la cuve de telle sorte que la partie supérieure contient l'eau la plus chaude et la partie inférieure contient l'eau la plus froide. L'eau chauffée dans les capteurs est aiguillée automatiquement vers l'une des entrées 10, 11 et 12 selon sa température Une sonde 22a,faisantpartie d'un comparateur de température,est placée dans le circuit 8 en amont de la vanne 9a. Cette sonde est connectée sur un thermomètre à aiguille 4. La figure 5 représente celui-ci plus en détail. il comporte des secteurs conducteurs successifs 4a, 4b, 4c correspondant à des plages de température échelonnées. L'aiguille mobile du thermomètre comporte un contact qui frotte sur le secteur conducteur se trouvant au-dessous de l'aiguille et qui ferme un circuit électrique de commande automatique du moteur de la vanne correspondante. Le secteur 4a correspond par exemple à une température inférieure à 400, le secteur 4b correspond à une plage de température comprise par exemple entre 40 et 60 et le secteur 4c correspond à une température supérieure à 600. Le fonctionnement est le suivant Lorsque la température à la sortie des capteurs solaires est inférieure à 40 , les deux vannes 9a, 9b sont dans la position de passage direct où les entrées 10 et 11 sont fermées. L'eau entre alors dans la cuve par l'entrée inférieure 12. Lorsque la température à la sortie des capteurs solaires est moyenne, par exemple entre 400 et 600, l'aiguille mobile se trouve en contact avec le secteur 4b. La vanne 9b s'ouvre alors automatiquement dans la position qui alimente l'entrée médiane 11. Enfin, lorsque la température de l'eau sortant des capteurs solaires est supérieure à 60 , l'aiguille du thermomètre est en contact avec le secteur 4c.- La vanne 10 se place automatiquement dans la position où l'entrée supérieure est alimentée. Cet aiguillage automatique de l'eau vers des entrées situées à différents niveaux en fonction de la température de l'eau associé aux cloisons anti-convection 2 et aux dispositifs anti-remous 21 conduit à une bonne stratification de l'eau à l'intérieur des diverses zones de la cuve et la différence de température entre les deux zones extrêmes peut atteindre plusieurs dizaines de degrés centigrades. Un avantage important de cette stratification réside dans le fait que l'eau qui retourne aux capteurs et qui est prélevée dans le fond de la cuve est l'eau la plus froide, de sorte que l'efficacité des capteurs est amé liorée. L'eau chaude contenue dans la cuve 1 peut servir à chauffer de I'eaudestinée aux besoins sanitaires (douches, lavabos, éviers). L'eau chaude sanitaire ne doit pas être melangée à l'eau contenue dans la cuve. Ce circuit -d'eau chaude sanitaire à l'intérieur de la cuve est un circuit indépendant qui comporte, en série, une arrivée d'eau froide 13, un premier échangeur 6 situé dans le compartiment inférieur, un deuxième échangeur 7 situé dans - la zone 'supérieure, et un départ d'eau chaude 14. Les échangeurs 6 et 7 sont par exemple des serpentins enroulés autour d'un cylindre à axe vertical dont le -diamètre est sensiblement égal au diamètre des orifices centraux 29 des cloisons anti-convection et qui sont disposés coaxialement au-dessus de ces orifices de sorte que le flux d'eau chaude qui s'élève verticalement au centre de la cuve passe à travers les serpentins sans être freiné.Le fait d'utiliser deux échangeurs en série 6 et 7 permet de préchauffer l'eau froide sanitaire en prélevant des calories à basse température dans le compartiment inférieur, ce qui économise d'autant le prélèvement de calories à haute température dans le.compartiment supérieur et favorise la stratification. La cuve 1 sert en outre à alimenter un circuit de chauffage, par exemple un chauffage central ou un-chauffåge à air pulsé. Ce circuit comporte plusieurs tubulures de sortie d'eau chaude-superposées, par exemple trois dans le cas de la figure 1, repérées 15, 16 et 17 qui sont connectées sur la cuve à des hauteurs différentes, de sorte que chacun des zones délimitées par les cloisons 2 comporte une sortie. Ces trois sorties sont connectées en parallèle sur un collecteur de départ d'eau chaude 31. Un collecteur de retour d'eau chaude 23 arrive dans la partie inférieure de la cuve et comporte un dispositif anti-remous 21 à son extrémité. Les deux sorties- inférieures 16 et I7 sont connectées sur le collecteur 31 par des vannes motorisées à trois voies 9c et 9d. Pour compléter l'équipement de la cuve, celle-ci comporte un trou de visite 3, une canalisation de vidange 19 et une canalisation de remplissage 20. L'installation est équipée d'un dispositif comparateur qui commande automatiquement le prélèvement d'eau pour le chauffage à différents niveaux de température. Ce dispositif comparateur commande automatiquement l'ouverture des vannes. On peut utiliser un dispositif comparateur identique à celui de la figure 5 comportant un seul thermomètre à aiguille mobile qui est connecté sur uoedeuxième sonde de température 22b placé dans le collecteur 31 et qui comporte trois secteurs conducteurs 5a, 5b, 5c dont deux sont connectés aux moteurs des vannes 9c et 9d et qui correspondent à des plages de température échelonnées. Le secteur 5a est connecté par exemple à la vanne 9d et le secteur 5b à la vanne 9c. Si la température mesurée par le capteur 22b est faible, les vannes 9c et 9d sont dans les positions- ou les sorties 16 et 17 sont fermées et on prélève l'eau dans le compartiment supérieur par la sortie 15. Si la température -mesurée par la sonde 22b croît, l'aiguille mobile vient en contact avec le secteur 5b et la vanne 9c ouvre la sortie 16. Si l'aiguille mobile vient au contact du secteur 5c, la vanne 9d ouvre la sortie 17 et on prelève l'eau dans le fond de la cuve. Ce dispositif étant analogue à celui de la figure 5 n'a pas été dessiné. En se référant à la figure 6, on comprend comment il fonctionne si l'on suppose que le comparateur comporte uniquement le thermomètre 35 connecté directement sur la sonde 22b. La figure 6 représente un comparateur 5 plus perfectionné comportant deux thermomètres 35 et 36 dontles aiguilles sont commandes par les différentes sondesLe comparateur présente l'avantage par rapport au précédent de permettre l'affichage d'une température de consigne qui peut varier en fonction dela température extérieure ou de la température désirée. Le dispositif comporte trois sondes de prise de température, une sonde 22b placée dans le collecteur 31, une sonde 22c placée dans la zone- médiane de la cuve et une sonde 22d placée dans la zone inférieure de la cuve. Le comparateur 36 compare la température de l'eau aux niveaux 22c, 22d et la température affichée d'utilisation. Outre qu'elle permet des économies des calories stockées, cette disposition précise le calcul de l'installation de chauffage. En effet, l'eau chaude sort à la température la plus proche de la température d'utilisation. Cette première sélection permet de prélever l'eau-dans la cuve par l'une des sorties 15, 16 et 17 selon les impulsions du comparateur et évite de prélever sans nécessité de l'eau à une température plus élevée que la température strictement nécessaire. Si par exemple aucune des températures mesurées par les sondes 22c et 22d nrest suffisante, les vannes 9c et 9d sont positionnées de telle sorte que l'eau soit prélevée dans la partie haute de la cuve par la tubulure 15. Bien entendu, les dispositifs comparateurs qui viennent d'être décrits ne sont que des exemples et ils peuvent être remplacés par des dispositifs comparateurs électroniques ou par des micro-processeurs. La figure. 2 représente-un autre mode de réalisation d'une cuve 1 selon l'invention. Cette cuve a une section de forme générale carrée ou rectangulaire. Elle est en béton garni extérieurement d'un revêtement isolant thermique. Les cloisons anti-convection,2-ont également une forme de troncs de pyramide à base carrée ou reetangulaire. Les parties homologues sont représentées par les mêmes repères sur les figures 1, 2, 3 et 3bis. La figure 3 est une coupe horizontale d'une cuve selon la figure 1, placée à l'intérieur d'une enceinte isolante de forme carrée qui délimite avec la paroi externe de la cuve un espace intermédiaire 34 qui peut être mis en dépression pour améliorer l'isolation thermique. La face externe du revêtement isolant 24 et la face interne de l'enceinte sont recouverts d'un film métallisé ou d'une feuille métallique 33 brillante et réfléchissante afin d'améliorer l'isolation thermique. La figure 3bis est une coupe horizontale d'une cuve selon la figure 2 placée également à l'intérieur d'une enceinte isolante qui délimite avec la paroi externe du revêtement 24 un espace intermédiaire dont les parois sont garnies d'un revêtement brillant ou réfléchissant 33. L'air frais utilisé par la ventilation mécanique contrplEe afin d'assurer les renouvellements d'air est prélevé dans cette enceinte isolante. REVENDICATIONS 1 - Cuve d'accumulation de calories, à stratification contrôlée, destinée notamment à une installation de chauffage équipée de capteurs d'énergie solaire, laquelle cuve est insérée dans un premier circuit fermé, compor tant lesdits capteurs solaires, dans lequel circule un fluide caloporteur et dans un circuit d'utilisation comportant des appareils de chauffage, laquelle cuve est caractérisée en ce qu'elle est verticale et de forme al gurde, longée, qu'elle comporte plusieurs clolsons/transversales anti-convection qui la divisent en plusieurs compartiments superposés et que ledit premier circuit fermé comporte plusieurs entrées de fluide caloporteur dans ladi te cuve qui sont superposées et qui débouchent chacune dans un desdits compartiments. 2 - Cuve selon la revendication I, caractérisée en ce que le rapport entre la hauteur de la-cuve et la plus grande dimension transversale de celle-ci est au moins égal à- 1,5 et de préférence de l'ordre de 4 ou 5. 3 - Cuve selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites cloisons anti-convection comportent une jupe de forme évasée vers le bas, par exemple une jupe en tronc de cone ou de pyramide. 4 - Cuve selon la revendication 3, caractérisée en ce que le sommet de ladite jupe délimite un orifice central coaxial avec la cuve a,-travezs..lequel un courant descendant d'eau chaude peut circuler et le bord inférieur de ladite jupe délimite-avec les parois verticales de la cuve, un espace an nulaire libre à travers lequel un courant descendant d'eau froide peut circuler. 5 - Cuve selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que ladite jupe est perforée dans la partie inférieure. 6 - Cuve selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisée en ce que lesdites entrées de fluide caloporteur dans la cuve sont connectées en parallèle par l'intermédiaire de vannes motorisées, une sonde de tem pérature est situé en amont desdites vannes et la cuve comporte un dispo sitif comparateur qui compare la température mesurée par ladite sonde de température à des seuils échelonnés et qui ouvre automatiquement et suc cessivement les différentes vannes motorisées. 7 - Cuve selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit dispositif comparateur est constitué par un thermomètre équipé d'une aiguille mobile portant un contact électrique et de plusieurs secteurs conducteurs sur lesquels frotte ledit contact, lesquels secteurs correspondent à des pla ges de température échelonnées et chacun des secteurs est relié électri quement au circuit de commande du moteur de l'une desdites vannes moto risées. 8 - Cuve selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée-en ce que ledit circuit due chauffage alimenté par la cuve comporte, au départ de celle-ci, plusieurs sorties superposées, dont chacune part de l'une desdi tes zones délimitées par les cloisons anti-convection. 9 - Cuve selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdites sorties sont connectées en parallèle par l'intermédiaire de vannes motorisées et la cu ve est équipée d'une deuxième sonde de température située à l'aval desdi tes vannes et d'un dispositif comparateur qui compare la température mesurée par ladite deuxième sonde à des seuils échelonnés et qui commande automati quement et successivement les manoeuvrés desdites vannes motorisées. 10- Cuve selon la revendication 9, caractérisée en ce qutelle comporte des son des de prise de température à différents niveaux à l'intérieur de la cuve et ledit dispositif comparateur comporte un premier thermomètre qui compare les températures mesurées par-lesdites sondes à une température affichée, et un deuxième--thermomètre équipé d'une aiguille mobile portant un contact électrique et de plusieurs secteurs conducteurs successifs sur lesquels frotte ledit contact électrique, lesquels secteurs correspondent à des plages de température échelonnées et chacun desdits secteurs est relié électriquement au circuit de commande-- du moteur de l'une desdites vannes motorisées. 11- Cuve selon la revendication 1 à 10, caractérisée en ce que le dispositif comparateur est constitué par un thermomètre à contact. 12- Cuve selon la revendication 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte un micro-processeur pour la régulation automatique, 13- Cuve selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 > comportant un deuxième circuit d'utilisation pour fournir de l'eau chaude sanitaire, ca ractérisée en ce que ce deuxième circuit comporte plusieurs échangeurs en série qui sont situés chacun dans un des compartiments superposés des la cuve, de sorte que l'eau froide est préchauffée dans le bas de la cuve et l'eau chaude sort par le haut de la cuve. 14 Cuve selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, portant un revête ment isolant thermique, caractérisée en ce quelle est placée à l'intérieur d'une enceinte isolante, que la paroi interne de ladite enceinte, ainsi que la paroi externe dudit revêtement isolant, sontrecouvertes d'un revê tement brillant et réfléchissant déterminant une enceinte isotherme. 15- Cuve selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'air frais nécest saire au renouvellement d'air dans les locaux est prélevé dans l'enceinte isothermique.