Brevet FR2506433A1 — publié le 19821126

Dispositif de stockage thermique à sacs souples disposés en étages successifs L'invention concerne un dispositif de stockage thermique à sacs souples disposés en étages successifs. 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 se fait avantageusement en utilisant la chaleur latente de fusion du matériau de stockage, ce qui 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 chauffage, 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 11 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 ou de la paraffine, 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 solidification, et doit également rester étanche.Les enveloppes en forme de billes n' assurent plus le contact avec le matériau à cause du retrait en cours de solidification. il en est de même des tubes métalliques contenant un sel, dont les extrémités scellées sont la cause de fuites, et qui ne sont pas aptes à être assemblés pour constituer à prix acceptable le grand volume nécessaire pour le stockage. Les enveloppes rigides en un matériau plastique constituant des modules en forme de briques aplaties au contact desquelles circule le fluide caloporteur assurant les échanges thermiques supportent mal les eontrain- tes mécaniques cycliques dues aux variations de volume, correspondant à la différence de densité du sel ou de la paraffine de l'état liquide à 11 état solide, et ces enveloppes perdent leur étanchéité. C'est pourquoi on a proposé d'utiliser des sacs souples à enveloppe mince pour contenir le matériau de stockage thermique. Mais ces sacs doivent s' appuyer sur des supports ce qui limite leur surface d'échange thermique avec le fluide caloporteur circulant au-dessus du support, et donc l'éfficacité du dispositif de stockage. D'autre part les variations du volume des sacs entrasse des modifications des sections libres pour le passage du fluide caloporteur dont la vitesse au voisinage des sacs est tantôt trop forte (pertes de charges excessives) tantôt trop faible (coefficient d'échange trop faible). La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif de stockage thermique à sacs souples disposés en étages successifs. Elle a pour objet un dispositif de stockage thermique à sacs souples disposés en étages successifs, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un empilement d'étagères à doubles parois qui portent des sacs souples contenant un matériau de stockage de volume variable et qui reposent chacune sur les sacs de l'étage inférieur, le fluide caloporteur circulant horizontalement entre les deux parois de chaque étagère en bon contact thermique à travers ces parois à la fois avec les sacs de l'étage inférieur et avec ceux de l'étage supérieur quelles que soient les variations du volume de ces sacs. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue de face d'un dispositif selon l'invention avec coupe partielle selon un plan vertical longitudinal médian. La figure 2 représente une vue de profil du même dispositif coupe partielle selon un-plan vertical transversal II-II de la figure La figure 3 représente une vue de dessus du même dispositif avec arrachement partiel. La figure 4 représente une vue agrandie d'un détail A de la figure 1. Le dispositif décrit comporte une enceinte 2 parallélépipédique rectangle, communiquant avec 1' extérieur par un collecteur supérieur "chaud" 4 et un collecteur inférieur froid 6 permettant l'entrée et la sortie d'un fluide caloporteur qui est constitué par exemple par de l'air et qui circule du collecteur froid au collecteur chaud lorsqu'il faut réchauffer cet air et dans le sens inverse lorsqu'il faut stocker de la chaleur à partir d1 air chaud fourni par exemple par un capteur solaire. Cette enceinte 2 est thermiquement isolante et contient des sacs souples étanches 8 emplis d' un matériau de stockage thermique déformable. Ce matériau est par exemple du type à changement d'état, passant de l'état solide à l'état liquide lorsqu'il est chauffé par l'air caloporteur. Ce matériau peut être la paraffine, et les sacs 8 peuvent être constitués de feuilles de polypropylène de 100 microns d'épaisseur, avec par exemple une hauteur de 6 cm, une largeur de 30 cm et une longueur de 150 cm. Ces sacs sont disposés en étages successifs sur des étagères rectangulaires 10 superposées dans l'enceinte 2, deux sacs étant par exemple disposés en longueur selon la longueur de 11 étagère, et trois en largeur selon la largeur de l'étagère, avec des intervalles entre eux pour permettre les variations de volume du matériau de stockage par déformation de la paroi souple du sac sur les bords de celuici. Plus généralement, selon une disposition préférée, les sacs 8 présentent une forme aplatie avec une hauteur inférieure à la moitié de leur plus petite dimension horizontale et ont des parois souples non extensibles, de sorte qu'une diminution de leur volume se fait par diminution de leur hauteur avec augmentation de leurs dimensions horizontales, ces sacs étant disposés sur chaque étagère avec des intervalles suffisants entre sacs voisins pour permettre une telle augmentation de leurs dimensions horizontales jusqu'à la valeur minimale du volume du matériau de stockage. De tels sacs pourraient être posés sur des étagères supportées par des parois verticales rigides. Conformément à l'invention il en est autrement : L'étagère 10 de chaque étage est constituée de deux parois horizontales thermiquement conductrices, à savoir une paroi supérieure 10a sur laquelle s'appuient les sacs e de 11 étage, et une paroi inférieure 10b disposée sous la paroi supérieure, et s' appuyant sur les sacs de l'étage inférieur de manière à serrer chacun de ces sacs souples entre la paroi supérieure de l'étagère de son étage et la paroi inférieure de étagère supérieure pour maintenir une surface de contact thermique importante avec ces parois quelles que soient les variations du volume du sac.L'intervalle entre les deux parois de chaque étagère est maintenu par des entretoises 10c de manière à ménager au moins un canal de circulation intérieur horizontal pour le fluide caloporteur. Ces parois sont par exemple constituées d'une tôle métallique. Pour obtenir une vitesse de circulation de l'air caloporteur suffisante pour assurer de bons échanges thermiques sans créer un nombre excessif de changements brutaux de direction dans le circuit d'air il semble le plus souvent avantageux d'adopter la disposition suivante, qui est utilisée dans l'exemple décrit : Les étagères 10 et les sections horizontales de l'enceinte 2 présentent la forme d'un rectangle avec une longueur supérieure à sa largeur. Les entretoises 10c des étagères 10 présentent la forme de barreaux disposés parallèlement à la longueur du rectangle de manière à former des canaux de circulation longitudinaux pour le fluide caloporteur.Des orifices sont percés dans les parois horizontales 10a, 10b des étagères successives tantôt au voisinage d'un premier petit côté du rectangle, tantôt au voisinage de son deuxième petit côté pour permettre le passage du fluide caloporteur d'un étage à l'autre. De l'air circule en outre longitudinalement, à chaque étage, entre les bords des sacs adjacents. Dans l'exemple décrit des entretoises de bordure 10e sont en outre disposées selon les petits côtés du rectangle immédiatement à l'extérieur des orifices 10d, de manière à renforcer les étagères et à faciliter leur fixation par collage sur les parois verticales 2a de l'enceinte 2. De préférence en effet l'enceinte 2 contenant les sacs 8 présente des parois verticales 2a fixées aux bords des étagères 10, ces parois étant extensibles de manière à suivre les déplacements verticaux des étagères sous l'action des variations de volume des sacs 8. De préférence encore les parois verticales extensibles de l'enceinte sont constituées d'une mousse élastique thermiquement isolante. Une telle mousse étant facilement déchirable, la hauteur de mousse non comprimée ni tendue entre deux étagères successives fixées à la paroi est au moins égale à la hauteur des sacs correspondant au volume maximal du matériau de stockage, de manière à éviter toute mise en tension de cette mousse lors des variations du volume de ce matériau. Cette mousse peut par exemple être une mousse de caoutchouc synthétique incombustible du type utilisé couramment pour l'isolation des tuyaux de chauffage central. Il est facile d'obtenir la hauteur convenable de mousse entre chaque étagère On constitue les sacs en introduisant des blocs parallélépidédique de paraffine solide dans des tubes de polypropylène. On scelle par soudure de ces tubes à leurs deux extrémités sans faire fondre une fraction importante de la paraffine. On empile les étagères portant les sacs dans 1' enceinte ni comprimée ni tendue et on colle les bords des étagères aux parois verticales de 1' enceinte. La hauteur de mousse entre deux étagères est alors définie par la hauteur des blocs de paraffine solide utilisés, et il suffit de donner à cette dernière hauteur une valeur convenable. REVENDIGATIONS 1/ Dispositif de stockage thermique à sacs souples disposés en étages successifs, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un empilement d'étagères (10) à doubles parois qui portent des sacs souples (8) contenant un matériau de stockage de volume variable et qui reposent chacune sur les sacs de l'étage inférieur, le fluide caloporteur circulant horizontalement entre les deux parois (10a, 10b) de chaque étagère en bon contact thermique à travers ces parois à la fois avec les sacs de l'étage inférieur et avec ceux de étage supérieur quelles que soient les variations du volume de ces sacs. 2/ Dispositif de stockage thermique à sacs souples disposés en étages successifs comportant - des sacs souples étanches (8) contenant un matériau de stockage thermique déformable de volume variable selon la température, - une enceinte (2) pour contenir ces sacs disposés en étages successifs superposés, - et une étagère à chaque étage pour supporter les sacs de cet étage - cette enceinte et ces étagères comportant des passages pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur à chaque étage et d'étage à étage, et permettre des échanges thermiques entre les sacs et un milieu extérieur, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que l'étagère (10) de chaque étage est constituée de deux parois horizontales thermi quement conductrices, à savoir une paroi supérieure (10a) sur laquelle s'appuient les sacs (8) de étage, et une paroi inférieure (10b) disposée sous la paroi supérieure, et n'appuyant sur les sacs de l'étage inférieur de sorte que chacun de ces sacs souples est comprimé entre la paroi supérieure de l'étagère de son étage et la paroi inférieure de l'étagère supérieure, ce qui maintient une surface de contact thermique importante avec ces parois quelles que soient les variations du volume du sac, - l'intervalle entre les deux parois de chaque étagère étant maintenu par des entretoises (10o) de manière à ménager au moins un canal de circulation intérieur horizontal pour le fluide caloporteur. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que 1' enceinte (2) contenant les sacs (8) présente des parois verticales (2a) fixées aux bords des étagères (10), ces parois étant extensibles de manière à suivre les déplacements verticaux des étagères sous l'action des variations de volume des sacs (8), - des orifices étant prévus dans les parois des étagères pour permettre le passage du fluide caloporteur d'un étage au suivant. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les parois verticales extensibles de l'enceinte sont constituées d'une mousse élastique thermiquement isolante facilement déchirable, - la hauteur de mousse non comprimée ni tendue entre deux étagères successives fixées à la paroi étant au moins égale à la hauteur des sacs correspondant au volume maximal du matériau de stockage, de manière à éviter toute mise en tension de cette mousse lors des variations du volume de ce matériau. 5/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les étagères (10) et les sections horizontales de l'enceinte (2) présentent la forme d'un rectangle avec une longueur supérieure à sa largeur, - les entretoises (10c) des étagères (10) présentant la forme de barreaux disposés parallèlement à la longueur du rectangle de manière à former des canaux de circulation longitudinaux pour le fluide caloporteur, - des orifices étant percés dans les parois horizontales (10a, 70b) des étagères successives tantôt au voisinage d'un premier petit côté du rectangle, tantôt au voisinage de son deuxième petit côté pour permettre le passage du fluide caloporteur d'un étage à l'autre. 6/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les sacs (8) présentent une forme aplatie avec une hauteur inférieure à la moitié de leur plus petite dimension horizontale et ont des parois souples non extensibles, de sorte qu'unie diminution de leur volume se fait par diminution de leur hauteur avec augmentation de leurs dimensions horizontales , ces sacs étant disposes sur chaque étagère avec des intervalles suffisants entre sacs voisins pour permettre une telle augmentation de leurs dimensions horizontales jusqu'à la valeur minimale du volume du matériau de stockage.