Brevet FR2515793A1 — publié le 19830506

Perfectionnements apportés aux réchauffeurs à accumulation à substance accumulatrice constituée par un liquide sous pression L'invention est relative aux réchauffeurs à accumulation, c'est-à-dire aux réchauffeurs comportant une substance accumulatrice susceptible d'être réchauffée par des moyens de chauffage appropriés, cette substance accumulatrice étant capable d'accumuler la chaleur ainsi reçue, et étant agencée pour céder cette chaleur accumulée à un fluide à réchauffer mis tenporairement en contact direct ou indirect avec elle. On connaît des réchauffeurs de ce type dans lesquels la substance accumulatrice est constituée par une multi- plicité de corps solides, tels que des billes, notamment en métal, qui, une fois, réchauffés, cèdent la chaleur accumulée à un fluide, généralement gazeux, qui circule autour de ces billes. De tels réchauffeurs présentent l'inconvénient d'un poids élevé et de provoquer sur le fluide qui circule autour des billes une perte de charge élevée; de plus, si lton veut éviter une pollution de ce fluide, il est nécessaire de faire subir aux billes un traitement de surface approprié (chromage sur billes d'acier par exemple) qui est d'un prix de revient élevé. On connaît également des réchauffeurs à accumulation dans lesquels la substance accumulatrice est constituée. par un volume important de liquide d'accumulation contenu dans un bassin à l'air libre, et qui, une fois réchauffé, cède la chaleur accumulée à un fluide gazeux ou-liquide qui circule dans un échangeur de chaleur immergé dans ce liquide. De tels réchauffeurs présentent l'inconvénient de nécessiter un volume de Liquide d'accumulation très important, d'etre limités à une température inférieure à la température d'ébullition du liquide d'accumulation à pression atmosphérique, et d'être le siège d'un phénomène d'évaporation qui provoque une perte importante de ce liquide d'accumulation. De plus, et dans ces deux types de réchauffeurs, il est impossible de procéder, pour un débit donné, a une régulation de la température de sortie du fluide à réchauffer. Selon l'invention, la substance accumulatrice du réchauffeur est constituée par un liquide sous pression. Plus particulièrement, le réchauffeur à accumulation comporte une substance accumulatrice susceptible d'être réchauffée par des moyens de chauffage appropriés, cette substance accumulatrice étant capable d'accumuler la chaleur ainsi reçue, et étant agencée pour céder cette chaleur accumulée à un fluide à réchauffer mis temporairement en contact indirect avec elle, et il est caractérisé par le fait que - la substance accumulatrice est constituée par un liquide sous pression abrité dans une enceinte étanche, - les moyens de chauffage coopèrentavec ce liquide sous pression, - et le fluide à réchauffer traverse un échangeur de chaleur disposé à l'intérieur de la susdite enceinte étanche de manière à être baigné par le liquide sous pression. Un tel réchauffeur présente les avantages d'un faible poids, d'une perte de charge peu élevée sur le fluide à réchauffer, d'une absence totale de pollution du fluide à réchauffer et d'une consommation inexistante du liquide d'accumulation. Le fait de prévoir comme substance accumulatrice un liquide sous pression permet d'augmenter la température à laquelle est portée cette substance accumulatrice. Dans ces conditions, d'une part, il est possible de réduire les surfaces d'échange thermique entre la substance accumulatrice et le fluide à réchauffer, étant donné l'écart de température important obtenu, et, d'autre part, il est possible d'obtenir une température élevée pour le fluide à réchauffer et/ou d'accumuler, à volume de substance accumulatrice égal, plus d'énergie calorifique. Un autre avantage de cette solution est de garder sensiblement uniforme la répartition de température de la substance accumulatrice le long de l'échangeur de chaleur à chaque instant de l'utilisation. Selon une disposition avantageuse de l'invention, le réchauffeur comporte deux circuits pour le fluide à réchauffer, à savoir un circuit direct empruntant .l'é- changeur de chaleur et comportant, en amont dudit échangeur de chaleur, une vanne de réglage, et un circuit de dérivation évitant l'échangeur de chaleur et comportant, avant sa jonction avec le circuit direct, une vanne de réglage. Grâce à cette disposition, il est possible d'optimiser le débit de fluide à réchauffer qui traverse l'échangeur de chaleur afin d'obtenir le meilleur rendement d'échange thermique possible ; par ailleurs, et en agissant sur les deux vannes de réglage disposées'en tête des circuits direct et de dérivation, il est possible de procéder à un réglage de la température du fluide à réchauffer à la sortie du réchauffeur. L'invention consiste,-mises à part les dispositions dont il vient d'être question ci-dessus, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ciaprès. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que du dessin ci-annexé, lesquels complément et dessin sont relatifs à des modes de réalisation préférés de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig. 1, de ce dessin, montre une vue schématique d'un réchauffeur établi conformément à un premier mode de réalisation de l'invention. La fig. 2 montre une vue schématique d'un réchauffeur établi conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention. La fig. 3 montre une vue schématique d'un réchauffeur établi conformément à un troisième mode de réalisation de.l'invention. Si l'on se réfère aux figures 1 à 3, le réchauffeur comporte une substance accumulatrice I susceptible d'être réchauffée par des moyens de chauffage appropriés 2. Cette substance accumulatrice 1 est capable d'accumuler la chaleur ainsi reçue et elle est agencée pour céder la chaleur accumulée à un fluide à réchauffer mis temporairement en contact indirect avec elle. Le fluide à réchauffer (gazeux ou liquide) circule sous l'action d'un ventilateur ou d'une pompe M et il est dirigé, à sa sortie du réchauffeur, vers une installation d'utilisation U Selon l'invention, la substance accumulatrice 1 est constituée par un liquide sous pression qui peut avantageusement être de l'eau, cette eau étant brassée par un agitateur. Conformément aux trois modes de réalisation de l'invention plus particulièrement décrits et illustrés aux figures 1 à 3, - la substance accumulatrice I est constituée par de l'eau sous pression abritée dans une enceinte étanche 3, éventuellement munie d'une soupape de sûreté 3a, et dans laquelle peut être prévu un agitateur 3b (fig. 1). - les moyens de chauffage 2 coopèrent avec cette eau sous pression - le fluide à réchauffer traversè un échangeur de chaleur 4 disposé à l'intérieur de l'enceinte étanche 3 de manière à être baigné par l'eau sous pression. Selon une disposition avantageus.e de l'invention, appliquée sur ses modes de réalisation illustrés sur les figures 1 à 3, le réchauffeur comporte deux circuits pour le fluide à réchauffer, à savoir, - un circuit direct 5 empruntant l'échangeur de chaleur 4 et comportant, en amont dudit échangeur de chaleur 4, une vanne de réglage 6, - et un circuit de dérivation 7 évitant l'échangeur de chaleur 4 en le court-circuitant, et comportant, en amont de sa jonction avec le circuit direct 5, une vanne de réglage 8 Ces deux vannes de réglage 6 et 8 sont munies de moyens d'actionnement,-respectivement 6a et 8a, qui sont commandés par un-dispositif régulateur 9 comportant un système d'affichage 10 permettant de fixer une température de sortie pour le fluide à réchauffer et recevant une information représentative de. la température réelle de ce fluide à la sortie du réchauffeur, cette information provenant d'une prise de température 11 située à la sortie du réchauffeur Le dispositif régulateur 9 agit sur les deux vannes de réglage 6 et 8 de sorte que leurs lois de variation de section de passage respectives sont l'inverse l'une de l'autre pour que, sous l'action d'un même signal de régulation délivré par le dispositif régulateur 9, l'une des deux susdites vannes de réglage 6 ou 8 voit sa section de passage varier dans un sens, l'autre vanne de réglage 8 ou 6 voyant alors sa section de passage varier en sens inverse. En ce qui concerné les moyens de chauffage 2 de la substance accumulatrice 1, ils peuvent être de types différents. Selon le mode de réalisation illustré sur la fig.l, les moyens de chauffage 2 sont abrités dans l'enceinte étanche 3 et constitués par des résistances électriques 12 alimentées par une source de courant appropriée 13. Selon le mode de réalisation illustré sur la fig.2, les moyens de chauffage 2 sont extérieurs à l'enceinte étanche 3 et constitués par un dispositif de chauffage extérieur 14 relié à l'enceinte étanche 3 par un circuit 15 pouvant comporter une pompe de circulation 16. De tels moyens de chauffage 2 peuvent être communs à plusieurs réchauffeurs conformes à l'invention. Selon le mode de réalisation illustré sur la fig. 3, les moyens de chauffage 2 sont du type à dissipation d'énergie mécanique directement dans le liquide d'accumulation constituant la substance accumulatrice 1 ; ils peuvent comporter alors un organe mobile 17, avantageusement tournant, immergé dans le liquide d'accumulation et entraîné par des moyens moteurs 18. Ces moyens moteurs 18 peuvent être constitués par une éolienne entraînant directement le susdit organe mobile 17. On va maintenant donner quelques exemples d'application de l'invention particulièrement intéressants. Une première application peut se situer dans le domaine des installations d'essais aérodynamiques dans lesquelles on a besoin de disposer d'un écoulement de gaz chaud pendant un temps limité (par exemple souffleries à rafales). Le fluide à réchauffer est alors constitué par un fluide gazeux. A titre de comparaison, on connaissait déjà dans ce domaine des réchauffeurs à billes. d'acier ou à liquide d'accumulation à l'air libre. Il apparaît donc intéressant de comparer les réchauffeurs de ces deux types avec un réchauffeur conforme à l'invention, et ce dans les conditions suivantes - débit de gaz à réchauffer 13 kgXs - température à l'entrée du réchauffeur : - 50C - température à la sortie du réchauffeur : + 850C - durée de l'écoulement du gaz réchauffé : 6 minutes - durée entre deux écoulements successifs:30 minutes Avec un réchauffeur à billes d'acier, on obtient les caractéristiques ci-dessous - poids des billes d'acier ......... 16 tonnes - longueur du réchauffeur 4 m - diamètre du réchauffeur 1,2 m - perte de charge surale gaz à réchauffer 0,2 bar - écart de température de sortie du gaz à réchauffer 00 Avec un réchauffeur à liquide d'accumulation à l'air libre, on obtient les caractéristiques suivantes - poids du liquide d'accumulation 26 tonnes - longueur du bassin contenant ce liquide 7,8 m - diamètre du bassin contenant ce liquide 2 m - perte de charge sur le gaz à réchauffer 0,15 bar - écart de température-de sortie du gaz à réchauffer 4 4-- Avec un réchauffeur selon l'invention, on obtient les caractéristiques suivantes - poids du liquide d'accumulation sous pres sion (eau sous 30 bars à 230 ).... .... 2,5 tonnes - longueur du réchauffeur 2,5 m - diamètre du réchauffeur 1,1 m - perte de charge sur le gaz à rechauffer. 0,13 bar - écart de température de sortie gaz à réchauffer * 0 On mesure donc, dans cette application, les avantages apportés par l'invention. Dans l'exemple précédent, et si l'on veut évaluer l'importance du paramètre "Pression du liquide d'accumu lation1r, on peut indiquer que, - pour une pression de 14 bars, temperature de 1950, on obtiendrait un réchauffeur de 3,3 m de long et de 0,9 m de diamètre, le poids de liquide d'accumulation restant de 2,5 tonnes; - pour une pression de 20 bars, température de 2120, on obtiendrait unréchauffeur de 2,9 m de long et de 1 m de diamètre, le poids de liquide d'accumulation restant de 2,5 tonnes. Une deuxième application peut se situer dans le domaine du chauffage des habitations par circulation de gaz ou de liquide réchauffé. Le fluide à réchauffer peut alors être gazeux (air) ou liquide (eau). Une troisième application peut se situer dans le domaine de la production d'eau chaude sanitaire. Le fluide à réchauffer est alors de l'eau. Dans ces deux dernières applications,on peut faire appel à des moyens de chauffage 2 économiques (tels que courant électrique de nuit) ou à des moyens de chauffage 2 temporaires et/ou aléatoires (énergie solaire, énergie éolienne). A propos des moyens de chauffage 2 utilisés dans ces deux dernières applications, il convient de souligner l'intérêt que peuvent présenter - le mode de réalisation illustré sur la fig. 2 dans lequel le dispositif de chauffage extérieur 14 peut être constitué par un capteur solaire, - le mode de réalisation illustré sur la fig. 3 dans lequel on fait appel à une éolienne 18 pour entrainer directement un organe tournant 17 dissipant directement son énergie mécanique dans la substance accumulatrice 1. Dans ces deux cas, des moyens de chauffage d'appoint, par exemple du type électrrque, peuvent avantageusement être prévus pour compléter éventuellement l'apport d'e-- nergie du capteur solaire ou de l'éolienne. REVENDICATIONS 1.- Réchauffeur à accumulation comportant une substance accumulatrice (I) susceptible d'être réchauffée par des moyens de chauffage appropriés (2), cette substance accumulatrice (1) étant capable d'accumuler la chaleur reçue et étant agencée pour céder cette chaleur accumulée à un fluide à réchauffer mis temporairement en contact indirect avec elle, caractérisé par le fait que la substance accumulatrice (1) est constituée par un liquide sous pression. 2.- Réchauffeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que : la substance accumulatrice (1) est constituée par un l.iquide sous pression abrité dans une enceinte étanche (3) , les moyens de chauffage (2) coopèrent avec ce liquide sous pression ; et le fluide à réchauffer traverse un échangeur de chaleur (4) disposé à l'intérieur de la susdite enceinte étanche (3) de manière à être baïgné par le liquide sous pression. 3.- Réchauffeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte deux circuits pour le fluide à réchauffer, à savoir un circuit direct (5) coopérant avec la substance accumulatrice (1) et comportant, en amont, une vanne de réglage (6), et un circuit de dérivation (7) ne coopérant pas avec la substance accumulatrice (1) et comportant, en amont de sa jonction avec le circuit direct (5), une vanne de réglage (8). 4.- Réchauffeur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les deux vannes de réglage (6 et 8) sont commandées par un dispositif régulateur (9) permettant d'afficher la température de sortie du fluide à réchauffer, ce dispositif régulateur (9) agissant sur les deux susdites vannes de réglage (6 et 8), de sorte que leurs lois de variation de section de passage respectives soient l'inverse l'une de l'autre. 5.- Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage (2) sont abrités dans l'enceinte étanche (3). 6.- Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage (2) sont extérieurs à enceinte étanche (3). 7.- Réchauffeur selon l'une quelconque desrevendii cations 1 à 6, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage (2) sont du type à dissipation d'énergie mécanique directement dans le liquide d'accumulation constituant la substance accumulatrice (1). 8.- Réchauffeur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage (2) comportent un organe mobile (17) entraîné par des moyens moteurs (18). 9.- Rechauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage (2) comportent au moins un capteur solaire. 10.- Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage (2) comportent au moins une éolienne. 11.- Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le liquide sous pression constituant la substance accumulatrice (1) est soumis à l'action d'un dispositif agitateur (3b).