Brevet FR2533538A1 — publié le 19840330

Réservoir de stockage d'eau chaude. La présente invention concerne les réservoirs de stockage, pour l'accumulation et l'utilisation d'un fluide, notamment d'eau chaude. Le stockage d'un fluide est nécessaire lorsque son utilisation est différée ou disproportionnée par rapport à sa production, c'est pourquoi on prévoit, par exemple dans les installation de chauffage d'eau sanitaire, des réservoirs ou "ballons" de stockage. La capacité calorifique du stockage est fonction du volume des réservoirs ainsi que de l'écart de température entre le fluide chaud produit et le fluide froid utilisé (ou inversement). Cette capacité calorifique est affectée par tout phénomène conduisant au mélange des deux fluides. Par ailleurs, la constance du niveau de température de chacun des fluides favorise la production et l'utilisation de la chaleur,. en permettant l'optimisation du dimen sionnementet du fonctionnement des systèmes de réchauffage ou de distribution des fluides. C'est pourquoi on a cherché à réaliser un stockage dit "à stratification" dans lequel le fluide chaud et le fluide froid se mélangent le moins possible. Jusqu a présent, dans les installations de chauffa- ge d'eau sanitaire, on réalise le stockage au moyen de plusieurs réservoirs de faible diamètre et de grande hauteur, raccordés en série, leur raccordement s'effectuant entre le point haut du ballon amont et le point bas du ballon wal . Grâce à cette disposition, on réalise une certaine "stratification" entre chacun des réservoirs, mais la stratification est mal résolue à l'intérieur des ballons du fait de courants de convexion préférentiels existant le long des parois à cause des pertes de chaleur, du fait des turbulences provoquées au niveau de l'entrée et de la sortie du fluide (lequel peut etre introduit à des vitesses de l'ordre de 2 mètres-seconde) ainsi que du fait de la dissymétrie de l'entrée et de la sortie du fluide stocké. Pour obtenir des résultats satisfaisants, on est obligé de multiplier le nombre de réservoirs, donc d'utiliser des réservoirs de petite capacité qui sont plus couteux, à capacité égale, qu'un réservoir de grande capacité. Enfin, la multiplication des réservoirs conduit à une multiplication des vannes d'isolement ou de dérivation entre les réservoirs, ce qui augmente le prix d'installation et complique les manoeuvres d'exploitation. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de réaliser des réservoirs de stockage permettant une "stratification" améliorée des fluides stockés, c'est-à-dire évitant en grande partie le mélange du fluide chaud et du fluide froid, ce qui améliore grandement le rendement énergétique de l'installation de chauffa- ge. Cette amélioration de la stratification permet d'éviter d'autre part une division poussée de la capacité de stockage en multiples unités de faible volume, ce qui réduit le prix des installations. L'invention a pour objet un réservoir de stockage cylindrique à axe vertical, pour l'accumulation et l'utilisation d'eau chaude, qui est raccordé à une première conduite exterieure d'introduction et d'extraction de l'eau chaude dans la partie haute du réservoir, et à ute deuxième conduite extérieure d'introduction et d'extraction de l'eau froide dans la partie basse du réservoir, et dans lequel la première conduite est'prolongée, à l'intérieur du réservoir, par une première portion intérieure de conduite qui débou- che, sensiblement dans l'axe du réservoir, contre et au voisinage du fond supérieur du réservoir, tandis que la deuxième conduite est prolongée, à l'intérieur du réservoir, par une deuxième portion intérieure de conduite qui débouche sensiblement dans ltaxe du réservoir, contre et au voisinage du fond inférieurdu réservoir. Grâce à cette disposition, l'introduction et l'extraction d'eau par lesdites conduites établissent, à I'inté- rieur du réservoir, une circulation hydraulique sensiblement symétrique par rapport à l'axe du réservoir réduisant ou supprimant tout phénomène convectif ou turbulent qui tendrait à mélanger les deux fluides à températuresdiffé- rentes. Suivant une forme préférée de réalisation de l'invention, la première portion précitée intérieure de conduite s'étend sensiblement sur toute la hauteur du réservoir, la première conduite extérieure étant branchée à la partie basse du réservoir. Grâce à cette disposition, les deux conduites extérieures sont situées, avec leurs vannes dtisole- ment ou de dérivation, au niveau de la partie inférieure du réservoir, ce qui facilite le montage et la commande de ces vannes. De préférence on prévoit, au voisinage de l'embouchure des portions intérieures de conduite, un disque déflecteur répartiteur et/ou, dans la partie intermédiaire du réservoir, des diaphragmes anti-turbulence. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre eut à l'examen des dessins annexés qui.représentent, à titre d'exemples non limitatifs'plusieurs modes de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue schématique d'une installation de chauffage d'eau sanitaire équipée de réservoirs de stockage classiques. La figure 2 est une vue en coupe d"un réservoir de stockage conforme à l'invention. La figure 3 est une vue schématique d'une installation de chauffage d'eau sanitaire équipée de réservoirs de stockage conformes à l'invention. L'invention s'applique au stockage de l'eau chaude dans les installations, par exemple pour le chauffage d'eau sanitaire, dans lesquelles l'élément de production de la chaleur ou de réchauffage du fluide (chaudière, ou échangeur) est extérieur au réservoir de stockage, celui-ci étant utilisé en cycle inversé avec remplissage de fluide chaud ou de fluide froid et, par conséquent, avec stockage de fluide chaud ou de fluide froid. On a représenté sur la figure 1 une installation de ce genre, avec des réservoirs de stockage classiques, pour mieux faire ressortir les inconvénients de ces réservoirs. L'installation comprend une arrivée d'eau froide 2, une distribution d'eau chaude 4, un échangeur de chaleur 6 recevant un fluide primaire 8, et plusieurs réservoirs de stockage, par exemple quatre réservoirs, 101, 102, 1031 104 raccordés en série. Le réservoir 101 est raccordé à une première conduite extérieure 12, pour l'introduction et l'extraction de l'eau chaude dans la partie haute du réservoir et à une deuxième conduite extérieure pour l'introduction et l'extraction de l'eau froide dans la partie basse du réservoir. Les autres réservoirs sont raccordés de façon identique, comme il est représenté sur la figure. En période d'introduction d'eau froide Par la canalisation 14 (pendant le soutirage d'eau chaude par la distribution 4), la vitesse de débit d'eau froide, représentée par les flèches 16, provoque des courants et des turbulences dans le réservoir qui produisent un mélange de l'eau chaude qui pourrait encore être contenue dans la partie supérieure du réservoir avec liteau froide introduite. Inversement, pendant les périodes de non soutirage, où l'eau est réchauffée en circuit fermé par l'échangeur 6, l'introduction d'eau chaude, à la partie supérieure du ré servoir~104, produit également des courants qui tendent à mélanger l'eau à deux températures contenue dans le réservoir. Jusqu'à présent, pour éviter ce mélange nuisible et pour réaliser une certaine "stratification" des fluides, on montait en série, comme il est représenté sur la figure 1, une pluralité de réservoirs verticaux de grande hauteur et de faible diamètre. Chaque réservoir devant être muni de vannes d'isolement et de dérivation (non représentées), la multiplication des réservoirs entrainait une multiplication de ces vannes. On a représenté sur la figure 2 un réservoir 20 conforme à l'invention qui est de forme cylindrique à axe vertical X-X. La conduite extérieure 14 d'introduction et d'extraction d'eau froide, qui est raccordée à la partie basse du réservoir est prolongée, à l'intérieur du réservoir par une portion intérieure de conduite 22, 24 dont l'extrémité ouverte 26 débouche dans l'axe X-X du réser- voir, contre le fond inférieur 28 du réservoir, à une faible distance de ce fond. La conduite extérieure 12 d'introduction et d'extraction d'eau chaude, qui est également raccordée au réservoir, est prolongée, à l'intérieur du réservoir par une p.ortiodde conduite 30, 32 dont l'extrémité ouverte 34 débouche dans l'axe X-X du réservoir, contre le fond supérieur 36 du réservoir à une faible distance de ce fond. De préférence, les portions de conduite 24 et 32 sont constituées par un tube unique 38 disposé dans l'axe du-réservoir et pourvu d'une cloison de séparation 40 de part et d'autre de laquelle sont branchees les portions de conduite 22 et 30 Cette disposition permet de placer la portion de conduite 30 pour l'eau chaude dans la partie basse du réservoir, si bien que la conduite extérieure 12 d'eau chaude peut être raccordée au réservoir dans sa partie basse,'c9mmella' conduite extérieure d'eau froide 14. Ceci présente un grand avantage pour la simplicité du montage par rapport aux réservoirs classiques (figure 1) ot la moitié des raccordements devaient être faits en hauteur. De préférence, les fonds 28 et 36 du réservoir sont de forme bombée pour guider les filets d'eau introduits et on prévoit un disque protecteur anti-turbulence 41, aux extrémités inférieure et supérieure du tube 38, pour réduire les mouvements convectifs dus à la vitesse de passage, variable selon les régimes d'exploitation, des fluides chaud et froid. Pour réduire la vitesse de sortie des fluides, on choisit un tube 38 de section plus grande, par exemple deux ou trois fois plus grande, que la section des conduites 14, 22, 12, 30 et aux extrémités duquel sont répartis des orifices latéraux débouchant entre le fond et le disque. Enfin on peut prévoir un disque d'équilibrage 42 placé en partie basse et en partie haute du réservoir, voire en partie mediane dans le cas de grands diamètres, percé d'orifices 43 répartis de façon concentrique mais de section croissante ou décroissante en fonction de leur distance par rapport à l'axe et de leur position par rapport à la pénétration de fluide dans le réservoir. Grâce à ces diverses dispositions, on réalise une introduction, une extraction et une circulation symétriques du fluide dans le réservoir, ce qui supprime tout phénomène convectif interne tendant à mélanger les deux fluides. On obtient ainsi une "stratification" réelle dans un même réservoir ce qui permet la construction de réservoirs de moins grande hauteur et de plus grand diamètre, que les réservoirs classiques, donc de construction plus économique. La "stratification" étant obtenue de façon "interne", il n'est plus nécessaire de diviser de façon aussi poussée la capacité de stockage et on peut donc adopter des réservoirs individuels de plus grand volume que jusqu'à.présent, ce qui représente également une économie d'investissement, tout en diminuant la surface extérieure exposée à l'atmosphère. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les sous-stations de préparation d'eau chaude sanitaire comportant un réchauffeur indépendant des ballons d'accumulation. De plus, l'application est particu lièrement intéressante dans le cas où le réseau de chaleur utilise comme source de production les énergies ou les techniques nouvelles à bas potentiel de température, comme la géothermie, comme l'énergie solaire, comme la chaleur de récupération, le fluide de condenseur des pompes à chaleur, mais aussi toute énergie classique, où la température de retour doit être la plus faible possible. C'est ainsi qu'on a représenté schématiquement sur la figure 3 une installation de chauffage d'eau sanitaire analogue à celle de la figure 1, mais avec seulement deux réservoirs de stockage 201, 202 conformes à l'invention, au lieu de quatre. Chaque réservoir 20 est pourvu d'un robinet d'isolement à trois voies 44 et d'un autre robinet à trois voies 46 situés respectivement aux raccordements du réservoir avec les conduites extérieures 14, 12. Ces robinets permet tent, par une simple manoeuvre simultanée, l'isolement du réservoir considéré et sa mise en dérivation par une canalisation 48. Il est à noter que tous ces robinets sont situés à un niveau bas de l'installation. En outre, le réservoir pourra comporter tout autre organe, conformément aux règles de l'art habituel, tel que les systèmes de purge, de vidange, de sécurité ou de contrôle, ainsi que le trou d'homme de visite, la jaquette calorifugée ou tout dispositif classique. Dans le cas de la préparation d'eau chaude sanitaire, les réservoirs étant associés à un réchauffeur indépendant 6, la circulation d'eau étant obtenue par l'intermé- diaire d'une pompe P, l'entrée du ballon étant raccordée à la tuyauterie d'eau froide 2 et la sortie du ballon étant raccordée à la tuyauterie 4. de distribution d'eau chaude, le fonctionnement est le suivant - en cas de non soutirage d'eau chaude sanitaire l'eau froide stockée en partie basse dans le réservoir est extraite par la canalisation 24 22, 14, puis réchauffée par l'échangeur 6 et l'eau chaude est introduite en partie haute du réservoir par la canalisation 30, 32 - en cas de soutirage.d'eau chaude sanitaire l'eau chaude stockée en parti.haute dans le réservoirest extraite par la canalisation 32, 30, 12 alors que l'eau froide est introduite en partie basse par la canalisation 14, 22, 24 - dans les deux cas, le niveau de séparation entre l'eau froide et l'eau chaude est variable en hauteur dans le réservoir et son déplacement s'effectue sans perturbation notable pouvant favoriser le mélange ; la turbulence la plus importante étant causée par l'arrivée d'eau froide en cas de soutirage maximal, la vitesse d'introduction pouvant s'échelonner entre 0,1 mjs et 2 m/s. Le protecteur anti-turbulences et le disque d'équilibrage ont alors un effet stabilisateur de la diffusion du fluide. REVENDICATIONS 1. Réservoir de stockage cylindrique à axe vertical, pour l'accumulation et l'utilisation d'eau chaude, qui est raccordé à une première conduite extérieure d'introduction et d'extraction de l'eau chaude dans la partie haute du réservoir (12), et à une deuxième conduite extérieure d'introduction et d'extraction de l'eau froide dans la partie basse du réservoir (14), ledit réservoir étant caractérisé en ce que la première conduite (12) est prolongée, à l'intérieur du réservoir, par une première portion intérieure de conduite (30, 32) dont l'extrémité ouverte (34) débouche, sensiblement dans l'axe X-X' du réservoir, contre et au voisinage du fond supérieur (36) du.réservoir, tandis que la deuxième conduite (14) est prolongée, à l'intérieur du réservoir, par une deuxième portion intérieure de conduite (22, 24) dont l'extrémité ouverte (26) débouche sensiblement dans l'axe du réservoir, contre et au voisinage du fond inférieur (28) du réservoir. 2. Réservoir salivant la revendication 1, caractérisé en ce que le raccordement de la première portion intérieure de conduite (30, 32) avec la première conduite extérieure (12), de même que le raccordement de la deuxième portion intérieure de conduite (22, 24) avec la deuxième conduite extérieure (14) sont faits à la partie basse du réservoir. 3. Réservoir suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'une partie (32) de la première portion intérieure de conduite et une partie (24) de la deuxième portion intérieure de conduite sont constituées par un tube unique (38) qui est pourvu d'une cloison de séparation (40) et qui est disposé suivant l'axe vertical X-X du réservoir. 4. Réservoir suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les extrémités du tube (38) sont percées d'orifices latéraux débouchant sensiblement au niveau des fonds (28, 36) du réservoir. 5. Réservoir suivant l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'un disque anti-turbulence (41) est monté au voisinage de l'une au moins des extrémités du tube (38). 6. Réservoir suivant l'une des revendications 1 a 5, caractérisé en ce qu'au moins un diaphragme (42), percé d'orifices (43), est monté dans le réservoir pour équilibrer la circulation du fluide. 7. Réservoir suivant l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend, au niveau de la partie basse du réservoir, deux vannes à trois voies (44, 46) interposées respectivement sur les raccordements dudit réservoir avec les conduites extérieures (2, 12) et une canalisation de dérivation (48) branchée sur lesdites vannes (44, 46).