Brevet FR2524126A1 — publié le 19830930

La présente invention concerne un dispositif de stockage de chaleur et une source froide pour pompe à chaleur comportant un tel dispositif. On connaît déjà différents dispositifs de stockage de chaleur qui utilisent la chaleur latente libérée par le passage à température constante d'un corps de son état liquide à son état solide. C'est ainsi que l'on peut utiliser la chaleur latente de fusion de l'eau à la température de OOC. Ces dispositifs présentent toutefois l'inconvénient de comporter des tubes échangeurs autour desquels se dépose le corps à l'état solide, ce qui a pour effet de faire chuter considEra- blement le rendement de l'échangeur. On connaît en particulier les problèmes de "givrage" dus à la formation de glace sur les échangeurs de refroidissement d'air. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en fournissant un dispositif de stockage de chaleur, utilisable notamment en tant que source froide d'une pompe à chaleur, qui évite les inconvénients ci-dessus. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de stockage de chaleur caractérisé par le fait qu'il comprend un réservoir dans lequel sont disposées au moins une nappe inférieure d'un liquide caloporteur et une nappe supérieure d'un corps de stockage de chaleur dont la phase solide possède une densité inférieure à celle de la phase liquide, les deux nappes étant séparées par une surface à laquelle ledit corps de stockage ne peut adhérer en se solidifiant, et des moyens pour faire circuler le liquide caloporteur à la partie inférieure, du réservoir. Par conséquent, le liquide caloporteur et le corps utilisé pour le stockage de chaleur sont disposés dans un même réservoir en deux nappes superposées. Lorsque la chaleur est transférée au liquide caloporteur à partir du corps de stockage, celui-ci passe de l'état liquide à l'état solide mais, comme sa phase solide possède une densité inférieure à celle de la phase liquide, la phase solide remonte vers la surface supérieure du réservoir sans pouvoir se fixer dans la zone d'échange de chaleur entre le liquide caloporteur et la phase liquide du corps de stockage. Avantageusement, la densité du liquide caloporteur est supérieure à celle de la phase liquide du corps de stockage. Il est ainsi possible de séparer le liquide caloporteur de la phase liquide du corps de stockage sans utiliser de nappe solide sur laquelle la phase solide pourrait adhérer. Dans un premier mode de réalisation, la surface de séparation est formée par une nappe d'un liquide miscible ni au liquide caloporteur ni à la phase liquide du corps de stockage et de densité comprise entre celle du liquide caloporteur et celle de la phase liquide du corps de stockage. Dans un autre mode de réalisation, le liquide caloporteur et la phase liquide du corps de stockage sont non miscibles, la surface supérieure du liquide caloporteur étant directement en contact avec le corps de stockage de la nappe supérieure. On comprend que dans ces deux modes de réalisation, le corps de stockage ne peut adhérer à la surface de contact lors de sa solidification. Le liquide caloporteur peut par exemple être de la saumure alors que le corps de stockage de la nappe supérieure est de l'eau. Dans ce cas, le liquide caloporteur et le corps de stockage en phase liquide sont miscibles et l'on doit utiliser un liquide de séparation qui peut par exemple être du dibutyle phtalate. Si au contraire, le liquide caloporteur et le corps de stockage en phase liquide sont non miscibles, par exemple si l'on choisit respectivement du fluorocarbone et de l'eau, le liquide de séparation n'est pas indispensable. Les moyens pour faire circuler le liquide caloporteur à la partie inférieure du réservoir peuvent avantageusement comprend dre au moins une conduite d'alimentation et au moins une conduite de refoulement ainsi qu'une pompe montée sur la conduite de refoulement. La présente invention a également pour objet une source froide pour pompe à chaleur caractérisée par le fait qu'elle comprend un dispositif de stockage de chaleur tel que décrit ci dessus. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation particulier de l'invention en référence au dessin schématique annexé qui représente une pompe à chaleur utilisant comme source froide un dispositif selon l'invention. La figure représente une pompe à chaleur 1 de type connu dans laquelle un fluide tel que du fluorocarbone parcourt dans le sens des flèches F1 un circuit fermé entre un compresseur 2 et un détendeur 3 et retour, ce circuit fermé comportant deux échangeurs, à savoir un condenseur 4 entre le compresseur et le détendeur et un évaporateur 5 entre le détendeur et le compres-seur. Le fluide de chauffage traverse le condenseur 4 dans un circuit 6 alors que le liquide caloporteur traverse l'évaporateur 5 dans un circuit 7 fermé sur une source froide. Tout ceci est bien connu et ne sera par conséquent pas décrit plus en détail. La source froide selon l'invention est représentée au dessin sous la référence générale 8. La source froide 8 comprend un réservoir formé dans le sol et délimité par exemple par une paroi circulaire non armée 9 complétée éventuellement par un fond 10 formé d'un coulis durci. On a disposé à l'intérieur du réservoir de la source froide 8 une nappe inférieure 11 d'un liquide caloporteur qui dans le cas présent peut par exemple être une saumure dont la température de congélation est de l'ordre de " 100 C et dont la densité est de l'ordre de 1,1. Au dessus de la nappe 11 est disposée une nappe d'eau 12 dont la température de congélation est proche de 0 et la densité voisine de 1. Etant donné que les liquides des nappes 11 et 12 sont miscibles, on les sépare à l'aide d'une nappe 13 d'un liquide non miscible à l'eau et à la saumure, dont la température de congé- lation est inférieure à celle de saumure de la nappe 11 et dont la densité est comprise entre celles des nappes 11 et 12, et qui peut par exemple être, dans le cas présent, voisine de 1,05. On peut utiliser par exemple pour former la nappe 13 du dibutyle phtalate. Un tube plongeur d'alimentation 14 relie le circuit 7 à sa sortie de l'évaporateur 5 au fond du réservoir de la source froide 8 tandis qu'un autre tube plongeur 15 relie le fond du réservoir au circuit 7 à l'entrée de l'évaporateur 5. Une pompe 16 est placée sur le tube 15 pour assurer la circulation du liquide caloporteur dans le sens des flèches F 2 dans les tubes 14 et 15 et au fond du réservoir. Le liquide caloporteur amené par le tube 14 capte par conséquent les calories de l'eau de la nappe 12 en traversant la nappe 11 à la base du réservoir et les restitue à l'évaporateur 5 de la pompe à chaleur 1. On décrira maintenant un cycle de fonctionnement du dispositif, par exemple d'une durée d'un an dans le cas où il est utilisé pour le chauffage de locaux en hiver. Si, au début du cycle - de l'hiver dans le cas présent -, la température de l'eau 12 est voisine de OOC, et que l'on fait fonctionner le dispositif, il commence à se former de la glace 17 au contact avec la nappe de séparation 13 mais, du fait de la densité de cette glace inférieure à la densité de l'eau, la glace remonte en surface pour former une couche 18. Le processus se poursuit durant tout l'hiver jusqu'à la congélation pratiquement complète du réservoir, de l'eau restant en permanence à OOC au voisinage du liquide caloporteur à travers la nappe 13. Ceci assure un parfait échange thermique entre le liquide de stockage qui est ici constitué par l'eau 12 et le liquide caloporteur à savoir la saumure 11. I1 en résulte un excellent rendement pour la pompe à chaleur. Lorsque le réservoir est pratiquement entièrement congelé à la fin de l'hiver, on lui permet de se dégeler pendant l'été sous l'effet du rayonnement solaire et de la remontée de la température extérieure, ou de la température ambiante du local dans lequel il a été réalisé, ce qui est également réalisé dans de bonnes conditions, du fait que la température à sa surface est de l'ordre de 00, ce qui assure un très bon captage des calories de l'air ambiant. La profondeur du réservoir de la source froide 8 doit être déterminée de telle sorte que la colonne d'eau correspondante fournisse en se congelant la chaleur nécessaire pendant un cycle d'utilisation de la pompe à chaleur, c'est à dire dans le cas présent, pendant un hiver. La glace du réservoir sera alors décongelée pendant l'été suivant tout en restant aux environs de 00. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus auquel diverses variantes et modifications peuvent être apportées sans sortir pour autant de son cadre ni de son esprit. C'est ainsi que l'on peut prévoir d'assurer la décongélation du réservoir non pas à l'aide du rayonnement solaire mais par une circulation d'air forcé entre la surface du réservoir et une bâche tendue au dessus, ce qui peut permettre de refroidir en été les locaux qui sont chauffés en hiver par la pompe à chaleur. Dans un autre mode de réalisation on peut prévoir une dérivation du fluide caloporteur entre les tubes 14 et 15 immédiatement au dessous de la surface du réservoir et non pas au fond de celui comme cela est décrit ci-dessus. Ainsi on peut au début d'une période d'utilisation de la pompe à chaleur commencer à congeler la surface du réservoir pour former par exemple une patinoire puis reprendre la circulation du fluide caloporteur au fond du réservoir pour bénéficier des avantages décrits ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Dispositif de stockage de chaleur, caractérisé par le fait qu'il comprend un réservoir dans lequel sont disposées au moins une nappe inférieure (11) d'un liquide caloporteur et une nappe supérieure (12) d'un corps de stockage de chaleur dont la phase solide possède une densité inférieure à celle de sa phase liquide, les deux nappes étant séparées par une surface à laquelle ledit corps de stockage ne peut adhérer en se solidifiant, et des moyens (14, 15, 16) pour faire circuler le liquide caloporteur à la partie inférieure du réservoir. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la densité du liquide caloporteur est supérieure à celle de la phase liquide du corps du stockage. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la surface de séparation est formée par une nappe (13) d'un liquide miscible ni au liquide caloporteur, ni à la phase liquide du corps de stockage et de densité comprise entre celle du liquide caloporteur et celle de la phase liquide du corps de stockage. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le liquide caloporteur et la phase liquide du corps de stockage sont non miscibles, la surface supérieure de liquide caloporteur étant directement en contact avec le corps de stockage de la nappe supérieure. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le liquide caloporteur est de la saumure ou du fluorocarbone. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit corps de stockage de la nappe supérieure est de l'eau. 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le liquide de séparation est du dibutyle phtalate. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les moyens pour faire circuler le liquide caloporteur à la partie inférieure du réservoir comprenant au moins une conduite d'alimentation (14) et au moins une conduite de refoulement (15) ainsi qu'une pompe (16) montée sur la conduite de refoulement. 9. Source froide pour pompe à chaleur, caractérisé par le fait qu'elle comprend un dispositif de stockage de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.