Brevet FR2556823A1 — publié le 19850621

Accwl!u?atellr de chaleur à liquide caloporteur et masse , ique métallique L'invention concerne un accumulateur de chaleur à liquide caloporteur et masse métallique. Dans un système de chauffage à liquide caloporteur, il est connu d'intégrer un accumulateur de chaleur, qui présente de l'intérêt dans différentes circonstances. Ainsi, par exemple, dans le cas d'un générateur électrique de chauffage, l'accumulateur permet le passage des heures de pointe de courant à tarification élevée ; ou dans le cas d'une charge thermique très variable, il permet ltécretage des pointes de consommation et un allegement de la puissance installée. Dans les montages classiques existants l'accumulation de chaleur se fait dans des stockages de liquide caloporteur dont le volume est important compte tenu de la valeur peu élevée du produit : chaleur spécifique x masse volumique. D'autre part deux inconvénients sont à prendre en compte : le prix elevé du liquide caloporteur et la nécessité de le remplacer périodiquement. En dépit de ces inconvénients les liquides caloporteurs permettent de résoudre les problèmes de chauffage à haute température sans pression ou sous faible pression. L'un des buts de la présente invention est de procurer un accumulateur de chaleur de prix de revient relativement faible, de mise en oeuvre aisée, de maintenance réduite, et d'encombrement restreint. Un autre but de l'invention est de fournir un accumulateur de chaleur de dimensions adaptables à partir d'un module de base, ne nécessitant pour sa construction que des éléments courants et peu onéreux, et assurant des performances très satisfaisantes sur le plan thermique. L'invention a pour objet un accumulateur de chaleur à liquide caloporteur et masse métallique, du type comportant une enveloppe dans laquelle circule un liquide caloporteur et dans laquelle est disposée une masse métallique, caractérisé en ce que la masse métallique occupe au moins 70% du volume de ltenlreloppe, et le liquide caloporteur au plus 30 de ce volume. Selon d'autres caractéristiques de l'invention -La masse métallique occupe 90t environ du volume de ltenveloppe. -La masse métallique est constituée d'un empilage vertical de nappes horizontales constituées chacune d'une juxtaposition de plaques métalliques munies de perforations. -Les plaques métalliques sont carrées et les perforations sont régulièrement réparties sur les plaques pour constituer des rangées. -Les perforations des plaques superposées dans l'em- pilage constituent des canaux verticaux pour la circulation du liquide caloporteur. -Deux des perforations de chaque plaque sont traversées par un fer rond pour assurer le maintien en position relative correcte des plaques superposées. -La masse métallique repose sur un plancher de support constitué de poutrelles de fer en I. -Sous la masse métallique et entre les poutrelles du plancher de support, sont disposées des rampes distributrices de liquide caloporteur. -Les rampes distributrices sont reliées à un collecteur bas. -A la partie superieure de la masse métallique sont prévues des rampes distributrices de liquide caloporteur aboutissant à un collecteur haut. -L'accumulateur est réalisé en plusieurs sous-ensembles chacun constitué d'un empilage vertical de nappes horizontales constituées chacune d'une juxtaposition de plaques métalliques munies de perforations. -Les plaques sont en fonte) par exemple. D'autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description qui suit faite avec référence au dessin annexé sur lequel on peut voir Figure 1 : une vue de dessus de la plaque métallique constituant l'élément de base de l'accumulateur selon l'invention Figure 2 : une vue schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un accumulateur selon l'invention, en un seul ensemble; Figure 3 : une vue en coupe selon la face avant de l'accumulateur de la Figure 2, montrant le détail de la partie inférieure, et notamment le plancher de support et les rampes distributrices de liquide caloporteur; Figure 4 : une vue schématique d'une variante de réalisation d'un accumulateur de chaleur selon l'invention, en plusieurs sous-ensembles Figure 5 : un schéma symbolique d'un système de chauffage utilisant un accumulateur de chaleur selon l'invention. En se reportant au dessin on peut voir (Figure 1) une plaque métallique 1, carrée, épaisse, et munie d'un certain nombre de perforations 2 régulièrement réparties. Cette plaque 1 constitue l'élément de base de l'accumulateur de chaleur selon l'invention. Les plaques sont disposées en nappes de plaques adjacentes telles que 1, 3, 4, 5. On constitue ensuite des piles de nappes superposées pour réaliser une masse métallique importante. Les plaques superposées sont maintenues en position relative correcte au moyen de fers ronds tels que 6 et 7, qui sont insérés dans deux perforations extrêmes des plaques par exemple. Sur la figure 2, on voit un accumulateur en un seul ensemble, constitué par un empilage de nappes de plaques, dont seules la première et la dernière nappes sont symbolisées par les quadrillages 8 et 9. Cet empilage est réalisé sur un plancher de support symbolisé par des poutrelles 10 de fer en I. Entre ces poutrelles passent des rampes 11 distributrices de liquide caloporteur qui sont toutes reliées sur la face avant à un collecteur bas 12. De la même manière, le collecteur haut 13 reçoit les rampes distributrices supérieures. Une enveloppe 14 métallique entoure l'ensemble de l'accumulateur. Cette enveloppe n'est pas soumise à des contraintes mécaniques importantes, car l'accumulateur de chaleur utilise un liquide caloporteur et non une vapeur ou un gaz : la pression de fonctionnement est donc très faible. Sur la figure 3, on voit que sur le fond de cuve 15 sont disposées des poutrelles 10 qui supportent les plaques telles que 1 empilées pour constituer la masse métallique de l'accumulateur de chaleur selon l'invention. Ces poutrelles sont disposées entre les rangées de perforations 2 Entre les poutrelles 10 courent des rampes 11 distributrices de liquide caloporteur, et qui présentent un orifice 16 en face de chaque perforation d'une rangée de façon à uniformiser la vitesse d'écoulement du liquide dans tous les canaux verticaux constitués par la superposition des perforations 2 des différentes plaques d'empilage3 et y autoéquilibrer la distribution du liquide. Sur la figure 4, on voit que l'accumulateur de chaleur selon l'invention peut-6tre réalisé en plusieurs sousensembles, par exemple 17, 18 et 19, le collecteur bas d'un sous-ensemble étant relié directement au collecteur haut du suivant. Cette disposition présente l'intérêt de réduire les pressions sur le sol des appareils et d'avoir des cuves de hauteur réduite. Selon l'invention, la masse métallique constituée par l'empilage des plaques accumule la chaleur qui lui est transmise par le liquide caloporteur, qui la reçoit lui-même du générateur de chaleur du système de-chauffage. Le liquide caloporteur circule verticalement dans les canaux constitués par la superposition des perforations des plaques. Les cuves et les collecteurs sont calorifugés pour la température maximale admissible, pour le liquide caloporteur utilisé. L'originalité de cette invention réside dans une diminution très importante des installations de stockage et de la quantité de liquide caloporteur à capacité de stockage thermique égale : l'invention consiste à noyer dans le liquide caloporteur du stockage le maximum de masses solides, métalliques par exemple (parce que le produit : chaleur spécifique x masse volumique, a une valeur beaucoup plus élevée que pour le liquide caloporteur). Par conséquent, ce montage permet une économie substantielle de volume de stockage et surtour de quantité de liquide caloporteur. A titre d'exemple, on peut comparer les capacités calorifiques au dm3 de deux produits différents - liquide caloporteur-type (utilisation à 2500C); 0,527 Kcal/kg/ C X q855 kg/dm3 = t Kcal/dm3/0C - masse métallique (fonte par exemple) à la même température 0,13 Kcal/kg/ C X 7,3 Kg/dm3 = 0ç5 Kcal/dm3/0C soit 2,1 fois celle du liquide caloporteur seul, et soit sensiblement la capacité calorifique de stockage de l'eau à volume donné. Selon l'objet du brevet, le transfert thermique se fait par le liquide caloporteur transférant l'énergie thermique à stocker aux masses métalliques immergées. On trouvera ci-après un exemple de réalisation avec 10% en volume de liquide caloporteur pour 90%, également en volume, de masses métalliques. Ce pourcentage peut varier suivant les réalisations de 5 à 30 étant entendu que l'on a intérêt à descendre à un minimum compatible avec les pertes de charges dont l'importance augmente lorsqu'on restreint les orifices de passage du liquide dans la masse métallique. En utilisant les produits cités on arrive à une chaleur volumique globale de 0,90 Kcal/dm3/0C ce qui donne encore un coefficient multiplicateur de 2 par rapport au liquide caloporteur seul. Un autre aspect de l'originalité de cette invention consiste en un système de régulation automatisée pour la charge la décharge et la fourniture en appoint de chaleur du stockage thermique. A titre d'exemple, on trouvera ci-après la description d'un système d'accumulation de chaleur, capable d'accumuler 400.000 Kcal et de les restituer en 2 heures, soit une puissance thermique de 232 KW. L'accumulateur est chargé par le haut à partir du liquide caloporteur fourni à la température maximum de charge de l'accumulateur (toutes les masses métalliques sont alors à la température du liquide à 230 ). Lors de la décharge la température de l'accumulateur descend jusqu'à 180"C, température minimum de l'accumulateur déchargé pour l'exemple de réalisation choisi. Le volume théorique d'un tel accumulateur est egal à 400.000 Kcal = 8.888 dm3 = 8.888 dm 0,9 Kcal/dm3/0C X 5nOC qui contient donc environ : 8.000 dm3 de fonte soit 58.400kg et 888con3 de lihuide caloporteur circulant dans les canaux d'échange de la partie r..etalliquen à comparer avec un accumulateur traditionnel qui contien drait 17.776in3 de liquide caloporteur. Le système envisagé pour la réalisation d'un tel accumulateur est le suivant Récipient paraalélépipédique en tole d'acier raidie pour résister à la seule pression du liquide caloporteur, Les masses métalliques reposent sur le fond par l'intermédiaire d' un plancher de support en poutrelles métalliques contenant les rampes distributrices du liquide pour alimenter les canaux verticaux d'çhanfe avec les Is masses métalliques. Des rampes dis identiques tributrices/sont égélement installées en partie haute de ces canaux verticaux et positionnées à la même distance de la face supérieure de la dernière nappe de plaques, (de façon à réaliser un ensemble de circulation auto-équilibrée du liquide dans les différents canaux : principe de la boucle Tichelmann). Dimensions intérieures de la partie accumulatrice . Base : 1,75m X 1,75 m . Hauteur : 2,90 m Masses métalliques . Principe : empilage vertical de plaques de fonte planes de base carrée et perforées chacune de canaux cylin driques approximativement verticaux, compte tenu des dépouilles néces saires au démoulage. . Réalisation : Plaques en fonte brutes de fonde rie de 25cm X 25cm-X 5cm avec qua tre rangées de 4 canaux de diamè tre 20mm , soit 16 trous répartis également sur la surface avec les deux trous extrêmes en diagonale utilisés pour le guidage vertical de l'empilage des plaques sur tou te sa hauteur. Ce guidage est réa lisé au moyen de deux ronds en acier de diametre 18mm. L'accumulateur ainsi formé est constitué de 58 nappes (hauteur totale 2,90m) de 49 plaques (correspondant au carré de base de 1,75m X 1,75m) soit un total de 2.842 plaques d'un poids unitaire de 21 kgs. environ. Chacune des 49 piles de 58 plaques sera maintenue par les 2 ronds en acier de telle façon que le jeu des dilatations soit préservé entre les piles voisines. La surface d'échange obtenue entre les masses métalliques et le liquide caloporteur circulant dans les canaux verticaux est alors de l'ordre de 125 m2 (2.842 plaques de 14 trous de diamètre 2cm et de 5cm de long soit 31,4 cm2 par trou). Il faut noter que la charge calorifique au m2, dans le cas présent de 232 -W/125m2 = 1,36 K.\r/m?, est tres loin de la valeur maximale admissible de 50 à 60 KW/m2 : valeur maximum pour les échanges entre liquide caloporteur et surface d'échange pour le chauffage de ce liquide dans les générateurs. Le passage possible du liquide en dehors des canaux c?est-a-dire dans les espaces réservés pour jeu des dilatations entre piles a été négligé et ce d'autant plus que la.motié de ces passages possibles entre piles est obstruée en partie/par les ailes des poutrelles de support communes entre deux plaques voisines. Outre la réduction importante des installations de stockage et de la quantité de liquide caloporteur utilisée, l'invention présente plusieurs avantages relatifs au coût de construction et à la faculté d'offrir une gamme de capacités très étendue - réalisation modulaire avec module de base très simple : plaque en fonte ordinaire plane, perforée, de dimensions réduites, permettant une manutention et une mise en place aisée (21 Kgsj et la réalisation d'un grand nombre d'ensembles de dimensions très variées. - réalisation de l'enveloppe sans pression autre que celle du liquide caloporteur (fonctionnement sans pression de vapeur) avec de la tôle d'acier ordinaire et des raidisseurs du type fers plats ou profilés du commerce. - réalisation de l'ensemble de support avec des tron çons de profilés du commerce donc également de construction modulaire aisée. - réalisation de la distribution par tubes du commerce perforés au droit des canaux, tout à fait courante en installation de tuyauterie. - réalisation de la régulation par vannes trois voies classiques des installations de chauffage. Le fonctionnement en régulation d'un système de chaux fage avec l'accumulateur de chaleur selon l'invention va maintenant être décrit avec référence à la figure 5. Le système de chauffage comprend un générateur 20 assurant le chauffage du liquide caloporteur entre une température minimale de fonctionnement de 180 C et une température maximale de '30-C, à titre d'exemple. Le générateur 20 alimente un échangeur ou une bouteille de mélange 22 de type classique sur laquelle est branché le circuit d'utilisation 23. Entre le générateur 20 et la bouteille 22, se trouent une canalisation d'alimentation 24 et une canalisation de retour 25 dans lesquelles le liquide caloporteur circule toujours dans le même sens, qui est celui des flèches. Cette circulation est assurée par une pompe de circulation unique 26 placée sur la canalisation de retour 25. Cette pompe est encadrée par deux vannes à trois voies Vo et V1 dont la troisième voie A assure le branchement de l'accumulateur 21. L'accumulateur 21 se trouve en dérivation sur le circuit de chauffage, entre les deux canalisations 24 et 25. Il est relié directement à la canalisation 24 par son collecteur haut 13. Son collecteur bas 12 est relié à deux conduites 27 et 28 le reliant respectivement aux voies A des vannes Vo et V1. Les vannes à trois voies Vo et V1 sont commandées par des dispositifs de régulation 29 et 30 respectivement. Le dispositif de régulation 29 reçoit une information de température T de la sonde 31 placée sur la canalisation de retour 25 et une information de température haute HT de la sonde 32 placée sur le collecteur bas 12. Le dispositif de régulation 30 reçoit une information de température T de la sonde 31 et une information de température basse BT de la sonde 33 placée sur le collecteur haut 13. Le générateur 20 peut être électrique ou mixte (électrique et combustible liquide ou gazeux par exemple). -La pompe de circulation permet d'assurer à la fois la circulation dans le générateur de l'accumulateur et dans les échangeurs (ou autres utilisateurs tels que : bouilleurs, générateurs d'air chaud, etc...). Dans le cas d'un générateur de chauffage électrique, la charge de l'accumulateur 21 s'effectue aux heures creuses pour bénéficier de la tarification réduite. La charge de l'accumulateur 21 s'effectue d'une fa çon rationnelle par introduction du liquide chaud à température constante 2300 par le haut, la charge étant terminée quand la sonde de température 32 située en partie basse indique 2300 C (HT). La vanne à trois voiesVo condame alors la circulation dans l'accumulateur 21 par fermeture de sa voie A. L'alimentation du circuit d'utilisation 23 s > effec- tue parallèlement à l'alimentation de l'accumulateur 21. Le générateur 20 module sa puissance suivant la température des retours du circuit de chauffageetdel'accumulateur. Pour charger au maximum l'accumulateur pendant les heures creuses le débit des retours de chauffage est laminé au maximum sur la voie B de la vanne Vo. La décharge s'effectue en sens inverse de la charge c'est-à-dire vers le haut dans l'accumulateur 21. Si l'accumulateur est chargé meme partiellement, il y a priorité absolue de l'utilisation de la chaleur accumulée à bon marché sur l'utilisation du générateur. Donc, la voie B de la vanne à trois voies V1 est fermée au maximum compatible avec les besoins. Si l'accumulateur est déchargé la sonde 33 de température (BT) située en partie haute de l'accumulateur ferme alors la direction A de la vanne à trois voies V1 coupant ainsi l'admission des retours à l'accumulateur. Le tableau ci-dessous donne pour les différents cas de fonctionnement, les voies ouvertes pour chacune des deux vannes à trois voies Vo et V1. MODE DE FONCTIONNEMENT VOIES OUVERTES VO V1 1. Charge de l'accumulateur avec utilisation extérieure ABCC CB BC 2. Charge de l'accumulateur sans utilisation extérieure AC CB 3. Pécharçre de 1'accumulateur sans utilisation du générateur BC CA 4. Utilisation du générateur seul BC CB M REVENDICATIONS 1. - Accumulateur de chaleur à liquide caloporteur et masse métallique, du type comportant une enveloppe dans laquelle circule un liquide caloporteur et dans laquelle est disposée une masse métallique, caractérisé en ce que la masse métallique occupe au moins 70% du volume de l'enveloppe, et le liquide caloporteur au plus 30% de ce volume. 2. - Accumulateur selon larevendication 1, caractérisé en ce que la masse métallique occupe 90% environ du volume de l'enveloppe. 3. - Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse métallique est constituée d'un empilage vertical de nappes horizontales constituées chacune d'une juxtaposition de plaques métalliques (1) munies de perforations (2). 4. - Accumulateur selon la revendication 3, caracterisé en ce que les plaques métalliques (1) sont carrées et les perforations sont régulièrement réparties sur les plaques pour constituer des rangées. 5. - Accumulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les perforations (2) des plaques (1) superposées dans l'empilage constituent des canaux verticaux pour la circulation du liquide caloporteur. 6. - Accumulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux des perforations (2) de chaque plaque (1) sont traversées par un fer rond (6) pour assurer le maintien en position relative correcte des plaques superposées. 7. - Accumulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la masse métallique repose sur un plancher de support constitué de poutrelles (10) de fer en I. 8. - Accumulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que sous la masse métallique et entre les poutrelles (10) du plancher de support, sont disposées des rampes (11) distributrices de liquide caloporteur. 9. - Accumulateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les rampes distributrices (11) sont reliées à un collecteur bas (12). 10. - Accumulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que à la partie supérieure de la masse métallique sont prévues des rampes distïibutrices de liquide caloporteur aboutissant à un collecteur haut (13). 11. - Accumulateur selon la revendication 3, caractérise en ce que l'accumulateur est réalisé en plusieurs sousensembles (17, 18, 19) chacun constitué d'un empilage vertical de nappes horizontales constituées chacune d'une juxtaposition de plaques métalliques (1) munies de perforations (2). 12. - Accumulateur selon la revendication 3, carac térisé en ce que les plaques (i) sont en fonte. 13. - Accumulateur selon l'ensemble des revendications 9 et 5, caractérisé en ce que les rampes distributrices (11) sont munies de perforations (16) pour assurer une distribution autoéquilibrée du liquide dans les différents canaux verticaux.