Brevet FR2570476A1 — publié le 19860321

Accumulateur thermique par chaleur latente de changement de phase La présente invention concerne un accumulateur thermique par chaleur latente de changement de phase. On connatt les avantages du stockage thermique par chaleur latente de changement de phase : pour un même volume et une même variation de température, la chaleur latente de changement de phase d'un matériau est beaucoup plus importante que sa chaleur sensible. De plus, le stockage et le dé stockage de la chaleur s'effectuent à des températures pratiquement constantes, ce qui facilite la régulation du système. Dans l'état actuel de la technique, les produits à changement de phase sont encapsulés dans des boules, plaquettes ou tiges de petites dimensions. Ces capsules sont ensuite rassemblées dans un récipient dans lequel circule le fluide caloporteur. Le fluide caloporteur est en mouvement autour des capsules et échange ainsi sa chaleur avec le produit qu'elles contiennent. Un dispositif de type connu a été représenté à la figure 1, il montre le principe d'un stockage de chaleur dans des capsules sphériques. Le fluide chaud pénètre dans lerécipient par une extrémité a, se diffuse à travers les espaces entre les capsules c contenues dans le récipient d, leur transfère sa chaleur sensible, donc se refroidit et sort du réciFent wrltextimité opposée b. Au dé stockage, le fluide, en effectuant le chemin inverse, se réchauffe au contact des capsules. Cette disposition présente cinq inconvénients : (a) Le coefficient de remplissage, c'estA-dire le rapport entre le volume de produit à changement de phase et celui du récipient est relativement faible en théorie 0,740 pour des capsules sphériques et 0,907 pour des capsules cylindriques. (b) Ce coefficient de remplissage est encore fortement réduit pour les petites unités de stockage étant donné qu'on ne peut parfois pas insérer une fraction de capsule dans un interstice entre la paroi du récipient et les autres capsules. Ainsi, à titre d'exemple, la figure 2 montre que le coefficient de remplissage est de 0 750 avec un cylindre contenant 48 capsules cylindriques et de 0,713 avec celui contenant 52 capsules, soit une nette diminution par rapport à la valeur théorique de 0,907 citée ci-dessus. (c) Etant donné que le fluide caloporteur circule librement entre les capsules, il se crée des écoulements préféren tiels, donc des zones actives (e) et des zones mortes (f). La figure 1 montre un exemple de telles zones pour un stockage avec des capsules sphériques. L'existence de ces zones mortes pourrait réduire l'intérêt de la forte capacité volumique du stockage de chaleur par changement de phase. (d) Il faut remplir et sceller chaque capsule une à une. Or, comme ces capsules doivent être de petite taille, il en faut beaucoup, d'où des frais de main-d'oeuvre qui pourraient être importants. (e) A cause des faibles dimensions des capsules il est parfois difficile de conditionner certains produits qui ont des propriétés chimiques et thermiques intéres santes. Ainsi, sur le marché on ne trouve pratiquement que des capsules de sels hydratés. Mais les sels hydratés qui changent de phase entre 45 et 6O0C, ctest-à-dire dans la gamme de températures intéressantes pour le chauffage de locaux, ne sont pas disponibles industriel lement. Pour lever ces difficultés, on a proposé de procéder différemment. Au lieu de capsules autour desquelles circule le fluide caloporteur, le produit à changement de phase est disposé dans un récipient unique traversé par des canaux dans lesquels circule le fluide caloporteur. Ainsi (a) le remplissage s'effectue en une seule fois, (b) il nty a pas de possibilité d'écoulements préférentiels stil n'existe qu'un seul canal ou bien si tous les canaux créent sensiblement la même perte de charge. (c) il n'y a pas d'espace perdu, dpnc pas de perte superflue du volume de remplissage, (d) avec des canaux de section suffisamment petite, le coefficient de remplissage pourrait être très proche de l'unité. Cependant, les accumu-lateurs thermiques de ce type sont, pour le moment, peu diffusés à cause de la difficulté de leur fabrication, de leur transport et de leur mise en place. Pour que les échanges thermiques se fassent de façon satisfaisante, il faut que les canaux ne soient pas trop espacés et que le total de leurs longueurs soit assez important pour -obtenir une surface d'échange suffisamment grande. On peut résoudre le problème de deux façons (a) prévoir un grand nombre de canaux de longueur identique et les monter en parallèle et, dans ce cas, se pose le problème du soudage des extrémités de ces canaux à un collecteur, (b) prévoir un petit nombre de canaux de grande longueur cintrés en spirales ou en serpentins de façon à pouvoir les loger dans le récipient de produit à changement de phase, mais se posent alors les problèmes d'encombrement et de cintrage. Les problèmes de transport et de mise en place de l'accumulateur sont dus principalement au poids du produit qui est contenu dans celui-ci. L'invention a pour objet un accumulateur de ce type dans lequel le produit à changement de phase est enfermé en vrac dans un récipient cylindrique, fermé à ses extrémités par des plaques de tête entre lesquelles est monté un faisceau de tubes, lesdits tubes traversant les plaques et débouchant dans des boîtes dites boites à eau situées de part et d'autre du récipient cylindrique au dos des plaques, Selon une particularité de l'invention, un tuyau qui traverse une boite à eau et la plaque de tête contiguë relie avec l'extérieur le volume contenant le produit à changement de phase0 De plus, chaque bote comporte des orifices d'entrée et de sortie du fluide caloporteur. Enfin, il est prévu à l'extérieur du récipient une couche de matière thermique isolante qui enveloppe l'ensemble. Cet appareil est donc analogue à un échangeur de chaleur tubulaire, ses boites à eau servant de collecteurs aux tubes échangeurs qui traversent le cylindre et aussi de vases de mélange. Il est fabriqué aisément, car ses canaux n'aboutissent pas à des tubes collecteurs mais à des boites à eau. Ils sont donc soudés par leurs extrémités sur la plaque de tête, opération qui peut facilement être automatisée. Enfin, le transport du récipient et celui du produit à changement de phase s'effectuent séparément, le produit étant mis en place sur le site. Le tuyau a deux fonctions : - il permet de remplir le cylindre de produit à changement de phase, - il sert d'évent, mettant le produit à changement de phase à la pression atmosphérique quelles que soient ses variations de volume. L'espacement entre les tubes sera choisi de telle sorte que le transfert thermique entre le produit à changement de phase et le fluide caloporteur soit aisé. Des essais - préalables montrent que si l'on utilise à titre de produit à changement- de phase la paraffine, il suffit qu'aucun point de la paraffine ne soit à plus de 20 mm de la source de chaleur ou de froid. Par conséquent, les tubes sont de préférence disposés en réseau dont la maille élémentaire est un triangle équi latéral de 40 mm de côté maximum. Comme il a été dit précédemment, dans l'état actuel-de la technique, les produits à changement de phase sont des sels hydratés contenus dans des capsules de diverses formes géométriques (sphériques, cylindriques, ...). 3)1 autres produits ont été étudiés (acides gras, paraffines, ...) mais ne sont pas commercialisés parce que leur encapsulation est difficile. L'accumulateur tel que décrit ci-dessus permet un conditionnement aisé de la paraffine, donc son usage dans de bonnes conditions ce qui n'avait pas été réalisé jusqu'à présent. Les paraffines ont en effet des propriétés chimiques et thermiques intéressantes. Elles sont stables chimiquement. Elles sont compatibles avec la plupart des matériaux industriels (acier, polymères, ...). Elles ne présentent qu'une surfusion de 1 K au maximum. Ce sont des propriétés que ne possèdent pas les sels hydratés. Cependant, les paraffines sont combustibles, mais étant donné que leur point d'éclair est de 220 C, c'est-à-dire nettement plus élevé que celui du fuel domestique, le risque d'incndiednn accumulateur selon l'invention est sûrement moindre que celui présenté par une cuve à fuel. Un appareil conforme à l'invention a été représenté à titre d'exemple seulement à la figure 3 du dessin annexé dans lequel : la figure 1 représente schématiquement une coupe en élévation d'un appareil de type connu ; les figures 2a et 2b montrent respectivement des remplissages de 48 et 52 capsules cylindriques dans un cylindre ; la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un accumulateur conforme à l'invention la figure 4 est un exemple de diagramme des tepperatures de sortie de l'appareil pendant les changements de phase au stockage et au dé stockage. Si l'on se reporte à la figure 3, on voit que l'appareil de l'invention est constitué d'une cuve ou récipient cylindrique 1 fermé à ses extrémités par des plaques de tête, respectivement supérieure 2 et inférieure 3. De l'autre côté de ces plaques sont situées les boîtes à eau supérieure 4 et inférieure 5 délimitées par des parois hémisphériques ou analogues 6, 7. Un réseau de tubes espacés régulièrement 8 relie la boîte 4 à la boîte 5 en traversant les plaques 2 et 3 sur lesquelles ces tubes sont soudés. Des tubes 9, 10 d'une part et 11, 12 d'autre part débouchent dans les boites à eau pour l'arrivée et la sortie du fluide caloporteur, généralement de l'eau. Un tuyau d'évent 13 traverse la plaque de tête supérieure puis la boite à eau contiguë 4 pour déboucher à la partie supérieure de l'appareil. Cet évent sert au remplissage du récipient 1 en produit à changement de phase telle que de la paraffine 14. Il sert en outre à maintenir à la pression ambiante l'intérieur de la cuve en fonction des variations de phase de la matière, dont le volume à l'état liquide et à l'état solide est différent. Enfin, l'ensemble de l'appareil est entouré d'un isolant thermique 15. En fonctionnement, pendant la période de stockage, le fluide caloporteur parvient par les orifices supérieurs 9 ou 10, il s'écoule par les tubes d'échange 8 où il cède ses calories au produit 14, il est évacué à la partie inférieure par les orifices 11 ou 1 2e Pendant cet échange, la paraffine s'échauffe et fond en se maintenant à sa température de fusion. Pendant la phase de récupération,la paraffine se refroidit en se solidifiant et cède alors sa chaleur de changement de phase au fluide caloporteur circulant dans les tubes 8. Du point de vue thermique, pour le chauffage des locaux, il faut que la température de changement de phase soit suffisamment élevée pour que, au déstockage, le fluide caloporteur ait une température d'au moins 350C et suffisamment basse pour que, au stockage, le fluide caloporteur reste à une température compatible avec celle des générateurs de chaleur. La figure 4 indique les températures à la sortie de l'accumulateur de chaleur pendant les changements de phase au stockage et au déstockage, en fonction de la température de changement de phase pour le cas le plus courant où : - la différence logarithmique moyenne de température entre le fluide caloporteur et le produit à changement de phase est de 10 K, - et la différence de température du fluide caloporteur à l'entrée et à la sortie de l'accumulateur est de 10 K également. Le fonctionnement d'un plancher chauffant nécessite une température de 45/35 0C au minimum. Il faudrait donc un produit qui change de phase à une température minimale de 4O0C. Une chaudière classique fournit de l'eau à une température maximale de 900 C. Il faudrait donc un produit qui change de phase à une température maximale de 650C. Il se trouve qu'il existe des paraffines qui changent de phase dans toute une gamme de températures de - 120C (n dodecane C12 H26) à 760C (n -hexatriacontane C36 H74)et queles paraffines du commerce changent justement de phase entre 50 et 600C. L'accumulateur peut être en n'importe quel matériau pourvu que celui-ci soit compatible avec le fluide caloporteur et le produit à changement de phase. Cependant il sera de préférence en matière plastique thermoformable. Les thermoplastiques tels que le polyéthylène haute densité ou le polypropylène sont en effet particulièrement intéressants. Leur faible conductivité thermique ne pose pas trop de problèmes parce qu'elle est de l'ordre de celle de la plupart des produits à changement de phase. De plus, les tubes peuvent être de faible épaisseur parce qu'ils sont de petite section. Au contraire, la faible conductivité est un avantage dans la mesure où elle contribue à isoler thermiquement l'ensemble de l'accumulateur. La fabrication d'un accumulateur tel que décrit consiste en de la chaudronnerie acier ou matière plastique. Elle est donc facilement automatisable. Comme il a été dit jusqutà présent, des accumulateurs à changement de phase sont livrés avec le produit à changement de phase déjà mis en place dans le récipient. A cause du poids du produit, ces appareils sont difficiles à transporter et à mettre en oeuvre. Selon le dispositif de l'invention , et grâce à la présence de 11 évent, il est possible de livrer séparément le récipient et le produit à changement de phase : on installe d'abord le récipient vide, ensuite on le remplit de produit. Le produit étant livré à la température ambiante se trouve en phase solide. Pour pouvoir l'introduire par le tuyau, il suffit qu'il soit cassé ou spécialement fabriqué en petits morceaux. Le conditionnement en petits morceaux permet de livrer le produit en sacs de poids raisonnable pour une manutention aisée. Pendant le remplissage, on fait circuler dans les tubes échangeurs le fluide caloporteur à une température supérieure à celle nécessaire au changement de phase du produit. Ainsi, celui-ci peut fondre et occuper tout le volume intérieur de l'accumulateur. Ultérieurement, si le remplissage initial s'avère insuffisant, l'utilisateur pourrait faire l'appoint en rajoutant d'autres morceaux de produit par le tuyau. Cet appoint pourrait se faire pour la première fois après une vingtaine de cycles de stockage et de déstockage. Un accumulateur thermique tel que décrit ci-dessus trouve son application dans tous les cas où il est nécessaire de stocker de l'énergie calorifique à une température égale ou légèrement supérieure à celle du changement de phase. Une application très intéressante consiste à l'utiliser comme volant thermique des générateurs de chaleur. En effet, on sait que quand les générateurs de chaleur tels que chaudières ou pompes à chaleur fonctionnent par intermittence, ils ont un très faible rendement, Ce cas se produit aux mi-saisons, c'est-à-dire pendant les deux tiers de la saison de chauffe. Avec un accumulateur thermique selon l'invention, il serait possible de faire fonctionner un générateur de chaleur chaque fois que celui-ci se met en marche pendant un temps assez long pour que le rendement moyen soit acceptable. Dans ce type dgappli- -cation, il suffirait d'une-faible capacité de stockage. Ainsi pour une chaudière de maison individuelle standard, il suffit d'une capacité de stockage de trois à quatre kilowatts-heure. REVENDICATIONS 1. Dispositif de stockage thermique par chaleur latente de changement de phase du type selon lequel le produit à changement de phase est enfermé dans un récipient traversé par des tubes où circule le fluide caloporteur, caractérisé par ceci que le récipient de forme cylindrique fermé par des plaques de tete comporte de part et d'autre de ces plaques des boîtes à eau dans lesquelles débouchent d'une part les tubes de circulation fixés auxdites plaques, et d'autre part les tubulures d'arrivée et de départ pour le fluide caloporteur, ces boîtes servant à la fois de collecteurs et de vases de mélange. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par ceci qu'il est prévu un tuyau d'évent dans le sens axial pour faire communiquer l'intérieur du récipient avec l'extérieur au travers d'une des boîtes à eau, ce tuyau permettant à la fois le remplissage en produit à changement de phase de l'appareil, après sa mise en place, et le maintient de l'intérieur à la pression ambiante. 30 Dispositif de stockage de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par ceci que les tubes échangeurs sont disposés en faisceau dont la maille élémentaire est un triangle équilatéral de 40 mm de côté au maximum. 4. Dispositif de stockage de chaleur selon les revendications 1 et 2, caractérisé par ceci que le remplissage s'effectue en introduisant le produit en phase solide et en complétant le remplissage en le faisant fondre au contact des tubes échangeurs dans lesquels circule le fluide caloporteur chaud. 5. Dispositif de stockage de chaleur selon les revendications 1,2et 4, caractérisé par le fait que le produit à changement de phase est de la paraffine changeant de phase entre 50 et 60 C, l'introduction s'effectuant à l'état solide.