Brevet FR2565333A1 — publié le 19851206

Dispositif répartiteur permettant le stockage thermique à une hauteur variable d'un réservoir de liquide et installation thennique utilisant un tel dispositif. La présente invention concerne un dispositif répartiteur permettant d'effectuer le stockage thermique dans un réservoir de liquide, à une hauteur qui dépend de la température d'arrivée du liquide caloporteur. L'installation de stockage de chaleur la plus simple, comprend une source de chaleur, telle que des capteurs solaires ou une chaudière chauffée par tout combustible approprié, un réservoir de stockage de la chaleur, un circuit chauffage dans lequel circule un liquide caloporteur, tel que de l'eau et qui comprend une conduite d'arrivée reliant la sortie de la source de chaleur au réservoir de stockage et une conduite de retour reliant le réservoir à l'entrée de la source de chaleur, une pompe pour faire circuler le liquide caloporteur dans le circuit de chauffage, une arrivée d'eau du réseau qui débouche à la partie inférieure du réservoir de stockage et une conduite d'utilisation branchée à la partie supérieure. Dans oertaines installations de stockage de chaleur, la conduite d'arrivée débouche à une faible hauteur à l'intérieur du réservoir, c'est-à-dire dans une zone où l'eau stockée est relativement froide. L'eau chaude qui pénètre à l'intérieur du réservoir se refroidit alors au contact de cette eau froide, de sorte qu'elle arrive à la partie supérieure du réservoir à une température plus froide. I1 en résulte une baisse de température extrême n 'portante et donc d'efficacité globale du système, puisqu'une fraction seulement de la chaleur arrivant de la source sert à réchauffer la couche supérieure d'où l'eau est extraite vers l'utilisation. De plus, les couches inférieures se réchauffent au contact de l'eau chaude qui pénètre dans le réservoir, et c'est une eau relativement chaude qui sera ramenée à la source pour y etre réchauffée. Le rendement de l'installation qui, d'après le théorème de CLAUSTUS est égal à T (T1 et et étant respectivement les T1 (T1 T2 températureS de l'eau dans la source et dans le réservoir), sera donc notablement diminué. Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé de faire déboucher la conduite d'alimentation dans la partie supérieure du réservoir. On évite bien ainsi de réchauffer les couches d'eau froide inférieures et de refroidir l'eau qui arrive de la source, mais si la source ne fournit pas de chaleur, comme c'est le cas par exemple lorsque la source fonctionne par intermittence, l'eau froide qui arrive de la source refroidit les couches supérieures chaudes du réservoir I1 est connu de pallier cet inconvénient en insérant dans le circuit de chauffage une unité de régulation différentielle reliée électriquement à la pompe et à deux sondes qui détectent respectivement les températures à la sortie de la source de chaleur et à la partie supérieure du réservoir de stockage.Lorsque la température mesurée à l & - sortie de la source de chaleur dépasse celle mesurée dans la partie supérieure du réservoir de stockage de plus d'une valeur de consigne, l'unité de régulation donne un ordre de marche à la pompe, laquelle amène l'eau chaude au réservoir. Par contre, si ltécart de température précédent descend en dessous d'une seconde valeur de consigne, l'unité de régulation interrompt la marche de la pompe.On est ainsi assuré que jamais de l'eau à une température plus froide que celle se trouvant à la partie supérieure du réservoir de stockage ne pénètrera dans ce dernier. Cependant, lorsque la source de chaleur utilisée est l'énergie solaire, le rendement de l'installation qui vient d'être décrite est très faible puisque l'eau chaude sortant des capteurs solaires n'a la température requise pour être admise dans le réservoir de stockage que lorsque le soleil est suffisamment chaud. Pendant tout le reste du temps, la chaleur collectée par les capteurs solaires n'est pas utilisée et est dissipée en pure perte.De plus, on tend actuellement de plus en plus à s'affranchir de l'utilisation d'une unité de régulation différentielle parce que c 'est un appareil relativement coûteux et qui nécessite pour son montage l'intervention d'un électricien. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et propose à cet effet un dispositif répartiteur permettant le stockage thermique dans un réservoir de liquide à partir d'une source de chaleur extérieure, ledit dispositif répartiteur se caractérisant en ce qu'il est constitué par un élément tubulaire fixé verticalement dans le réservoir et à la base duquel débouche la conduite d'arrivée, ledit élément tubulaire s'étendant sur pratiquement toute la hauteur du réservoir et présentant sur paroi latérale un ou plusieurs orifices répartis sur toute la hauteur de l'élément tubulaire et par lesquels l'eau chaude arrivant de la source de chaleur peut s' écouler vers l'intérieur du réservoir de stockage, à une hauteur qui dépend de la température de ladite eau. Dans une fonre de réalisation particulière de l'invention, ledit orifice est constitué par une fente s'étendant sur toute la longueur d'une génératrice de l'élément tubulaire. Selon une autre forme de réalisation, l'élément tubulaire est percé d'une pluralité de trous répartis sur toute sa surface. L'eau du réservoir de stockage et celle contenue dans l'élément tubulaire sont stratifiées en couches dont la température augmente uniformément depuis la couche la plus basse jusqu'à la couche la plus haute. I1 en résulte que 1 'eau chaude effluente qui débouche à la partie inférieure de l'élément tubulaire, remonte par convection naturelle, à l'intérieur de celui-ci jusqu'à un niveau ou elle recontre une couche d'eau ayant la même température qu'elle. L'eau ne peut plus monter davantage puisqu'elle est plus dense que l'eau qui se trouve au-dessus d'elle, de sorte qu'elle s'écoule vers l'intérieur du réservoir de stockage à travers les orifices situés à ce niveau.Ainsi, tout se passe comme si l'eau chaude effluente "choisit" elle-meme la hauteur à laquelle elle sort de l'élément tubulaire. A cette hauteur, elle est en contact avec une eau à la même température. I1 ne produit donc pas de refroidissement de l'eau effluente au contact de couches froides, calme dans le cas de la technique antérieure où la conduite d'arrivée débouche à la partie inférieure du réservoir de stockage. De plus, contrairement à la technique antérieure où la conduite d'arrivée débouche à la partie supérieure du réservoir de stockage, le dispositif répartiteur selon l'invention évite de refroidir les couches supérieures du réservoir en cas de mise hors service de la source de chaleur. En effet, si la source vient à ne plus fournir de chaleur, 1 'eau froide qui pénètre dans l'élément tubulaire ressort à la base de ce dernier et reste donc à la partie inférieure du réservoir de stockage. Une installation de chauffage utilisant un tel dispositif répartiteur peut donc comporter une pompe fonctionnant en permanence. L'unité de régulation devient inutile puisque, quelle que soit sa température, l'eau effluente sortira toujours à une hauteur où la température est égale à la sienne. Le rendement de l'installation sera élevé étant donné que, la chaleur arrivant de la source sera toujours admise dans le réservoir de stockage à une hauteur plus ou rro rs élevée. Le dispositif répartiteur selon l'invention peut compléter avantageusement la therovanne décrite dans la demande de brevet nO 82 21453, car il remplit un rôle complémentaire, et a de plus l'avantage d'être intégré à l'intérieur du réservoir de stockage. Selon une caractéristique avantageuse de l'invent-on, on peut loger à la partie inférieure de l'élément tubulaire une source de chauffage d'appoint, telle qu'une résistance électrique, destinée à intervenir lorsque la température de l'eau située à une hauteur prédéterninée quelconque dans le réservoir devient inférieure à une température de consigne, cette dernière étant détectée par une sonde de température déplaçable verticalement. Ainsi, tant que la température de la source extérieure de chaleur sera supérieure à la température de consigne, la source de chauffage d'appoint ne sera pas utilisée. Dans le cas contraire, la source de chauffage d'appoint se met en marche et la chaleur produite remonte par convection à l'intérieur de l'élément tubulaire pour sortir sensiblement au niveau où la température de consigne est détectée. Plusieurs modes de réalisation de l'invention seront décrits à présent en détail en regard des dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une installation de chauffage utilisant le dispositif répartiteur de l'invention selon un premier mode de réalisation Les figures 2 à 4 sont des vues en perspective de trois autres modes de réalisation du dispositif répartiteur selon l'invention ; et La figure 5 est une vue en coupe axiale d'un réservoir de stockage muni d'un dispositif répartiteur selon l'invention et d'une source de chauffage d'appoint. Avec référence à la figure 1, l'installation de chauffage comprend, de façon connue en soi, d'une part une source extérieure de chaleur désignée par la référence générale 10, qui peut être constituée par des capteurs solaires ou par une chaudière alimentée au gaz, au fioule ou par tout autre combustible, et d'autre par un réservoir de stockage de chaleur 12 rempli d'un liquide caloporteur, tel que liteau. Une conduite d'arrivée 14 relie la sortie de la source de chaleur 10 au réservoir de stockage, dans lequel elle débouche pratiquement au-dessus du fond 17. L'eau relativement froide se trouvant à la base du réservoir de stockage est ramenée vers la source pour y être réchauffée, par l'intermédiaire d'une conduite de retour 16 branchée dans la paroi de fond 17 du réservoir et à l'entrée de la source.Le liquide caloporteur est mis en circulation dans le circuit au moyen d'une pompe 18. On a déjà expliqué dans le préambule de la description les inconvénients qui sont attachés à la réalisation illustrée par la figure 1 dans laquelle la conduite débouche à la partie inférieure du réservoir de stockage. Confonnément à l'invention, on remédie à ces inconvénients en mcntant à l'intérieur du réservoir de stockage un dispositif répartiteur permettant de déverser le liquide caloporteur qui arrive de la source de chaleur, à un niveau où l'eau du réservoir a sensiblement la même température que celle du liquide caloporteur. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le dispositif répartiteur est constitué par un élément tubulaire 20 en matériau isolant, disposé verticalement dans le réservoir de stockage et de longueur sensiblement égale à la hauteur du réservoir, ledit élément tubulaire présentant, le long d'une génératrice, une fente allongée 22 intéressant toute la hauteur de l'élément tubulaire. Comne le montre la figure 2, l'élément tubulaire 20 peut comporter plusieurs fentes parallèles, par exemple trois fentes 24, 26, 28 disposées selon des génératrices décalées de 12û0 l'une de 1' autre. Il peut encore présenter une ou plusieurs fentes hélicoidales 30 (figure 3). Dans la variante de réalisation illustrée par la figure 4 l'élément tubulaire est percé d'une pluralité de trous 32 uniformément répartis sur toute sa surface. I1 va de soi que l'élément tubulaire peut comporter à la fois des fentes et des trous. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant : à tout instant, la masse d'eau du réservoir de stockage est stratifiée en couches dont les températures décroissent de haut en bas. La même répartition se produit à l'intérieur de l'élément tubulaire en raison de la présence des fentes 26 à 30 ou des trous 32. Le liquide caloporteur effluent arrivant par la conduite 14 débouche à la base de l1élément tubulaire 20, et remonte par convection naturelle jusqu'à rencontrer une couche d'eau ayant la même température que lui. Le liquide caloporteur ne peut plus monter puisqu'il est plus dense que l'eau de la couche supérieure, et il sort donc de l'élément tubulaire à ce niveau à travers la fente 22 (ou les trous 32), pour se mélanger avec la couche d'eau du réservoir qui est à la même température. Si la source de chaleur 10 s'arrête momentanément de fournir de la chaleur (par exemple par temps couvert dans le cas de capteurs solaires), le liquide qui traverse la source n'est pas réchauffé et il ressort donc pratiquement par l'extrémité inférieure de la fente 22 vers la couche inférieure d'eau du réservoir. De là, il est recyclé vers la source 10. Le liquide caloporteur ne risque donc pas de refroidir les couches d'eau supérieures du réservoir. On notera qu'au cours de son mouvement vers le haut dans l'élément tubulaire, le liquide caloporteur ne se refroidit pratiquement pas étant donné que dlune part, il est isolé des couches d'eau froides extérieures par l'élément tubulaire et que d'autre part, il ne rencontre sur son passage à l'intérieur de l'élément tubulaire qu'un petit volume d'eau de température inférieure à la sienne. Dans l'installation illustrée à la figure 5, une source de chauffage d'appoint 32, telle qu'une résistance électrique, est logée à l'intérieur de l'élément tubulaire 20. Le fonctionnement de ladite source d'appoint est commandé par une sonde de température 34 qui est montée mobile à l'intérieur d'une gaine tubulaire métallique 36 disposée verticalement et fixée de façon étanche par son extrémité inférieure sur le fond -17 du réservoir. La sonde est reliée par un conducteur 38 à un dispositif de commande 40 du fonctionnement de la source d'appoint 32. La sonde est réglable en hauteur et est susceptible d'afficher une température de consigne donnée. Ainsi, si l'on désire obtenir une température donnée à une hauteur donnée dans le réservoir, il suffit de placer la sonde à cette hauteur et de la régler pour cette température. Tant que cette température ne sera pas atteinte, la source de chauffage d'appoint 32 restera en service, et fournira, en même temps que la source extérieure, la chaleur nécessaire. Dès que la température affichée a été atteinte, la source de chauffage d'appoint s'arrête, et seule la source extérieure reste en service. Si la source extérieure n'est pas assez chaude pour maintenir cette température, la source d'appoint se remettra en marche. Ainsi, la source d'appoint ne fonctionne que si la source de chaleur extérieure est insuffisante ou fait défaut. Dans le cas contraire, seule la source de chaleur extérieure fonctionne. Un tel fonctionnerrent est économique, puisqu'il donne la priorité à la source extérieure de chaleur sur la source d'appoint dont l'énergie est relativement chère. REVE2{DICATIONS 1.- Dispositif permettant de stocker la chaleur fournie par au moins une source de la chaleur à un liquide caloporteur, tel que l'eau, dans un réservoir de stockage thermique, qui est relié à ladite source par une conduite d'arrivée de la source et une conduite retour vers la source, ledit dispositif se caractérisant en ce qu'il est constitué par un élément tubulaire (20) fixé verticalement dans le réservoir (12) et à la base duquel débouche la conduite d'arrivée (14), ledit élément tubulaire s'étendant sur pratiquement toute la hauteur du réservoir et présentant sur sa paroi latérale un ou plusieurs orifices (22 à 32) répartis sur toute la hauteur de l'élément tubulaire et par lesquels l'eau chaude arrivant de la source de chaleur (10) peut s'écouler vers l'intérieur du réservoir de stockage, à une hauteur qui dépend de la température de ladite eau. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit orifice est constitué par une fente (22) s'étendant sur toute la longueur d'une génératrice de l'élément tubulaire. 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit orifice est constitué par une fente hélicoidale. 4.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément tubulaire comporte plusieurs fentes parallèles, orientées selon des génératrices. 5.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits orifices sont constitués par une pluralité de trous uniformément répartis sur toute la hauteur de 1 'élément tubulaire. 6.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans ledit élément tubulaire est logée une source de chauffage d'appoint (32), telle qu'une résistance électrique, destinée à intervenir lorsque la température de l'eau située à une hauteur prédéterninée quelconque dans le réservoir devient inférieure à une température de consigne, cette dernière étant détectée par une sonde de température (34) déplaçable verticalement. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite sonde peut être déplacée à l'intérieur d'une gaine tubulaire métallique (36), disposée verticalement dans le réservoir et fixée de façon étanche par son extrémité inférieure sur le fond du réservoir, ladite sonde de température étant reliée électriquement à un dispositif de commande (40) de fonctionnement de la source dl appoint,