Brevet FR2578314A1 — publié le 19860905

ENVELOPPE POUR MATERIAU DE STOCKAGE THERMIQUE PAR CHALEUR LATENTE DE FUSION La présente invention concerne une enveloppe rigide et etanche, capable de contenir un matériau qui passe alternativement de l'état solide l'état liquide pour accumuler ou libérer de la chaleur par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur circulant à son contact Les matériaux à chaleur latente de fusion-solidification offrent de nombreux avantages par rapports aux matériaux de stockage thermique habituels agissant par leur simple chaleur spécifique ( masse d'eau ou masse de briques réfractaires par exemple) : température de fonctionnement stable (au voisinage du point de fusion), possibilité d'exploiter des sources de chaleur à basse température, grande capacite d'accumulation sous un faible volume .Leur emploi nécessite cependant des précautions particulières lors du changement de phase (de solide à liquide et inversement) ces matériaux subissent une variation de volume notable qui doit être acceptée par leur conteneur; souvent caractérises par une teneur précise en eau, ils doivent être protégés du contact direct de l'air qui pourrait modifier à terme cette teneur en eau; leur éventuelle agressivité chimique doit être neutralisée par la présence d'une enveloppe étanche et insensible à la corrosion du materiau comme du fluide caloporteur .En raison de ces différents caractères, le matériau à chaleur latente est le plus souvent utilisé de façon statique, immobilisé dans son enveloppe, et les transferts thermiques doivent donc s'opérer à travers la surface de cette enveloppe, au contact du fluide caloporteur, le plus souvent de l'eau ou de l'air Or les géométries d'enveloppes usuelles n'offrent guère la possibilité d'utiliser efficacement l'air comme vecteur de chaleur, en raison de la faiblesse des coefficients d'échange thermique air-solide et de la taille reduite de la surface de l'enveloppe consécutive à la grande capacité d'ac- cumulation du matériau et à son faible volume . Cet inconvénient résulte entre autres du choix d'une géométrie sphérique ou cylindrique de l'envelop- pe pour des raisons de commodité et de résistance mécanique .Dans ces conditions, seuls des volumes unitaires d'enveloppe de toute~petite dimension pourraient satisfaire aux exigences du transfert thermique et une telle forme d'encapsulation (sous forme de billes par exemple) est trop coûteuse L'invention présente se propose de corriger cette lacune en définissant une certaine famille d'enveloppes qui permettent de concilier les caractéritiques suivantes - capacité interne arbitrairement grande; - grande surface externe relative à une capacité interne donnée; - insensibilité mécanique aux changement de volume du contenu; - relative insensibilité (du point de vue thermique) à la présence éventuelle d'une poche d'air au contact du matériau; - forme se prètant à des assemblages modulaires simples pour la constitu tion de batteries de stockage thermique de très grande capacité;; - invulnérabilité de l'enveloppe aux attaques chimiques du matériau et du fluide caloporteur; - drainage aisé des condensats éventuels sur la surface extérieure de l'enveloppe; - facilité de fabrication et coût réduit Ces caractéristiques peuvent etre conciliées grâce à un choix de géométrie particulière de l'enveloppe et à l'usage de certains matériaux constitutifs qui, ensemble ,caractérisent l'invention Selon une première version dont le mode de fabrication permet de mettre en évidence les éléments constitutifs de l'enveloppe, on part d'une coque dont la forme est schématisée en Figures et II : cette coque se présente comme une cuvette très plate , avec des côtés de grandes dimensions et des flancs latéraux qui se terminent par des méplats (1) parallèles au plan du fond (2) .Ce fond n'est pas lisse mais est doté de fortes ondulations dont les crêtes (3) affleurent avec le plan des méplats (1), tandis que les crêtes opposées pro éminent . La direction des ondulations fait un angle bien défini avec la direction des flancs latéraux qui sera précisée suivant les cas d'application .Le profil des ondulation sera précisé plus bas Deux coques identiques, retournées l'une contre l'autre de sorte aue les plans des méplats (1) coincident, delimitent alors un volume clos, non connexe en raison du contact des crêtes d'ondulations (3) entre elles, mais remplissable par un seul orifice (4) aménageable sur un des flancs . Les caractéristiques suivantes résultent de cette géométrie :: - une capacité interne arbitraire est creee, pour une amplitude donnée des ondulations,par le choix de dimensions des côtés; - une surface externe arbitrairement grande relativement à la capacité est rendue possible par un choix d'une amplitude des ondulations aussi petite que nécessaire (cette amplitude est un paramêtre caractéristique de l'en veloppe); - l'insensibilité mécanique de l'enveloppe aux variations de volume du contenu résulte de la très grande frigidité de la structure obtenue en effectuant une soudure ou un collage des méplats entre eux et des points de contact des crêtes d'ondulations (3) entre elles; - toute poche d'air résultant du retrait du matériau de stockage dans une de ses phases affectera une zone de surface interne réduite, en raison de l'absence de grande surface plane offerte au matériau;; - la facilité d'assemblage modulaire résulte, comme il est montré en Figure III de ce que de telles enveloppes identiques (5),placées côte-à-côtepeuvent étre serrées entre elles pour former un volume globalement rigide tout en laissant disponible 50 % de l'espace sous forme de cheminements (6) au contact des faces externes des enveloppes à l'usage du fluide caloporteur, à l'image des échangeurs usuels ; il suffit ainsi d'une simple armature (7) periphérique pour donner à cette batterie de stockage thermique une cohé- sion permettant son transport et son usage immédiat D'autre part, le choix de matériaux constitutifs de l'enveloppe permet de satisfaire aux dernières exigences citées - l'usage de résines plastiques thermo-formables usuelles comme le Polys tyrène, le PVG, le Métacrylate, le Polycarbonate ... etc ., permet dans ce cas de realiser des coques soudables ou collables insensibles à la cor rosion de la plupart des matériaux de stockage et de -l'air ou de l'eau; - le drainage des condensats d'humididé sur les faces externes est une con séquence immédiate de la faible tension superficielle de l'eau sur ces plastiques;; - la facilité de fabrication et le court réduit sont le lot des coques thermoformées dans ces resines courantes ( un seul moule suffit ici ) Selon une variante qu'il est facile de déduire de la précédente, on aboutira à la fabrication d'une enveloppe caractérisée par une géométrie identique, à l'exception des méplats (1) qui auront disparu pour laisser place à des flancs unis perpandiculaires au plan des fonds ondulés, grâce à l'usage d'une technique d'injection-soufflage, qui permet, à partir d'une ebauche de flacon plat, de réaliser en une seule opération le volume déjà décrit et les soudures de crêtes à crêtes (3) essentielles à la cohésion de la structure . Cette technique, compatible avec de grosses cadences de fabrication, permet d'utiliser des resines comme le Poiyéthylène Haute Densité particulièrement bien adapte à cet usage Le profil précis des ondulations reste un paramêtre libre . La Figure IV montre plusieurs profils d'ondulation symétriques par rapport à une ligne moyenne et permettant de réaliser des -batteries de stockage de compacite voisine de 50 % ( 50 % du volume restant à la disposition du fluide cal on porteur ) .L'usage de profils non symétriques comme en Figure V, permet trait, si besoin était, de définir des compacitéss'écartant de 50 % (par excès ou par défaut), pour s'adapter par exemple à des fluides caloporteurs de plus grande capacité calorifique volumique que l'air La direction des ondulations peut être choisie avec un angle faible (inférieur à 45 ) par rapport à la direction de circulation du fluide caloporteur, dans l'intention de limiter les pertes de charge, cette direction pouvant être le plus souvent hor-izontale ou verticale .Dans certaines utilisations particulières, on pourra choisir des ondulations horizontales sur une face et verticales sur l'autre face de l'enveloppe, avec l'intention d'utiliser la preniière face en insolation directe du soleil (donc sans fluide caloporteur'intermédiaire) et l'autre face en convection naturelle ou forcée sur l'air . Dans ce cas un choix judicieux du profil des ondulations comme celui de la Figure IV c, assorti d'une métallisation rendant réflectrices les versants supérieurs et peu inclinés des ondulations horizontales permettront, conformément aux revendications d'un Brevet Promovence précédent (déposé en date du 11 décembre 1984) de réguler le rayonnement capté par l'enveloppe suivant la saison, et en particulier de rejeter le rayonnement reçu en été sous nos latitudes (400 à 500) Enfin, selon une dernière option, il est possible d'aménager, au moment de la fermeture de l'orifice (4) après remplissage, un orifice capillaire résiduel permettant un équilibre de la pression intérieure avec la pression extérieure quelque soit l'état physique du materiau de stockage REVENDICATIONS . 1 - Enveloppe étanche de conditionnement de matériau accumulateur de chaleur par enthalpie de changement d'état solide-liquide, constituée d'une paroi mince délimitant un volume fermé globalement parallèpipèdique dont deux dimensions sont grandes par rapport à la troisième dimension. caractérisée en ce qu'elle comporte deux faces principales comme (1) de la Figure 1 présentant des ondulations comme visible en Figure II, de direction bien définies par rapport aux bords (2), et d'amplitude telle que les fonds de vallées (3) affleurent avec le plan des bords (2) de sorte qu'ils peuvent être soudés par points aux zones de contact de chaque face avec l'autre fac-e, tout en définissant une structure treks rigide et remplissable par un seul orifice (4) aménage sur un bord 2 - Enveloppe selon la revendication 1 caractérisée en ce que le choix dn profil des ondulations et de leur amplitude (hauteur de fond de vallée à crête) permet de définir une valeur arbitraire (et en particulier arb-itr-ai- rement grande) du rapport surface extérieure/ volume interne de l'enveloppe. pour satisfaire aux conditions imposées pour le transfert thermique vers le matériau contenu 3 -Enveloppe selon 1 et 2 caractérisé en ce que la matière qui la constitue est une matière plastique rigide et mince comme le Polystyrène, le PVC, le Polyéthylène, le Polypropylène, l'ABS ... ou tout autre offrant l'avantage d'être insensible aux attaques chimiques du contenu et du fluide qui circule à son contact 4 - Enveloppe selon 1, 2 et 3 caractérisée en ce qu'elle résulte soit de l'assemblage (par soudure ou collage) de deux coques analogues obtenues par thermoformage selon le schéma des Figures I et Il, soit d'une opération unique de moulage (par exemple par injection-soufflage) permettant d'obtenir un volume géométriquement identique mais dépourvu des bords (2) dans lequel la soudure des fonds d'ondulations de face à face est realisee au moment du moulage 5 - Enveloppe selon 1, 2, 3 et 4, caractérisée en ce qu'elle constitue l'élément répétitif d'une batterie d'echangeur-stockeur de chaleur obtenue comne en Figure III par simple juxtaposition au sein d'une structure péri- phérique (7) servant à la manutention, la suspension des enveloppes (5) se faisant à l'aide des oeillets (8)oudes encoches (9), et le fluide caloporteur circulant dans les vides (6)