Brevet FR2647537A1 — publié le 19901130

t Perfectionnements aux ballons d'eau chaude et aux ins- tallations équipées de tels ballons. L'invention est relative aux ballons d'eau chaude, c'est-à-dire aux cuves fermées propres à conte- nir, aux fins d'emmagasinage des calories correspondan- tes, une masse d'eau chaude sous pression destinée notamment au puisage sanitaire, le volume de cette masse étant généralement de l'ordre de la centaine de litres et sa température étant généralement comprise entre 50 et 80'C. Elle vise également les installations équipées de tels ballons. Dans les modes de réalisation connus, les bal- lons du genre en question sont desservis par deux tubes dont l'un, affecté à l'admission et alimenté par un réseau d'eau froide sous pression, débouche dans la partie basse alors que l'autre, affecté au puisage et raccordé à au moins un robinet de distribution d'eau chaude, débouche dans la partie haute. Toute ouverture du robinet se traduit par une distribution d'eau chaude puisée dans la partie haute du ballon, le volume d'eau soutiré étant automatiquement compensé par admission d'un volume équivalent d'eau froide sous pression dans la partie basse du ballon. Les calories nécessaires au chauffage de l'eau contenue dans le ballon, au moins pour leur plus grande partie, sont apportées à celui-ci par un circuit d'eau fermé indépendant comprenant en série un serpentin noyé dans le ballon, une pompe de circulation et un échangeur de calories associé avec une source de calories telle que le brûleur-d'une chaudière. Le serpentin en question est relativement co- teux et le rendement de l'échange thermique qu'il rend possible est faible: l'invention propose une solution qui permet de le supprimer et conduit à un bilan ther- mique beaucoup plus favorable. A cet effet les ballons du genre en question selon l'invention sont encore équipés d'un tube d'admis- sion d'eau froide débouchant en partie basse et d'un tube de prélèvement d'eau chaude débouchant en partie haute et ils sont essentiellement caractérisés en ce qu'ils sont équipés d'un troisième tube débouchant dans le ballon à un niveau intermédiaire et destiné aux chauffages et réchauffages du ballon. Quant aux installations du genre ci-dessus selon l'invention, elles sont essentiellement caractérisées en ce que le troisième tube est monté en série avec le se- condaire d'un échangeur de chaleur dont le primaire est une source de calories et avec une pompe de circulation faisant circuler l'eau en direction du ballon, l'extré- mité amont de ce troisième tube étant raccordée au tube d'admission d'eau froide. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des disposi- tions suivantes: - l'échangeur de chaleur dont le secondaire est monté en série sur le troisième tube est un échangeur à forte capacité d'échange calorifique dont le primaire est lui-méme raccordé à l'échangeur thermique d'une chaudière en formant avec ce dernier un circuit fermé comprenant une seconde pompe de circulation, - des moyens thermostatiques sont prévus, sen- sibles à la température de l'eau à un niveau prédéter- miné du ballon, pour commander les excitations des deux pompes de circulation, - l'extrémité du troisième tube qui débouche dans le ballon est située & une distance verticale com- prise entre 80 et 150 mm au-dessus du niveau moyen de l'arrivée d'eau froide, pour un ballon cylindrique dont le diamètre est compris entre 400 et 500 mm, - l'extrémité du troisième tube qui débouche dans le ballon est bouchée en bout et évidée de fentes latérales dont la largeur est supérieure à l'écartement mutuel. L'invention comprend, mises à part ces disposi- tions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limita- tive. La figure 1, de ce dessin, montre très schémati- quement une installation de puisage d'eau chaude sani- taire comprenant un ballon et établi conformément à l'invention, cette installation étant représentée lors d'une période de réchauffage du ballon sans puisage. La figure 2 montre semblablement à la figure 1 une portion de la même installation, représentée lors d'un puisage d'eau chaude sans réchauffage du ballon. La figure 3 montre un détail dudit ballon. D'une façon connue en soi, le ballon 1 est agencé de façon à contenir une masse d'eau chaude sous pression tout en conservant les calories de cette masse par une isolation thermique appropriée, le volume de ladite masse étant par exemple de l'ordre de la centaine de litres. Le ballon 1 est équipé d'un premier tube 2 d'ad- mission d'eau froide débouchant dans sa partie basse et d'un second tube 3 de puisage d'eau chaude débouchant dans sa partie haute. L'extrémité amont du tube 2 est raccordée, par l'intermédiaire d'un groupe de sécurité 4, à un réseau 5 de distribution d'eau froide sous pression. L'extrémité aval du tube 3 est raccordée à un robinet de puisage 6. Il est prévu également un aquastat 7 associé à un circuit d'exploitation 8 propre à commander le ré- chauffage de l'eau contenue dans le ballon dès que la température de cette eau à un niveau prédéterminé passe au-dessous d'un seuil prédéterminé. En outre, et conformément à l'invention, on pré- voit un troisième tube 9 débouchant dans le ballon a un niveau intermédiaire de celui-ci, mais généralement as- sez proche du bas du ballon: c'est ainsi que ce niveau est en général situé à une distance verticale H comprise entre 80 et 150 mm au-dessus du niveau moyen de l'arri- vée d'eau froide, pour un ballon cylindrique dont le diamètre est compris entre 400 et 500 mm. Le trajet d'écoulement continu défini en partie par ledit tube 9 pour l'eau de réchauffage du ballon traverse successivement un échangeur thermique 10, en constituant le secondaire 102 de cet échangeur, et une pompe de circulation 11 branchée de façon à envoyer l'eau vers le ballon. L'extrémité amont du tube 9 est raccordée au tube 2 en un point P de celui-ci qui est disposé en aval du groupe de sécurité 4, généralement au-dessous du bal- lon 1. L'échangeur thermique 10 pourrait être directe- ment le corps de chauffe d'une chaudière, le primaire de cet échangeur étant alors formé par les différents pas- sages offerts au gaz chaud provenant de la combustion d'un combustible approprié. Dans le mode de réalisation préféré illustré, cet échangeur 10 est un échangeur à bon rendement ther- mique dont le primaire 101 est monté en série avec l'échangeur 12 d'une chaudière 13 tel que celui qui vient d'étre défini et forme un circuit fermé avec ce dernier et avec une seconde pompe de circulation 15. L'échangeur en question est par exemple du type à plaques ou coupelles qui a été décrit dans le brevet France n' 2 216 539. Quant au circuit 14, il forme avantageusement la boucle "courte" d'une installation de chauffage mixte, c'est-à-dire prévue pour assurer à la fois le chauffage central par circulation d'eau chaude dans des radiateurs et le puisage d'eau sanitaire, la boucle 'longue" 16 de cette installation, équipée des radiateurs 17, étant montée en parallèle sur la boucle 14 et le basculement de l'une de ces deux boucles à l'autre étant automati- quement commandé par une vanne à trois voies 18. Le fonctionnement de l'installation ci-dessus décrite est le suivant. Au démarrage, la température de l'eau contenue dans le ballon est froide, c'est-à-dire inférieure à celle de consigne à laquelle est asservi le circuit d'exploitation 8. Ce circuit est donc excité, ce qui a pour effet d'entrainer simultanément les deux pompes 11 et 15 en plaçant la vanne 18 en sa position correspondant au "puisage", c'est-à-dire à la mise en communication de la "boucle courte" 14 avec l'échangeur 12 de la chaudière. L'entrainement de la pompe 15 a pour effet d'al- lumer le brleur 19 de la chaudière 13, ce qui chauffe l'eau de la boucle 14 ainsi que l'échangeur 10. L'entrainement de la pompe 11 a pour effet de faire circuler l'eau dans le circuit fermé comprenant en série le tube 9 (et donc ladite pompe 11 et le secon- daire 102 de l'échangeur 10), la portion basse du ballon 1 et le tronçon aval du tube 2, c'est-à-dire celui com- pris entre le point P et l'extrémité, dudit tube, débou- chant dans le ballon, le mot "aval" étant à considérer vis-à-vis du sens d'admission de l'eau froide dans le ballon conformément à un puisage selon la figure 2 tel que décrit ci-après. L'eau en question est soutirée dans la zone bas- se la plus froide du ballon 1, puis elle est réchauffée dans l'échangeur 10 et réintroduite ainsi réchauffée dans le ballon & partir de l'extrémité aval du tube 9. Ce fonctionnement en régime de réchauffage du ballon se poursuit jusqu'à ce que la température détec- tée par l'aquastat 7 atteigne un seuil donné et, à comp- ter de cet instant, le circuit 8 commande l'arrêt de la pompe 11 ainsi que celui de la pompe 15 si cette der- nière n'est pas sollicitée par ailleurs. Dès lors, pour puiser de l'eau chaude, il suffit d'ouvrir le robinet 6. Comme bien visible sur la figure 2, un tel pui- sage d'eau chaude à travers le tube 3 est immédiatement compensé par introduction d'un volume identique d'eau froide à la base du ballon à travers le tube 2. Les deux fonctionnements qui viennent d'être décrits interviennent le plus souvent à des instants distincts vu que, d'une part, les durées respectives des périodes de puisage et de réchauffage sont dans la pra- tique relativement courtes et ne se recouvrent pas et que, d'autre part, le volume d'eau chaude en permanence disponible dans le haut du ballon est généralement suf- fisant pour subvenir aux différents besoins en eau chaude des usagers de l'installation. Mais les deux fonctionnements indiqués, corres- pondant respectivement au puisage d'eau chaude et au réchauffage de l'eau du ballon, peuvent parfaitement être combinés, l'alimentation en eau froide destinée à compenser l'eau chaude puisée se répartissant alors entre les deux tubes 2 et 9 qui sont montés en paral- lèles à partir du point P, avec une proportion relative des débits circulant dans ces deux tubes qui dépend de la pression de l'eau froide admise, du débit d'eau chaude soutiré et de la puissance de la pompe. Pour éviter le plus possible de troubler, par les admissions d'eau réchauffée dans le ballon, la stratification thermique naturellement créée dans le volume d'eau de ce ballon, on agence avantageusement l'extrémité aval du tube 9 de façon telle que l'eau sortant par cette extrémité soit distribuée selon des directions horizontales ainsi que représenté par des flèches G sur la figure 1. A cet effet, par exemple, on bouche axialement ladite extrémité et on évide radialement dans sa paroi latérale des fentes horizontales 20 ainsi que visible sur la figure 3. Ces fentes 20 ont avantageusement une largeur l supérieure à leur écartement mutuel A, de façon à rédui- re la vitesse de sortie de l'eau de réchauffage: les valeurs respectives de ces deux cotes sont par exemple de 2 et de 1,5 mm pour un diamètre du tube 9 de l'ordre de 15 à 18 mm. Une construction à fentes horizontales peut être également adoptée avec avantage à l'extrémité du tube 2 qui débouche dans le ballon: c'est ce qui est indiqué par les flèches F sur les figures 1 et 2. Dans un tel cas, la relation entre les longueurs et écartements des fentes est en général inversée par rapport à celle ex- plicitée ci-dessus. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose finalement d'une instal- lation de distribution d'eau chaude à ballon dont la constitution et le fonctionnement résultent suffisamment de ce qui précède. Cette installation présente de nombreux avanta- ges par rapport à celles antérieurement connues et en particulier les suivantes: - le ballon est dépourvu de tout serpentin, ce qui constitue un avantage majeur au plan de l'économie et de la fiabilité, - le rendement thermique global de l'installa- tion est excellent du fait que l'on peut choisir pour l'échangeur thermique une construction à rendement ther- mique très élevé, ce rendement étant nettement supérieur à celui de l'échange thermique réalisé entre l'eau d'un ballon et l'eau qui circule dans un serpentin immergé dans ce ballon: c'est ainsi que, si l'on considère une installation de distribution d'eau chaude comprenant un ballon et une chaudière dont la puissance thermique est de l'ordre de 22 kW, il est possible de récupérer une puissance thermique de l'ordre de 15 kW avec la solution préconisée ci-dessus -correspondant à un débit d'eau de réchauffage compris entre 500 et 800 1/h lorsque la pom- pe 11 est excitée-, alors qu'il est difficile de récu- pérer plus de 7 kW avec les constructions antérieurement proposées. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ail- leurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réali- sation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Ballon d'eau chaude (1) équipé d'un tube d'admission d'eau froide (2) débouchant en partie basse et d'un tube de prélèvement d'eau chaude (3) débouchant en partie haute, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un troisième tube (9) débouchant à un niveau intermédiaire et destiné aux chauffages et réchauffages du ballon. 2. Ballon d'eau chaude selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité du troisième tube (9) qui débouche dans le ballon est située à une distance verticale (H) comprise entre 80 et 150 mm au-dessus du niveau moyen de l'arrivée d'eau froide, pour un ballon cylindrique dont le diamètre est compris entre 400 et 500 mm. 3. Ballon d'eau chaude selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'ex- trémité du troisième tube (9) qui débouche dans le ballon est bouchée en bout et évidée de fentes latérales (20) dont la largeur (1) est supérieure à l'écartement mutuel (e). 4. Installation de distribution d'eau chaude équipée d'un ballon selon l'une quelconque des précé- dentes revendications, caractérisée en ce que le troi- sième tube (9) est monté en série avec le secondaire (102) d'un échangeur de chaleur (10) dont le primaire (101) est une source de calories et avec une pompe de circulation (11) faisant circuler l'eau en direction du ballon, l'extrémité amont de ce troisième tube (9) étant raccordée (en P) au tube d'admission d'eau froide (2). 5. Installation de distribution d'eau chaude se- lon la revendication 4, caractérisée en ce que l'échan- geur de chaleur (10) dont le secondaire (102) est monté en série sur le troisième tube (9) est un échangeur à forte capacité d'échange calorifique dont le primaire (101) est lui-même raccordé à l'échangeur thermique (12) d'une chaudière (13) en formant avec ce dernier un cir- cuit fermé (14) comprenant une seconde pompe de circu- lation (15). 6. Installation de distribution d'eau chaude se- lon la revendication 5, caractérisée en ce que des mo- yens thermostatiques (7,8) sont prévus, sensibles à la température de l'eau à un niveau prédéterminé du ballon, pour commander les excitations des deux pompes de circu- lation (11, 15).