Brevet FR2640029A1 — publié le 19900608

L'invention est relative a un procédé de stockage de fluide a stratification thermique ainsi qu'à un réservoir de stockage autorisant la mise en oeuvre du dit procédé. Elle trouvera notamment son application chez les constructeurs de matériel sanitaire. Quoique l'invention puisse s'appliquer à tout type de fluide pourvu qu'il réponde au double impératif physique spécifie par la suite, elle a été notamment développée dans le cadre des applications domestiques de chauffage d'eau par accumulation. C'est cet exemple qui est adopté pour illustrer 1 invention étant entendu que celle-ci ne se limite pas a ce cas d'espéce. Le chauffage de fluide par accumulation réclame de la part de ce dernier deux propriétés physiques qui sont une variation de densité en fonction de la température et une mauvaise conductibilité thermique. L'eau répond à ces deux définitions et c'est pourquoi le chauffage d'eau par accumulation s'est largement développe dans les applications domestiques avec ce que l'on appelle "cumulus" ou "ballon d'eau chaude". Le chauffage d'eau par accumulation présente deux avantages vis-a-vis de son concurrent direct le chauffage instantané par chauffe-eau. Sur le plan économique. l'énergie électrique consommée pour réchauffer 1 eau peut entiérement etre absorbée de façon différée, par exemple de nuit, c'est-a-dire avec une tarification avantageuse. Ensuite, sur le plan du confort, l'eau chaude à bonne température est immédiatement disponible en grande quantité. car la puissance des moyens de chauffage ne limite pas le ' debit contrairement au chauffe-eau instantané. Le procédé de stockage dans un ballon d'eau chaude est basé sur le fait que la température diminue la densité de l'eau. Dans Ces conditions, il se crée au sein de la réserve une stratification de la masse d'eau en couches horizontales avec un gradient vertical de température. Ainsi, on puise l'eau chaude à la partie supérieure de la réserve et, du fait que l'on travaille à volume constant d'eau, on remplace simultanément la quantité puisée par de l'eau froide introduite a la base de la réserve que l'on réchauffe progressivement. En théorie, aucun déséquilibre n'est créé dans la masse d'eau et donc à tout moment l'eau chaude demeure en haut de la réserve et l'eau froide en bas. Par ailleurs, le ballon d'eau chaude doit entre isolé thermiquement pour minimiser les déperditions calorifiques. L'introduction d'eau froide à la base de la réserve crée une zone frontiére entre la masse d'eau chaude et la masse d'eau froide ou un gradient très élevé de température est rencontré, c'est du moins ce qui devrait exister avec un stockage idéal. De la sorte, le ballon d'eau chaude devrait être à-méme de délivrer une quantité d'eau chaude à température élevée correspondant exactement à son volume intérieur. En pratique, il n'en va pas de méme. Seule une bonne proportion de la réserve d'eau est délivrée à température élevée, le reste étant plus ou moins tiède. Ce phénoméne défavorable est du à une mauvaise délimitation de la frontière entre zone chaude et zone froide engendrée par la création de turbulences lors de l'introduction d'eau froide à la base de la réserve. En effet, si un courant d'eau fraîche introduite crée un remous, il y aura perturbation de la zone frontiére qui devient tiède à la suite du rrélange produit. En mettant en Jeu des trés faibles débits, il bien sûr possible de réduire le remous, Toutefois, le débit important constituant precisément l'un des avantages du chauffage d'eau par accumulation, les constructeurs se sont donc orientes vers la création de brise-ets qui se présentent généralement sous la forme d'une plaque disposée transversalement'à la sortie de la canalisation d'eau froide pour éviter la création d'un courant dans la réserve et par suite de turbulences. On rencontre également en outre des diffuseurs et limiteurs de pression qui ont pour obJet de diminuer la vitesse d'eau à l'entrée de la réserve. L'efficacité de ces dispositifs est très relative aussi il est recommandé d'utiliser un ballon d'eau de volume supérieur à la quantité d'eau chaude réellement nécessaire. Ce surdimensionnement est préjudiclable sur le plan économique car il grossit l'installation, il augmente les déperditions calorifiques et il est plus encombrant à loger. Le but principal de la présente invention est de présenter un procédé de stockage de fluide å stratification thermique avec lequel on parvient a conserver une zone frontière entre eau chaude et eau froide avec un gradient de température très élevé. Ainsi, le réservoir de stockage peut délivrer une quantité de fluide chaud correspondant sensiblement à son volume intérieur sans qu'il apparaisse une quantité de liquide tiède importante. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse car elle augmente le confort et permet de réduire sensiblement la taille du réservoir pour une meme capacité de production de fluide chaude. Les moyens mis en oeuvre pour appliquer le procédé de la présente invention sont simples et peu coûteux, par conséquent, 1 invention présente une excellente rentabilité, Un autre but du procédé de stockage de la présente invention est la possibilité de construire des réservoirs de stockage, tels que des ballons d'eau chaude plus larges et moins hauts que les fabrications actuelles. Ce type de géométrie peut dans certaines applications particulières apporter des solutions à des problèmes de logements rencontrés, D'autres buts et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description qui va suivre qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. Selon 1 invention, le procédé de stockage de fluide à stratification thermique, tel que dans un réservoir de stockage de fluide chaud selon lequel on soutire le fluide chaud en haut de la réserve que l'on remplace par du fluide froid introduit à la base de la dite reserve, celle-ci étant équipée d'un dispositif de chauffage interne ou externe, est caractérisé en ce que l'on crée un mouvement giratoire horizontal de la masse du fluide dans le réservoir. Le réservoir de stockage autorisant la mise en oeuvre du procédé de l'invention, qui comporte une sortie au niveau de la partie supérieure et une entrée au niveau de sa base est caractérisé par le fait qu'il présente un dispositif de mise en mouvement giratoire de la masse d'eau et une entrée d'eau tangentielle. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée de dessins en annexe parmi lesquels - la figure 1 schématise le principe de fonctionnement d'un réservoir de stockage à stratification thermique d'un fluide, - la figure 2 illustre en vue de coupe un réservoir de fluide au niveau du conduit d'introduction de liquide froid, - la figure 3 montre la disposition des différents conduits dans un réservoir de stockage de fluide chaud à chauffage auxiliaire. La présente invention vise un procédé de stockage de fluide a stratification thermique ainsi qu'un réservoir de stockage de fluide tel que par exemple un ballon d'eau chaude, autorisant la mise en oeuvre du dit procédé. Elle concerne notamment les constructeurs de matériel de chauffage d'eau par accumulation. Les techniques de stockage de fluide à température à stratification thermique consistent actuellement a utiliser un réservoir muni d'un dispositif de chauffage incorporé ou annexe, qui dispose d'une sortie de fluide chaud située en haut du réservoir et d'une entrée de fluide froid située à la partie inférieure du reservoir. En raison de la plus faible densité du fluide chaud, elui-ci surnage et remplit la partie supérieure du réservoir. Pour le bon fonctionnement de l'ensemble, il est essentiel de minimiser les échanges entre le volume de fluide chaud et le volume de fluide froid au sein du réservoir. Hormis la conductibilité thermique du fluide, qui est négligeable par exemple dans le cas de l'eau, la principale source d'échange est due à des remous internes créés par l'introduction du fluide froid. Pour briser ce courant prejudiciable, les constructeurs ont développé différents dispositifs qui ont pour but de réduire la vitesse du fluide introduit dans le réservoir. A cet effet, on connait le brise-Jet qui est un déflecteur placé transversalement à la canalisation d'amenée de fluide pour disperser le courant. Il existe également des embouchures divergentes qui permettent de réduire la vitesse du courant à débit constant. D'une manière générale, l Homme de l Art a toujours cherché une solution tendant à maintenir la réserve de fluide la plus statique possible c'est-à-dire å faire de telle sorts que le fluide contenu dans le réservoir soit le plus stagnant possible. Quels que soient les dispositifs utilisés, il y a touJours eu création d'une zone frontière mélangée entre masse chaude et masse froide où règne une température tiède préJudiciable au bon fonctionnement de l'installation. Précisément, l'un des obJets de la presente invention est de décrire un procédé qui permette de réduire la zone frontière entre masse de liquide chaud et masse de liquide froid à l'état d'une fine couche comportant un gradient de température très élevé, c'est-a-dire autoriser au moins la coexistence de deux températures très différentes l'une de l'autre entre deux zones très proches de la colonne de fluide stocké. Pour illustrer le procédé de stockage de fluide de la présente invention, la figure f représente un réservoir rempli de fluide 2. La partie supérieure du réservoir 1 est reliée å une canalisation 3 qui permet de soutirer le fluide chaud. La quantité de fluide prélevée est remplacée à la base du réservoir 1 par-amenée de fluide froid a travers une canalisation C. Le dispositif de chauffage peut étire interne ou externe et n'est pas représenté. La réserve de fluide 2 dans le réservoir 1 est constante. Selon le procédé de stockage de l'invention, on crée un mouvement giratoire horizontal de la masse de fluide 2 dans le réservoir 1. Ce mouvement tournant est schématisé à la figure 1 par la flèche 5. Ce procédé va à l'encontre des techniques actuelles pour lesquelles il y a au contraire une recherche d'immobilité. Le premier avantage de ce mouvement tournant est l'accroissement des forces gravitationnelles. En effet, le fluide est non seulement soumis aux forces naturelles physiques et de la pesanteur mais également à la force centrifuge qui se combinent. La stratification thermique au lieu d'étire plane devient parabolique et les forces résultant du frottement et de l'inertie deviennent relativement moins importantes que les forces gravitationnelles c est-å-dire engendrées par les différences de densité ou de température. La stratification s'établit plus rapidement et les phénomènes transitoires sont plus brefs. En outre, selon le procédé de stockage de la présente invention, l'introduction du fluide froid se fait dans le sens du mouvement de la masse liquide 2. Ceci est avantageux car la vitesse de diffusion relative du liquide froid dans la masse est sensiblement diminuée voire nulle d'où peu ou pas de remous. Grâce à cela, la zone frontière entre liquide froid et liquide chaud n'est pas perturbée par des turbulences et la zone de transition tiède traditionnellement rencontrée est quasiment supprimée. Selon le procédé de 1 invention, il est préconisé d introduire le fluide froid tangentiellement au mo-uvement giratoire oe la masse 2 comme cela est illustré en vue de coupe à la figure 2. Four cela, la canalisation 4 d'introduction de liquide froid est située à proximité de la paroi du réservoir 1 avec un coude pour que le Jet soit dirigé avec la même direction que le mouvement général de ia masse liquide 2. Ouoiqu'il soit difficile de déterminer a priori la vitesse d'injection du liquide froid, étant donné qu'elle dépend notamment du débit de sortie de liquide chaud, le fluide froid peut etre introduit avec une vitesse linéaire sensiblement égale à la vitesse oe la masse du liquide 2 au point d'injection. Toutefois, on peut également envisager d'introduire le rluide froid soit avec une vitesse supérieure ce qui aurait pour conséquence de créer une force motrice favorisant le mouvement giratoire, soit avec une vitesse inférieure, le flux giratoire entrainant alors le fluide en entrée. Il est nécessaire d'entretenir le mouvement giratoire de la masse liquide 2 au sein du réservoir 1, pour cela, différents dispositifs peuvent etre envisagés. Une des solutions préconisée insiste à employer une pompe extérieure 6 telle qu'illustrée à la figure 3 qui prélève le fluide dans le réservoir 1 par l'intermédiaire d'une canalisation 7 et qui le rejette tangentiellement au mouvement de la masse liquide 2 par l'intermédiaire d'une buse 8. Dans le cas d'un réchauffeur extérieur 9, on pourra avantageusement utiliser à cet effet la pompe de circulation 6 du circuit de chauffage par laquelle on prélève le fluide par la conduite 7, par exemple au niveau de la partie centrale inférieure du réservoir 1, et or réinJecte le fluide réchauffé en 8. Dans les installations à chauffage auxiliaire existantes, l'aspiration et le refoulement du fluide se font à des niveaux différents généralement espacés d'une vingtaine de centimètres. Dans le cas de la présente invention, l'aspiration et le refoulement du fluide peuvent être effectués sans aucune gène au même niveau. De même, le conduit 4 d'amenée de fluide froid peut également être placé au même niveau que les conduit 7 et buse 8. Le conduit 4 est terminé par un coude, sensiblement à 90 ' par exemple de façon a permettre l'inJectlon tangentielle de fluide froid. La possibilité d'installer ces différentes canalisations 7, 8 et 5 au même niveau permet de réduire la hauteur du réservoir 1. Il est également possible d'envisager d'injecter le fluide froid de renouvellement directement dans le circuit auxiliaire de chauffage. De la sorte, le nombre de points d injection est réduit, ce qui minimise les remous internes. L'application typique du procédé de stockage de fluide de l'invention s'applique aux réservoirs de stockage de fluide chaud et notamment aux ballons d'eau chaude rencontrés traditionnellement dans le cadre d'utilisations domestiques. Selon l'invention, dans de tels ballons d'eau chaude, on prévoit la présence d'un dispositif de mise en mouvement giratoire de la masse d'eau dans le ballon. Le ballon comporte également au moins une entrée tangentielle de l'eau froide située à la base du ballon et à la périphérie de ce dernier. De préférence, le dispositif de mise en mouvement giratoire de la masse d'eau se présente sous la forme d une pompe de circulation qui aspire la masse d'eau présente dans le ballon dans la partie inférieure de ce dernier et qui refoule l'eau par I intermédiaire d'une buse tangentielle. Ce dispositif pourra avantageusement être combiné avec un système de chauffage auxiliaire. La prise d'eau de la pompe auxiliaire se fera dans la partie inférieure du ballon. A titre d'exemple, pour créer le mouvement giratoire; on pourrait également utiliser une palette rotative dans le fond du réservoir ou encore la pompe d'un circuit de bouclage des canalisations extérieures au réservoir. D'autres mises en oeuvre de la présente invention, à la portée de l Homme de l Art, auraient également pu entre envisagees sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Procedé de stockage de fluide à stratification thermique, tel que dans un réservoir de stockage de fluide chaud, selon lequel on soutire le fluide chaud en haut du réservoir (1), que l'on remplace par du fluide froid introduit à la base du dit réservoir (1), ce dernier étant équipé d'un dispositif de chauffage interne ou externe, caractérisé en ce que l'on crée un mouvement giratoire horizontal de la masse de fluide (2) présente dans le reservoir (1). 2. Procédé de stockage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit le fluide froid tangentiellement au mouvement giratoire de la masse de fluide (2) présente dans le réservoir (1). 3. Procédé de stockage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on entretient le mouvement giratoire de la ruasse de fluide (2) présente dans le réservoir (1) à l'aide d'une pompe extérieure (6) qui prélève le fluide dans le réservoir (1) et le rejette tangentiellement (8) dans le dit réservoir. 4. Procédé de stockage selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on prélève le fluide dans le réservoir (1) dans la partie centrale de ce dernier. 5. Procédé de stockage de fluide à stratification thermique, selon la revendicat on 1, dans un réservoir (1) équipé d'un réchauffeur (9) extérieur, caractérisé en ce que l'on prélève le fluide à réchauffer à l'aide d'un condu'it (7) situé au même niveau oue la buse (81 de reJet tangentiel. 6. Réservoir de stockage de fluide, tel que notamment ballon d'eau chaude, autorisant la mise en oeuvre du procédé de stockage de la revendication 1, qui comporte une sortie placée à la partie supérieure du réservoir (1) et une entrée (4) située à la base du dit réservoir (1), caractérisé par le fait qu'il présente un dispositif de mise en mouvement giratoire de la masse d'eau (2) présente dans le réservoir (1) et au moins une entrée d'eau (4) tangentielle. 7. Réservoir de stockage de fluide selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le dispositif de mise en mouvement giratoire de la masse d eau se présente sous la forme d'une pompe de circulation (6) avec buse de sortie (8) tangentielle. 8. Réservoir de stockage de fluide selon la revendication 7, caractérise par le fait que les conduits (4) d'injection d'eau froide, de reprise d'eau (7) de circulation, et de buse (8) de réinjection, se situent dans un meme plan horizontal.