Brevet FR2706989A1 — publié le 19941230

DISPOSITIF DE STOCKAGE ET D'ALIMENTATION EN EAU CHAUDE SANITAIRE La présente invention concerne les dispositifs de stockage et d'alimentation en eau chaude du type comprenant un ballon de rétention de l'eau chaude et des moyens de chauffage de l'eau de remplissage du ballon. Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine des ballons de stockage d'eau chaude à des fins sanitaires, comme par exemple ceux permettant de disposer d'un volume d'eau chaude suffisant pour la prise d'un ou plusieurs bains ou douches consécutifs. On connaît déjà des dispositifs à ballon d'eau chaude du type ci-dessus défini. Ils présentent tous en général l'inconvénient suivant. Pendant la première partie du temps de chauffe de l'eau d'un ballon, on ne peut éviter la production d'eau tiède du fait du mélange de l'eau chauffée alimentant le ballon à l'eau froide encore contenue dans le ballon. La présente invention vise à fournir un dispositif répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet la reconstitution rapide d'une quantité d'eau chaude dans un ballon de stockage, lorsque le stock d'eau a été partiellement ou totalement épuisé, ce qui permet notamment de pallier l'inconvénient ci-dessus. Pour ce faire, l'invention part de l'idée que, dans un récipient, en absence de phénomènes convectifs, un même fluide à des températures différentes présente naturellement un phénomène de stratification. Le fluide à la température la plus élevée, de masse volumique la plus faible, flotte sur la partie la plus froide de ce même fluide, plus dense. Cette stratification naturelle est détruite lors du réchauffage de la partie froide. L'idée consiste à séparer physiquement un fluide en deux ou plusieurs parties en fonction de sa température, et donc de sa masse volumique, par un corps dont la masse volumique est intermédiaire entre celle du fluide chaud et celle du fluide plus froid. Dans ce but l'invention propose notamment un dispositif de stockage et d'alimentation en eau chaude comprenant au moins un ballon de rétention de l'eau chaude définissant entre ses parois internes un volume de stokage et des moyens de chauffage de l'eau de remplissage dudit ballon à une première température, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'alimentation du ballon en partie haute par l'eau réchauffée à ladite première température, et des moyens flotteurs-séparateurs de masse volumique supérieure à celle de l'eau réchauffée à ladite première température, et inférieure à celle d'une eau plus froide de température inférieure à une seconde température, lesdits moyens flotteurs- séparateurs étant agencés pour présenter une surface horizontale sensiblement égale à celle de la section horizontale du volume de stockage du ballon à tous les niveaux de celui-ci. Dans des modes de réalisation avantageux, on a de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - le ballon étant vertical de forme sensiblement cylindrique, les moyens flotteurs-séparateurs sont constitués par un disque de faible épaisseur; - les moyens flotteursséparateurs sont constitués par des billes ou balles; - les moyens d'alimentation du ballon en partie haute par l'eau réchauffée comportent une tubulure disposée autour des moyens de chauffage situés à l'intérieur du ballon, ladite tubulure étant fixée en partie basse du ballon, et de hauteur légèrement inférieure à celle dudit ballon, et comprenant au moins un orifice situé en partie inférieure de ladite tubulure de communication de l'intérieur de la tubulure avec le volume de stockage du ballon; - la tubulure et les moyens d'alimentation comportent en partie haute des moyens de régulation du débit; - les moyens de régulation comportent une plaque supérieure bombée située en partie haute de la tubulure, ladite plaque étant percée d'un orifice axial, et une pièce mobile en matériau identique au matériau des moyens flotteurs-séparateurs, agencée pour obturer ledit orifice lorsqu'elle est plaquée sur l'orifice; - les moyens de régulation comportent un manchon cylindrique réalisé dans un matériau identique à celui des moyens flotteurs-séparateurs agencé pour coulisser à l'extérieur de la tubulure entre une position de dégagement et une position d'obturation partielle de l'extrémité supérieure de ladite tubulure par rapport au volume de stockage du ballon - les moyens de chauffage comportent une tubulure externe incorporant les moyens de chauffage, la partie supérieure de ladite tubulure étant connectée à la partie supérieure du ballon, et la partie inférieure de la tubulure étant connectée à la partie inférieure dudit ballon; - le dispositif comporte plusieurs ballons connectés en parallèle aux moyens de chauffage; - le dispositif comporte des moyens de régulation agencés pour permettre une surchauffe de l'eau alimentée en partie haute du ballon de quelques degrés au-dessus de la première température déterminée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description de modes de réalisation donnés à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux figures dans lesquelles: - La figure 1 montre, en coupe et en élévation, un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention. - La figure 2 montre en coupe et en élévation un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention. - La figure 3 est une vue en coupe et en élévation d'une variante du dispositif de la figure 1. - La figure 4 est un schéma, en perspective, d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention comprenant plusieurs ballons de rétention. La figure 1 montre un dispositif 1 de stockage et d'alimentation en eau chaude d'un réseau sanitaire, via le mélangeur 2. Le dispositif comporte un ballon cylindrique 3 de rétention, par exemple en acier, et des moyens 4 de chauffage, par exemple constitués par des résistances électriques 5 placées dans une gaine de protection 5' conductrice de la chaleur, de l'eau de remplissage alimentée en partie basse 6 du ballon via la tubulure 7. Le dispositif comprend une tubulure centrale cylindrique 8, par exemple en matière peu conductrice de la chaleur comme une matière plastique, disposée axialement dans le ballon autour des moyens de chauffage et comprend des orifices 9 répartis angulairement en partie basse 10 de ladite tubulure fixée par exemple par collage sur le fond amovible 11 du ballon. La tubulure 8 est de hauteur légèrement inférieure à la hauteur axiale du ballon. L'eau froide 16 ou alimentée en 6 pénètre par les orifices 9 et monte le long des moyens de chauffage 4. Ce faisant, elle atteint la première température déterminée recherchée. Dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici le bout de la tubulure 8 est terminé par une paroi ou plaque bombée 8a percée d'un orifice axial, par exemple de diamètre égal à 2 ou 3 cm. En dessous de cet orifice est fixé une petite cage ajourée 8b, de rétention d'une pièce mobile 8' par exemple constituée par une boule sphérique réalisée dans le même matériau que les moyens flotteursséparateurs. La boule 8', de diamètre un peu supérieur à celui de l'orifice joue le rôle de clapet ne laissant sortir l'eau de la tubulure 8 que lorsqu'elle a atteint la température désirée, c'est-à-dire une densité inférieure à celle de la boule, qui coule dans l'eau chauffée. Les moyens 4 sont actionnés de façon connue en elle-même grâce à un thermostat 12 de régulation et de commande automatique de l'alimentation électrique des résistances 5. Un boîtier de protection 13 des organes de régulation est par ailleurs prévu. Le dispositif 1 comporte des moyens flotteurs- séparateurs 14, par exemple constitués par un disque annulaire souple en matière plastique de faible épaisseur (par exemple de quelques millimètres), introduit par l'ouverture obturé par le fond amovible 11 et enfilé sur la tubulure centrale 8 avec un jeu central par rapport à la paroi cylindrique externe de la tubulure et un jeu périphérique par rapport à la paroi cylindrique interne du ballon, les parois cylindriques internes de la tubulure et du ballon formant les parois internes dudit ballon définissant le volume de stockage. Autrement dit, les moyens flotteurs-séparateurs sont ici une couronne dont le grand diamètre est un peu inférieur au diamètre interne du ballon et le petit diamètre un peu supérieur au diamètre externe de la tubulure. La couronne est ainsi agencée pour coulisser librement à l'intérieur du ballon sous l'effet des forces exercées par l'eau, malgré les phénomènes de dilatation, tout en minimisant les échanges entre l'eau chaude 15 et l'eau froide 16. Plus précisément, les moyens d'alimentation du ballon en partie haute par l'eau réchauffée et les moyens flotteurs-séparateurs servant à la séparation physique de l'eau chaude 15 et de l'eau froide 16 sont réalisés, comme cela est compréhensible et à la portée de l'homme du métier, dans des matériaux compatibles avec le milieu dans lequel ils baignent, qui est fonction de la pression, de la température, de la composition de l'eau, des exigences hygiéniques et bactériologiques imposées par les normes en vigueur, etc. Les moyens 14 et 8' sont également d'une masse suffisante pour ne pas voir leur fonction pertubée par les différents composants éventuellement produits lors du chauffage de l'eau (calcaire par exemple). Ils sont par ailleurs agencés pour pouvoir être introduits dans le ballon lors de la fabrication de celui-ci, ce qui implique des propriétés physiques ou géométriques particulières (souplesse dans le cas d'un disque unique, diamètre dans le cas d'utilisation de sphères multiples, comme on va le voir dans d'autres modes de réalisation explicités ci-après). Les moyens flotteurs- séparateurs sont également, de par leur épaisseur et leur résistance thermique, aptes à résister suffisamment à l'échange thermique entre les deux faces en contact avec les milieux à températures différentes qu'elles séparent, tout en étant, encore une fois, de masse volumique à peine supérieure à celle de l'eau chaude qu'ils doivent séparer de l'eau froide, de masse volumique plus élevée. Dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici, le dispositif 1 comprend également un tube 17 par exemple interne à la tubulure 8, se terminant d'un côté en partie haute à l'extérieur de ladite tubulure et relié de l'autre côté au mélangeur 2, de soutirage de l'eau chaude vers le circuit sanitaire. Le ballon est lui-même calorifugé en 18 de façon connue en elle- même pour éviter les déperditions de chaleur. On a représenté sur les figures 2 et 3 deux autres modes de réalisation, l'un appliqué à un ballon cylindrique horizontal 20 (figure 2) et l'autre à un ballon cylindrique vertical 30 (figure 3) identique au ballon de la figure 1. Dans ces deux cas, les moyens de séparation 21, 31 sont formés par une ou plusieurs couches, par exemple deux couches, de petits éléments sphériques 22, 32 ou de forme sensiblement sphéroïdales par exemple de quelques millimètres à quelques centimètres de diamètre, indépendants les uns des autres et tels que leur nombre leur permette de couvrir la surface de la section horizontale du volume de stockage du ballon, qui, dans le cas de la figure 2 est en fait la section même du ballon qui varie en fonction du niveau dans la cuve, et dans le cas de la figure 3 la section du ballon diminuée de la section de la tubulure interne, qui cette fois-ci est sensiblement constante. Les moyens de forme discoidale décrite en référence à la figure 1 ne conviennent en effet que pour les cuves cylindriques verticales (ce qui constitue la majorité des fabrications), les éléments de formes sphéroïdales convenant quelque soit la forme de la cuve et sa position dans l'espace, le nombre de ces éléments permettant de maintenir la séparation entre eau chaude et eau froide malgré d'éventuelles variations de section, ce qui est en particulier le cas pour les cuves cylindriques horizontales. Dans le cas de la figure 3 les moyens d'alimentation du ballon en partie haute par l'eau réchauffée comportent, par exemple, d'une part une tubulure 33 disposée autour des moyens de chauffage comme décrit en référence à la figure 1, et d'autre part un manchon cylindrique 34 réalisé dans le même matériau que les moyens flotteurs-séparateurs et coulissant librement à l'extérieur de la tubulure 33 sur une hauteur propre à dégager ou à obturer partiellement la portion 35 délimitée par le ciel 36 du ballon 30 et l'extrémité supérieure 37 de la tubulure 33. Une pièce 38, de butée inférieure du manchon 34, par exemple constituée par une saillie annulaire de la tubulure, est prévue pour éviter au manchon de tomber au fond du ballon. La tubulure d'eau chaude 39, similaire à la tubulure 17 décrite en référence à la figure 1 dépasse quant-à-elle légèrement le haut de la tubulure 33. Les moyens séparateurs peuvent être réalisés en un seul matériau, ou en plusieurs matériaux, homogènes ou hétérogènes, permettant d'obtenir la masse volumique requise. A titre d'exemple, la masse volumique de l'eau à la pression atmosphérique étant - 0,9996 kg/dm3 à 10 C - 0,9718 kg/dm3 à 80 C - 0, 9653 kg/dm3 à 90 C, si l'eau chaude stockée doit être à 85 C, ce qui correspond à une masse volumique de 0,9685 kg/dm3, on choisira alors des moyens flotteurs-séparateurs de masse volumique à peine plus élevée, par exemple égale à 0,969 kg/dmn3. Les moyens flotteurs-séparateurs mobiles présentant une telle masse volumique peuvent ainsi séparer l'eau froide, de température variable en cours d'année, par exemple de 5 C à 20 C, de l'eau chaude portée à la température souhaitée de 85 C. Pour amener l'eau chauffée en haut du récipient plusieurs solutions peuvent être envisagées. Comme on l'a vu, une première solution consiste à mettre en place une tubulure autour de l'élément chauffant, de diamètre approprié, fixé en bas du ballon et faisant à quelques millimètres près la hauteur de celui-ci. Afin que l'eau chaude puisse s'échapper vers le haut du ballon une pièce mobile réalisée par exemple dans le même matériau que les moyens flotteurs- séparateurs, joue le rôle de clapet, ne laissant sortir l'eau de la tubulure que lorsqu'elle a atteint la température désirée. il L'eau froide du bas du chauffe-eau entre quant-à-elle dans la tubulure percée à sa base de plusieurs trous, par exemple 2 ou 4. Cette solution (voir figure 4) permet de prévoir un dispositif 40 o l'élément chauffant 41 est placé à l'extérieur du ou des ballons 42 par exemple, dans un tube 43 fixé sur une génératrice d'un des ballons. Ce réchauffeur extérieur, qui est relié au bas et au haut du ou des ballons de stockage par de petites canalisations 44 et 45, peut par ailleurs avantageusement être placé sous une même enveloppe calorifugée 46 que les ballons. Cette disposition permet, si besoin, d'installer plusieurs éléments chauffants autour d'un ballon de stockage ou encore plusieurs ballons de stockage, de plus faible diamètre, montés en parallèle avec un ou plusieurs éléments chauffants. De cette façon il devient possible de fabriquer des chauffe-eaux de faible épaisseur, facilitant leur intégration à l'intérieur des logements. La forme extérieure de tels chauffe-eaux peut être un parallélépipède rectangle d'une hauteur de l'ordre de 2 m, d'une épaisseur de 20 cm à 30 cm et d'une largeur variable selon la contenance (un cylindre de diamètre 20 cm et de hauteur 2 m contient un peu plus de 60 litres). Une seconde solution, consiste, comme on l'a vu, à mettre en place comme dans la première solution, une tubulure autour des éléments chauffants. Le rôle de régulateur de débit est par contre joué par un manchon cylindrique réalisé dans le même matériau que les moyens flotteurs- séparateurs et coulissant librement le long du premier tube (figure 3). Ce régulateur, en flottant dans l'eau froide, vient obturer partiellement la section de passage entre l'intérieur du tube et le reste de la cuve. On va maintenant décrire le fonctionnement d'un dispositif selon l'invention en faisant plus particulièrement référence à la figure 1. Comme on l'a vu, l'eau chauffée à la température souhaitée est automatiquement stockée en partie supérieure 15 du ballon grâce aux moyens d'alimentation en partie haute et à la pièce mobile de séparation que constitue les moyens flotteurs- séparateurs 14. En effet, les moyens flotteurs-séparateurs ne descendent dans le ballon ou chauffe-eau qu'en fonction du volume d'eau chaude produit à la température convenable et placé en haut de celui-ci par les moyens d'alimentation. Cette quantité d'eau provient de l'eau froide 16 située en dessous des moyens flotteurs-séparateurs 14. Inversement, en cas de soutirage d'eau chaude en 17 par l'utilisateur, les moyens flotteurs- séparateurs 14 remontent sous l'effet de l'eau froide, de masse volumique plus élevée introduite dans le bas du chauffe-eau en 6. La vitesse de stockage de l'eau chauffée (D) dépendra de trois paramètres: - P: la puissance de l'élément chauffant en W - Tef: la température de l'eau froide en C - Tech: la température souhaitée pour le stockage en C p D = ---------------- en litres/heure m. (Tech - Tef) avec m: chaleur volumique de l'eau (1,16 Wh/l. C) Si par exemple la température de consigne souhaitée est de 85 C et si la puissance de l'élément chauffant est de 3 kW, le débit est: - avec de l'eau froide à 5 C: D = --------------- = 32,3 litres/heure 1,16. (85 - 5) - avec de l'eau froide à 20 C: D = ---------------- = 39,8 litres/heure 1,16. (85 - 20) Dans un mode avantageux de réalisation, on prévoit une régulation spécifique du chauffage comme cela va être décrit ci-après. La masse volumique des moyens flotteurs- séparateurs étant égale à celle de l'eau à la température minimale souhaitée pour le stockage, il faut que l'eau soit chauffée à une température telle que sa masse volumique soit inférieure à celle desdits moyens flotteurs-séparateurs. Afin d'optimiser le fonctionnement, la consigne du thermostat de régulation 12 du chauffage de l'eau est donc placée à une température supérieure de quelques degrés (par exemple 5 K), au-dessus de cette température minimale souhaitée. Ainsi le chauffage de l'eau à une température légèrement supérieure à cette température minimale souhaitée pour le stockage permet aux moyens flotteurs-séparateurs 14 de couler dans cette eau chauffée 15 et de venir flotter sur l'eau froide. Une surchauffe de l'eau apparaît après épuisement de l'eau froide à chauffer, lorsque les moyens flotteurs-séparateurs 14, en bas du chauffe- eau, ne laissent passer, compte tenu du fait qu'ils ne sont pas étanches, qu'un débit de fuite d'eau chaude conduisant à une montée en température de la partie haute du chauffe-eau puis à la coupure de la chauffe par le thermostat 12. Le bulbe du thermostat peut donc être placé à la sortie de l'eau chauffée par l'élément chauffant. Cette surchauffe de quelques degrés permet en outre de vaincre les déperditions thermiques du chauffe- eau entre deux mises en fonctionnement du système de chauffe, sans perturbation notable de la position des moyens flotteurs-séparateurs 14. REVENDICATIONS 1. Dispositif de stockage et d'alimentation en eau chaude comprenant au moins un ballon (3,20,30,42) de rétention de l'eau chaude définissant entre ses parois internes un volume de stockage et des moyens (4,41) de chauffage de l'eau de remplissage dudit ballon à une première température, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'alimentation du ballon en partie haute par l'eau réchauffée à ladite première température, et des moyens (14,21,31) flotteurs- séparateurs de masse volumique supérieure à celle de l'eau réchauffée à ladite première température, et inférieure à celle d'une eau plus froide, de température inférieure à une seconde température, lesdits moyens flotteurs-séparateurs étant agencés pour présenter une surface horizontale sensiblement égale à la section horizontale du volume de stockage du ballon à tous les niveaux dudit ballon. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ballon (3) étant vertical, de forme sensiblement cylindrique les moyens flotteurs-séparateurs (14) sont constitués par un disque de faible épaisseur. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (21,31) flotteurs- séparateurs sont constitués par des billes ou balles (22,32). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation du ballon en partie haute par l'eau chauffée comportent une tubulure (8) disposée autour des moyens de chauffage (4) situés à l'intérieur du ballon, ladite tubulure étant fixée en partie basse (10) du ballon, et de hauteur légèrement inférieure à celle dudit ballon, et comprenant au moins un orifice (9), situé en partie inférieure de ladite tubulure, de communication de l'intérieur de la tubulure avec le volume de rétention du ballon. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la tubulure comporte en partie haute des moyens (8', 8a, 8b) de régulation de débit. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de régulation comportent une plaque supérieure bombée située en partie haute de la tubulure percée d'un orifice axial et une pièce mobile en matériau identique au matériau des moyens flotteurs-séparateurs. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de régulation comportent un manchon cylindrique (34) réalisé dans un matériau identique à celui des moyens flotteurs- séparateurs agencé pour coulisser librement à l'extérieur de la tubulure (33) entre une position de dégagement et une position d'obturation partielle de l'extrémité supérieure de ladite tubulure par rapport au volume de stockage du ballon. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent une tubulure externe (43) incorporant les moyens de chauffage (41), la partie supérieure de ladite tubulure étant connectée à la partie supérieure du ballon, et la partie inférieure de la tubulure étant connectée à la partie inférieure dudit ballon. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs ballons (42) connectés en parallèle aux moyens de chauffage. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que il comporte des moyens de régulation (12) agencés pour permettre une surchauffe de l'eau de quelques degrés supérieure à la première température déterminée.