Brevet FR2732453A1 — publié le 19961004

La présente invention concerne un dispositif échangeur - stockeur de calories et'ou de frigories destiné à recevoir un agent de stockage à forte chaleur latente de transformation liquide - solide1 notamment de l'eau, du type à corps de remplissage. On connaît des installations qui nécessitent la mise en place d'une production de calories ou de frigories en quantités variables pendant une période donnée, ces installations étant conçues de manière à réduire, dans des proportions importantes, la puissance des appareils destinés à produire les calories eVou les frigories. Un exemple de telles installations est donné dans le brevet FR-A-2 469678. De telles installations comportent toujours des échangeurs - stockeurs de calories ou de maories. Certains de ces échangeurs - stockeurs, appelés échangeurs - stockeurs à corps de remplissage, sont constitués d'une cuve de stockage qui contient elb mêrne des corps de remplissage dans lesquels les calories eVou les frigories sont stockées en période creuse puis redistribuées en période de pointe à l'aide d'un caloporteur qui procède aux échanges en circulant dans la cuve entre les corps de remplissage.Les corps de remplissage de ces échangeurs - stockeurs contiennent généralement un matériau à forte chaleur latente de transformation liquide - solide (eau, hydrate salin, paraffine, etc...) encapsulé dans une enveloppe de forme très généralement sphérique, cette forme étant préférée en raison de ses propriétés de symétrie, de sa facilité de mise en oeuvre dans les cuves de stockage, et de la circulation homogène du caloporteur chargé du transfert de chaleur qu'elle permet. Des exemples de telles installations sont données dans les brevets US - A - 2 525 261, FR - A 2 244 969, ou EPA 076 884. On connaît de nombreux corps de remplissage destinés à ces échangeurs stockeurs de type connu qui permettent outre de stocker une grande quantité de caloees eVou de frigories sous un volume restreint, d'absorber sans dommage les variations de volume qui résultent du changement de phase liquide - solide des matériau à forte chaleur latente de transformation contenus dans les enveloppes detetscorps. Ce sont: - les corps de remplissage de préférence totalement remplis de l'agent de stockage qui possèdent une structure flexible tels que décrits dans les brevets US A2525261 ou EP*0 277 847. - les corps de remplissage de préférence totalement remplis de ragent de stockage qui possèdent une structure élastique tels que décrits dans le brevet FRA 1104400; - les corps de remplissage partiellement remplis de l'agent de stockage qui possèdent une structure déformable et une poche d'air ou un matériau compressible introduit dans le corps de remplissage tels que décrits dans les brevets DE 30 o5 450 AI ou EP-A-076 884. On connaît la technique des corps de remplissage introduits dans les Arhrr-ute-etaceurs qui consiste à fabriquer une enveloppe en matière plastique, à la remplir avec le matériau de stockage à l'état liquide puis à la fermer d'une manière étanche. Toutes les enveloppes des corps de remplissage sont en matière plastique car les autres matériaux (mélaux en particulier) conduisent à des coûts de fabrication excessifs. Du fait des grandes quantités de corps de remplissage nécessaires, ces enveloppes sont fabriquées en grande série par la technique de rexiuusion - soufflage car cette technique permet des coûts de fabrication plus bas que les autres techniques connues comme l'injection ou l'injection - soufflage.La technique de l'extrusion - soufflage est une technique très répandue; elle consiste, à projeter par soufflage d'air comprimé un tube extrudé de matière plastique ramollie dans la cavité d'un moule dont la forme géométrique présente la forme du corps que ron souhaite obtenir. Lors du refroidissement du moule, la matière plastique déposée sur la paroi interne de ce demier refroidit puis durcit, et le moule est alors ouvert afin de libérer le corps moulé.Cette technologie, simple en soi, est toutefois relativement contraignante et limitante dans le choix des formes qu'elle autorise; en effet, d'une part, toutes les parties du moule doivent nécessairement être vues directement depuis le tube de matière plastique au risque que les parties cachées ne reçoivent pas de matière lors du soufflage et d'autre part, les contre -dépouilles doivent être minimales de sorte que les pièces puissent être démoulées sans dommage. II est bien connu aussi que les qualités thermodynamiques d'un échangeur stockeur se mesurent par la puissance d'échange obtenue entre le matériau de stockage et le fluide caloporteur; lorsque l'échangeur-stockeur est du type à corps de remplissage, on sait que la puissance d'échange avec le fluide caloporteur est d'autant plus grande que: 1 - épaisseur des enveloppes des corps de remplissage est faible, 2 - la surface des enveloppes des corps de remplissage est grande. 3 - le coeffident de convection qui règle réchange entre les enveloppes et le fluide caloporteur est grand, et, 4 - le coefficient de conductibilité thermique des enveloppes des corps de remplissage est grand. L'objdf visé par la présente invention consiste donc à réaliser un échangeur stockeur de calories et/ou de frigories du type à corps de remplissage contenant un agent de stockage à forte chaleur latente de transformation liquide -solide, qui allie des qualités thermoynamiques et des qualités mécaniques optimales mais qui tienne compte simultanément des contraintes technologiques de fabrication et des contraintes économiques du marché. On ewminera ciaprès les caractéristiques qui influent sur les différents facteurs dont dépend la puissance d'échange avec le fluide caloporteur d'un échangeur-stockeur. 1 - Optimisation de l'épaisseur des enveloppes des corps de remplissage de I' échanrrr4stockeu r. Les corps de remplissage d'un échangeur-stockeur doivent avoir une e > acellente tenue mécanique pour résister sans dommage à une mise en vrac dans la cuve de stockage et pour résister aux contraintes mécaniques intemes dues à reansion du matériau à forte chaleur latente de transformation pendant son changement de phase. Pour atteindre cet objectif, on pourrait penser qu'il suffit d'augmenter suffisamment répaisseur de la paroi de l'enveloppe des corps de remplissage pour leur conférer une résistance mécanique suffisante.Ce serait ne pas tenu compte de ce que le coût de fabrication des corps de remplissage croît avec le poids de matière plastique utilisée pour fabriquer l'enveloppe de ces corps, et de ce que la puissance d'échange décroît lorsque l'épaisseur de l'enveloppe croît. Aussi, I'objectif technico-économique pour réaliser l'enveloppe du corps de remplissage consiste-t'il à utiliser un poids et une épaisseur de matière plastique minimale qui permette toutefois de garantir à l'enveloppe une résistance mécanique adaptée aux contraintes qu'elle subit.A ce titre la forme sphérique de l'enveloppe des corps de remplissage devant contenir le matériau à changement de phase est de loin la plus répandue car elle présente une bonne résistance aux contraintes et particulièrement aux contraintes internes radiales qui se développent pendant l'expansion du matériau à changement de phase. En effet lorsque l'enveloppe est sphérique, les contraintes associées à l'expansion du matériau à changement de phase sont radiales et isotropes et s'exercent donc avec une même intensité et une même orientation (radiale) sur toute la surface de l'enveloppe, et c'est dans ces conditions que l'on obtient une valeur optimale pour le poids de la matière plastique utilisé pour réaliser le corps de remplissage, car il correspond alors à une enveloppe d'épaisseur minimale et constante sur toute sa surface. La réalisation d'une enveloppe sphérique simple, d'épaisseur minimale, constante et homogène pour réaliser les corps de remplissage d'un échangeur stockeur du type à corps de remplissage n'est pas revendiquée ici. 2 - Optimisation de la surface des enveloppes des corps de remplissage de l'échangeur-stockeur. II est connu que le coefficient de remplissage de la cuve de stockage d'un échangeur-stockeur du type à corps de remplissage avec des corps de remplissage sphériques est indépendant du diamètre des corps de remplissage déposés dans la cuve de l'échangeur-stockeur, mais que la surface d'échange augmente lorsque le diamètre des corps de remplissage diminue. Il est donc théoriquement possible, en utilisant de très nombreux corps de remplissage de très petit diamètre d'obtenir de très grandes surfaces d'échange ; toutefois cette solution ne saurait être retenue car ce serait ne pas tenir compte de ce que les coûts de production qui sont directement liés aux cadences de production des corps de remplissage croissent en fait beaucoup plus vite que la surface d'échange ne croît lorsque le diamètre des corps de remplissage diminue. Ainsi par exemple: Une énergie de 1 kWh pourrait être stockée dans un échangeur-stockeur constitué d'une cuve principale d'un volume de 17 litres remplie avec ( a ) 20 corps sphériques d'un diamètre de 100 mm qui présentent une surface d'échange de 0,62 m2 et qui pourraient être produits en grande quantité au prix de référence de 1 FF l'unité ou 20 FF I kWh stocké. ( b ) 160 corps sphériques d'un diamètre de 50 mm qui présentent une surface d'échange de 1,24 m2 et qui pourraient être produits en grande quantité à 65% du prix de référence à l'unité, soit 0,65 FF l'unité ou 104 FF I kWh. Cet exemple montre bien que pour multiplier par 2 la surface (c'est-à-dire la puissance) d'échange des corps de remplissage sphériques de l'échangeur stockeur, il faut multiplier par 8 le nombre de corps de remplissage et par 5 les coûts de production. Il existe donc un diamètre optimal, minimal pour fabriquer des corps de remplissage en deçà duquel il n'est économiquement pas raisonnable de descendre, et ce n'est que pour des diamètres égaux ou supérieurs à ce diamètre minimal qu'il devient économiquement envisageable, par le biais d'artifices, d'accroître la surface d'échange des corps de remplissage. Des artifices connus pour augmenter la surface d'un corps de remplissage sphérique sans en modifier le diamètre apparent ont consisté jusqu'à présent à creuser sur sa surface des encoches, des rainures ou des entailles comme dans les brevets US-A- 1 944 726, DE-A-2 003 392, US-A-2 525 261 ou EP-A-0118 720; toutefois, ces exemples se sont généralement heurtés à des impossibilités de fabrication (soufflage etlou démoulage), à un accroissement insuffisant de la surface de l'enveloppe, et à une optimisation de l'épaisseur de matière plastique de l'enveloppe du corps impossible par manque de symétrie radiale telle que décrite au paragraphe 1 précédent relativement à une sphère lisse. C'est pourquoi, la présente invention propose de réaliser un échangeurstockeur du type à corps de remplissage dont les enveloppes sphériques, rigides, partiellement remplies d'un agent de stockage des calories etlou des frigories à forte chaleur latente de transformation liquide-solide, tel que de l'eau, des hydrates salins ou des paraffines et d'un matériau compressible pour absorber les variations de volume de l'agent de stockage lors de son changement de phase, comportent des moyens pour en accroître la surface d'échange, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par des formes inscrites en relief sur les enveloppes desdits corps de remplissage qui présentent toutes un axe de symétrie qui passe par le centre de gravité de leur base et par le centre du corps de remplissage, en ce que lesdites bases des formes en relief sont toutes égales et identiques et en ce que lesdites formes en relief sont uniformément réparties sur toute la surface de l'enveloppe. Selon un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, lesdites formes en relief sont constituées par des cylindres de révolution, des prismes droits, des pyramides régulières, des troncs de pyramides réguliers, des cônes de révolution, des troncs de cônes de révolution, des calottes sphériques, et d'une manière générale toutes les surfaces de révolution, dont l'axe de symétrie qui passe par le centre de symétrie de la surface de base, passe aussi par le centre du corps de remplissage sphérique, dont les bases sont identiques et qui sont uniformément réparties sur la surface de l'enveloppe. On comprend que les caractéristiques énoncées ci-dessus propres à la présente invention sont essentielles et déterminantes pour obtenir un échangeurstockeur du type à corps de remplissage de qualité à partir de corps de remplissage sphérique de diamètre optimal, car de telles formes en relief permettent d'augmenter d'une manière beaucoup plus importante la surface de l'enveloppe tout en permettant d'optimiser le poids de matière plastique, du fait de l'obtention d'une symétrie sphérique identique à celle de la sphère simple. 3 - Amélioration du coefficient de convection qui participe à l'échange entre l'enveloppe des corps de remplissage de l'échangeur-stockeur et le fuide caloporteur. Un échangeur-stockeur du type à corps de remplissage est très généralement du type noyé , c'est à dire que le caloporteur chargé de procéder aux échanges de chaleur avec les corps de remplissage remplit tous les espaces laissés libres dans la cuve. Lorsque les corps de remplissage de l'échangeur - stockeur sont sphériques, les espaces laissés libres entre les sphères sont très importants puisqu'ils représentent 40% du volume total de la cuve de stockage, et la vitesse de circulation du caloporteur entre les sphères étant corrélativement très petite, le régime d'écoulement est laminaire et le coefficient de convection entre le fluide caloporteur et les enveloppes minimum.L'augmentation du coefficient de convection nécessite donc des aménagements tels que la vitesse du caloporteur soit augmentée etlou son régime d'écoulement perturbé pour que le régime, de laminaire, devienne turbulent. On connaît une solution qui consiste à placer à l'intérieur de la cuve des chicanes pour accroître la vitesse du caloporteur, mais l'expérience a déjà prouvé que cette technique conduit à des coûts de réalisation excessifs et à une mise en oeuvre très difficile. En conséquence, la présente invention propose de réaliser un échangeurstockeur du type à corps de remplissage tel que décrit précédemment, mais dont les formes en relief sont de plus réparties en quinconce, afin que le caloporteur qui environne la sphère soit contraint, quelque soit la position de la sphère dans la cuve de stockage, de slalomer autour des reliefs. Le chemin parcouru par le caloporteur est ainsi beaucoup plus long, et, sa vitesse plus grande associée à la perte et au regain de pression dynamique nécessaire aux changements de direction qui lui sont imposés par les formes en relief, ont pour effet de modifier le régime d'écoulement qui, devenant turbulent, a pour effet d'accroître le coefficient de convection. Ainsi, la présente invention propose aussi de réaliser un échangeur-stockeur du type à corps de remplissage tel que décrit précédemment, mais qui en outre n'est pas du type noyé en ce sens que la cuve qui contient les corps de remplissage et qui présente une section identique sur toute sa hauteur, est vide de caloporteur. Le caloporteur, pulvérisé en partie haute de la cuve, et qui coule par gravité sur et entre les corps de remplissage est animé d'une vitesse beaucoup plus grande qui se traduit par un régime d'écoulement d'autant plus turbulent et un coefficient de convection d'autant plus grand. On comprend que cet objectif ne peut être atteint avec les échangeurs-stockeurs du type à corps de remplissage noyés car leur flexibilité , leur élasticité ou leur déformabilité requise et revendiquée dans les brevets cités dans le préambule de la présente description, pour absorber en partie ou en totalité des variations de volume consécutives aux changements de phase de l'agent de stockage, ne sauraient, sans dommage, absorber ces variations s'ils devaient être simultanément soumis, hors du caloporteur qui les environne, à leur propre poids mais aussi au poids des corps de remplissage des couches supérieures. En revanche, on comprend que les enveloppes des corps de remplissage sphériques constituées de formes en relief conformes à l'invention et telles que spécifiées ci-dessus, se comportent vis à vis des contraintes externes et internes de la même manière qu'une structure alvéolaire et qu'à ce titre, elles présentent une résistance mécanique aux contraintes internes et externes très supérieure à la résistance mécanique d'une enveloppe sphérique simple de même épaisseur. En conséquence, cette invention vise également un échangeur stockeur caractérisé en ce qu'il est constitué d'une cuve verticale recevant une pluralité de corps de remplissage tels que définis ci-dessus et présentant une section identique sur toute sa hauteur et en ce que le fluide caloporteur est amené dans ladite cuve par l'intermédiaire d'une rampe de pulvérisation disposée au sommet de ladite cuve de manière que le fluide caloporteur, qui coule par gravité sur et entre les corps de remplissage, procède aux échanges de chaleur en cascadant sur lesdits corps, et en slalomant entre ces derniers, un niveau minimum de caloporteur étant maintenu au fond de ladite cuve. 4-Optimisation du coefficient de conductibilité thermique de l'enveloppe du corps de remplissage de l'échangeur-stockeur. II est connu par le brevet US-A-4 205 656, que le coefficient de conductibilité thermique des corps de remplissage en plastique peut être amélioré par utilisation de compound ou d'adjuvents spécifiques, I'optimisation de ce coefficient consistera donc à utiliser les compound qui présentent le meilleur coefficient de conductibilité thermique sans perte des qualités mécaniques du matériau de base, pour un surcoût minimum et bien maîtrisé. Bien que cette disposition puisse être mise en oeuvre dans le cadre de la présente invention, elle ne fait cependant pas partie de cette dernière. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un mode de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins: - La figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un corps de remplissage selon la présente invention; - La figure 2 est une vue en coupe diamétrale du corps de remplissage illustré par la figure 1 et, - La figure 3 est une vue schématique en coupe axiale verticale d'un exemple de réalisation d'un échangeur-stockeur selon la présente invention. En se référant aux figures 1 et 2, on voit que chaque corps de remplissage 10 mis en oeuvre dans un échangeur stockeur de calories etlou de frigories selon la présente invention comporte une enveloppe 12 dont la surface est couverte d'une pluralité de formes en relief 18 qui, dans cet exemple de réalisation non limitatif, sont constituées par des troncs de cônes. Ceux-ci sont disposés en quinconce et uniformément répartis sur toute la surface de l'enveloppe 12 de chaque corps de remplissage 10 de manière à contraindre le caloporteur à slalomer autour de ces cônes ainsi qu'on le verra ci-après. Chaque corps de remplissage 10 est réalisé à partir d'un matériau, de préférence une matière plastique, présentant un bon coefficient de conductibilité thermique et il présente une enveloppe 12, rigide, à parois minces et d'épaisseur constante sur toute sa surface. Cette enveloppe possède, dans sa zone périphérique, une ouverture 16 de préférence de forme circulaire qui est fermée hermétiquement par un capuchon 14 après remplissage partiel du volume interne du corps 10 par le matériau à changement de phase et l'introduction d'un corps d'expansion flexible et compressible 24, centré au centre O de la sphère-enveloppe 12 à l'aide d'une baguette 26 ou équivalent, pour absorber les variations de volume de l'agent de stockage lors de son changement de phase. Ainsi qu'on l'a précisé ci-dessus, l'enveloppe 12 comporte sur sa surface une multitude de formes en relief 18, constituées ici de troncs de cônes de révolution, dont les axes de symétrie 20 passent tous par le centre O du corps de remplissage 10 et dont les bases 22 sont toutes identiques et de surfaces égales. Ces formes en relief 18 sont uniformément réparties sur l'enveloppe 12 et disposées en quinconce comme déjà précisé ci-dessus et comme on le voit clairement sur la figure 1. Les angles solides Q sous lesquels sont vus, depuis le centre O de l'enveloppe 12, les surfaces des bases 22 des formes en relief 18, sont tous égaux et uniformément répartis sur l'enveloppe 12. La hauteur des troncs de cônes de révolution 18 décroît régulièrement depuis le sommet du corps de remplissage 10 jusqu'au plan de symétrie X-X' qui constitue le plan de démoulage du corps de remplissage, de manière à limiter la contre dépouille à 3% environ du diamètre du corps et permettre ainsi le démoulage de ce dernier, après extrusion et soufflage, conformément aux contraintes de fabrication évoquées dans le préambule de la présente description. En général, les formes en relief 18 ont des dimensions relatives telles que la surface d'échange totale qui en résulte est au moins égale à deux fois la surface d'une sphère lisse présentant le même diamètre apparent, ce qui permet, selon l'invention, de réduire le nombre de corps à fabriquer dans un rapport de 8 à 1 et les coûts de fabrication dans un rapport de 5 à 1. La réalisation sera d'une qualité d'autant plus grande que, toutes autres qualités égales par ailleurs, l'augmentation de surface engendrée par les empreintes en relief 18 sera plus grande. La figure 3 représente de façon schématique un échangeur-stockeur de calories etlou de frigories mettant en oeuvre des corps de remplissage tels que décrits ci-dessus en référence aux figures 1 et 2. Dans cet exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif, cet échangeur se présente sous la forme d'une cuve verticale 28 qui présente une section identique sur toute sa hauteur. Comme on le voit sur la figure 3, cette cuve 28 est de forme cylindrique, dans cet exemple de réalisation non limitatif. Elle comporte dans sa partie supérieure, une rampe 30 de pulvérisation du caloporteur, cette rampe étant alimentée à partir d'une conduite 32. Cette cuve n'est pas du type noyée étant donné qu'elle est vide de caloporteur, ce dernier pulvérisé en partie haute de la cuve par l'intermédiaire de la rampe 30 coulant par gravité sur et entre les corps de remplissage 10 qu'elle contient. Ainsi, le caloporteur procède aux échanges de chaleur avec les corps de remplissage 10 en cascadant par gravité sur et en slalomant entre ces derniers. Selon l'invention, on maintient un niveau minimum 36 du caloporteur au fond de la cuve afin de compenser l'inertie de ce caloporteur s'écoulant par gravité et éviter ainsi un désarmorçage de la pompe de circulation dudit caloporteur. Après échange thermique avec les corps de remplissage 10, le caloporteur est évacué de la cuve 28 vers le circuit d'utilisation par l'intermédiaire d'une conduite 34. II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et ou représentés ici mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1- Echangeur- stockeur du type à corps de remplissage dont les enveloppes sphériques, rigides, partiellement remplies d'un agent de stockage des calories etlou des frigories à forte chaleur latente de transformation liquide-solide, tel que de l'eau, des hydrates salins ou des paraffines et d'un matériau compressible pour absorber les variations de volume de l'agent de stockage lors de son changement de phase, comportent des moyens pour en accroître la surface d'échange, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par des formes (18) inscrites en relief sur les enveloppes (12) desdits corps de remplissage (10) qui présentent toutes un axe de symétrie (20) qui passe par le centre de symétrie de leur base (22) et par le centre (O) du corps de remplissage, en ce que lesdites bases (22) des formes en relief (18) sont toutes égales et identiques et en ce que lesdites formes en relief sont uniformément réparties sur toute la surface de l'enveloppe (12). 2 - Echangeur- stockeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites formes en relief (18) inscrites sur les enveloppes (12) des corps de remplissage (10) sont réparties en quinconce. 3 - Echangeur- stockeur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites formes en relief (18) inscrites sur les enveloppes (12) des corps de remplissage (10) sont constituées de surfaces de révolution. 4 - Echangeur-stockeur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites formes en relief (18) inscrites sur les enveloppes (12) des corps de remplissage (10) sont des volumes dont les bases sont constituées par des polygones réguliers. 5- Echangeur-stockeur selon les revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que lesdites formes en relief sont constituées par des cylindres de révolution, des prismes droits, des pyramides régulières, des troncs de pyramides réguliers, des cônes de révolution, des troncs de cônes de révolution, des calottes sphériques. 6 - Echangeur-stockeur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la hauteur desdites formes en relief (18) décroît régulièrement depuis le sommet du corps de remplissage (10) jusqu'au plan de symétrie (X-X') qui est le plan de démoulage dudit corps de remplissage. 7- Echangeur-stockeur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites formes en relief (18) ont des dimensions relatives telles que la surface d'échange totale qui en résulte est au moins égale à deux fois la surface d'une sphère lisse présentant le même diamètre apparent. 8- Echangeur-stockeur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est constitué d'une cuve verticale (28) recevant une pluralité de corps de remplissage (10) et présentant une section identique sur toute sa hauteur et en ce que le fluide caloporteur est amené dans ladite cuve par l'intermédiaire d'une rampe de pulvérisation (30) disposée au sommet de ladite cuve de manière que le fluide caloporteur, qui coule par gravité sur et entre les corps de remplissage, procède aux échanges de chaleur en cascadant sur lesdits corps et en slalomant entre ces derniers, un niveau minimum (36) de caloporteur étant maintenu au fond de ladite cuve.