Brevet FR2765671A1 — publié le 19990108

BLOC DE CHAUFFE BI-ENERGIE NOTAMMENT POUR LA PRODUCTION D'EAU CHAUDE SANITAIRE ET BALLON éQUIPE D'UN TEL BLOC. La présente invention a trait à un dispositif perfectionné, dénommé dans la suite de la description par l'expression bloc de chauffe ou réchauffeur destiné à assurer l'élévation de température d'un liquide en condition statique, par exemple d'eau. Elle a trait également à un nouveau type de ballon de production d'eau chaude constitué par un réservoir et dont le réchauffeur est constitué par un bloc de chauffe conforme à l'invention. Dans la suite de la description, l'invention sera décrite pour la production d'eau chaude sanitaire, mais il est évident que cela n'est pas limitatif et que le bloc de chauffe conforme à l'invention pourrait être utilisé pour d'autres applications. A ce jour, pour la production d'eau chaude sanitaire, différentes solutions sont utilisées. Outre les chauffe-eau, à gaz notamment, permettant une production d'eau chaude instantanée, il a été proposé d'assurer le réchauffage de l'eau sanitaire par l'intermédiaire du circuit principal de production d'eau chaude utilisé par exemple pour le chauffage central. I1 a également été proposé d'utiliser des ensembles dits ballons réchauffeurs constitués essentiellement par un réservoir associé à un système réchauffeur qui peut être constitué soit par un thermoplongeur électrique, soit par un serpentin à l'intérieur duquel circule l'eau chaude provenant de l'installation de chauffage central principal, voire même une combinaison de ces deux types de chauffage. Les solutions proposées à ce jour et qui permettent donc un chauffage mixte (électricité + circulation d'eau chaude dans un serpentin), posent cependant des problèmes par le fait que la puissance effective du serpentin et/ou du thermoplongeur est relativement limitée, cette puissance étant, en ce qui concerne le serpentin, de 200 à 500 watts par mètre carré. De plus, l'incorporation à l'intérieur de l'enceinte d'un serpentin et d'un thermoplongeur complique notablement la structure des ballons de production d'eau chaude ainsi que leur maintenance. Or on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, un dispositif réchauffeur d'eau de conception simple, facile à mettre en place à l'intérieur d'un ballon ou tout autre type de réservoir qui non seulement, permet d'obtenir une puissance de chauffe importante, autorise l'utilisation soit de l'électricité, soit d'un circuit d'eau chaude (ou autre), soit de ces deux éléments simultanément. D'une manière générale, l'invention concerne donc un nouveau type de bloc de chauffe ou réchauffeur permettant de réaliser un chauffage mixte en vue de la production d'eau chaude sanitaire (ou autre), ledit ensemble étant destiné à être incorporé à l'intérieur d'une enceinte destinée à assurer l'accumulation d'un volume d'eau prédéterminé, et il se caractérise en ce qu'il se présente sous la forme d'un ensemble monobloc moulé, à base d'un matériau, aluminium par exemple, bon conducteur de la chaleur, ledit bloc comportant: une couronne périphérique permettant sa fixation transversalement à l'intérieur de l'enceinte, de préférence entre la base de cette dernière et le capot l'obturant; un serpentin plan, noyé à l'intérieur dudit bloc, et s'étendant parallèlement aux faces principales de ce dernier, et dont les deux extrémités sont reliées à un circuit d'eau chaude principal; une résistance électrique, également en forme de serpentin plan, disposée dans un plan parallèle au plan de circulation du circuit d'eau chaude; une pluralité d'ouvertures s'étendant sur toute l'épaisseur du bloc, et disposées entre et autour des deux serpentins de chauffe, lesdites ouvertures assurant la répartition et la bonne circulation naturelle du fluide. Selon une forme préférentielle de réalisation, les deux serpentins de chauffe sont de forme sinueuse, et ils sont montés en opposition de telle sorte que leur raccordement d'une part, au circuit d'alimentation d'eau chaude et d'autre part, au circuit électrique, soit disposé latéralement de chaque côté du bloc. Par ailleurs, les parois définissant les ouvertures au travers desquelles s'écoule l'eau destinée à être à l'intérieur du ballon, sont profilées, ce qui d'une part facilite l'écoulement de l'eau et, d'autre part et surtout, augmente la surface d'échange thermique. Selon une forme de réalisation préférentielle, le profil des parois définissant les ouvertures comporte une zone d'entrée convergente prolongée par une zone de sortie divergente. Cette structure de forme permet de développer des ailettes et d'augmenter la surface d'échange développée autour des éléments de chauffe. Par ailleurs, avantageusement, si l'on projette dans un plan le bloc conforme à l'invention, le rapport entre la surface totale des ouvertures à l'intérieur desquelles s'écoule le fluide et la surface totale comprise entre la couronne périphérique permettant la fixation du bloc à l'intérieur de l'enceinte, est avantageusement de l'ordre de 40 à 60 %. L'invention concerne également un ballon d'eau chaude équipé d'un tel bloc de chauffe, ballon qui se caractérise en ce que ledit bloc de chauffe est disposé transversalement à sa base en regard de l'arrivée d'eau froide, le prélèvement d'eau chaude (ou autre) étant réalisé, quant à lui, en partie haute du ballon. Le bloc de chauffe conforme à l'invention peut être monté à l'intérieur du ballon soit par simple interposition entre le fond de ce dernier et le couvercle, soit en utilisant des brides latérales. S'il est possible de monter un seul bloc de chauffe conforme à l'invention, dans l'hypothèse où une puissance nominale de base est nécessaire, cette dernière peut être obtenue en empilant une pluralité de blocs chauffants, l'assemblage étant réalisé d'une manière similaire à celle utilisée pour la réalisation d'échangeurs à plaques. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre indicatif, mais non limitatif, et qui est illustré par les schémas annexés dans lesquels: les figures 1,2,3 sont respectivement des vues en plan, et de côté selon les coupes A-A et B-B; les figures 4 et 5 sont des vues en coupe en élévation et de côté d'un ballon d'eau chaude équipé d'un bloc de chauffe conforme à l'invention, les figures 6 et 7 étant des vues de dessus des figures 4 et 5 et la figure 8 une vue de dessous; les figures 9 et 10 illustrent, vue de dessus et en coupe partielle selon D D, une autre forme de montage d'un bloc de chauffe conforme à l'invention à la base d'un ballon de production d'eau chaude. En se reportant aux schémas annexés, et plus particulièrement aux figures 1,2 et 3, le bloc de chauffe conforme à l'invention se présente donc sous la forme d'un ensemble, désigné par la référence générale (1), destiné à être incorporé à l'intérieur d'une enceinte permettant d'assurer l'accumulation d'un volume d'eau (ou autre) prédéterminé. Cet ensemble est monobloc et est obtenu par moulage ou toute autre technique appropriée d'un métal (aluminium de préférence), bon conducteur de la chaleur, et à l'intérieur duquel sont noyés deux circuits de chauffe (2,5) permettant de réaliser un chauffage mixte électrique et/ou par simple échange thermique par circulation de fluide (eau chaude ou autre). Ce bloc a une forme générale telle qu'il soit sensiblement de section rectangulaire comportant deux faces principales (3,4) et une couronne périphérique (6) permettant sa fixation transversalement à l'intérieur de l'enceinte, de préférence entre la base de cette dernière et le capot l'obturant. Vues de dessus (voir figure 1), il est de forme générale circulaire, mais il est évident que l'on pourrait avoir une structure générale rectangulaire en fonction de la forme de l'enceinte à l'intérieur de laquelle il doit être dispose. Le circuit de chauffe électrique (2) est constitué par une résistance blindée ayant, dans une forme de réalisation, un diamètre de 6,5 mm et une puissance de 2 kW . Cette résistance blindée se présente sous la forme d'un serpentin plan (voir figure 1) qui s'étend parallèlement aux faces principales (3,4) du bloc, et dont les deux extrémités (2a,2b) sont connectées au réseau électrique. Dans la forme de réalisation illustrée, le serpentin (2) comporte six branches parallèles espacées les unes des autres de 2,6 cm, permettant d'avoir une longueur de chauffe de l'ordre de 1,20 m pour un ballon ayant un diamètre de 32,3 cm. Le second circuit de chauffe (5) est, quant à lui, relié à un circuit d'eau chaude (ou autre) principal se présente également sous la forme d'un serpentin plan parallèle à la résistance électrique (2). Ce circuit (5) est constitué par un tube Inox ayant un diamètre intérieur de 0,8 cm et comportant, comme le serpentin (1) six branches parallèles espacées les unes des autres permettant d'avoir une longueur de chauffe également de l'ordre de 1,20 m. Les dimensions qui sont données le sont à titre d'exemple, les longueurs et diamètre pouvant être adaptées en fonction de la puissance de chauffe souhaitée. Les deux extrémités (5a,5b) de ce circuit sont reliées à un circuit de production d'eau chaude principal, par exemple le circuit utilisé pour le chauffage central (ou autre). D'un point de vue pratique, les deux circuits de chauffe sont montés en opposition afin de faciliter les raccordements à leur source d'alimentation. Ainsi que cela ressort des schémas annexés (voir figures 4 à 10), le bloc moulé est réalisé de telle sorte qu'il présente une couronne périphérique (6) de forme adaptée pour permettre sa fixation entre la base de l'enceinte (7) et le capot (8) d'un ballon de stockage d'eau chaude. La circulation d'eau (ou autre) au travers du bloc de chauffe est obtenue en prévoyant dans le bloc moulé une pluralité d'ouvertures désignées par la référence unique (9), qui s'étendent sur toute l'épaisseur du bloc, et qui sont disposées entre et autour des serpentins de chauffe, c'est-à-dire à la fois dans la zone rectangulaire comprise entre ces derniers et sur les quatre côtés de cette zone. Les ouvertures référencées (9) constituées pour l'essentiel du bloc réalisé conforme à l'invention, car elles contribuent à l'amplification du phénomène de thermosiphon, ce qui conduit à des niveaux de coefficients d'échange très importants. Les quatre ouvertures latérales (9) contribuent au retour du fluide descendant. Elles se présentent sous la forme de larges fenêtres. Après retournement dans la partie inférieure du ballon, volume constitué par le couvercle, le fluide est introduit par les parties alvéolaires centrales. Au contact des parois chaudes, la température du fluide augmente, conduisant à l'entretien du phénomène de thermosiphon. L'échange est d'autant plus important que la circulation est importante. Il convient de noter que la température de paroi reste très proche de celle du fluide à partir du moment où l'échange est important, ce qui diminue très fortement les phénomènes d'entartrage. Les parois (10) de matière définissant ces ouvertures (9) et à intérieur desquelles sont intégrées les circuits de chauffe, sont de préférence profilées comme cela ressort des figures 3 et 4 afin de permettre non seulement un meilleur écoulement de l'eau à l'intérieur du ballon, mais également pour favoriser l'échange thermique. Avantageusement, et ainsi que cela ressort clairement de la figure 3, la forme de ces parois (10) est telle qu'elle définit une zone d'entrée (11) convergente suivie d'une zone de sortie (12) divergente. Un tel type de forme permet de faciliter l'écoulement de l'eau et surtout d'augmenter la surface d'échange thermique. A titre indicatif, un tel bloc de chauffe conforme à l'invention tel qu'illustré, dont l'épaisseur E de la zone d'échange est de 5 cm, et comportant deux circuits de chauffe tels qu'illustrés, permet d'obtenir une surface totale d'échange thermique de l'ordre de 1 m2 communiquant une puissance de chauffe de 2 kW si l'on utilise seulement le chauffage électrique (2). Le coefficient d'échange consécutif se situe à 3500 watts/m2 pour le chauffage à partir d'une eau à 70 C. Un tel bloc de chauffe peut être monté de différentes manières à l'intérieur d'un ballon (7) de production d'eau (ou autre), deux modes de montage étant représentés respectivement aux figures 4 et 5 et aux figures 9 et 10. Dans le premier mode de réalisation, le bloc de chauffe conforme à l'invention est monté directement entre le fond de l'enceinte (7) et le capot (8) obturant cette dernière, l'arrivée d'eau se faisant à la base du capot (8) et le prélèvement en partie haute. Dans la forme de réalisation illustrée aux figures 9 et 10, le montage est réalisé en assurant le blocage entre la base de l'enceinte (7) et le capot (8) au moyen d'une bride additionnelle (12). Par rapport aux solutions antérieures, un tel bloc de chauffe permet une production d'eau chaude (ou autre) au moyen de deux sources d'énergie, qui peuvent être utilisée soit indépendamment l'une de l'autre, soit simultanément. Sa conception permet d'obtenir une puissance importante, et ce sous un volume minimal. Un bloc de chauffe d'une telle conception permet d'obtenir une très grande surface d'échange thermique, échange très efficace équivalent à un fonctionnement avec circulation forcée, et ce du fait de la géométrie des surfaces d'échange. Par ailleurs, une telle conception du bloc chauffant facilite la maintenance et notamment le montage et le démontage pour un nettoyage éventuel. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple concret décrit précédemment, mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit. Ainsi, le bloc conforme à l'invention peut recevoir un traitement de surface, par exemple, lorsqu'il est en aluminium, un traitement permettant d'augmenter sa résistance à la corrosion et diminuer les risques d'encrassement. REVENDICATI[ONS 1/ Bloc de chauffe (1) permettant de réaliser un chauffage mixte en vue de la production d'eau chaude sanitaire (ou autre), ledit ensemble étant incorporé à l'intérieur d'une enceinte (7) destinée à assurer l'accumulation d'un volume d'eau (ou autre) prédéterminé, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'un ensemble monobloc moulé, à base d'un matériau, aluminium par exemple, bon conducteur de la chaleur, ledit bloc comportant: une couronne périphérique (6)( permettant sa fixation transversalement à l'intérieur de l'enceinte (7), de préférence entre la base de cette dernière et le capot (8) l'obturant; un serpentin plan (5), noyé à l'intérieur dudit bloc, et s'étendant parallèlement aux faces principales (3,4) de ce dernier, et dont les deux extrémités sont reliées à un circuit d'eau chaude principal (ou autre); une résistance électrique (2), également en forme de serpentin plan, disposée dans un plan parallèle au plan de circulation du circuit d'eau chaude; une pluralité d'ouvertures (9) s'étendant sur toute l'épaisseur du bloc, et disposées entre et autour des deux serpentins de chauffe, lesdites ouvertures assurant la répartition et la bonne circulation naturelle du fluide. 2/ Bloc de chauffe selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux serpentins de chauffe (2,5) sont de forme sinueuse, et sont montés en opposition de telle sorte que leurs raccordements (5a,5b)-(2a,2b) d'une part, au circuit d'alimentation d'eau chaude (ou autre) et d'autre part, au circuit électrique, soit disposé latéralement de chaque côté du bloc. 3/ Bloc de chauffe selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les parois (10) définissant les ouvertures (9) au travers desquelles s 'écoule l'eau sont profilées de manière à présenter une zone d'entrée (il) convergente suivie d'une zone de sortie (12) divergente. 4/ Bloc de chauffe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport entre la surface totale des ouvertures (9) à l'intérieur desquelles s'écoule le fluide et la surface totale comprise entre la couronne périphérique permettant la fixation du bloc à l'intérieur de l'enceinte, est avantageusement de l'ordre de 40 à 60 %. 5/ Ballon d'eau chaude (ou autre), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un bloc de chauffe bi-énergie réalisé selon l'une des revendications 1 à 4, ledit bloc (1) étant disposé transversalement à la base du ballon en regard de l'arrivée d'eau froide (ou autre), le prélèvement d'eau chaude étant réalisé, quant à lui, en partie haute du ballon. 6/ Ballon d'eau chaude (ou autre) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de blocs élémentaires juxtaposés.