Brevet FR2800446A1 — publié le 20010504

Procédé et dispositif d'accumulation de chaleur à effet caloduc. Il est connu que chauffe-eau, en particulier des chauffe-eau électriques, répondant aux besoins journaliers d'une famille. Pour une famille de quatre personnes consommant environ 150 litres d'eau par jour, ces chauffe-eau ont général un volume de 200 litres. Réglementairement, l'eau chaude doit être stockée à une température égale ou supérieure à 'C pour éviter les proliférations bactériennes de type légionella. Il existe donc un écart de température de 40 K entre l'eau chaude qui est stockée dans le chauffe-eau et la pièce dans laquelle celui-ci est situé et dont la température est de l'ordre de 20 'C. L'eau chaude chauffe-eau est stockée dans un conteneur (également dénommé "ballon") en général de forme cylindrique ayant un diamètre de 45 cm et une hauteur de plus de 125 cm (non compris l'enveloppe isolante thermique). Les déperditions thermiques journalières d'un tel chauffe eau d'une contenance de litres sont significatives. Elles se situent entre 1,4 et 2 kWh par j our. Par ailleurs, l'eau chaude consommée, généralement soutirée en haut du ballon d'eau chaude, est remplacée par un volume d'eau froide équivalent entrant par le bas de l'appareil. De tels chauffe-eau présentent un défaut majeur. En effet, même si des anodes sont disposées à côté de la résistance chauffante à la base de l'appareil, l'encrassement par le calcaire et les différents sels minéraux est significatif et entreine des pertes énergétiques supplémentaires dues aux résistances thermiques additionnelles associées au dépôt. L'invention vise à remédier à ces inconvénients et à améliorer le bilan énergétique des chauffe-eau. Plus généralement, l'invention vise à améliorer le bilan énergétique des procédés et des dispositifs d'accumulation de chaleur dont les ballons des chauffe-eau ne sont qu'une application particulière. Le procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes - on stocke la chaleur dans un premier fluide sous sa tension de vapeur, notamment de l'eau, dans un conteneur étanche, - on transfère la chaleur par condensation de la phase vapeur dudit fluide sur la surface externe d'un échangeur, situé dans la phase vapeur du premier fluide, - on apporte de la chaleur audit conteneur au moyen d' source chaude, notamment une résistance chauffante ou un brûleur immergée dans la phase liquide dudit fluide. De préférence, on isole thermiquement le conteneur. Ainsi que cela va être démontré par la suite, notamment lors de la description détaillée d'un ballon de chauffe-eau, la mise en oeuvre d'un fluide sous sa tension de vapeur permet de réduire les dimensions du conteneur d'environ 75 % pour répondre aux mêmes besoins. Compte tenu de cette diminution du volume, pour un coût d'isolation identique, on améliore les performances de l'enveloppe isolante thermique et on réduit les déperditions thermiques d'un facteur de 3 à 4. Par ailleurs, notamment dans le cas d'un ballon de chauffe-eau, l'eau chaude stockée et traitée n'est pas renouvelée. Il n'y a donc ni dépôt ni perte d'efficacité de transfert. De préférence, on apporte de la chaleur en quantité suffisante pour maintenir le premier fluide à une température telle que la pression dans le conteneur soit sensiblement égale à la pression atmosphérique. De préférence également, l'échangeur comprend un circuit parcouru par un second fluide, notamment de l'eau, dont la température est inférieure à celle du premier fluide. La présente invention concerne également un dispositif d'accumulation de chaleur comprenant : - un conteneur étanche contenant un fluide, notamment de l' , sous sa tension de vapeur, - un échangeur situé dans la partie du conteneur contenant phase vapeur dudit fluide, - une source chaude, notamment une résistance chauffante ou un brûleur, immergée dans la phase liquide dudit fluide. De préférence, le dispositif d'accumulation de chaleur selon l'invention comprend en outre un isolant thermique enveloppant le conteneur. De préférence également, la quantité de chaleur apportée par la source chaude est déterminée de manière suffisante pour maintenir le fluide à une température telle que la pression à l'intérieur du conteneur soit sensiblement égale à la pression atmosphérique. De préférence également, l'échangeur comprend un circuit parcouru par un second fluide, notamment de l'eau. La présente invention concerne également l'application du procédé et du dispositif selon l'invention et de leurs variantes réalisations préférentielles à la réalisation de ballon d'accumulation d'eau chaude, notamment pour chauffe - eau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de la variante de réalisation de l'invention, données à titre d'exemple indicatif et non limitatif et de la figure 1 qui représente une vue schématique, en perspective ouverte, d'une variante de réalisation d'un dispositif d'accumulation de chaleur. On va maintenant décrire la figure 1. La température de l'eau froide varie relativement peu au cours de l'année, entre 12 et 22 'C. Dans le ballon d'accumulation 1 à effet caloduc, l'eau froide 4c circule dans un échangeur 4, de préférence dans un circuit 4b en cuivre, situé à la partie supérieure du ballon. L'eau circulant dans l'échangeur 4 est réchauffée par condensation 3 de la vapeur d'eau 2b provenant de l'évaporation au niveau de la surface libre 2c de l'eau chaude 2a stockée, sous sa tension vapeur, dans le ballon à effet caloduc. L'eau chaude 2a est stockée à une température variant entre 100 et 90 'C. Ces niveaux de température sont choisis pour limiter les déperditions et faire que la pression interne du ballon d'eau chaude varie entre 0,7 et 1 bar absolu. La description du mécanisme est la suivante. Lorsque de la chaleur est apportée par source chaude 5, elle entreine une ébullition du liquide 2a. Ce phénomène a pour effet d'accrcître le nombre de molécules de la phase vapeur 2b et par conséquent a pour effet d'accroître la pression. Inversement, lorsque l'on introduit de l'eau froide 4c dans le circuit 4b de l'échangeur 4, on refroidit la phase vapeur 2b, une fraction de celle-ci se condense 3 sur la surface externe 4a de l'échangeur 4. Corrélativement, le nombre des molécules de la phase gazeuse 2b diminue et la pression baisse dans le conteneur 1. Il y a donc un ajustement concomitant de la pression et de la température. Dans l'exemple décrit, le stock d'eau chaude est de 50 litres. Il est chauffé à 100 'C. Lorsque l'utilisateur a besoin d'eau chaude, l'ouverture du robinet provoque une circulation d'eau froide 4c qui entre dans l'échangeur 4 situé à la partie supérieure du ballon à accumulation à effet caloduc. Cette eau froide entre à une température variable entre 12 et 22'C. Elle est réchauffée jusqu'à une température de sortie qui peut varier entre 45 et 60 'C. Selon le niveau de température souhaité, ajuste le débit dans le circuit 4b de l'échangeur 4 et/ou le mélange avec de l'eau froide additionnelle en sortie de l'échanueur 4. L'échangeur dont la température moyenne de surface 4a se situe entre 34 et 36 'C constitue un point froid situé dans la phase vapeur 2b du ballon à effet caloduc. Compte tenu du fait que l'eau chaude stockée est à une température de 100 'C en début de journée et de 90 'C en fin de journée, cette eau s'évapore à la surface libre 2c. Elle vient se condenser 3 sur la paroi extérieure 4a de l'échangeur et réchauffe ainsi l'eau circulant 4b à l'intérieur de l'échangeur 4. L'eau condensée 3 retombe en gouttes sur la réserve d'eau 2a où elle vient se mélanger. Il en résulte un léger abaissement, entre 100 et 90 'C, de la température de l'eau stockée. Le conteneur 1 (le ballon) à effet caloduc permet de modifier radicalement le volume du stockage puisque - l'énergie échangée d'un côté de l'échangeur est constituée une énergie dite sensible, permettant le réchauffement de l'eau liquide pour des écarts de température d'environ 40 K (variable entre 23 et 58 K) et - l'énergie échangée de l'autre côté résulte d'un échange par chaleur latente de condensation à des températures variables entre 90 et 100 Les débits habituels d'eau chaude sanitaire sont de l'ordre de 10 la puissance échangée est donc élevée : 27,8 kW. Cependant, puisque la chaleur latente de vaporisation de l'eau est de 2 250 kJ/kg pour des températures variables entre 90 et 110 'C, il suffit que le débit d'évapo- condensation provenant du stockage soit de 12 g/s. Le temps de fonctionnement total sur une journée est de 900 s. Pour une telle durée de fonctionnement, la masse évapo-condensée est d'un peu plus de Il kg. Ces 11 kg d'eau tombent goutte à goutte, à une température légèrement supérieure à 60 'C, dans la phase liquide 2a (initialement à 100'C) avec laquelle ils se mélangent. On peut calculer la quantité d'eau chaude 2a avec laquelle la masse évapo-condensée de Il kg doit se mélanger pour qu'en fin de journée la température du mélange reste égale ou supérieure à 90 'C. Elle est d'environ 40 kg. En résumé, une masse d'eau de 50 ko, à une température initiale de 100'C, sous sa tension de vapeur (ce qui implique une surface libre du stockage d'eau et l'absence de tout autre gaz), permet l'évapo-condensation de Il kg d'eau. Il est ainsi possible de réchauffer 150 litres d'eau entre 20 60 'C sans que la température du stockage devienne inférieure à 90 Le rapport d'amplification de la chaleur latente de l'eau, comparativement à la capacité calorifique de l'eau, permet de réduire d'un facteur 15 le débit de réchauffage et le débit réchauffé. La réduction de la masse d'eau par 4 implique, pour une déperdition de chaleur de 1 'C du stock d'eau pour un ballon de 200 litres comparativement à un ballon de 50 litres, une diminution de la perte énergétique qui est en rapport direct avec la masse stockée et qui se calcule par la relation Qdéperditions M x cp x DT Dans le cas où l'écart de température est égal, la déperdition énergétique est donc bien diminuée par 4. Dans le cas d'un ballon de 50 litres selon l'invention, la température moyenne sur la journée est de 95 'C. Dans le cas d'un ballon de 200 litres classique, la température moyenne et de 60'C. Pour une même température extérieure de 20 'C, l'écart pour le ballon de 50 litres est donc de K et de 40 K pour le ballon de 200 litres. Si l'isolation est de même nature, la déperdition est en première approximation deux fois plus élevée puisqu'elle est proportionnelle à l'écart de température, mais comme la masse est 4 fois moindre, à pouvoir d'isolation égal, la déperdition thermique est divisée par 2. On peut évaluer les conséquences de la réduction du volume de stockage sur le volume d'isolation. Dans l'hypothèse où les deux ballons, respectivement de 50 et de 200 litres, ont le même diamètre de cuve de stockage de 45 cm, pour le ballon de 200 litres, la hauteur sera donc de 125 cm, tandis que pour le ballon de 50 litres elle ne sera plus que de 30 cm. La hauteur est donc divisée par 4 ainsi que le volume d'isolation vertical. On peut par conséquent doubler l'épaisseur d'isolation sur l'ensemble du volume et diminuer d'autant la déperdition thermique, à coût moindre. Ainsi donc le procédé et le dispositif d'accumulation de chaleur selon l'invention permet de : - réduire le volume de stockage 4, - annuler les phénomènes d'entartrage, - diminuer la déperdition thermique par réduction de la masse stockée, - d'augmenter l'isolation à coût inférieur par réduction du volume de stockage. Pour d'autres volumes de stockage que celui ayant fait l'objet de la C description détaillée les facteurs de réduction sont les mêmes. Revendications. 1. Procédé d'accumulation de chaleur dans un conteneur (1) ; ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - on stocke la chaleur dans un premier fluide (2a, 2b) sous sa tension de vapeur, notamment de l'eau, dans un conteneur étanche (1), - on transfère la chaleur par condensation (3) de la phase vapeur (2b) dudit fluide sur la surface externe (4a) d'un échangeur situé dans la phase vapeur (2b) du premier fluide, - on apporte de la chaleur audit conteneur au moyen d'une source chaude (5), notamment une résistance chauffante (5a) un brûleur, immergée dans la phase liquide (2a) dudit fluide. 2. Procédé selon la revendication 1 tel que on apporte de chaleur en quantité suffisante pour maintenir le premier fluide à une température telle que la pression dans le conteneur soit sensiblement égale à la pression atmosphérique. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 2 tel que l'on isole thermiquement (6) le conteneur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 3 tel que ledit échangeur comprend un circuit (4b) parcouru par un second fluide (4c), notamment de l'eau, dont la température est inférieure à celle du premier fluide. 5. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à la réalisation de ballon d'accumulation d'eau chaude, notamment pour chauffe - eau. 6. Dispositif d'accumulation de chaleur comprenant - un conteneur étanche (1) contenant un fluide (2a, 2b), notamment de l'eau, sous sa tension de vapeur, - un échangeur (4) situé dans la partie du conteneur contenant la phase vapeur (2b) dudit fluide, source chaude (5), notamment une résistance chauffante (5a) ou un brûleur immergée dans la phase liquide (2a) dudit fluide. 7. Dispositif selon la revendication 6 tel que la quantité de chaleur apportée par la source chaude est suffisante pour maintenir le fluide à une température telle que la pression à l'intérieur du conteneur sensiblement égale à la pression atmosphérique. S. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 tel qu'il comprend en outre un isolant thermique (6) enveloppant le conteneur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications à 8 tel que l'échangeur (4) comprend un circuit (4b) parcouru par un second fluide (4c), notamment de l'eau. 10. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 à la réalisation de ballon d'accumulation d'eau chaude, notamment pour chauffe - eau.