Brevet FR2917816A1 — publié le 20081226

La présente invention concerne un nouveau dispositif d'amenée d'eau froide destiné aux ballons horizontaux d'accumulation d'eau chaude de chauffe-eau solaire. Ce dispositif peut également remplir, simultanément (figure 1) ou séparément (figure 2), la fonction de tubulure d'alimentation d'eau froide des capteurs solaires du dit chauffe- eau. Les dits ballons comportent, de façon traditionnelle, un corps de forme générale cylindrique réalisé à partir d'une virole ld obturée à ses extrémités par deux fonds bombés. La figure 1 représente une coupe longitudinale d'un chauffe-eau solaire équipé d'un ballon horizontal d'accumulation d'eau chaude. Le dit ballon comporte en général : - Une tubulure de soutirage d'eau chaude la appelée aussi pipe de soutirage, permettant le soutirage de l'eau chaude par l'utilisateur du ballon. - Une tubulure d'amenée d'eau chaude lb appelée aussi pipe d'eau chaude permettant d'alimenter en eau chaude le ballon, cette eau provenant des capteurs solaires. - Une tubulure d'amenée d'eau froide le appelée aussi pipe d'eau froide permettant d'alimenter le ballon en eau froide, et alimentant en fluide froid le ou les capteurs du chauffe-eau solaire. Parfois ces deux fonctions sont assurées distinctement par deux canalisations séparées (figure 2), notamment dans les dits ballons avec échangeur. - Une isolation suffisante le afin de minimiser les déperditions calorifiques. - Une enveloppe 1f qui renferme l'isolant. - Un thermoplongeur afin de remédier au manque d'ensoleillement. Le principe de stockage dans un ballon horizontal d'accumulation d'eau chaude repose sur le fait que la température diminue la densité de l'eau. Ainsi, il se crée de façon naturelle une stratification de la masse d'eau en couches horizontales avec un gradient de température vertical. Du fait que l'on travaille à volume constant, la quantité d'eau chaude puisée en partie supérieure de la réserve par la tubulure la, est remplacée dans la même proportion par de l'eau froide introduite en partie basse de la réserve par la tubulure d'amenée d'eau froide 1c. Le maintien d'une stratification de la masse d'eau en couches horizontales, avec un gradient de température vertical, permet en théorie, d'obtenir un volume d'eau chaude soutiré équivalent au volume intérieur du ballon, et ce, à une température élevée quasi-constante. En réalité, seule une certaine fraction du volume intérieur de la réserve d'eau est soutirée à une température constante élevée, le reste étant une eau tiède caractérisée par une température décroissante asymptotiquement, au fur et à mesure du soutirage, jusqu'à la température de l'eau froide introduite. Ceci tient au fait que lors de l'introduction d'eau froide en partie basse de la réserve il se crée des turbulences engendrant inévitablement un mélange de l'eau chaude de la réserve avec l'eau froide introduite. Afin de maximiser le volume d'eau chaude soutiré diverses solutions ont été adoptées, concernant les tubulures d'amenée d'eau froide le ou 2d des ballons horizontaux d'accumulation d'eau chaude de chauffe-eau solaire, dans le but de limiter le mélange de l'eau chaude en partie basse de la réserve lors du processus de soutirage d'eau. L'une de ces solutions consiste à équiper l'extrémité de la tubulure d'amenée d'eau froide le ou 2d, située à l'intérieur du ballon, d'une plaque brise-jet jointe sur la partie haute de la tubulure formant avec son axe un angle d'environ 45 . Une autre solution consiste à ajouter sur l'extrémité de la tubulure d'amenée d'eau froide le ou 2d, située à l'intérieur du ballon, un corps creux de formes diverses s'évasant dans la direction opposée au fond où la tubulure d'amenée d'eau froide prend son départ. Le corps creux est parfois remplacé par tube rectiligne percé de façon discontinue sur la génératrice la plus inférieure. Dans d'autres cas, lorsque la pipe d'eau froide est située en partie basse de la virole, elle comporte, à l'intérieur du ballon, une embouchure biseautée et une plaque brise-jet à 90 de l'axe du piquage, conduisant le flux d'eau froide dans la direction du centre du ballon parallèlement à l'axe longitudinal de la virole. Cependant, les débits mis en oeuvre lors du soutirage d'eau chaude sont tels que ces solutions n'éliminent pas le problème de mélange d'eaux en partie basse de la réserve. Les constructeurs sont donc obligés de surdimensionner les ballons horizontaux d'accumulation d'eau chaude de chauffe-eau solaires. Par ailleurs, tous ces dispositifs engendrent la formation d'un matelas d'eau mélangée tiède, en partie basse de la réserve d'eau, d'une hauteur plus ou moins égale à la distance séparant la génératrice basse de la virole 1h des dits ballons et la partie la plus haute du dispositif. Or d'après le second principe de la loi de Carnot, on sait que le rendement d'une machine thermique est amélioré lorsque l'écart entre les deux températures de cette machine thermique est maximum. On peut assimiler un capteur solaire thermique à une machine thermique isolée, où s'effectue un échange entre un corps chaud, à savoir l'absorbeur du capteur jouant aussi le rôle de corps noir, et un corps froid, le fluide circulant dans le capteur, c'est à dire l'eau qui provient de la pipe d'amenée d'eau froide le du ballon. Le rendement d'un capteur solaire thermique est donc amélioré lorsque le liquide, qui y est introduit, est le plus froid possible. La présence d'eau tiède mélangée en partie basse d'un ballon d'accumulation horizontal d'eau chaude de chauffe-eau solaire est donc préjudiciable à double titres : -Elle limite le volume d'eau chaude soutirée, - Elle diminue le rendement des capteurs solaires thermiques et par conséquent diminue 15 la performance globale du chauffe-eau solaire. La présente invention a donc pour but principal de solutionner ces deux problèmes en maximisant le volume d'eau chaude soutirable et en augmentant le rendement des dits chauffe-eau solaires. Un autre but du dispositif de la présente invention est la diminution de la 20 capacité de stockage des dits ballons, l'abaissement du diamètre de la virole permettant ainsi une meilleure intégration visuelle du dit ballon notamment lors d'une installation sur toiture comme pratiquée dans les régions chaudes du globe. Dans un ballon horizontal d'accumulation d'eau chaude utilisé comme partie de chauffeeau solaire, qui appartient au genre de ceux comprenant une forme générale 25 cylindrique réalisée à partir d'une virole fermée par deux fonds, la présente invention a pour objet un dispositif destiné à limiter la formation d'un matelas d'eau chaude tiède en partie basse du dit ballon, tout en permettant d'augmenter le rendement des capteurs solaires du dit chauffe-eau. A cet effet, le dispositif suivant l'invention, placé à l'intérieur d'un ballon 30 horizontal d'accumulation d'eau chaude utilisé comme partie de chauffe-eau solaire, qui appartient au genre de ceux comprenant une forme générale cylindrique réalisée à partir d'une virole fermée par deux fonds et dans le prolongement de la ou des tubulures d'afflux de liquide froid localisées généralement en partie basse de celui-ci, comprend selon une première caractéristique un corps préférentiellement cylindrique creux, coudé selon un ou plusieurs axes, ayant ses extrémités débouchées et leur axe longitudinal (ZI et Z2 figure 3) sensiblement parallèle à l'axe longitudinal (Z figure 1) de la virole du dit ballon. Il s'ensuit, selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses, mais non limitatives, de l'invention : - Ladite invention peut être monobloc. - Ladite invention peut être composée de plusieurs éléments assemblés. - Dans le cas où ladite invention se composerait de plusieurs éléments, ceux-ci peuvent être collés, vissés, encastrés ou maintenus en position entre eux par tout autre mode de fixation. - Ladite invention est préférentiellement cylindrique, mais peut être également de forme, triangulaire, rectangulaire, carré, ovale ou quelconque, et peut combiner ces mêmes formes en partie ou en totalité. - L'embouchure de ladite invention peut être biseautée ou perpendiculaire aux génératrices de la virole du dit ballon. - Ladite invention peut être fabriquée à partir de matériaux résistant à la corrosion. - Ladite invention peut comporter au moins un orifice 3a de forme quelconque placé en un point quelconque de ladite invention. - Ladite invention peut disposer d'une ou plusieurs échancrures de taille et de forme quelconque et localisées sur au moins une des embouchures de ladite invention. 25 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée de dessins en annexe parmi lesquels : • La figure 1 est une coupe longitudinale d'un ballon horizontal d'accumulation de chauffe-eau solaire sans échangeur, surplombant un capteur solaire 1g, et de 30 trois tubulures la lb et le qui respectivement permettent de soutirer l'eau chaude, d'alimenter le ballon en eau chaude provenant des capteurs, et à la fois d'alimenter le ballon en eau froide et puiser l'eau froide du ballon pour alimenter les capteurs. On distingue sur le schéma la virole 1d, l'isolant le et l'enveloppe extérieure 1g, ainsi que l'axe longitudinal de la virole Z. La génératrice la plus inférieure du ballon est celle représentée en 1h. • La figure 2 est une coupe longitudinale d'un ballon horizontal d'accumulation de chauffe-eau solaire sans échangeur, surplombant un capteur solaire 2h, et de quatre tubulures 2a 2b 2c et 2d qui respectivement permettent de soutirer l'eau chaude, d'alimenter le ballon en eau chaude provenant des capteurs, d'alimenter le ballon en eau froide et de puiser l'eau froide du ballon pour alimenter les capteurs. On distingue sur le schéma la virole 2e, l'isolant 2f et l'enveloppe extérieure 2g, ainsi que l'axe longitudinal de la virole Z. La génératrice la plus inférieure du ballon est celle représentée en 2i. • la figure 3 représente ladite invention, elle est de forme coudée afin d'être adjacente à la génératrice de la virole inférieure et comporte un orifice 3a Dans une variante de mise en oeuvre de l'invention, représentée figure 3, on place la dite invention sur la tubulure d'amenée d'eau froide, représentée en 1c de la figure 1 et en 2c de la figure 2. La dite invention est alors réalisée d'un seul tenant, de forme cylindrique. Elle suit dans un premier temps le prolongement de la tubulure, puis elle est coudée de sorte que son corps se rapproche au plus prêt de la virole, l'angle est d'environ 45 , puis un coude dans le sens opposé au premier lui permet de suivre la génératrice de la virole inférieure de manière adjacente, de sorte que le débouché de l'invention soit au plus prêt de celle-ci. Réalisée en matière plastique, elle est emmanché sur la tubulure 1c et comporte un orifice 3a entre les deux coudes, situés en partie haute de cette partie du corps. De plus, on coupe l'extrémité adjacente à la génératrice de la virole inférieure de sorte qu'elle soit biseautée et ouverte sur cette dernière. Ainsi, dans ce mode de mise en oeuvre de l'invention, le flux d'eau froide est dirigé au plus prêt de la virole inférieure, les strates internes du ballon sont, de ce fait, au mieux protégées. De façon évidente, la présente invention ne se limite pas à la forme d'exécution détaillée ci-dessus, elle embrasse toutes les variantes d'application et de réalisation relevant du même principe. Le dispositif selon l'invention est particulièrement approprié dans les chauffe-eau solaires à thermosiphon avec ou sans échangeur . Revendications 1. Dispositif, placé à l'intérieur d'un ballon horizontal d'accumulation d'eau chaude utilisé comme partie de chauffe-eau solaire, qui appartient au genre de ceux comprenant une forme générale cylindrique réalisée à partir d'une virole fermée par deux fonds et dans le prolongement de la ou des tubulures d'afflux de liquide froid localisées généralement en partie basse de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comprend un corps préférentiellement cylindrique creux, coudé selon un ou plusieurs axes, ayant ses extrémités débouchées et leur axe longitudinal (Z1 et Z2 figure 3) sensiblement parallèle à l'axe longitudinal (Z figure 1) de la virole du dit ballon. 2.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif est monobloc. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif est constitué de plusieurs éléments assemblés. 4.Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les dit éléments sont collés, vissés, encastrés, soudés ou rivetés. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif est de forme cylindrique, triangulaire, rectangulaire, carré, ovale. 6.Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif de prolongement de la tubulure d'amenée d'eau froide dispose d'une embouchure biseautée ou perpendiculaire à l'axe de la génératrice de la virole du dit ballon. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est fabriqué à partir de matériaux résistant à la corrosion. 8.Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins un orifice (3a). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins une échancrure sur au moins une des embouchures du dispositif.