Brevet FR2976348A1 — publié le 20121214

Canne d'injection de liquide et système de stockage utilisant une telle canne. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne une canne d'injection de liquide et un système de stockage de liquide caloporteur utilisant une telle canne afin de préserver une stratification de température dans un ballon du système de stockage. TECHNIQUE ANTÉRIEURE La stratification thermique est un phénomène qui sépare en strates de différentes températures le liquide caloporteur contenu dans un ballon, en raison de la différence de densité du liquide selon la température. Le liquide caloporteur est par exemple de l'eau utilisée dans un circuit de chauffage, éventuellement additionnée de liquide antigel tel que du propylène glycol. On expose ici un système basé sur l'eau comme liquide caloporteur, mais le raisonnement peut s'appliquer à d'autres liquides. Plus l'eau est chaude, plus sa densité est faible, et inversement. Ainsi, dans un ballon d'eau chaude, où la température de l'eau peut varier en fonction de la quantité d'eau froide introduite et des éléments chauffants installés, l'eau la plus chaude est, en situation stabilisée, en partie haute, l'eau "tiède" est à mi-hauteur, et l'eau froide est en bas. L'intérêt de la stratification dans un ballon d'eau chaude se situe dans le fait qu'il est ainsi possible d'effectuer la distribution de l'eau chaude 2 par le haut, de sorte que l'eau distribuée est toujours chaude même si on introduit de l'eau froide dans la partie basse du ballon. Ce phénomène de stratification est utilisé pour chauffer un ballon avec des énergies différentes, pouvant chauffer l'eau à différentes températures. Par exemple, un ballon utilisant l'énergie solaire, le réchauffeur solaire est placé en partie basse, car certaines périodes de l'année, notamment en hiver, il ne peut que préchauffer l'eau froide à des températures insuffisantes (par exemple 40°C), un appoint utilisant une autre énergie est positionné dans le haut du ballon pour compléter le réchauffage de l'eau, par exemple jusqu'à 60°C. Dans le cas d'une réserve d'eau sanitaire, l'eau sanitaire ne peut pas être utilisée directement comme liquide caloporteur dans les générateurs de chaleur, pour des contraintes de qualité de l'eau, de dépôt de calcaire et de résistance des matériaux à l'oxydation, du fait de la présence d'oxygène dissous dans l'eau. De plus, l'eau sanitaire présente des risques de gel qui peut être destructeur pour les équipements. Une technique possible est de faire circuler de l'eau prélevée dans le ballon dans une boucle de circulation comportant la partie secondaire d'un échangeur thermique afin de la réchauffer et de réinjecter cette eau dans le ballon à un niveau supérieur. La partie primaire peut ainsi recevoir un autre liquide caloporteur qui n'aura pas les mêmes caractéristiques. Cependant, on constate que l'injection directe dans le ballon de l'eau qui circule dans la boucle de circulation génère des flux 3 verticaux qui brassent l'eau du ballon et finissent par homogénéiser la température de haut en bas. On ne bénéficie donc plus de la stratification des températures. On connaît déjà une canne d'injection de l'eau froide sanitaire qui entre dans le ballon de stockage en remplacement de l'eau chaude soutirée. Une telle canne est par exemple orientée vers le bas et coopère avec le fond du ballon, ou est munie d'un brise-jet. Cette technique n'est pas applicable au retour d'une boucle de circulation puisque l'injection doit se faire à un niveau supérieur. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention vise à fournir un dispositif d'injection du liquide caloporteur dans un ballon qui permette de préserver la stratification. Elle vise également à fournir un système de stockage de liquide caloporteur comportant un ballon de stockage et une boucle de circulation comportant un tel dispositif d'injection. EXPOSÉ DE L'INVENTION Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet une canne d'injection de liquide pour un réservoir, la canne ayant la forme générale d'un tube comportant une extrémité d'entrée pour recevoir une conduite alimentant la canne en liquide, caractérisée en ce qu'elle est fermée à son extrémité opposée à l'extrémité d'entrée, et en ce qu'elle comporte au moins une série d'ouvertures dans la paroi du tube, la section des ouvertures étant décroissante en 4 direction de l'extrémité bouchée. La demanderesse a constaté qu'une telle canne était apte à préserver la stratification des températures dans un ballon, même lorsque l'injection de l'eau est réalisée à un niveau éloigné du fond du ballon. La série d'ouverture permet d'augmenter la section de passage pour l'eau injectée, ce qui permet de diminuer, pour un débit donné, la vitesse d'injection du liquide dans le ballon. Le fait que l'extrémité soit bouchée évite que tout le flux de liquide reste concentré en un seul jet. Le liquide est forcé de changer de direction et de passer par les ouvertures latérales. Comme la pression due à l'arrêt du flux à l'extrémité bouchée est maximale à proximité de cette extrémité, on équilibre le débit entre les différentes ouvertures en prévoyant des sections plus petites vers l'extrémité bouchée. De manière particulière, les ouvertures ont une forme rectangulaire, la largeur étant constante, la section étant modulée par la longueur desdites ouvertures orientées selon l'axe du tube. On peut ainsi facilement moduler la section des ouvertures en modulant leur longueur. Selon un perfectionnement, la canne est coudée à proximité de l'extrémité d'entrée d'un angle compris entre 5 et 30°. Le centre de gravité de la canne est ainsi déplacé de l'axe de l'extrémité d'entrée, ce qui permet de lui conférer une orientation prédéterminée par rapport à la verticale. De préférence, les ouvertures débouchent perpendiculairement au plan formé par le coude. Ainsi, lorsque la canne est orientée par la gravité pour que le plan du coude soit vertical, les ouvertures sont orientées à l'horizontal. Ainsi, aucune composante verticale n'est donnée au flux de 5 liquide. Selon un perfectionnement, la canne comporte deux séries d'ouvertures, chaque série étant symétrique par rapport au plan formé par le coude. Ainsi, le débit peut se répartir en deux, de part et d'autre du plan du coude. L'invention a aussi pour objet un système de stockage de liquide caloporteur comportant un ballon de stockage, un circuit de réchauffement comportant une boucle de circulation connectée d'une part à une sortie du ballon et d'autre part à une entrée du ballon, la boucle de circulation comportant une pompe apte à faire circuler le liquide caloporteur depuis la sortie vers l'entrée du ballon, caractérisé en ce que l'entrée du ballon comporte une canne telle que décrite précédemment, une normale à la section des ouvertures étant orientée horizontalement. On peut ainsi réchauffer le contenu du ballon en faisant circuler le liquide mais sans affecter la stratification des températures de l'ensemble du volume. Cette technique est particulièrement bien adaptée aux systèmes de stockage de liquide chaud dont la chaleur apportée par différentes sources telles qu'une pompe à chaleur ou un système solaire combiné à des résistances électriques ou une chaudière à combustion. En effet, on peut ainsi maintenir un volume inférieur du ballon à plus faible température que celle du volume supérieur 6 complémentaire afin de faire fonctionner la source de chaleur à la plus basse température possible, ce qui optimise son efficacité. Lorsque la canne est coudée, le plan du coude est orienté par exemple verticalement. Cette orientation est donnée par la gravité et permet d'orienter le flux de liquide d'une manière prédéterminée. Selon une caractéristique constructive, la pompe est dimensionnée pour que la vitesse d'éjection du liquide hors de la canne soit inférieure à 0,8 m/s, de préférence 0,6 m/s. En fonction des pertes de charges dans la boucle, et des dimensions des composants, en particulier de la section des ouvertures, on choisit la pompe pour qu'elle assure une vitesse de sortie du liquide suffisamment faible pour qu'elle ne perturbe pas la stratification de l'ensemble du contenu du ballon. On constate que cette vitesse de sortie est compatible avec la plupart des ballons en dimensions standards. Selon une disposition particulière, la canne est montée pivotante sur le ballon au niveau de l'extrémité d'entrée. Ainsi, elle est apte à s'orienter automatiquement en fonction de la gravité dans la direction souhaitée. De préférence, la sortie du ballon est située au-dessous du niveau de l'entrée du ballon. Ainsi, le liquide est prélevé au plus froid, puis le liquide réchauffé est injecté au-dessus de la partie la plus froide afin de favoriser la stratification des températures. 7 BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un système conforme à un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une canne d'injection du système de la figure 1 - la figure 3 est une vue latérale de la canne d'injection de la figure 2. DESCRIPTION DETAILLÉE Un système de stockage d'un liquide caloporteur conforme à l'invention est montré sur la figure 1. Ce système de stockage est en l'occurrence un système de production d'eau chaude sanitaire. Il comporte un ballon 1 de stockage et une boucle de circulation 2 intégrant un échangeur 3 thermique. L'échangeur 3 thermique comporte un circuit primaire 31 raccordé à une source de chaleur, non représentée. La source de chaleur est par exemple une pompe à chaleur ou un réseau de panneaux solaires. Le ballon 1 comporte en outre une résistance électrique 10 pour chauffer l'eau à une température de consigne. La résistance électrique 10 est placée sensiblement à mi-hauteur du ballon 1. Comme l'eau chauffée à tendance à monter, la résistance électrique 10 ne chauffe que le volume d'eau situé au-dessus d'elle. Le volume d'eau situé en-dessous de la résistance électrique 10 n'est chauffé que par le 8 moyen de la boucle de circulation 2. La boucle de circulation 2 comporte une canne de prélèvement 20 reliée à une sortie du ballon 11, une première conduite 21 de la sortie du ballon 11 vers une entrée secondaire 321 d'un circuit secondaire 32 de l'échangeur 3 et une deuxième conduite 22 connectée à une sortie secondaire 322 du circuit secondaire 32 et à une entrée du ballon 12. La deuxième conduite 22 comporte une pompe 23 afin de mettre en mouvement l'eau prélevée dans le ballon 1 par la canne de prélèvement 20 vers l'entrée du ballon 1. L'entrée du ballon 12 comporte en outre une canne d'injection 24 s'étendant dans le ballon 1. La canne d'injection 24 a la forme générale d'un tube. Elle comporte une extrémité d'entrée 241 pour recevoir la deuxième conduite 22, et est coudée vers le bas du ballon 1 à proximité de l'extrémité d'entrée 241 d'un angle de 10° environ. Ainsi, la canne d'injection 24 comporte un coude 243. L'extrémité d'entrée est montée libre en rotation dans un manchon formant l'entrée du ballon 12. La canne s'oriente donc naturellement par gravité pour que le plan du coude soit sensiblement vertical. La canne d'injection 24 est fermée à son extrémité 242 opposée à l'extrémité d'entrée 241. Elle comporte deux séries de trois ouvertures 240a, 240b, 240c pratiquées dans la paroi du tube, chaque série étant symétrique à l'autre par rapport à un plan vertical contenant l'axe du tube. De plus, chaque ouverture 240a, 240b, 240c a un plan de symétrie, ce plan de symétrie contenant l'axe du tube 9 et étant perpendiculaire au plan vertical. La section des ouvertures 240a, 240b, 240c est de forme rectangulaire. La largeur est la même pour chaque ouverture 240a, 240b, 240c. La longueur s'étend dans la direction de l'axe du tube et est décroissante d'une ouverture à l'autre en direction de l'extrémité bouchée. A titre d'exemple, la première ouverture 240a, la plus éloignée de l'extrémité bouchée, a une longueur de 10 unités, la deuxième 240b 7,5 unités et la troisième 240c 4 unités, pour une largeur d'une unité et un écartement respectivement de 7,5 et 6 unités. En fonctionnement, le ballon 1 est rempli d'eau sanitaire. Lorsque la source de chaleur fournit de la chaleur par la circulation d'un fluide caloporteur dans le circuit primaire 31, la pompe 23 est mise en fonctionnement. Elle crée une aspiration de l'eau sanitaire par la canne de prélèvement 20, la fait passer dans le circuit secondaire 32 de l'échangeur 3 et la refoule dans le ballon 1 par la canne d'injection 24. L'eau sort par les ouvertures 240a, 240b, 240c de la canne d'injection 24. Pour une température d'eau à 40°C, on a pu calculer que les vitesses de sortie des première, deuxième et troisième ouvertures 240a, 240b, 240c étaient respectivement de 0,28 m/s, 0,30m/s et 0,52 m/s. Ceci montre que la vitesse de sortie est limitée et suffisamment bien répartie pour permettre le débit souhaité. On constate que, même après plusieurs heures de fonctionnement, la stratification des températures dans le ballon est encore en place. L'invention n'est pas limitée au mode de 10 réalisation qui vient d'être décrit. Le nombre d'ouvertures pourra être modulé. La canne pourra être droite, pourvu que des moyens d'orientation permettent de garantir l'orientation des ouvertures. Le ballon peut contenir du liquide caloporteur tel que de l'eau glycolée pour un circuit de chauffage. REVENDICATIONS1. Canne d'injection de liquide pour un réservoir, la canne ayant la forme générale d'un tube comportant une extrémité d'entrée (241) pour recevoir une conduite (22) alimentant la canne en liquide, caractérisée en ce qu'elle est fermée à son extrémité (242) opposée à l'extrémité d'entrée (241), et en ce qu'elle comporte au moins une série d'ouvertures (240a, 240b, 240c) dans la paroi du tube, la section des ouvertures (240a, 240b, 240c) étant décroissante en direction de l'extrémité bouchée (242). 2. Canne d'injection selon la revendication 1, dans laquelle les ouvertures (240a, 240b, 240c) ont une forme rectangulaire, la largeur étant constante, la section étant modulée par la longueur desdites ouvertures (240a, 240b, 240c) orientées selon l'axe du tube. 3. Canne d'injection selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est coudée à proximité de l'extrémité d'entrée (241) d'un angle compris entre 5 et 30°. 4. Canne d'injection selon la revendication 3, dans laquelle les ouvertures (240a, 240b, 240c) débouchent perpendiculairement au plan formé par le coude (243). 5. Canne d'injection selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte deux séries d'ouvertures (240a, 240b, 240c), chaque série étant symétrique par rapport au plan formé par le coude(243). 6. Système de stockage de liquide caloporteur comportant un ballon (1) de stockage, un circuit de réchauffement comportant une boucle de circulation (2) connectée d'une part à une sortie du ballon (11) et d'autre part à une entrée du ballon (12), la boucle de circulation (2) comportant une pompe (23) apte à faire circuler le liquide caloporteur depuis la sortie (11) vers l'entrée du ballon (12), caractérisé en ce que l'entrée du ballon (12) comporte une canne d'injection (24) selon l'une des revendications 1 à 5, une normale à la section des ouvertures (240a, 240b, 240c) étant orientée horizontalement. 7. Système selon la revendication 6, comportant une canne d'injection (24) selon la revendication 3, dans lequel le plan du coude (243) est orienté verticalement. 8. Système selon la revendication 6, dans lequel la pompe (23) est dimensionnée pour que la vitesse d'éjection du liquide hors de la canne d'injection 24 soit inférieure à 0,8 m/s, de préférence 0,6 m/s. 9. Système selon la revendication 7, dans lequel la canne d'injection (24) est montée pivotante sur le ballon (1) au niveau de l'extrémité d'entrée (241). 10. Système selon la revendication 6, dans lequel la sortie du ballon (11) est située au-dessous du niveau de l'entrée du ballon (12). 12