Installation pour la production d'eau chaude à usage domestique
La présente invention concerne une installation pour la production d'eau chaude à usage domestique comportant un chauffe-eau, par exemple un serpentin logé dans une chaudière, alimenté en eau froide et relié à la ca nalisation d'utilisation.
On connaît déjà des installations de production d'eau chaude à usage domestique comportant un serpentin branché sur une source d'eau froide et qui est chauffé par un apport de chaleur transmis par sa surface extérieure.
L'avantage d'une telle installation est de fournir une eau chaude de façon permanente et ceci quelle que soit la durée du soutirage.
Tant que la puissance calorifique extraite du serpentin est inférieure à sa puissance maximale, la température de l'eau chaude débitée reste constante. Si, par contre, le débit dépasse la limite correspondant à la puissance maximale, la température de l'eau fournie diminue d'autant plus que le débit de soutirage est plus important, la loi de variation étant hyperbolique.
Dans ces conditions, si on veut assurer, dans une installation, un débit suffisant d'eau chauffée par exemple au moyen d'un serpentin logé dans une chaudière d'un chauffage central à eau chaude, on est amené à dimensionner la chaudière de façon excessive par rapport aux besoins du chauffage central, ce qui grève ensuite le prix de revient et le rendement énergétique de l'installation.
Un second moyen connu et employé pour la production d'eau chaude à usage domestique est constitué par le chauffage à accumulation. Dans ce dispositif, une masse d'eau contenue dans un réservoir est progressivement réchauffée par tout moyen approprié.
Un tel dispositif présente l'avantage de fournir, lorsque l'eau du réservoir a atteint la température voulue, une quantité d'eau correspondant au volume de ce réservoir, à température constante et ceci indépendamment du débit, lequel peut donc être très important Cependant le chauffage du réservoir est en général lent. De ce fait lorsque le réservoir a été vidé de son eau chaude à la suite d'un soutirage important, on ne peut plus obtenir ensuite que de l'eau froide pendant un délai appréciable.
Comme d'autre part le réchauffage intéresse toute la masse d'eau, la température de l'eau obtenue pendant cette période croît proportionnellement au temps passé.
Il faut donc attendre le délai complet du réchauffage pour obtenir ensuite de l'eau à la température de consigne.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités, et l'installation pour la production d'eau chaude qui en fait l'objet est caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit branché en parallèle avec celui du chauffe-eau et comportant un réservoir d'accumulation d'eau, un dispositif assurant une circulation en circuit fermé de l'eau entre le chauffe-eau et le réservoir, au moins en dehors des périodes de soutirage, et un dispositif pour commander un apport d'eau du réservoir vers la canalisation d'utilisation réglé en fonction de la température de l'eau délivrée par le chauffe-eau.
L'installation selon l'invention permet l'envoi continu dans le réservoir de l'eau chaude délivrée par le chauffeeau, au moins en dehors des périodes de soutirage, de sorte que le réservoir est ainsi mis progressivement en température. L'eau chaude accumulée dans le réservoir est remise en circulation lorsque le soutirage d'eau chaude fait tomber la température de l'eau délivrée par le chauffe-eau.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'installation, objet de l'invention.
La fig. 1 en est une vue schématique.
La fig. 2 est un diagramme explicatif.
La fig. 3 est une vue en coupe axiale d'une vanne thermostatique de l'installation.
Les fig. 4 à 6 sont des schémas établis d'après la fig. 1 illustrant trois régimes de fonctionnement particuliers pour l'installation.
La fig. 7 est un autre diagramme explicatif.
En se reportant à la fig. 1 on voit en 1 la canalisation d'amenée d'eau froide (colonne montante par exemple) et en 2 la canalisation d'utilisation d'eau chaude (circuit d'eau chaude domestique par exemple). Entre les canalisations 1 et 2 est branchée l'installation qui comprend un corps de chauffage de l'eau à chauffage rapide alimenté en eau de consommation. Dans l'exemple décrit ce corps de chauffe est constitué par un serpentin S. Celui-ci est chauffé par immersion dans l'eau chaude produite par une chaudière 3 de chauffage central qui comporte à cet effet une chambre 4 dans laquelle est logé le serpentin S.
On a schématisé en 5 la conduite de départ d'eau chaude vers les radiateurs 6 et en 7 la conduite de retour de l'eau refroidie vers la chaudière 3. I1 doit être entendu toutefois que le moyen de chauffage prévu pour le serpentin S par apport extérieur des calories pourrait être modifié à volonté.
Un sens de circulation constant F est prévu à travers le serpentin S, qui est desservi à cet effet par une conduite amont 8 et qui alimente une conduite aval 9. La conduite 8 est reliée à la canalisation 1 par un tronçon de conduite il et la conduite aval 9 est reliée à la canalisation 2 par un second tronçon de conduite 12.
L'installation comprend d'autre part, un réservoir aussi désigné par un ballon B contenant une réserve d'eau et branché en parallèle avec le serpentin S. A cette fin les deux orifices 13, 14 du ballon B sont reliés par deux conduites 15, 16 respectivement à un té de jonction 17 avec la conduite 8 et le tronçon 11 et à un second té de jonction 18 avec la conduite 9 et le tronçon 12. On voit ainsi que les circuits du serpentin S et du ballon B sont montés en parallèle entre les canalisations 1 et 2.
De préférence le ballon B, qui est calorifugé, est constitué par un réservoir vertical, par exemple cylindrique à faces arrondies, les orifices 13 et 14 étant respectivement prévus sur la face inférieure et sur la face supérieure.
D'autre part, le raccord 17 peut être avantageusement prévu de manière à favoriser la circulation de l'eau depuis la conduite 15 vers la conduite 8 et non vers le tronçon 11. De son côté, le té 18 est prévu pour faciliter la circulation conjointe des conduites 9 et 16 vers le tronçon 12.
Il est prévu un dispositif permettant d'assurer, au moins en dehors des périodes de soutirage de l'eau chaude sanitaire, une circulation en circuit fermé de l'eau provenant du serpentin S vers le ballon B via la conduite 9 et la conduite 16 en évitant le raccord 18.
A cette fin il est prévu une canalisation de recyclage 21 branchée entre un raccord de jonction 22 sur la conduite 9 et un raccord de jonction 23 sur la conduite 16.
La canalisation 21 comporte d'autre part une pompe de circulation 24 permettant le passage de l'eau du branchement 22 vers le branchement 23 dans le sens G. A la pompe 24 est associé un clapet anti-retour 25 n'autorisant la circulation que dans le sens G considéré. La pompe 24, lorsqu'elle est actionnée, fournit un débit q constant.
L'installation comprend encore une vanne thermostatique 31 dont l'obturateur 32 est agencé sur la conduite 16 alors que la tête thermosensible 33 qui assure la commande de l'obturateur 32 est montée sur la con duite 9 de manière à répondre aux variations de la température de l'eau parcourant cette conduite.
La disposition des éléments 32 et 33 sur les conduites 16 et 9 relativement aux branchements 22 et 23 de la canalisation de recyclage 21 est effectuée comme on le voit fig. 1: la canalisation 21 est branchée sur la conduite 9 en aval de la tête thermosensible 33 alors que cette canalisation 21 aboutit sur la conduite 16 entre l'orifice 14 du ballon B et l'obturateur 32. De préférence le branchement 23 est situé aussi près que possible de l'obturateur 32.
Les conduites 8 et 9 associées au serpentin S présentent une section sensiblement plus faible que les conduites 15 et 16 associées au ballon B.
Dans la description ci-après, on désignera par Qj le débit instantané à travers le serpentin S dans le sens F, par Qo le débit instantané sortant du ballon B dans le sens H, et par Q le débit instantané dans le tronçon 12 et s'écoulant suivant J.
La vanne 31 à commande thermostatique a pour rôle de régler les débits Q2 sur la canalisation 16 en fonction de la température T1 de l'eau de la canalisation 9 baignant la tête 33. La loi de réponse peut être avantageusement du genre montré fig. 2 où l'on a porté en ordonnées Q et en abscisses la température T1.
En descendant la gamme des températures, on voit que Q = O jusqu'à une température T1 = Tj (point M) puis croît régulièrement quand la température descend à une valeur égale à Tl; (point N) où le débit Q- devient maximum et égal à Qn. La loi de réglage est ensuite telle que Q reste constant et égal à sa valeur maximum Qn si la température T1 devient inférieure à Tk. On peut par exemple prévoir:
Tj = 700 C et Tk = 400 C
A la fig. 3, on a représenté un mode de réalisation préféré d'une vanne thermostatique permettant de réaliser simplement la loi de réponse montrée à la fig. 2.
Dans cette réalisation la vanne 31 comprend un corps tubulaire 35 qui, dans sa partie supérieure porte deux embouts 9a, 9b destinés à être branchés sur la conduite 9 et qui sont situés de part et d'autre d'une chambre 36 contenant la tête thermosensible 33. Cette dernière comprend une enveloppe dilatable 37 contenant une matière 38 telle par exemple qu'une cire dilatable à fort coefficient de dilatation. Une cire paraffinique peut notamment convenir. L'enveloppe 37 porte d'un côté un téton 38 engagé dans un trou borgne 39 d'un couvercle réglable par vissage 41. Du côté opposé au téton 38 l'enveloppe 37 est limitée par une membrane déformable 42 maintenue par une bague 43.
La membrane 42 qui permet l'expansion de la matière 38 ou sa contraction, est reliée à un piston 44 logé dans une chemise tubulaire 45 qui traverse une cloison 46 du corps 35 par l'intermédiaire d'un presse-étoupe 47. La liaison entre le piston 44 et la membrane 42 est assurée par l'intermédiaire d'un bloc élastique amortisseur 48.
Le piston 44 aboutit à l'obturateur proprement dit 51 logé dans une seconde chambre 52 du corps 35 qui comporte un siège annulaire 53. En amont de ce siège la chambre 52 est munie d'un embout 16a permettant son raccordement à la conduite 16. En aval du siège 53 la chambre 52 comporte un second embout 1 6b assurant la continuité de la liaison avec la conduite 16. De préférence le clapet 51 présente un volume tronconique mâle comme représenté et le siège 53 un volume tron conique femelle. L'extrémité cylindrique 54 du clapet 51 est guidée dans un manchon 55 porté par un chapeau 56 vissé dans le corps 35. Le siège 53 est sollicité en butée par un ressort 57, un second ressort 58 de raideur appréciable, prenant appui sur une rondelle 59 du clapet 51, tend à comprimer la matière expansible 38.
Le profil de révolution du clapet 51 est établi pour assurer la loi de variation désirée pour le débit Q dans la conduite 16 en fonction de la température T, de l'eau dans la conduite 9. Ce profil peut être établi expéri mentalement. Il dépend en particulier de la loi de variation du volume de la matière 38 en fonction de la température.
La vanne 31 commande en outre un relais 26 qui assure l'arrêt de la pompe 24 dès qu'il est excité.
Le fonctionnement de l'installation ainsi agencée comporte trois régimes suivant que le soutirage d'eau chaude est nul, faible ou fort:
Fonctionnement à soutirage nul (fig. 4).
La chaudière 3 étant en marche, sous l'action de la pompe de circulation 24, une circulation d'eau chaude avec un débit q s'établit suivant F dans la conduite 9, suivant G dans la canalisation de recyclage 21 et suivant L dans la conduite 16. Cette circulation refoule l'eau du ballon B dans la conduite 15 et le débit q est envoyé par cette dernière dans la conduite 8 en passant par le té 17, de sorte que la quantité d'eau froide quittant le ballon B, égale à la quantité d'eau réchauffée entrant dans celui-ci, est envoyée vers le serpentin S qui la réchauffe à son tour à une température Tîa voisine de celle de l'eau de chauffage issue de la chaudière et égale par exemple à 800 C (fig. 7).
La tête thermosensible 33 étant baignée par de l'eau à température élevée, la cellule 37 est expansée et le clapet 51 fenne l'obturateur 53. L'eau mise en circulation par la pompe 24 ne peut donc que suivre le circuit bouclé constitué par les conduites 8, 9, 21, 16 et 15. Le ballon B se charge ainsi progressivement d'eau chaude dans sa partie supérieure qui chasse à mesure l'eau froide vers le serpentin S.
Bien entendu le débit q est réglé de telle façon que la température Tia soit supérieure à la température Ti pour laquelle la vanne thermostatique 31 commence à s'ouvrir.
Fonctionnement à soutirage d'eau faible (fig. 5).
Si l'un des robinets branchés sur la canalisation d'utilisation 2 est ouvert et provoque la circulation d'un débit Q = qt dans le tronçon 12 et la canalisation 2, il s'établit dans les conduites 8 et 9 un débit Qj donné par la relation: Q1 = q + qt
On remarque en particulier que le débit Q1 passe à travers le serpentin S et dans la conduite 9 qui comporte la tête thermosensible 33.
Tant que le débit Q reste limité à une valeur telle que la puissance calorifique extraite du serpentin S soit inférieure à la puissance maximale de chauffage de celui-ci, la température reste égale à Tzars la courbe représentative des températures T de l'eau dans le tronçon 12 en fonction du débit Q étant constituée par le segment Tta Ttb de la fig. 7.
Si le débit Q dépasse la valeur limite précédente, la température de l'eau délivrée par le serpentin S va diminuer et la variation de température de l'eau suivra une loi hyperbolique (courbe K de la fig. 7, segment
T,b Tj), la courbe K représentant la variation de la température T1 dans la conduite 9 en fonction du débit Q1.
Quand la température T1 atteint la valeur de seuil Tj la tête 33 provoque l'ouverture progressive de l'obturateur 32 et on passe alors au troisième mode de fonctionnement.
Fonctionnement à soutirage d'eau moyen ou fort (fig. 6)
Le débit de soutirage Q est alors tel que le serpentin
S fournisse au débit Q1 une eau chaude dont la température T1 est inférieure à la valeur de seuil Tj précédemment définie. Dès l'ouverture de l'obturateur 32, le relais 26 excité arrête la pompe 24, de sorte que q s'annule et que le débit Q1 part entièrement vers la canalisation 2.
En fonction de la valeur de T1 et de la loi de réponse de la vanne thermostatique 31, l'ouverture de l'obturateur 32 établit dans la conduite 16 un débit Q s'ajoutant au débit Q1. Le débit Q est constitué par une eau chaude à température T,2 pratiquement constante provenant de la partie supérieure du ballon B.
Dans le té 18, le débit Q1 venant du serpentin S et le débit Q venant du ballon B s'additionnent pour donner le débit de soutirage sanitaire Q d'une eau dont la température T3 est réglée par la loi des mélanges, ce dernier étant assuré par le té 18. On a alors Q= Q + Q.
Un accroissement du débit Q entraîne une augmentation du débit Q1 et par conséquent un abaissement de la température T1 lequel provoque à son tour par action sur la tête 33 une ouverture plus grande de l'obturateur 32, le réglage du débit Q étant assuré entre les valeurs T, et Tk de la température T1 conformément à la loi de régulation traduite par la fig. 2. Comme le débit Q est nettement prépondérant par rapport au débit Q1, l'abaissement de la température de ce dernier ne se répercute pas de manière appréciable sur la température du débit Q qui, pour de très larges variations, reste compris entre des valeurs voisines T3 T10 (fig. 2).
Exemple numérique
Dans le cas d'une chaudière 3 capable de fournir au serpentin S 12 thermies par heure, soit 200 Kcal/minute, et pour une caractéristique K du serpentin S traduisant la fonction T1 = f (Q1) telle que représentée fig. 7, la température T1 pour une température d'eau froide d'alimentation de l00 C, est donnée par la relation:
T1 = 10 + 200
Q1 litres/minute
On supposera d'autre part que la température de l'eau de chauffage de la chaudière 3 est de 800 C, que le ballon B a une capacité de 75 litres et a été rempli du fait du recyclage par de l'eau à 700 C.
Si on suppose de plus que les pertes sont nulles pour simplifier, et que la loi de réponse de la valve 31 est la suivante: Pour T1 700C, 70 C, Q2 =
Pour 70 > T1 > 400 C, Q = (170 - T) litres/minute
Pour T1 < 400 C, Q = 30 litres/minute.
Dans ces conditions, la courbe caractéristique de la température T de l'eau chaude envoyée dans la canali sation 2 en fonction du débit Q (courbe en trait plein de la fig. 7) présente les valeurs numériques indiquées.
Cette courbe comporte trois tronçons:
Tronçon Tia Tib (de O à 2,8 litres/minute). Le serpentin S fournit seul une eau de débit Q1 dont la température est égale à celle (800 C) de la chaudière 3, jusqu'à ce que la puissance maximum disponible soit atteinte (12 Th/h).
Tronçon Tlb Tj (environ 2,8 à 3,2 litres/minute), le débit Qt croissant, la température T1 suit la caractéristique du serpentin et passe donc de 80 à 700 C environ.
Tronçon Tj T,,. Si le débit Q continue à croître, la température T1 dans la conduite 9 devient inférieure à 700 C et la vanne 31 entre en action pour admettre le débit Q provenant du ballon B, la température diminuant très légèrement à partir de 700 C à mesure que le débit augmente.
Le calcul et l'expérience montrent qu'on obtient en cours de fonctionnement les valeurs numériques suivantes:
Contribution serpentin Contribution ballon Eau soutirée
Qi T1 Q T2 Q T
3,21/mon 700 0 700 3,2 1/mn 700
4 limon 600 10 700 14 I/mn 670
S 1/mon 500 20 700 25 1/mon 660
7 1/mon 400 30 700 37 1/mon 64,50
On voit que l'installation cumule les avantages des systèmes de production d'eau chaude instantanée et des systèmes à accumulation. En effet, quelle qu'ait été l'importance d'un soutirage, on dispose d'une manière instantanée et aussi longtemps qu'on le désire d'un débit limité d'eau chaude à la température maximale.
Ensuite, on dispose d'une quantité d'eau chaude importante et sous un débit également important à une température voisine de la température maximale jusqu'à concurrence de l'épuisement de la réserve d'eau chaude du ballon B. Le débit d'eau chaude disponible est d'ailleurs plus grand que dans le cas du système à accumulation seul, puisque du fait de la commande thermostatique, le débit provenant du ballon B est augmenté de l'appoint constitué par le débit du serpentin S.
De plus, l'installation présente les avantages annexes suivants:
Comme la reconstitution de la réserve d'eau chaude dans le ballon B se fait à partir de l'orifice supérieur 14, de même que le soutirage, il en résulte qu'à tout soutirage nouveau à fort débit, cette eau chaude est utilisée la première. Son volume disponible est donc d'autant plus grand que le soutirage précédent est plus ancien.
Le ballon B peut être constitué par un simple réservoir très rustique calorifugé, de prix de revient très faible, puisqu'il ne doit supporter aucune surpression et qu'il ne comporte aucun dispositif de réchauffage.
La loi de mélange des débits Q3 et Q aux températures Tj, T2 respectivement peut être réalisée de la façon désirée au moyen de la vanne 32 par le réglage en position de la cellule 37 qui permet de déplacer la plage de fonctionnement, c'est-à-dire la position des joints Tj Tk. On peut également agir sur la forme du clapet 51, ce qui permet de modifier la loi de réponse Q = f (Tr)-
Il est évident que Invention n'est pas limitée aux réalisations décrites auxquelles on peut apporter des variantes d'exécution.
Ainsi, on peut prévoir sur la partie de la conduite 9 comprise entre le branchement 22 et le raccord 18, un détecteur de seuil de débit 61 capable d'assurer une servo-commande de la pompe 24 de manière à arrêter celle-ci et à annuler le débit q dès qu'est effectué un soutirage, ce qui permet de consacrer à l'eau soutirée la totalité du débit du serpentin S. On peut également prévoir que le détecteur 61 allume en priorité le brûleur de la chaudière en cas de soutirage.
Le serpentin S peut aussi être remplacé par tout autre type d'échangeur instantané.
D'autre part, suivant une autre variante, le branchement 22 de la canalisation de recyclage 21 pourrait être disposé en amont de la tête thermosensible 33. Toutefois la disposition précédemment décrite est préférée.
Egalement le raccord 18 pourrait être incorporé à la vanne 31.
Enfin, le ballon B pourrait également comporter un serpentin de chauffage intérieur, à commande thermostatique, parcouru par une fraction de l'eau délivrée par la chaudière 3, de façon à réduire le délai de mise en température de ce ballon.