FR2786853A1 - Dispositif de production d'eau chaude sanitaire - Google Patents

Abstract

Dispositif de production d'eau chaude sanitaire, muni d'une cheminée (24) comprenant un carter (20) d'élément chauffant (18) surmonté d'un conduit (26) s'étendant entre une extrémité haute et une extrémité basse, ce conduit (26) étant percé à proximité de l'extrémité basse d'un premier orifice (42) pour permettre des échanges d'eau entre l'intérieur et l'extérieur de la cheminée (24), caractérisé par le fait que le conduit (26) est percé, entre le premier orifice (42) et l'extrémité haute, d'un deuxième orifice (44) pour permettre des échanges d'eau entre l'intérieur et l'extérieur de la cheminée (24).

Description

i L'invention concerne le domaine des dispositifs de production d'eau

chaude sanitaire.

La production d'eau chaude sanitaire s'appuie actuellement sur le concept du ballon à accumulation tirant parti des options tarifaires proposées par les producteurs d'électricité. L'eau est chauffée dans le ballon durant les périodes tarifaires attractives (périodes nocturnes pour la plupart) pour constituer ainsi une réserve d'eau chaude qui sera soutirée

1o progressivement au cours de la journée.

Cependant, il peut être nécessaire d'effectuer des réchauffages

partiels en cours de journée, lorsqu'il est soutiré beaucoup d'eau chaude.

On connaît déjà des dispositifs de production d'eau chaude sanitaire, destinés à permettre des réchauffages partiels, constitués d'un ballon pour contenir de l'eau à chauffer, d'un élément chauffant, d'un carter d'élément chauffant surmonté d'une cheminée munie d'orifices et d'un clapet thermostatique. Le ballon est muni dans sa partie basse d'une entrée d'eau froide et d'une sortie d'eau chaude. Un tuyau s'étend de la sortie d'eau chaude vers le haut du ballon de manière à permettre un 2 0 soutirage de l'eau chaude dans la partie haute du ballon. L'élément chauffant est une résistance électrique. Le carter d'élément chauffant constitue un réservoir dans le volume duquel l'élément chauffant chauffe l'eau. Le carter est muni, sur sa partie inférieure d'entrées d'eau froide, et sur sa partie supérieure, d'une sortie d'eau chaude. Cette sortie d'eau chaude communique directement avec la cheminée. La cheminée est verticale. Son extrémité basse communique avec la sortie d'eau chaude du

carter. Son extrémité haute se situe au niveau de la partie haute du ballon.

Les orifices se trouvent à proximité de l'extrémité basse de la cheminée. Le clapet thermostatique se trouve entre les orifices et l'extrémité haute de la

cheminée.

Dans ce type de dispositif, lorsque l'eau est chauffée, sa densité diminue. Donc, sous l'effet de la poussée d'Archimède, I'eau chaude a tendance à monter au-dessus de l'eau plus froide, dont la densité est plus élevée. La cheminée conduit directement l'eau chaude produite dans le carter, en partie haute du ballon, en limitant les phénomènes de brassage

dans celui-ci. La cheminée constitue ce que l'on appelle un thermosiphon.

Si de l'eau chaude est soutirée du ballon, de l'eau froide pénètre par l'entrée d'eau froide; l'élément chauffant est mis en service. L'eau chaude produite dans le carter monte par la cheminée o elle est mélangée à de lo I'eau froide entrant par les orifices. Au fur et à mesure que l'eau chaude est produite et sort par le haut de la cheminée, la couche d'eau chaude occupe un volume de plus en plus important, au- dessus de la couche d'eau froide et l'interface eau chaude/eau froide descend vers le bas du ballon. L'eau chaude forme alors une couche plus ou moins homogène au-dessus de is l'eau froide. La variation de température entre la couche d'eau chaude et celle d'eau froide a un profil plus ou moins abrupt. Plus la couche d'eau chaude devient importante, plus la différence de pression entre l'extrémité haute et l'extrémité basse de la cheminée diminue. Le débit dans la cheminée diminue donc aussi. L'arrivée d'eau froide par les orifices devient alors moins importante et la température de l'eau dans la cheminée augmente. A une température donnée de l'eau chaude au niveau du clapet thermostatique, celui-ci ferme le conduit de la cheminée. La fermeture de la cheminée par le clapet thermostatique s'effectue approximativement lorsque l'interface eau chaude/eau froide parvient environ au cinquième de la hauteur du ballon. Jusqu'à ce niveau, les couches d'eau chaude et d'eau froide sont globalement stratifiées. Lorsque le clapet thermostatique obture

la cheminée, I'eau chaude ne peut plus monter dans la cheminée.

Cependant, le débit à la sortie du carter ne s'annule pas tant qu'il y a une différence de température entre l'eau dans le carter et l'eau autour du carter. Donc même si l'eau se réchauffe dans le carter suffisamment pour qu'un thermostat dans le carter déclenche l'arrêt du chauffage, I'eau chaude produite dans le carter continue de s'écouler par les orifices. Ceci génère un brassage de l'eau, comme dans les ballons dépourvus de thermosiphons, I'eau sortant du ballon lors d'un nouveau soutirage est alors à peine tiède. Ces dispositifs de production d'eau chaude à réchauffage partiel ne donnent donc pas entière satisfaction. De plus, la présence du clapet thermostatique exige la résolution de nombreux problèmes importants, parmi lesquels la maîtrise de sa fiabilité, son entartrage (qui peut conduire à terme à son inefficacité), ou son coût (atteignant 40% du coût total de la cheminée). Ces difficultés sont

lo considérées comme rédhibitoires par les industriels.

Un but de l'invention est de fournir une cheminée de dispositif de production d'eau chaude permettant la reconstitution en eau chaude, d'une partie ou de la totalité du volume d'un tel dispositif, ce volume correspondant à la quantité souhaitée, sans destruction de la stratification

eau chaude / eau froide.

En vue de la réalisation de ce but, on prévoit, selon l'invention, une cheminée de dispositif de production d'eau chaude sanitaire, comprenant un carter d'élément chauffant surmonté d'un conduit s'étendant entre une extrémité haute et une extrémité basse, ce conduit étant percé à proximité de l'extrémité basse, d'un premier orifice pour permettre des échanges d'eau entre l'intérieur et l'extérieur de la cheminée, caractérisé par le fait que le conduit est percé, entre le premier orifice et l'extrémité haute, d'un deuxième orifice pour permettre des échanges d'eau entre l'intérieur et

l'extérieur de la cheminée.

En effet, la présence des premier et deuxième orifices détermine deux tronçons dans la cheminée. Un premier tronçon est situé entre le premier et le deuxième orifices et un deuxième tronçon est situé entre le

deuxième orifice et l'extrémité haute de la cheminée.

Lors d'une première phase, I'eau chaude, chauffée dans le carter est partiellement refroidie par l'eau froide aspirée au niveau des premier et deuxième orifices. Le mélange obtenu est conduit directement en partie

haute du dispositif.

Dans une deuxième phase, I'effet de la diminution de la différence de pression aux extrémités du deuxième tronçon, lorsque le volume de la couche d'eau chaude dans la partie haute du dispositif augmente, conduit à

une diminution du débit dans le deuxième tronçon de la cheminée.

Ceci se produit approximativement lorsque l'interface eau chaude / eau froide est descendue jusqu'au niveau du deuxième orifice. On a ainsi reconstitué en eau chaude une partie du volume total du dispositif. Mais o contrairement au dispositif de l'art antérieur décrit ci-dessus, grâce à la présence du deuxième orifice, I'eau chaude contenue dans le carter avant que le thermostat ne déclenche l'arrêt du chauffage et juste après que celui-ci ait été déclenché, peut s'écouler par le deuxième orifice dans la couche chaude et non dans la couche froide. Il y a donc inversion du sens de l'écoulement par le deuxième orifice. Mais, le brassage est évité et la

stratification eau chaude / eau froide est préservée.

Avantageusement, la cheminée conforme à la présente invention est munie de moyens pour guider l'eau passant à travers au moins un des premier et deuxième orifices, le long de la face externe du conduit, en direction de l'extrémité haute. Cette variante avantageuse de l'invention favorise la chute de l'écoulement dans le deuxième tronçon de la cheminée. Ces moyens contribuent à limiter davantage le brassage des eaux chaude et froide. L'ensemble constitué par le deuxième orifice et ces

moyens, forme une sorte de clapet hydraulique.

Avantageusement, les moyens pour guider l'eau passant à travers au moins un des premier et deuxième orifices, le long de la face externe du conduit, en direction de l'extrémité haute, comprennent une collerette, entourant ce conduit en laissant un espace entre ce conduit et la face interne de la collerette, s'étendant en direction de l'extrémité haute de la cheminée et jointe hermétiquement à la face externe du conduit, sous le

premier ou le deuxième orifice.

Avantageusement encore, la cheminée selon l'invention comprend un conduit muni de diaphragmes pour limiter l'écoulement de l'eau dans le

conduit et générer des pertes de charges dans celui-ci.

Avantageusement, la collerette jointe hermétiquement à la face s externe du conduit, sous le deuxième orifice, s'étend sur approximativement un quart à la moitié de la longueur totale de la cheminée. Avantageusement, la collerette, jointe hermétiquement à la face externe du conduit, sous le premier orifice, est plus courte que la collerette lo jointe hermétiquement à la face externe du conduit sous le deuxième orifice, et a préférentiellement une longueur inférieure à un quart de la

longueur totale de la cheminée.

Selon un autre aspect, I'invention est un dispositif comportant une

cheminée telle que celle décrite ci-dessus.

L'invention permet la reconstitution d'une quantité quelconque d'eau chaude en cas de manque occasionnel, mais peut également favoriser l'émergence ou le développement d'autres types de dispositifs de production d'eau chaude. En effet, la stratification n'étant jamais détruite par un réchauffage partiel de l'eau de l'enceinte, il devient par exemple possible d'utiliser des sources d'énergie qui ne sont disponibles que de manière intermittente (chauffage par énergie solaire, chauffage par une pompe à chaleur lorsque celle-ci n'est pas utilisée pour le chauffage des bâtiments, etc...). La cheminée selon l'invention peut également conduire, grâce à une meilleure gestion des périodes de chauffage, à une diminution du volume de stockage. Ainsi, à services rendus équivalents, cela conduit à une diminution de l'encombrement du dispositif, donc aussi de son coût de production et de ses pertes thermiques. On peut également envisager la mise au point d'un dispositif de chauffage semi-instantané à puissance électrique modérée (la production de l'eau chaude sanitaire peut alors être délocalisée et se situer au plus près des points de puisage, ce qui conduit

entre autres à éliminer les pertes thermiques en ligne).

D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la

lecture de la description détaillée qui suit. L'invention sera aussi mieux

comprise à l'aide des références aux dessins sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement en coupe un mode de s réalisation particulier mais non limitatif d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est un schéma explicatif du principe de fonctionnement de l'invention sur un dispositif simplifié par rapport à celui représenté sur la figure 1; - la figure 3 représente schématiquement le dispositif représenté sur la figure 1, pendant une première phase de fonctionnement; - la figure 4 représente schématiquement le dispositif représenté sur la figure 2, pendant une deuxième phase de fonctionnement; - la figure 5 représente schématiquement le dispositif représenté sur la figure 2, pendant une troisième phase de fonctionnement; et - la figure 6 représente un exemple de profil de température dans le

carter d'un dispositif conforme à la présente invention.

Un mode de réalisation particulier, mais non limitatif, du dispositif 1 de production d'eau chaude conforme à la présente invention est

représentée sur la figure 1.

Ce dispositif 1 comporte une enceinte 2 pour contenir l'eau à chauffer.

Cette enceinte 2 est globalement cylindrique de révolution.

L'enceinte 2 est placée de manière à ce que son axe de révolution soit vertical. Elle comporte une paroi inférieure 8 et une paroi supérieure 10

globalement perpendiculaires à l'axe de révolution de l'enceinte 2.

La paroi inférieure 8 est munie d'une entrée d'eau froide 12, d'une

sortie d'eau chaude 14 et d'une purge 16.

L'entrée d'eau froide 12 permet de remplir l'enceinte 2 en eau froide.

La sortie d'eau chaude 14 permet de soutirer de l'eau chaude de l'enceinte 3o 2. Cette sortie d'eau chaude est constituée d'un tuyau 17 vertical

s'étendant de la paroi inférieure 8, presque jusqu'à la paroi supérieure 10.

Ainsi, l'eau chaude est soutirée à proximité du haut de l'enceinte 2.

A l'inverse, I'entrée d'eau froide 12 introduit l'eau froide dans

l'enceinte 2, à proximité du bas de celle-ci.

Un élément chauffant 18 est placé à l'intérieur de l'enceinte 2, à proximité du bas de celle-ci. Préférentiellement, cet élément chauffant 18

est une résistance électrique.

L'élément chauffant 18 est surmonté d'une cheminée 24 pour guider l'eau chaude en haut de l'enceinte 2. La cheminée 24 comprend un carter

20 et un conduit 26.

L'élément chauffant 18 est entouré du carter 20. Le carter 20 a préférentiellement une forme de cylindre dont l'axe de révolution est

colinéaire à celui de l'enceinte 2.

Le cylindre du carter 20 est obturé à son extrémité supérieure, d'une paroi de carter 22. Cette paroi de carter 22, est perpendiculaire à l'axe de révolution du carter 20. L'extrémité inférieure du carter 20 est ouverte sur le reste de l'enceinte 2 de manière à permettre une entrée d'eau froide dans

le carter 20.

La paroi de carter 22 est percée en son centre d'un trou surmonté du conduit 26. Ce conduit 26 a approximativement une forme de cylindre dont

l'axe de révolution est colinéaire à celui de l'enceinte 2.

Le conduit 26 s'étend de la paroi de carter 22 jusqu'à proximité de la

paroi supérieure 10 de l'enceinte 2.

Le conduit 26 comprend un premier 28, un deuxième 30 et un troisième 32 diaphragmes pour limiter l'écoulement de l'eau dans le conduit

26 et générer des pertes de charges dans celui-ci.

Le conduit 26 est percé de premier(s) 42 et deuxième(s) 44 orifices

situés juste au-dessus des premier 28 et deuxième 30 diaphragmes.

Le premier diaphragme 28 se situe au niveau de la paroi de carter 22, entre le carter 20 et le conduit 26, c'est-à-dire au niveau de l'extrémité basse du conduit 26. Le deuxième diaphragme 30 se situe approximativement au niveau du haut du premier tiers inférieur du conduit 26, en aval des premiers orifices 42 et en amont des deuxièmes orifices 44, en référence à un écoulement de l'eau dans la cheminée 24 de bas en haut, Le troisième diaphragme 32 se situe approximativement au niveau du haut du deuxième tiers de la hauteur du conduit 26, au- dessus des premier

28 et deuxième 30 diaphragmes, en aval des deuxièmes orifices 44.

Le diamètre interne des premier 28, deuxième 30 et troisième 32

diaphragmes est inférieur à celui du conduit 26.

Le premier diaphragme 28 génère une perte de charge dans l0 l'écoulement de l'eau, dans la cheminée 24, lorsque l'eau circule de bas en

haut, entre le carter 20 et le conduit 26.

Le deuxième diaphragme 30 génère une perte de charge dans l'écoulement de l'eau, dans la cheminée 24, lorsque l'eau circule de bas en haut, entre le premier tiers inférieur du conduit 26 et le tiers qui lui est

immédiatement supérieur.

Le troisième diaphragme 32 génère une perte de charge dans l'écoulement de l'eau, dans la cheminée 24, lorsque l'eau circule de bas en haut, entre les deux tiers inférieurs du conduit 26 et le tiers supérieur du

conduit 26.

Le diamètre et/ou le nombre des premier(s) 42 et deuxième(s) 44 orifices est (sont) choisi(s) suffisamment important(s) pour que les pertes de charge induites à leur niveau soient négligeables devant celles dues aux différents diaphragmes 28, 30, 32. Ainsi, pour l'exemple exposé ici, les premiers 42 et les deuxième 44 orifices sont respectivement au nombre de

trois et sont distribués sur le périmètre du conduit 26.

La position des premiers 42 et deuxièmes 44 orifices permet de définir un premier 38 et un deuxième 40 tronçons, sur la cheminée 24. Le

premier tronçon 38 est situé entre les premiers 42 et deuxièmes 44 orifices.

Le deuxième 40 tronçon est situé entre les deuxièmes orifices 44 et

l'extrémité haute de la cheminée 24.

Les premier 28 et deuxième 30 diaphragmes sont chacun

respectivement surmontés d'un cylindre 4 ou 6.

Les cylindres 4 et 6 ont un diamètre externe inférieur au diamètre interne du conduit 26. Ces cylindres 4 et 6 ont leur axe de révolution colinéaire à celui du conduit 26, Chaque cylindre 4 ou 6 est hermétiquement relié à l'une de ses extrémités axiales, respectivement au premier 28 ou au deuxième 30 diaphragme, de manière à ce que l'ouverture de chaque diaphragme débouche à l'intérieur d'un cylindre 4 ou 6. Ces cylindres 4 et 6 ont une longueur telle que la projection sur le lo conduit 6, de leur extrémité axiale non liée à un diaphragme, se trouve

respectivement au dessus des premiers 42 et deuxièmes 44 orifices.

Les cylindres 4 et 6 évitent que l'eau ne passe par les premiers 42 ou deuxièmes 44 orifices, pendant la phase d'amorçage, c'est à dire

pendant la phase initiale de chauffage de l'eau.

Le conduit 26 est aussi muni d'une première 34 et d'une deuxième

36 collerettes.

Les première 34 et deuxième 36 collerettes entourent le conduit 26, en laissant un espace entre ce conduit 26 et la face interne des première 24 et deuxième 36 collerettes, et s'étendent respectivement des premiers 2o 42 et deuxièmes orifices 44 en direction de l'extrémité haute de la cheminée 24. Les première 34 et deuxième 36 collerettes sont rattachées à leur base au conduit 26. Elles sont soudées hermétiquement à la face externe du conduit 26 sous les premier 42 et deuxième 44 orifices respectivement. La première collerette 34 s'arrête, en direction du haut de

la cheminée 24, en dessous du deuxième diaphragme 40.

La configuration avec une première 34 et une deuxième 36 collerettes et des cylindres 4 et 6 respectivement au dessus des premier 28

et deuxième 30 diaphragmes, conduit à une optimisation des résultats.

Selon d'autres modes de réalisation, les première 34 et deuxième 36 collerettes peuvent être remplacées, par exemple, par des tuyaux soudés hermétiquement par une de leurs extrémités à la paroi externe du conduit 26, chaque tuyau communiquant avec un premier 42 ou un deuxième 44

orifice par son extrémité soudée au conduit 26.

Nous allons décrire ci-dessous le principe de fonctionnement de la

présente invention.

On se référera, ci-dessous, aux figures 2 à 6 pour décrire ce principe. Le dispositif utilisé ici pour décrire le principe de fonctionnement de l'invention est conforme à la présente invention mais ne correspond pas exactement au dispositif décrit ci-dessus. En particulier, il est dépourvu de lo la première collerette 34. Ceci permet de simplifier, pour une meilleure

compréhension, la description du principe de fonctionnement de l'invention.

Si les pertes de charges induites au niveau des premiers 42 et deuxièmes orifices 44 sont négligeables devant celles dues aux premier 28, deuxième 30 et troisième 32 diaphragmes, les débits massiques à la sortie is du carter 20, à la sortie du premier tronçon 38 et à la sortie du deuxième tronçon 40 (respectivement icarter,",hnc ',rhc 2) ne dépendent que des poids des colonnes d'eau situées dans le tronçon immédiatement inférieur: m = |r2Pcart r pcart1rIrúDT ADc;ar (1) cart,, \1 óF, 4. ca,, o I ó--, carfcr 4 éCarfgr 2O avec: AP,., = j(p,-pcar,,,,)gdz ou h 2ptronc-, nc-1 Ir D: cc (2) \ t > troncI \ 't tro4nc I avec: APro,,,l =,,,ó- Ptronc_ l)gd: avant inversion zo ,o = JIpr_0'" -Ptron_1)gd après inversion 1:1 2 PIrc 2 Aertc _, 2 _ I o nc2 (3) iiirnc-- 2 4 _:"""nc 23 avec: =,,,= - p<M,,,)d. 2 avant inversion "1 avec: AP,,,, 2 = - P., 2)gdz après inversion O :2 o: APcarter, APironc 1 ApI,,,ronc 2 représentent les différences de pression entre le haut et le bas, respectivement du carter 20, du premier tronçon 38 et du deuxième tronçon 40, c'est-à-dire la pression motrice dans ces différents éléments; - Pcarter, P, p pronc,,, - et poc2 sont respectivement les masses volumiques de l'eau dans le carter, dans l'enceinte 2 à l'extérieur de la cheminée 24, dans le premier tronçon 38 et dans le deuxième tronçon 40; - Dchem est le diamètre de la cheminée 24; - Zor(er,, tronc1 et:,2 sont les coefficients de pertes de charge, respectivement au niveau des premier 28, deuxième 30 et troisième 32 diaphragmes; et - Zo, z1, z2 et z3 sont les côtes respectives des premiers orifices 42, des deuxièmes orifices 44, du haut de la deuxième collerette 36 et du haut de la

cheminée 24, en prenant pour cote nulle la paroi inférieure 8.

Pendant une première phase correspondant à la figure 3, I'eau froide, entrant dans le carter 20 avec un débit,hcarter, est chauffée par l'élément chauffant 18 et sort à une température Tct.r. Ce débit et donc la température de sortie restent pratiquement constants tant que la couche d'eau chaude n'atteint pas la cote zo. Le fluide sortant du carter 20 est ensuite mélangé à l'eau froide pénétrant par les premiers orifices 42 (cote zO) et circule dans le premier tronçon 38 à une température Tû.. 1. Il est de nouveau refroidi au niveau des deuxièmes orifices 44 (cote z.) et atteint la partie haute du ballon à une température T'tc 2. L'eau chaude et l'eau

froide dans l'enceinte 2 sont séparées par une couche de stratification 50.

Au fur et à mesure de la progression de la couche de stratification 50, la pression motrice AP,,, 2 au niveau du deuxième tronçon 40 diminue, conduisant à une diminution du débit ironc 2 et à une augmentation de la température t,,,,2. Les autres paramètres de l'enceinte 2 ne varient pas lors de cette première phase de fonctionnement. Cette évolution persiste

jusqu'à ce que Ttnc- 1 = Ttronc-2.

Alors, le débit M,,,,c 2 atteint la valeur bêlonc,, puis le débit au niveau des deuxièmes orifices 44 s'inverse. Commence alors une deuxième phase

(figure 4).

La chute de pression motrice AP,, 2 entraîne une très forte diminution du débit dans le deuxième tronçon 44, empêchant l'eau chaude

de continuer à alimenter directement le haut du ballon.

On peut aussi choisir les coefficients de pertes de charge pour que l'inversion ait lieu lorsque la couche d'eau chaude atteint le haut de la

deuxième collerette 36 (z2).

Cette deuxième collerette 36 a un triple rôle: inhiber les fuites d'eau chaude jusqu'à l'inversion (cette fonction est aussi améliorée par l'utilisation de cylindres 4 et 6); faire chuter brutalement, au moment de l'inversion, la pression motrice APl,,,_ 2 au niveau du deuxième tronçon 40 et augmenter corrélativement la pression motrice du premier tronçon 38, en remplaçant l'eau de la deuxième collerette 36, jusqu'alors froide par de l'eau chaude; et permettre la conservation de la couche de stratification en emmenant directement le fluide sortant par les deuxièmes orifices 44 au

niveau de la couche d'eau chaude.

Lors de la deuxième phase (figure 4), la pression motrice AP,o,,c -l diminue à son tour progressivement, en raison de la progression de la couche de stratification 50 en direction du bas de l'enceinte 2. Cette

évolution se poursuit jusqu'à égalisation des températures Ttr,,,on et Tcrter.

Cette égalisation des températures conduit à une égalisation des débits rthronc et h tronc _2 et à une inversion de l'écoulement au niveau des premiers orifices 42. Commence alors une troisième phase (figure 5). On peut estimer les débits circulant dans les premier 38 et deuxième

tronçons à partir des relations (1) à (3).

Ainsi, si l'on veut que le débit circulant dans le deuxième tronçon 40 diminue très fortement après que l'inversion a eu lieu au niveau des 1o deuxièmes orifices 44, il faut que la pression motrice associée, APtronc 2 s'annule. Notons qu'après l'inversion, au niveau des deuxièmes orifices 44, la longueur du premier tronçon 38 se trouve augmentée de la hauteur de la deuxième collerette 36, celle du deuxième tronçon 40 s'en trouvant diminuée. Des longueurs effectives et des rapports effectifs de longueurs peuvent être calculés. Les cotes corrigées zl,,net z2_,,,, prennent en compte ce phénomène. Par contre, avant inversion, les premier 38 et

deuxième 40 tronçons sont bien séparés par les deuxième orifices 44.

Plus la variation de pression entre le début du chauffage et le 2 o moment de l'inversion est faible, moins on aura de phénomènes de brassage. Ainsi, sur de faibles longueurs de tronçons, I'augmentation des températures de l'eau à la sortie de la cheminée 24 est faible et la couche de stratification n'a pas eu le temps de dégénérer. Ce résultat est obtenu

en ne disposant pas les deuxièmes orifices 44 trop bas.

Typiquement, ce comportement d'évolution des pressions est obtenu lorsque le rapport de la longueur du deuxième 40 sur celle du premier 38 tronçons est compris entre 1 et 4 et préférentiellement égal à deux ou trois. C'est à dire lorsque l'on perce les deuxièmes orifices 44 au tiers de la hauteur de la cheminée 24 (ce qui donne un rapport 3 o de la longueur du deuxième tronçon 40 sur celle du premier tronçon 38 égal à 2) et en y ajoutant une deuxième collerette 36 dont la hauteur est le tiers de celle de la cheminée 24 (ce qui conduit après l'inversion au

niveau des deuxièmes orifices à un rapport effectif de 1/2).

Effectuons un exemple de calcul de dimensionnement, étant entendu que pour une autre taille de ballon, le calcul sera à refaire selon une

méthodologie analogue à celle employée ci-dessous.

Calculons dans un premier temps les rapports de coefficients de

pertes de charges.

A l'inversion on a les relations suivantes: - au niveau des premiers orifices 42: mcarter = fhir.,:_ I Tcorter = Ttronc 1 Pcartor = Ptronc 1 et: ntroncI p _ I" _ v - z0 ó,carer APcrter 0,44zo Le coefficient 0,44 provient de la forme du profil de température dans le carter 20 (fig. 6) et dépend très peu des températures de l'eau en entrée

et sortie du carter 20.

- au niveau des deuxièmes orifices 44: thro- Ic = filtrnc, 2 Ttrvnc1 = Ttronc_2 Ptnc_ = Pronc 2 et: tronc2 ranc 2t Z3 Inv- Z tronc1)ronc l Z i-ZO Les valeurs absolues et relatives des pertes de charges sont alors choisies en se fixant les contraintes supplémentaires suivantes: A t=Os:

La température à la sortie du carter 20 doit être de 60 C.

La température dans le premier tronçon 38 doit être proche de la

température du carter 20. Choisissons-la égale à 58 C.

La température à la sortie de la cheminée 24 doit être de 52 C.

Avant l'inversion, la couche d'eau chaude augmente progressivement. Lorsque l'interface eau chaude / eau froide atteint la partie supérieure de la deuxième collerette 36, il y a inversion de l'écoulement de

l'eau au niveau des deuxièmes orifices 44.

Après cette inversion, la température de sortie au niveau des deuxièmes orifices 44 est proche de 52 C. En ce qui concerne l'inversion au niveau des premiers orifices 42, il n'y a pas de contrainte particulière, si ce n'est qu'elle doit avoir lieu après

celle au niveau des deuxièmes orifices 44.

Calculons le coefficient de pertes de charge care,,, au niveau du

lo premier diaphragme 28. Si la puissance de chauffe de la résistance est de W= 2900 W, et si l'on

suppose que la température froide Tf,,d est de 16 C et que la température de sortie de carter Tco,,or doit être de 60 C, on doit avoir: carter = 0,0158kg/s -CPAT o Cp est la chaleur spécifique de l'eau à pression constante et

I T= Tcrter, - Ttfold.

La pression motrice au niveau du carter 20 est alors calculée en utilisant le profil proposé sur la figure 6: 2 0 cartIfer T (P froid P- cartr)gdz =1 5,3 Pa o

O pftid est la densité massique de l'eau à la température Tfoid.

Pour obtenir un débit égal à celui calculé ci-dessus (0,0158kg/s), avec une valeur de la pression motrice de 15,3 Pa, il faut imposer des pertes de charge à la sortie du carter 20 égales à: 2 5 Xatr2Pcarter = 190 -Pcarer = écarercrrir 1D2chantt 4h Calculons le coefficient de pertes de charge au niveau du deuxième

diaphragme 30.

Une température dans le premier tronçon 38 égale à 48 C impose le débit dans ce premier tronçon 38 titr,, calculé à partir des égalités: s nicaHrTca,,,r +nto"f - I Tfr,,J=fl<,f7 It-] et i, ri-rvnc, thcartfr

O t,'h, est le débit massique au niveau des premiers orifices 42.

Ce qui donne la valeur suivante pour le débit ui:,,,_ t.carter (Tcarter -Tfrod) --' mtroncl = = 0,0166kg/s filron, 1 ' Tronc I - Tfrod Donc si la pression motrice au niveau de ce même premier tronçon 38 vaut: :1 f= f(1,)gdz = 48,3Pa zo le coefficient de pertes de charges,, ,-onc, doit être fixé à: ronc12AftronC_ 1 = 545 P'"'"c-1 Calculons de même le coefficient de pertes de charge Iron,_2 au

niveau du troisième diaphragme 32.

Une température de sortie de 52 C en partie supérieure de l'enceinte exige un débit rhronc_2 de: mcarter (Tcarter - Tfrofd) 0193kgs thtonc tronc,0193kg / sfd Donc si la pression motrice aux bornes du tronçon 2 s'élève à (avant inversion): A6tro,,c2 J(PJ o, -Pte,, 2)gd1 = 77,71>a le coefficient de pertes de charges,,,, doit être fixé à: tro,,c 2 2AP tic2 = 650 Pronc 2 p, _D 2 Ainsi, le rapport des coefficients de pertes de charge., 2/óro,_ est de l'ordre de 1 (= 1,19); I'inversion a donc lieu lorsque la couche d'eau chaude atteint une cote z3 inv telle que: Z3 _ inv-Z1 tronc 21 3 if-- =- - 1,19 Zl - Zo ótronc 1 L'inversion a lieu pour cette valeur du rapport des pressions motrices P,,oc 2/AP,,nc_, lorsque le rapport des longueurs tronçon 2/tronçon 1 est

approximativement égal à 2 ou 3.

On remarquera aussi que la hauteur de collerette peut être

légèrement augmentée pour que sa partie supérieure atteigne z3 inv.

Après inversion au niveau des deuxièmes orifices 44, I'eau froide de

la deuxième collerette 36 est remplacée par de l'eau à température Tte,,, -.

A la poussée motrice initiale APoc, s'ajoute donc une poussée supplémentaire due à la hauteur d'eau dans la deuxième collerette 36. Le nouveau débit rhtroncl et la nouvelle température Tt,,nc, d'équilibre qui en résultent satisfont aux relations = mcarir (Tcaor - nd) ltO,'o = 7ó -T itnbpl=-i tic1 Ir 1;P",,,cl - Tú,",,,, Z 4 ' r c= f.:)gdz = jd -. - Zo ) Il vient: T,.o.cl 5 I C htroncl 0,02kg/s Apttrc, l; 72Pa Le comportement ainsi obtenu est tout à fait satisfaisant. Le débit dans le premier tronçon r,, et la pression motrice A/fTC_ dans ce même tronçon diminuent ensuite au fur et à mesure de la progression de la couche de stratification 50, tandis que la température dans le premier tronçon 38 T,, s'élève jusqu'à ce que le point d'inversion des premiers 1:5 orifices 42 soit atteint. On a alors: htlronc I = mtronc 2 Ttronc, = Trtonc 2 t,,. - _ inv - Zo _ 2,87 z' _,, z_ 1,26 2,87 soit: ócarnr 0,44z0 z0 A titre d'exemple, on trouvera ci-dessous des dimensions qui

satisfont aux conditions définies et calculées ci-dessus.

zo = 0,225m z. = 0,558m z2 = 0,891m z3 = 1,225m Hauteur de la deuxième collerette 36 = 0,333 m Diamètre de la cheminée 24 = 40 mm

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Cheminée (24) de dispositif de production d'eau chaude sanitaire comprenant un carter (20) d'élément chauffant (18) surmonté d'un conduit (26) s'étendant entre une extrémité haute et une extrémité basse, ce conduit (26) étant percé à proximité de l'extrémité basse, d'un premier orifice (42) pour permettre des échanges d'eau entre l'intérieur et l'extérieur o10 de la cheminée, caractérisé par le fait que le conduit (26) est percé, entre le premier orifice (42) et l'extrémité haute, d'un deuxième orifice (44) pour permettre des échanges d'eau entre l'intérieur et l'extérieur de la cheminée (24). 2. Cheminée selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le conduit (26) est muni de diaphragmes (28, 30, 32) pour limiter l'écoulement

de l'eau dans le conduit (26) et générer des pertes de charges dans celui-

ci. 3. Cheminée selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le conduit (26) comporte un premier diaphragme (42) au niveau de son extrémité basse, c'est-à-dire, au niveau de la communication entre le carter (20) et le conduit (26), un deuxième diaphragme (30), en aval du premier orifice (42) et en amont du deuxième orifice (44), en référence à un écoulement de l'eau dans la cheminée (24) de bas en haut, et un troisième

diaphragme (32) en aval du deuxième orifice (44).

4. Cheminée selon la revendications 3 est caractérisée par le fait

qu'elle est munie d'au moins un cylindre (4, 6) surmontant le premier (42)

ou le deuxième (44) diaphragme.

Cheminée selon l'une des revendications précédentes,

caractérisée par le fait que la cheminée (24) comprend un premier tronçon (38) entre les premier (42) et deuxième (44) orifices et un deuxième tronçon

(40) entre le deuxième orifice (44) et l'extrémité haute de la cheminée (24).

6. Cheminée selon la revendication 5, caractérisée en ce que le rapport de la longueur du deuxième tronçon (40) sur celle du premier tronçon (38) est compris entre 1 et 4 et préférentiellement

approximativement égal à 2.

7. Cheminée selon l'une des revendications précédentes,

caractérisée par le fait qu'elle est munie de moyens pour guider l'eau passant à travers au moins un des premier (42) et deuxième (44) orifices, le

long de la face externe du conduit (26), en direction de l'extrémité haute.

8. Cheminée selon la revendication 7, caractérisée par le fait que les l0 moyens pour guider l'eau passant à travers au moins un des premier (42) et deuxième orifice (44) orifices, le long de la face externe du conduit (26) en direction de l'extrémité haute, comprennent une collerette (34, 36), entourant le conduit (26) en laissant un espace entre ce conduit (26) et la face interne de la collerette (34, 36), s'étendant en direction de l'extrémité haute de la cheminée (24), et jointe hermétiquement à la face externe du

conduit (26), sous le premier (42) ou le deuxième orifice (44).

9. Cheminée selon la revendication 8, caractérisée par le fait que la collerette (36) jointe hermétiquement à la face externe du conduit (26), sous le deuxième orifice (44), s'étend sur approximativement un quart à la

moitié de la longueur totale de la cheminée (24).

10. Cheminée selon l'une des revendications 8 et 9 caractérisée par

le fait que la collerette (34), jointe hermétiquement à la face externe du conduit (26), sous le premier orifice (42), est plus courte que la collerette (36) jointe hermétiquement à la face externe du conduit (26) sous le deuxième orifice (44), et est préférentiellement inférieure à un quart de la

longueur totale de la cheminée (24).

11. Dispositif de production d'eau chaude sanitaire caractérisé par le fait qu'il comporte une cheminée comprenant un carter (20) d'élément chauffant (18) surmonté d'un conduit (26) s'étendant entre une extrémité haute et une extrémité basse, ce conduit (26) étant percé à proximité de l'extrémité basse, d'un premier orifice (42) pour permettre des échanges d'eau entre l'intérieur et l'extérieur de la cheminée, et que le conduit (26) est percé, entre le premier orifice (42) et l'extrémité haute, d'un deuxième orifice (44) pour permettre des échanges d'eau entre l'intérieur et l'extérieur

de la cheminée (24).