WO2003042607A1 - Radiateur a fluide caloporteur - Google Patents

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Henri-Louis Russi
Gérard GENIN
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Henri-Louis Russi
Genin Gerard
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    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/002—Air heaters using electric energy supply
    • F24H3/004—Air heaters using electric energy supply with a closed circuit for a heat transfer liquid

Definitions

  • the present invention relates, in general, to the field of radiators used for space heating. It relates, more particularly, to a radiator of the so-called "heat transfer fluid" type.
  • the subject of the invention is a heat transfer fluid radiator, having a heating body containing a volume of heat transfer fluid, and comprising electrical heating means of the heat transfer fluid, this radiator being essentially characterized by the fact that it includes a heat transfer fluid circuit associated with the heating body, but outside this body heating, starting from the base of said heating body and returning to its top, circuit on which are placed an electric circulator and the electric heating means.
  • the electrical heating means placed on the external circuit traversed by the heat transfer fluid, advantageously consist of a heating cartridge containing an electrical resistance.
  • this is a heating cartridge which comprises, around its electrical resistance arranged along its central axis, an annular space for circulation of the hawker fluid, of constant section, in which this fluid circulates in a laminar flow.
  • the assembly constituted by the external heat-transfer fluid circuit, by the electric circulator and by the heating cartridge is attached to the heating body, preferably at one end of this heating body, the heating cartridge surmounting the circulator, which makes said assembly particularly compact, and makes it possible not to modify the structure of the heating body.
  • the heating body usually being constituted by an assembly of vertical elements of heating body, arranged in line, the assembly constituted by the external circuit of heat transfer fluid, by the electric circulator and by the heating cartridge can be accommodated and concealed in an additional dummy element of the heating body, arranged at one end of the heating body, following the other elements of this heating body.
  • the external heat transfer fluid circuit is extended, at its termination at the top of the heating body, by a tube placed horizontally inside the heating body, at the top of the latter, and ensuring the distribution of the heat transfer fluid over the length of the heating body, in particular in the various vertical elements of this heating body.
  • FIG. 2 is a schematic front view of this radiator, with representation of its fluid and electrical circuits;
  • Figure 3 is a front view, partly in section and in exploded form, of another embodiment of the radiator object of the invention.
  • FIG 4 is a cross-sectional view of the heating cartridge, along IV-IV of Figure 3.
  • the heat transfer fluid radiator has a heating body 2, constituted in a manner known per se the assembly of vertical elements 3 of heating bodies, arranged in line.
  • the heating body 2 defines an interior volume 4 (see also Figure 2), filled with an appropriate heat transfer fluid.
  • the radiator also has an external circuit 5 of heat transfer fluid, which is attached to the heating body 2, at one end of this heating body 2.
  • the electric circulator 8 and the heating cartridge 12 are fixed to the relevant end of the heating body 2, the cartridge 12 surmounting the circulator 8.
  • the heat transfer fluid circulates slowly, from top to bottom, in the various elements 3. It cools there by yielding the heat which it received during its previous passage in the cartridge heating 12. Finally, reaching the base of the heating body 2, the heat transfer fluid is sucked back through the conduit 6, and so on ...
  • the overall operation of the heat transfer fluid radiator is also controlled by the thermostat 18, so as to operate this radiator according to the heating needs of the room concerned.
  • the heating cartridge 12 forms, around the electrical resistance 15, an annular space 21 of constant section, which is delimited externally by the cylindrical wall of the heating cartridge 12, and inside which the heat transfer fluid circulates, from bottom to top, in a laminar flow symbolized by the arrow F (see also Figures 2 and 3).
  • This conformation of the heating cartridge 12, and the laminar flow which results therefrom, ensure maximum efficiency of the heat exchange which occurs at the level of said heating cartridge 12.
  • a turbulent flow regime such as it occurs in particular in the case of "coil” heating elements, is very unfavorable from the point of view of thermal efficiency.

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Abstract

Le radiateur possède un corps de chauffe (2) contenant un volume (4) de fluide caloporteur. A ce corps de chauffe (12) est associé un circuit extérieur (5) de fluide caloporteur, partant de la base dudit corps (2) et revenant à son sommet Sur le circuit (5) sont placés un circulateur électrique (8) et une cartouche chauffante (12) à sa résistance électrique (15). Le rendement thermique du radiateur à fluide caloporteur est ainsi augmenté. Ce radiateur est notamment utilisable pour le chauffage de locaux.

Description

Radiateur à fluide caloporteur
La présente invention concerne, de façon générale, le domaine des radiateurs utilisés pour le chauffage de locaux. Elle se rapporte, plus particulièrement, à un radiateur du type dit "à fluide caloporteur".
Un radiateur à fluide caloporteur possède un corps de chauffe, habituellement constitué par l'assemblage d'un certain nombre d'éléments verticaux de corps de chauffe. Le corps de chauffe contient un certain volume de fluide caloporteur, qui est chauffé par des moyens de chauffage électriques. Un tel radiateur constitue un appareil de chauffage autonome, réalisant l'équivalent d'un radiateur de chauffage central, mais ne nécessitant pas d'être raccordé à un réseau de chauffage "central" ou "collectif avec chaudière.
Dans leur réalisation habituelle, les radiateurs à fluide caloporteur possèdent, en tant que moyens de chauffage électriques, des cartouches chauffantes placées directement à l'intérieur du corps de chauffe, dans la partie basse du volume occupé par le fluide caloporteur. Avec une telle solution, le chauffage s'effectue par la seule convection, à l'intérieur du corps de chauffe. Le fluide caloporteur se trouve correctement chauffé mais, en l'absence de circulation suffisante de ce fluide, une puissance électrique importante est nécessaire pour diffuser une puissance thermique donnée. Ainsi, les radiateurs à fluide calorifique actuels restent, malgré leurs avantages reconnus tels qu'autonomie et qualité d'accumulation de la chaleur, des appareils qui consomment une énergie électrique assez importante, donc des appareils qui sont d'un rendement thermique assez faible, et dont l'utilisation reste assez coûteuse.
La présente invention vise à éliminer ces inconvénients, en fournissant un radiateur à fluide caloporteur de rendement thermique plus élevé, c'est-à-dire nécessitant une puissance électrique moindre pour une même puissance thermique restituée, donc un radiateur procurant une économie de consommation électrique, tout en conservant l'ensemble des avantages propres à ce type de radiateur.
A cet effet, l'invention a pour objet un radiateur à fluide caloporteur, possédant un corps de chauffe contenant un volume de fluide caloporteur, et comportant des moyens de chauffage électriques du fluide caloporteur, ce radiateur étant caractérisé essentiellement par le fait qu'il comporte un circuit de fluide caloporteur associé au corps de chauffe, mais extérieur à ce corps de chauffe, partant de la base dudit corps de chauffe et revenant à son sommet, circuit sur lequel sont placés un circulateur électrique et les moyens de chauffage électriques.
Ainsi, l'idée inventive consiste, en comparaison avec les radiateurs à fluide caloporteur conventionnels, à séparer la partie réalisant le stockage et la diffusion de la chaleur, de la partie réalisant le chauffage du fluide caloporteur, tout en créant une circulation forcée de ce fluide, tant dans le corps de chauffe que dans le circuit extérieur, le fluide caloporteur étant chauffé lors de son passage dans le circuit extérieur. En particulier, le fluide caloporteur est mis en circulation, dans le circuit extérieur, par le circulateur électrique, et il est chauffé à son passage dans les moyens de chauffage placés sur le même circuit extérieur, avant de revenir à l'intérieur du corps de chauffe.
Les moyens de chauffage électriques, placés sur le circuit extérieur parcouru par le fluide caloporteur, sont avantageusement constitués par une cartouche chauffante contenant une résistance électrique. En particulier, il s'agit ici d'une cartouche chauffante qui comporte, autour de sa résistance électrique disposée suivant son axe central, un espace annulaire de circulation du fluide colporteur, de section constante, dans lequel ce fluide circule selon un écoulement laminaire.
Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, l'ensemble constitué par le circuit extérieur de fluide caloporteur, par le circulateur électrique et par la cartouche chauffante est accolé au corps de chauffe, de préférence à une extrémité de ce corps de chauffe, la cartouche chauffante surmontant le circulateur, ce qui rend ledit ensemble particulièrement compact, et permet de ne pas modifier la structure du corps de chauffe.
Le corps de chauffe étant habituellement constitué par un assemblage d'éléments verticaux de corps de chauffe, disposés en ligne, l'ensemble constitué par le circuit extérieur de fluide caloporteur, par le circulateur électrique et par la cartouche chauffante peut être logé et dissimulé dans un élément supplémentaire factice de corps de chauffe, disposé à une extrémité du corps de chauffe, à la suite des autres éléments de ce corps de chauffe.
Selon une autre caractéristique, le circuit extérieur de fluide caloporteur est prolongé, à son aboutissement au sommet du corps de chauffe, par un tube placé horizontalement à l'intérieur du corps de chauffe, au sommet de celui-ci, et assurant la distribution du fluide caloporteur sur la longueur du corps de chauffe, en particulier dans les différents éléments verticaux de ce corps de chauffe.
Dans l'ensemble, l'on obtient ainsi un radiateur à fluide caloporteur qui, tout en restant compact, simple et esthétique, possède un rendement thermique sensiblement amélioré grâce à la mise en circulation du fluide caloporteur et à son chauffage à l'extérieur du corps de chauffe, dans une cartouche chauffante à fort rendement, la consommation électrique du circulateur restant négligeable de sorte que le bilan énergétique global reste particulièrement avantageux. L'amélioration du rendement thermique résulte, en particulier, de la configuration de la cartouche chauffante qui assure un chauffage direct du fluide caloporteur, à une température adaptée, tout en maintenant ce fluide à une basse pression.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, des formes d'exécution de ce radiateur à fluide caloporteur :
Figure 1 est une vue en perspective d'un radiateur à fluide caloporteur, conforme à la présente invention ;
Figure 2 est une vue de face schématique de ce radiateur, avec représentation de ses circuits fluidiques et électriques ;
Figure 3 est une vue de face, avec coupe partielle et sous forme éclatée, d'une autre forme de réalisation du radiateur objet de l'invention ;
Figure 4 est une vue en coupe transversale de la cartouche chauffante, suivant IV-IV de la figure 3. Comme le montre en particulier la figure 1 , le radiateur à fluide caloporteur possède un corps de chauffe 2, constitué de façon connue en soi par l'assemblage d'éléments verticaux 3 de corps de chauffe, disposés en ligne. Ainsi, le corps de chauffe 2 délimite un volume intérieur 4 (voir aussi figure 2), rempli d'un fluide caloporteur approprié. Selon l'invention, le radiateur possède aussi un circuit extérieur 5 de fluide caloporteur, qui est accolé au corps de chauffe 2, à une extrémité de ce corps de chauffe 2.
Le point de départ du circuit extérieur 5 est un conduit d'aspiration 6, raccordé à la base du corps de chauffe 2, à l'extrémité concernée de ce corps de chauffe 2. Le conduit d'aspiration 6 se raccorde à l'entrée 7 d'un circulateur électrique 8. La sortie 9 du circulateur 8 est raccordée, par un conduit 10, à l'entrée de fluide 11 d'une cartouche chauffante 12. La sortie de fluide 13 de la cartouche chauffante 12 est raccordée, par un conduit de rejet 14, au sommet du corps de chauffe 2. La cartouche chauffante 12 contient une résistance électrique 15, équipée d'un fusible thermique (non représenté) intervenant en cas de surchauffe de celle-ci. La cartouche 12 elle-même est réalisée dans un matériau bon conducteur de la chaleur, par exemple en aluminium, l'entrée de fluide 11 et la sortie de fluide 13 étant percées respectivement aux deux extrémités de cette cartouche 12.
Le circulateur électrique 8 et la cartouche chauffante 12 sont fixés sur l'extrémité concernée du corps de chauffe 2, la cartouche 12 surmontant le circulateur 8.
La figure 2 représente aussi, sous forme de schéma de principe, les circuits électriques du radiateur. Le circulateur 8 et la résistance 15 de la cartouche chauffante 12 sont alimentés électriquement en parallèle, à partir de la tension alternative du réseau (220 volts), par des conducteurs 16 convenablement agencés. Un contacteur thermique de sécurité 17, fixé sur le corps de chauffe 2 à une hauteur intermédiaire (voir aussi figure 1), est prévu en outre pour couper l'alimentation de la résistance électrique 15, en cas de dépassement d'une température limite prédéterminée, par exemple de 70° C. Enfin, le fonctionnement de l'ensemble du radiateur est piloté par un thermostat 18 situé à distance, à l'intérieur du local à chauffer par le radiateur
Au sommet du corps de chauffe 2, le conduit de rejet 14 est prolongé, à l'intérieur de ce corps de chauffe 2, par un tube horizontal 19 qui assure la distribution du fluide caloporteur, sur la longueur du corps de chauffe 2, dans les différents éléments 3 de ce corps de chauffe 2.
Le corps de chauffe 2 peut comporter un dernier élément vertical factice (non représenté sur les figures 1 et 2), d'aspect extérieur identique aux autres éléments 3, mais servant ici à loger et dissimuler les divers composants du circuit extérieur 5 : circulateur 8, cartouche chauffante 12, conduits de liaison 6, 10 et 14, et composants électriques (excepté le thermostat 18).
Le fonctionnement d'ensemble du radiateur à fluide caloporteur, précédemment décrit, s'établit comme suit : Le circulateur électrique 8 étant en fonctionnement, le fluide caloporteur est aspiré à la base du corps de chauffe 2, par le conduit 6, et ce fluide est refoulé, par le conduit 10, vers la cartouche chauffante 12. Le fluide traverse alors la cartouche 12, en s'échauffant au contact de la résistance électrique 15. Sortant de la cartouche 12, le fluide chauffé parcourt le conduit de rejet 14, puis il rentre dans le corps de chauffe 2 où il est distribué, par le tube 19, au sommet des différents éléments 3 du corps de chauffe 2.
Dans le volume intérieur 4 du corps de chauffe 2, le fluide caloporteur circule lentement, de haut en bas, dans les différents éléments 3. Il s'y refroidit en cédant la chaleur qu'il a reçue lors de son précédent passage dans la cartouche chauffante 12. Enfin, parvenu à la base du corps de chauffe 2, le fluide caloporteur est réaspiré par le conduit 6, et ainsi de suite...
L'équilibre obtenu entre la puissance de la résistance électrique 15 de la cartouche chauffante 12, le débit du circulateur 8 et le volume de fluide caloporteur à déplacer permet de stabiliser la température maximum du corps de chauffe 2, une valeur de température optimale étant d'environ 55 à 60° C. Le contacteur thermique 17 coupe l'alimentation de la résistance électrique 15, lorsque cette température devient inutilement élevée (une température élevée de fonctionnement signifiant un mauvais rendement). La position du contacteur thermique 17, à mi-distance du rejet et de l'aspiration du fluide caloporteur dans le corps de chauffe 2, permet de capter une valeur significative de la température moyenne du corps de chauffe 2. Toutefois, ce contacteur thermique 17 pourrait aussi être placé sur la cartouche chauffante 12.
En ce qui concerne le fonctionnement d'ensemble du radiateur, on notera aussi, à propos du circulateur 8, qu'il vaut mieux avoir un débit de fluide trop fort que trop faible, de manière à influer favorablement sur le rendement de chauffage de la résistance électrique 15. En effet, un débit trop faible du fluide caloporteur induit une température élevée de fonctionnement, donc un mauvais rendement comme déjà indiqué plus haut.
Bien entendu, le fonctionnement d'ensemble du radiateur à fluide caloporteur est aussi piloté par le thermostat 18, de manière à faire fonctionner ce radiateur selon les besoins de chauffage du local concerné.
La figure 3 représente, sous forme plus détaillée et de façon "éclatée", un autre mode de réalisation de ce radiateur à fluide caloporteur, les composants correspondant à ceux précédemment décrits étant désignés par les mêmes repères numériques. Le circuit extérieur 5 est ici réalisé de façon particulièrement simple et compacte, la cartouche chauffante 12 se trouvant directement raccordée à la sortie du circulateur 8, sans interposition d'aucun conduit. Cette figure 3 fait aussi apparaître l'élément vertical factice 20 de corps de chauffe, qui prend place à la suite des éléments ordinaires 3 du corps de chauffe 2 pour loger et dissimuler le circuit extérieur 5. On notera que, compte tenu de la configuration des éléments 3 de corps de chauffe, les composants du circuit extérieur 5 peuvent prendre place, en partie, dans un évidement du dernier élément 3, et pour le reste, dans l'élément factice 20. Dans ce dernier mode de réalisation, la compacité du circuit extérieur 5 apporte non seulement une facilité de logement de ce circuit, mais encore une amélioration du rendement, par minimisation des pertes thermiques dans ledit circuit extérieur 5, donc diffusion d'un maximum de chaleur dans le corps de chauffe 2.
Dans tous les cas, comme l'illustre plus particulièrement la figure 4, la cartouche chauffante 12 forme, autour de la résistance électrique 15, un espace annulaire 21 de section constante, qui est délimité extérieurement par la paroi cylindrique de la cartouche chauffante 12, et à l'intérieur duquel le fluide caloporteur circule, de bas en haut, selon un écoulement laminaire symbolisé par la flèche F (voir aussi les figures 2 et 3). Cette conformation de la cartouche chauffante 12, et l'écoulement laminaire qui en résulte, assurent un rendement maximal de l'échange thermique qui se produit au niveau de ladite cartouche chauffante 12. En comparaison, un régime d'écoulement turbulent, tel qu'il se produit notamment dans le cas d'éléments chauffants à "serpentin", est très défavorable du point de vue du rendement thermique.
L'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention, telle que définie dans les revendications annexées, en modifiant la disposition de détail du circuit extérieur de fluide caloporteur, ou en modifiant le détail des circuits électriques, ou encore en destinant le même dispositif à des radiateurs à corps de chauffe plus ou moins volumineux, avec éléments de corps de chauffe plus ou moins nombreux.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Radiateur à fluide caloporteur, possédant un corps de chauffe (2) contenant un volume (4) de fluide caloporteur, et comportant des moyens de chauffage électriques (12, 15) du fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (5) de fluide caloporteur associé au corps de chauffe (2), mais extérieur à ce corps de chauffe (2), partant de la base dudit corps de chauffe (2) et revenant à son sommet, circuit (5) sur lequel sont placés un circulateur électrique (8) et les moyens de chauffage électriques (12, 15). 2 - Radiateur à fluide caloporteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens de chauffage électriques, placés sur le circuit extérieur (5) parcouru par le fluide caloporteur, sont constitués par une cartouche chauffante (12) contenant une résistance électrique (15).
3 - Radiateur à fluide caloporteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cartouche chauffante (12) comporte, autour de sa résistance électrique (15) disposée suivant son axe central, un espace annulaire (21) de circulation du fluide caloporteur, de section constante, dans lequel ce fluide circule selon un écoulement laminaire (F).
4 - Radiateur à fluide caloporteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'un contacteur thermique (17) est fixé sur le corps de chauffe (2), à une hauteur intermédiaire, pour couper l'alimentation de la résistance électrique (15), en cas de dépassement d'une température limite prédéterminée.
5 - Radiateur à fluide caloporteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'ensemble constitué par circuit extérieur (5) de fluide caloporteur, par le circulateur électrique (8) et par la cartouche chauffante (12) est accolé au corps de chauffe (2), de préférence à une extrémité de ce corps de chauffe (2), la cartouche chauffante (12) surmontant le circulateur (8). 6 - Radiateur à fluide caloporteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que, le corps de chauffe (2) étant constitué par l'assemblage d'éléments verticaux (3) de corps de chauffe, l'ensemble constitué par le circuit extérieur (5) de fluide caloporteur, par le circulateur électrique (8) et par la cartouche chauffante (12) est logé et dissimulé dans un élément supplémentaire factice (20) de corps de chauffe, disposé à une extrémité du corps de chauffe (2), à la suite des autres éléments (3) de ce corps de chauffe (2).
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