FR2524126A1 - Heat storage reservoir for heat pump - where latent heat of solidification of water provides heat for evaporator in heat pump circuit - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif de stockage de chaleur et une source froide pour pompe à chaleur comportant un tel dispositif. The present invention relates to a heat storage device and a cold source for a heat pump comprising such a device.
On connaît déjà différents dispositifs de stockage de chaleur qui utilisent la chaleur latente libérée par le passage à température constante d'un corps de son état liquide à son état solide. Various heat storage devices are already known which use the latent heat released by the passage of a body at constant temperature from its liquid state to its solid state.
C'est ainsi que l'on peut utiliser la chaleur latente de fusion de l'eau à la température de OOC. This is how we can use the latent heat of fusion of water at the temperature of OOC.
Ces dispositifs présentent toutefois l'inconvénient de comporter des tubes échangeurs autour desquels se dépose le corps à l'état solide, ce qui a pour effet de faire chuter considEra- blement le rendement de l'échangeur. On connaît en particulier les problèmes de "givrage" dus à la formation de glace sur les échangeurs de refroidissement d'air. However, these devices have the drawback of comprising exchanger tubes around which the body is deposited in the solid state, which has the effect of considerably reducing the efficiency of the exchanger. Particularly known are the problems of "icing" due to the formation of ice on the air cooling exchangers.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients en fournissant un dispositif de stockage de chaleur, utilisable notamment en tant que source froide d'une pompe à chaleur, qui évite les inconvénients ci-dessus. The present invention aims to overcome these drawbacks by providing a heat storage device, usable in particular as a cold source of a heat pump, which avoids the above drawbacks.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de stockage de chaleur caractérisé par le fait qu'il comprend un réservoir dans lequel sont disposées au moins une nappe inférieure d'un liquide caloporteur et une nappe supérieure d'un corps de stockage de chaleur dont la phase solide possède une densité inférieure à celle de la phase liquide, les deux nappes étant séparées par une surface à laquelle ledit corps de stockage ne peut adhérer en se solidifiant, et des moyens pour faire circuler le liquide caloporteur à la partie inférieure, du réservoir. To this end, the invention relates to a heat storage device characterized in that it comprises a reservoir in which are arranged at least one lower layer of a heat-transfer liquid and an upper layer of a storage body heat whose solid phase has a density lower than that of the liquid phase, the two layers being separated by a surface to which said storage body cannot adhere by solidifying, and means for circulating the heat transfer liquid to the part lower, from the tank.
Par conséquent, le liquide caloporteur et le corps utilisé pour le stockage de chaleur sont disposés dans un même réservoir en deux nappes superposées. Consequently, the heat transfer liquid and the body used for heat storage are arranged in the same tank in two overlapping layers.
Lorsque la chaleur est transférée au liquide caloporteur à partir du corps de stockage, celui-ci passe de l'état liquide à l'état solide mais, comme sa phase solide possède une densité inférieure à celle de la phase liquide, la phase solide remonte vers la surface supérieure du réservoir sans pouvoir se fixer dans la zone d'échange de chaleur entre le liquide caloporteur et la phase liquide du corps de stockage. When the heat is transferred to the heat transfer liquid from the storage body, it goes from the liquid state to the solid state but, as its solid phase has a density lower than that of the liquid phase, the solid phase rises towards the upper surface of the tank without being able to be fixed in the heat exchange zone between the heat transfer liquid and the liquid phase of the storage body.
Avantageusement, la densité du liquide caloporteur est supérieure à celle de la phase liquide du corps de stockage. Advantageously, the density of the heat transfer liquid is greater than that of the liquid phase of the storage body.
Il est ainsi possible de séparer le liquide caloporteur de la phase liquide du corps de stockage sans utiliser de nappe solide sur laquelle la phase solide pourrait adhérer. It is thus possible to separate the heat transfer liquid from the liquid phase of the storage body without using a solid sheet on which the solid phase could adhere.
Dans un premier mode de réalisation, la surface de séparation est formée par une nappe d'un liquide miscible ni au liquide caloporteur ni à la phase liquide du corps de stockage et de densité comprise entre celle du liquide caloporteur et celle de la phase liquide du corps de stockage. In a first embodiment, the separation surface is formed by a sheet of a liquid miscible neither with the heat transfer liquid nor with the liquid phase of the storage body and with a density between that of the heat transfer liquid and that of the liquid phase of the storage body.
Dans un autre mode de réalisation, le liquide caloporteur et la phase liquide du corps de stockage sont non miscibles, la surface supérieure du liquide caloporteur étant directement en contact avec le corps de stockage de la nappe supérieure. In another embodiment, the heat transfer liquid and the liquid phase of the storage body are immiscible, the upper surface of the heat transfer liquid being directly in contact with the storage body of the upper ply.
On comprend que dans ces deux modes de réalisation, le corps de stockage ne peut adhérer à la surface de contact lors de sa solidification. It is understood that in these two embodiments, the storage body cannot adhere to the contact surface during its solidification.
Le liquide caloporteur peut par exemple être de la saumure alors que le corps de stockage de la nappe supérieure est de l'eau. The heat transfer liquid can for example be brine while the storage body of the upper layer is water.
Dans ce cas, le liquide caloporteur et le corps de stockage en phase liquide sont miscibles et l'on doit utiliser un liquide de séparation qui peut par exemple être du dibutyle phtalate. In this case, the heat transfer liquid and the liquid phase storage body are miscible and a separation liquid must be used, which can for example be dibutyl phthalate.
Si au contraire, le liquide caloporteur et le corps de stockage en phase liquide sont non miscibles, par exemple si l'on choisit respectivement du fluorocarbone et de l'eau, le liquide de séparation n'est pas indispensable. If, on the contrary, the heat transfer liquid and the liquid phase storage body are immiscible, for example if fluorocarbon and water are chosen respectively, the separation liquid is not essential.
Les moyens pour faire circuler le liquide caloporteur à la partie inférieure du réservoir peuvent avantageusement comprend dre au moins une conduite d'alimentation et au moins une conduite de refoulement ainsi qu'une pompe montée sur la conduite de refoulement. The means for circulating the heat transfer liquid to the lower part of the tank may advantageously comprise at least one supply line and at least one discharge line as well as a pump mounted on the discharge line.
La présente invention a également pour objet une source froide pour pompe à chaleur caractérisée par le fait qu'elle comprend un dispositif de stockage de chaleur tel que décrit ci dessus. The present invention also relates to a cold source for a heat pump, characterized in that it comprises a heat storage device as described above.
On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation particulier de l'invention en référence au dessin schématique annexé qui représente une pompe à chaleur utilisant comme source froide un dispositif selon l'invention. A particular embodiment of the invention will now be described by way of nonlimiting example with reference to the appended schematic drawing which represents a heat pump using as a cold source a device according to the invention.
La figure représente une pompe à chaleur 1 de type connu dans laquelle un fluide tel que du fluorocarbone parcourt dans le sens des flèches F1 un circuit fermé entre un compresseur 2 et un détendeur 3 et retour, ce circuit fermé comportant deux échangeurs, à savoir un condenseur 4 entre le compresseur et le détendeur et un évaporateur 5 entre le détendeur et le compres-seur. The figure shows a heat pump 1 of known type in which a fluid such as fluorocarbon travels in the direction of the arrows F1 a closed circuit between a compressor 2 and a regulator 3 and return, this closed circuit comprising two exchangers, namely a condenser 4 between the compressor and the regulator and an evaporator 5 between the regulator and the compressor.
Le fluide de chauffage traverse le condenseur 4 dans un circuit 6 alors que le liquide caloporteur traverse l'évaporateur 5 dans un circuit 7 fermé sur une source froide. The heating fluid passes through the condenser 4 in a circuit 6 while the heat transfer liquid passes through the evaporator 5 in a circuit 7 closed on a cold source.
Tout ceci est bien connu et ne sera par conséquent pas décrit plus en détail. All this is well known and will therefore not be described in more detail.
La source froide selon l'invention est représentée au dessin sous la référence générale 8. The cold source according to the invention is shown in the drawing under the general reference 8.
La source froide 8 comprend un réservoir formé dans le sol et délimité par exemple par une paroi circulaire non armée 9 complétée éventuellement par un fond 10 formé d'un coulis durci. The cold source 8 comprises a reservoir formed in the ground and delimited for example by an unreinforced circular wall 9 possibly supplemented by a bottom 10 formed from a hardened grout.
On a disposé à l'intérieur du réservoir de la source froide 8 une nappe inférieure 11 d'un liquide caloporteur qui dans le cas présent peut par exemple être une saumure dont la température de congélation est de l'ordre de " 100 C et dont la densité est de l'ordre de 1,1. Au dessus de la nappe 11 est disposée une nappe d'eau 12 dont la température de congélation est proche de 0 et la densité voisine de 1. There was placed inside the reservoir of the cold source 8 a lower layer 11 of a heat transfer liquid which in the present case can for example be a brine whose freezing temperature is of the order of "100 C and whose the density is of the order of 1.1, above the water table 11 is a water table 12 whose freezing temperature is close to 0 and the density close to 1.
Etant donné que les liquides des nappes 11 et 12 sont miscibles, on les sépare à l'aide d'une nappe 13 d'un liquide non miscible à l'eau et à la saumure, dont la température de congé- lation est inférieure à celle de saumure de la nappe 11 et dont la densité est comprise entre celles des nappes 11 et 12, et qui peut par exemple être, dans le cas présent, voisine de 1,05. Since the liquids of the layers 11 and 12 are miscible, they are separated using a layer 13 of a liquid immiscible with water and brine, whose freezing temperature is lower than that of brine of the ply 11 and whose density is between those of the plies 11 and 12, and which can for example be, in the present case, close to 1.05.
On peut utiliser par exemple pour former la nappe 13 du dibutyle phtalate. One can use for example to form the sheet 13 of dibutyl phthalate.
Un tube plongeur d'alimentation 14 relie le circuit 7 à sa sortie de l'évaporateur 5 au fond du réservoir de la source froide 8 tandis qu'un autre tube plongeur 15 relie le fond du réservoir au circuit 7 à l'entrée de l'évaporateur 5. A supply dip tube 14 connects the circuit 7 at its outlet from the evaporator 5 to the bottom of the cold source tank 8 while another dip tube 15 connects the bottom of the tank to the circuit 7 at the inlet of the '' evaporator 5.
Une pompe 16 est placée sur le tube 15 pour assurer la circulation du liquide caloporteur dans le sens des flèches F 2 dans les tubes 14 et 15 et au fond du réservoir. A pump 16 is placed on the tube 15 to ensure the circulation of the heat transfer liquid in the direction of the arrows F 2 in the tubes 14 and 15 and at the bottom of the tank.
Le liquide caloporteur amené par le tube 14 capte par conséquent les calories de l'eau de la nappe 12 en traversant la nappe 11 à la base du réservoir et les restitue à l'évaporateur 5 de la pompe à chaleur 1. The heat transfer liquid supplied by the tube 14 consequently captures the calories of the water in the sheet 12 by passing through the sheet 11 at the base of the tank and returns them to the evaporator 5 of the heat pump 1.
On décrira maintenant un cycle de fonctionnement du dispositif, par exemple d'une durée d'un an dans le cas où il est utilisé pour le chauffage de locaux en hiver. We will now describe an operating cycle of the device, for example a period of one year in the case where it is used for space heating in winter.
Si, au début du cycle - de l'hiver dans le cas présent -, la température de l'eau 12 est voisine de OOC, et que l'on fait fonctionner le dispositif, il commence à se former de la glace 17 au contact avec la nappe de séparation 13 mais, du fait de la densité de cette glace inférieure à la densité de l'eau, la glace remonte en surface pour former une couche 18. If, at the start of the cycle - winter in this case - the water temperature 12 is close to OOC, and the device is operated, ice 17 begins to form on contact with the separation ply 13 but, due to the density of this ice lower than the density of the water, the ice rises to the surface to form a layer 18.
Le processus se poursuit durant tout l'hiver jusqu'à la congélation pratiquement complète du réservoir, de l'eau restant en permanence à OOC au voisinage du liquide caloporteur à travers la nappe 13. Ceci assure un parfait échange thermique entre le liquide de stockage qui est ici constitué par l'eau 12 et le liquide caloporteur à savoir la saumure 11. The process continues throughout the winter until the tank is almost completely frozen, water remaining permanently at OOC in the vicinity of the heat transfer liquid through the layer 13. This ensures perfect heat exchange between the storage liquid which here consists of water 12 and the heat transfer liquid, namely brine 11.
I1 en résulte un excellent rendement pour la pompe à chaleur. This results in excellent efficiency for the heat pump.
Lorsque le réservoir est pratiquement entièrement congelé à la fin de l'hiver, on lui permet de se dégeler pendant l'été sous l'effet du rayonnement solaire et de la remontée de la température extérieure, ou de la température ambiante du local dans lequel il a été réalisé, ce qui est également réalisé dans de bonnes conditions, du fait que la température à sa surface est de l'ordre de 00, ce qui assure un très bon captage des calories de l'air ambiant. When the tank is almost completely frozen at the end of winter, it is allowed to thaw during the summer under the effect of solar radiation and the rise in outside temperature, or the ambient temperature of the room in which it has been produced, which is also carried out under good conditions, because the temperature on its surface is of the order of 00, which ensures very good capture of the calories from the ambient air.
La profondeur du réservoir de la source froide 8 doit être déterminée de telle sorte que la colonne d'eau correspondante fournisse en se congelant la chaleur nécessaire pendant un cycle d'utilisation de la pompe à chaleur, c'est à dire dans le cas présent, pendant un hiver. The depth of the cold source reservoir 8 must be determined so that the corresponding water column freezes the necessary heat during a cycle of use of the heat pump, that is to say in the present case , during a winter.
La glace du réservoir sera alors décongelée pendant l'été suivant tout en restant aux environs de 00. The ice in the tank will then be thawed during the following summer while remaining around 00.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus auquel diverses variantes et modifications peuvent être apportées sans sortir pour autant de son cadre ni de son esprit. Of course, the invention is not limited to the embodiment described above to which various variants and modifications can be made without departing from its scope or its spirit.
C'est ainsi que l'on peut prévoir d'assurer la décongélation du réservoir non pas à l'aide du rayonnement solaire mais par une circulation d'air forcé entre la surface du réservoir et une bâche tendue au dessus, ce qui peut permettre de refroidir en été les locaux qui sont chauffés en hiver par la pompe à chaleur. It is thus that provision can be made for defrosting the tank not using solar radiation but by forced air circulation between the surface of the tank and a tarpaulin stretched above, which can allow to cool in summer the premises which are heated in winter by the heat pump.
Dans un autre mode de réalisation on peut prévoir une dérivation du fluide caloporteur entre les tubes 14 et 15 immédiatement au dessous de la surface du réservoir et non pas au fond de celui comme cela est décrit ci-dessus. In another embodiment, a bypass of the heat transfer fluid can be provided between the tubes 14 and 15 immediately below the surface of the tank and not at the bottom of the one as described above.
Ainsi on peut au début d'une période d'utilisation de la pompe à chaleur commencer à congeler la surface du réservoir pour former par exemple une patinoire puis reprendre la circulation du fluide caloporteur au fond du réservoir pour bénéficier des avantages décrits ci-dessus. Thus, at the start of a period of use of the heat pump, it is possible to start freezing the surface of the tank to form, for example, an ice rink, then resume the circulation of the heat-transfer fluid at the bottom of the tank to benefit from the advantages described above.
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