DISPOSITIF DE PRODUCTION D'EAU CHAUDE SANITAIRE OU DE CHAUFFAGE
La présente invention concerne la production d'eau chaude sanitaire (ECS) ou d'eau tiède sanitaire (ETS).
Une application importante de l'invention est la production d'eau tiède sanitaire, c'est-à-dire d'eau dont la température est de manière certaine inférieure à la température d'ébullition.
L'invention trouve également des applications pour la produc¬ tion de liquides chauds tels que par exemple : eau déminéralisée, fluides thermiques, autres liquides industriels chauds. L'eau chaude est actuellement produite : soit avec accumulation ce qui nécessite des puissances thermiques élevées qui entraînent des fonctionnements de courte durée pour compenser les déperditions de l'accumulateur lorsque la température de consigne est atteinte et un surdimensionnement de cet accumulateur pour compenser les déperditions ce qui entraîne une surpuissance et une augmentation des déperditions ;
- soit sans accumulation, ce qui nécessite des puissances thermiques encore plus élevées qui sont en général insuffisantes pour plusieurs puisages simultanés. Dans la plupart des cas, la régulation de génération d'eau chaude sanitaire fonctionne selon le principe du Tout Ou Rien.
Selon le type d'installation, le chauffage de l'eau chaude sanitaire, peut s'effectuer par thermosiphon.
Dans le cas courant, l'ouverture d'un robinet (ou puisage) d'eau chaude sanitaire n'entraîne pas l'obtention immédiate d'eau chaude si la durée entre deux puisages a été suffisante pour un refroidisse¬ ment. L'eau est dans un premier temps froide, puis elle s'échauffe progressivement, avec un effet de retard pur et de constante de temps dû aux longueurs et diamètres de tuyaux entre la centralisation d'eau chaude sanitaire et le point de puisage. L'eau trop froide non utilisée au point de puisage est égale en masse à de l'eau froide qui entre dans le ballon ou le préparateur et représente une perte d'énergie et d'eau. Des améliorations connues ont été apportées à ce système en :
- créant un bouclage d'eau chaude sanitaire entre les réservoirs de production centralisée d'eau chaude et la zone proche des points de puisage avec circulation d'eau chaude sanitaire par pompe, traçant les tuyauteries d'eau chaude sanitaire par des cordons
chauffants électriques.
Dans une installation décentralisée, on utilise généralement comme source d'énergie le gaz ou l'énergie électrique, l'électricité étant prépondérante. Le système électrique consiste à mettre près du point de puisage un chauffe-eau de capacité égale à quelques dizaines de litres avec une puissance de thermoplongeur relativement élevée de un à plusieurs kW.
Un inconvénient du système à installation centralisée relative¬ ment au système à installation décentralisée est la perte plus importante d'eau et d'énergie.
Le bouclage ou le traçage pour le système centralisé coûtent cher en investissement et en énergie : les déperditions permanentes sont augmentées.
La commande automatique de chauffage de liquides est obtenue généralement par un thermostat qui permet l'apport d'énergie en tout ou rien. Les thermostats sont donnés pour un nombre déterminé de coupures. Ils se dégradent dans le temps, et sont la cause de désordres.
En cas de malfonction des thermostats et des groupes de sécurité et/ou soupapes thermiques qui leurs sont généralement associés, le circuit d'eau chaude sanitaire pouvant être isolé par robinets, il y a risque d'explosion et de vaporisation de l'eau, ou brûlure lors du puisage.
Les groupes de sécurité doivent être manoeuvres périodiquement afin d'améliorer leur probabilité de bon fonctionnement. Dans la pratique cela est rarement fait, et le groupe de sécurité est soit fuyard soit bloqué.
Dans le cas d'énergie électrique, les thermoplongeurs sont portés à des températures de surface très élevées qui provoquent le dépôt de tartre, donc une élévation de la résistance thermique, donc une élévation de la température de l'élément chauffant et une détérioration de celui-ci.
Les réservoirs sont en général en acier traité en surface afin de ralentir la corrosion. Une liaison avec d'autre métaux peut créer des couples électrochimiques provoquant la corrosion. II en résulte que les garanties accordées par les constructeurs de chauffe-eau électriques du marché sont généralement limitées dans le temps :
- 5 à 10 ans sur les réservoirs,
- 5 ans pour les thermoplongeurs avec stéatite,
- 2 ans pour les thermoplongeurs blindés.
L'invention permet de remplacer le thermostat et le thermoplon- geur de puissance élevée, qui sont des organes à haut risque de pannes, par des éléments statiques, extérieurs à la capacité, autorégulants en température. Une optimisation permet de réduire la puissance thermique de ces éléments statiques. La fiabilité est ainsi considérablement augmentée. II en résulte, par rapport aux systèmes classiques, un faible coût d'exploitation et des économies sensibles d'eau et d'énergie. La puissance appelée est faible, ce qui permet de réduire le coût des abonnements d'électricité, le coût des moyens d'alimentation et de protection. On constate que le rendement énergétique global est amélioré.
La puissance installée nécessaire pour un lavabo est de quelques dizaines de watts, la puissance moyenne annuelle pour des bureaux avec 10 personnes est d'environ 20 . La puissance à la température d'équilibre sans puisage peut être d'environ 14 W. L'invention permet de concevoir des structures particulières de chauffage de l'eau qui évitent les risques d'explosion, par le fait que tous les moyens de chauffage sont autorégulants et limitent par eux-même la température maximale possible. La seule protection nécessaire est celle des personnes relativement à l'électricité. Ceci est obtenu par disjoncteur différentiel et mise à la terre de la tresse métallique qui enveloppe les éléments chauffants ou du réservoir.
La structure selon l'invention permet de prévoir un échauffe- ment de l'eau juste suffisant pour la température désirée au point de puisage. La transmission d'énergie calorifique est répartie sur une grande surface. Ainsi, on réduit sensiblement l'entartrage, et l'on supprime pratiquement tout entretien.
Un autre problème proposé par la présente invention est ainsi de réaliser une installation de production d'eau chaude sanitaire ou d'eau tiède sanitaire, permettant l'obtention très rapide d'une tempéra- ture appropriée d'eau au point de puisage, et ne nécessitant pas une puissance globale installée importante pour les moyens de chauffe de l'eau dans le ou les réservoirs.
En particulier, l'invention vise à utiliser de manière la plus efficace possible toute la capacité des réservoirs, de façon que, en cours d'utilisation, l'eau froide progressivement introduite dans le réservoir ne se mélange pas de manière excessive avec l'eau chaude encore prête à sortir du réservoir vers le point de puisage.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, un dispositif selon l'invention produit de l'eau chaude ou tiède sanitaire se déversant par un orifice de sortie, à partir d'un flux d'eau disponible dans une canalisation d'arrivée. Le dispositif comprend un moyen de commande de débit d'eau chaude, un réservoir étanche, muni d'un orifice d'introduction d'eau et d'un orifice d'extraction d'eau, et destiné à contenir une quantité d'eau à chauffer, l'orifice d'introduction d'eau étant raccordé à la canalisation d'arrivée. L'orifice d'extraction d'eau est raccordé par une canalisation de sortie audit orifice de sortie. Des moyens chauffants, connectés à une source extérieure d'énergie, chauf¬ fent l'eau contenue dans le réservoir pour l'amener à une température appropriée. Les moyens chauffants comprennent un ensemble autorégulant comportant des premiers moyens de conducteurs électriques et des seconds moyens de conducteurs électriques destinés à être connectés en perma- nence respectivement à une première et une seconde borne de sortie d'une source extérieure d'énergie électrique, lesdits moyens de conducteurs électriques étant disposés à proximité l'un de l'autre et séparés l'un de l'autre par une matière résistive dont la résistivité est une fonction croissante de sa température, l'ensemble autorégulant formé par les moyens de conducteurs électriques et ladite matière résistive étant convenablement isolé électriquement et couplé thermiquement à l'espace intérieur du réservoir pour chauffer l'eau contenue dans ledit réser¬ voir.
Selon une réalisation avantageuse, les moyens chauffants autorégulants sont plaqués autour et à l'extérieur du réservoir en zone inférieure.
Avec un réservoir de capacité relativement réduite placé au voisinage de chaque point de puisage, on réalise une installation décentralisée, adaptée pour un puisage intermittent d'eau chaude, laissant le temps aux moyens chauffants d'échauffer l'eau froide dès son introduction dans le réservoir.
L'invention est également adaptable sur une installation
centralisée. Dans ce cas, l'invention permet de supprimer les pertes d'eau et de réduire les pertes d'énergie en installant des capacités de volume adapté près des puisages sur une installation existante.
L'accumulateur central peut être réalisé selon le principe du chauffage externe autorégulant, avec par exemple des nappes chauffantes de forme rectangulaire ou circulaire.
Une amélioration pour l'accumulateur central consiste à placer à l'intérieur de celui-ci une cuve intermédiaire qui permet d'utiliser au mieux la puissance disponible en faisant remonter l'eau froide le long des parois autorégulées en température.
Cette cuve intermédiaire doit être de résistance thermique la plus faible possible, et provoquer des vitesses de déplacement d'eau suffisamment réduites pour ne pas perturber les phénomènes de stratifi¬ cation par la température (l'eau chaude est moins dense que l'eau froide).
L'utilisation des moyens chauffants particuliers autorégulants de l'invention entraîne un coût d'installation pouvant se trouver légèrement augmenté par rapport aux structures chauffantes traditionnel¬ les. L'invention vise à compenser cette augmentation en optimisant la position des moyens chauffants autorégulants, pour diminuer leur quantité, en utilisant des capacités en compensateur, en optimisant les formes de réservoirs, en optimisant leur orientation, et en prévoyant des moyens de calorifuges et des moyens réduisant les pertes d'eau.
La longévité de l'ensemble du matériel de production d'eau tiède sanitaire selon l'invention est considérablement augmentée. L'élément chauffant autorégulant peut être facilement réparé.
Le système d'eau tiède sanitaire selon l'invention entraine des économies de matière, d'énergie et d'eau, il fonctionne avec fiabilité et en toute sécurité. Les parois des réservoirs peuvent avantageusement être en cuivre, ne présentant aucun risque d'électrocorrosion du fait que les tuyaux sont en général en cuivre ou en matière plastique.
Pour obtenir très rapidement la température appropriée d'eau au point de puisage, l'invention prévoit une installation de type décentra- lise, avec au moins un réservoir étanche, des moyens calorifuges, des moyens chauffants, une canalisation d'arrivée, une canalisation de sortie, des moyens de commande de débit d'eau, des moyens mélangeurs.
Selon l'invention :
- les moyens mélangeurs sont disposés en position haute, à proximité immédiate de l'orifice supérieur d'extraction d'eau auquel ils sont reliés par un premier segment court de canalisation de sortie, - le point de piquage de canalisation d'entrée est en position haute, et à proximité immédiate des moyens mélangeurs auxquels il est relié par une canalisation de dérivation courte,
- le segment d'entrée de canalisation d'arrivée, situé entre le point de piquage et l'orifice inférieur d'introduction d'eau, est isolé thermi- quement de l'air ambiant sur au moins la plus grande partie de sa longueur.
Grâce à une telle structure, l'entrée et la sortie d'eau sont au-dessus du réservoir, avec entretien d'un thermosiphon qui augmente avantageusement les échanges thermiques entre les moyens chauffants et l'eau du réservoir, réduisant ainsi la durée de montée en température de l'eau.
De préférence, le segment d'entrée de canalisation d'arrivée est disposé à proximité immédiate du réservoir, et est isolé thermique- ment de l'air ambiant par les moyens calorifuges du réservoir lui-même, le segment d'entrée de canalisation d'entrée pouvant être pris dans la même enveloppe de moyens calorifuges. On réduit ainsi les pertes thermiques, et on diminue le temps de réponse thermique et les variations de température d'eau au puisage.
Selon un premier mode de réalisation, les moyens mélangeurs comprennent :
- un T de raccordement entre la canalisation de dérivation, entre le premier segment de canalisation de sortie et entre le second segment de canalisation de sortie,
- un moyen de calibration constante de débit, interposé dans la canalisation de dérivation, déterminant une proportion constante entre le débit d'eau plus froide traversant directement la canalisation de dérivation et le débit d'eau plus chaude traversant le segment d'entrée de canalisation d'arrivée, le réservoir et le premier segment de canalisation de sortie. Le moyen de calibration constante de débit peut être un simple retreint de diamètre approprié réalisé dans la paroi de canalisation de dérivation elle-même, ou peut être un diaphragme interchangeable autorisant un réglage discontinu, ou peut être un
robinet autorisant un réglage manuel continu.
Selon un second mode de réalisation, les moyens mélangeurs comprennent un mitigeur, dont une première entrée est raccordée à la canalisation de dérivation, dont une seconde entrée est raccordée au premier segment de canalisation de sortie, et dont la sortie est raccordée au second segment de canalisation de sortie.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisa¬ tion particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue de face en coupe d'un dispositif de production d'eau tiède sanitaire ou d'eau froide selon l'invention, selon un mode de réalisation adapté à un lavabo ;
- la figure 2 illustre un mode de réalisation des moyens chauffants selon l'invention ; la figure 3 est une vue en perspective en coupe, à plus grande échelle, d'un cordon chauffant pouvant être utilisé selon l'invention ; la figure 4 illustre une structure de nappe chauffante selon l'invention ; - la figure 5 illustre la constitution d'une paroi chauffante circulaire selon l'invention ;
- la figure.6 est une vue schématique de face en coupe d'une structure de réservoir chauffant de forte capacité selon l'invention ;
- la figure 7 illustre une structure connue d'installation de production d'eau chaude sanitaire ;
- la figure 8 est une vue schématique d'un dispositif de production d'eau tiède sanitaire selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 9 illustre un dispositif de production d'eau tiède sanitaire selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 montre une application du dispositif de l'invention, pour l'alimentation d'un lavabo en eau tiède sanitaire et en eau froide avec deux robinets à commande au pied ;
- la figure 11 est une vue schématique d'un dispositif de production d'eau tiède sanitaire selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion ;
- la figure 12 illustre une application du dispositif selon l'invention pour la réalisation d'une installation avec chauffe-eau centralisé et
dispositifs compensateurs en cascade ; et la figure 13 illustre une application de l'invention pour la réalisation d'une installation de chauffage de locaux.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le dispositif permet de produire de l'eau tiède sanitaire se déversant par l'orifice de sortie 1, ou point de puisage, à partir d'un flux d'eau disponible dans une canalisation d'arrivée 2. Un robinet 3 permet la commande de débit d'eau tiède. Il s'agit, de préférence, d'un robinet à commande au pied. Le dispositif comprend un réservoir étanche 4, muni d'un orifice d'introduction d'eau 5 et d'un orifice d'extraction d'eau 6. L'orifice d'extraction d'eau 6 est raccordé à l'orifice de sortie 1 par une courte canalisation de sortie, et ce raccordement est libre, c'est- à-dire que la canalisation de sortie 7 est dépourvue de tout robinet. Ainsi, l'espace intérieur du réservoir 4 est en permanence laissé à la pression atmosphérique. Dans ce mode de réalisation, pour éviter que le réservoir 4 ne se vide d'eau, l'orifice de sortie 1 est destiné à être placé en une position plus élevée que le niveau maximum d'eau dans le réservoir 4. En alternative, , un système antisiphon avec prise d'air à niveau haut par exemple doit être installé.
Dans le cas d'un lavabo, comme le représente la figure, le réservoir 4 est avantageusement disposée au-dessous du lavabo, éventuel¬ lement dans la colonne du lavabo.
L'orifice d'introduction 5 est raccordé à la canalisation d'arrivée 2, le robinet de commande de débit d'eau tiède 3 étant interposé dans la canalisation d'arrivée 2, en amont du réservoir 4.
Des moyens chauffants 8, connectés à une source extérieure d'énergie, chauffent l'eau contenue dans le réservoir 4 pour l'amener à une température appropriée. Les moyens chauffants 8 constituent un ensemble autorégulant, connecté électriquement à une source extérieure d'énergie électrique par des conducteurs 9 et 10.
La forme du réservoir 4 peut être quelconque, mais un cylindre à section circulaire semble mieux convenir. La paroi du réservoir 4 peut être réalisée par tout matériau susceptible de conduire la chaleur produite par les moyens chauffants 8. Du fait de l'absence de pression à . l'intérieur du réservoir 4, la paroi du réservoir 4 n'a pas à être particulièrement résistante mécaniquement.
Un calorifuge 40 limite les déperditions thermiques. Une enveloppe 41, par exemple en métal, assure la protection mécanique. Une paroi en polyuréthanne haute densité peut remplir les deux fonctions.
On a représenté, sur la figure 2, un exemple de réalisation de l'ensemble autorégulant 8 constitué par un cordon chauffant 80 enroulé en hélice autour de la paroi latérale périphérique 117 du réservoir 4. Un tel cordon 80, représenté à plus grande échelle et en coupe sur la figure 3, est constitué d'un premier conducteur électrique 81 et d'un second conducteur électrique 82, disposés à proximité l'un de l'autre et séparés l'un de l'autre par une matière 83 résistive telle qu'un polymère semiconducteur autorégulant dont la résistivité électrique est une fonction croissante de sa température. Par exemple, les conducteurs 81 et 82 sont deux fils métalliques disposés parallèlement l'un à l'autre et noyés dans la matière résistive 83. La matière résistive 83 est entourée d'une couche électriquement isolante 87 elle-même entourée d'une tresse 88 en cuivre étamé assurant la protection mécanique et électrique et la conduction thermique. De telles structures de cordon chauffant autorégulant sont par exemple distribuées par la société Raychem S.A. international à Bruxelles, sous la marque HWAT. Le cordon 80 est, de préférence, disposé autour de la zone inférieure du réservoir 4, l'orifice d'introduction d'eau 5 étant lui- même en zone inférieure de l'enceinte 4, l'orifice d'extraction d'eau 6 étant en zone supérieure de l'enceinte. Les extrémités respectives des conducteurs 81 et 82 sont destinées à être connectées aux bornes de la source extérieure d'énergie électrique par les conducteurs 9 et 10. Un revêtement réfléchissant, non représenté sur les figures, peut être collé autour de la zone recouverte du cordon 80, afin d'améliorer le rendement thermique.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, l'ensemble autorégulant 8 comprend une nappe chauffante 84 comportant un premier p. ne conducteur 85 et un second peigne conducteur 86 disposés en imbrication l'un dans l'autre comme le représente la figure. Les peignes conducteurs sont noyés dans la matière résistive 83 en forme de plaque, l'ensemble constituant une nappe chauffante pouvant être enrou- lée autour de la face latérale cylindrique du réservoir 4. Le premier peigne conducteur 85 est connecté au conducteur 9 pour son raccordement à une première borne de source d'énergie électrique, tandis que le
second peigne conducteur 86 est connecté au second conducteur 10 pour son raccordement à la seconde borne de source d'énergie électrique.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, on a représenté une plaque chauffante autorégulante de forme circulaire destinée à s'adapter sous la face circulaire inférieure de l'enceinte 4. Deux fils électri¬ ques dont les extrémités constituent les conducteurs 9 et 10 sont disposés parallèlement l'un à l'autre en spirale et noyés dans une plaque circulaire de matière résistive 83, comme le représente la figure. Dans tous les cas, une couche de protection électrique telle que la tresse métallique 88, mise à la terre, recouvre la matière résistive 83, pour éviter tout risque d'électrocution.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, le réservoir 4 est un cylindre d'axe sensiblement vertical. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le dispositif selon l'invention se suffit à lui-même, à partir d'une canalisation d'arrivée d'eau froide 2, pour produire de l'eau tiède pour une utilisation intermittente. Le dispositif est en outre muni d'un robinet 13 de commande d'eau froide, interposé dans une canalisation 14 d'amenée d'eau froide disposée entre la canalisation d'arrivée 2 et la canalisation de sortie 7. Ainsi, la canalisation de sortie 7 fait office de zone de mélange pour l'eau chaude sortant du réservoir 4 et l'eau froide arrivant par la canalisation 14.
Le robinet 3 est avantageusement un robinet commandé au pied ou par détection de présence des mains. Cette disposition est particulière¬ ment intéressante dans les locaux professionnels, et elle permet de réduire la consommation d'eau et d'énergie. Le robinet 13 est à commande manuelle près du bec verseur, ou peut avantageusement être à commande au pied. Dans le mode de réalisation de la figure 6, le réservoir 4 présente une forme cylindrique d'axe sensiblement vertical, l'orifice d'introduction d'eau 5 étant en partie inférieure du réservoir, l'orifice d'extraction d'eau 6 étant en partie supérieure du réservoir. Les moyens chauffants 8 sont répartis sur la partie inférieure de la paroi latérale du réservoir 4, et sur le fond du réservoir. Le réservoir. 4 est en outre munie d'une cuve intermédiaire intérieure 11, de forme cylindrique, borgne, ouverte vers le haut, coaxiale à la paroi
extérieure et de diamètre légèrement inférieur à la paroi extérieure. La cuve intermédiaire est disposée à proximité de la portion inférieure de paroi latérale de réservoir 4 et à proximité du fond du réservoir, dans la zone pourvue de moyens chauffants 8. Par exemple, la cuve intermé- diaire 11 comporte des pieds 99 d'espacement inférieurs, et est posée sur le fond du réservoir 4. Un espace 12 est laissé, entre la paroi intermédiaire 11 et la paroi extérieure du réservoir 4, pour le passage de l'eau provenant de l'orifice d'introduction d'eau 5. Ainsi, l'eau froide pénétrant dans le réservoir 4 se déplace dans le passage 12, et reste à proximité des moyens chauffants 8, ce qui accélère son échauffement et, par la diminution de température, augmente la puissance calorifique développée par les moyens chauffants 8 lors du soutirage de l'eau. La conduction thermique de la cuve intermédiaire 11 permet la montée en température de toute la masse d'eau. Ce système utilise le principe de la stratification de l'eau chaude avec des fonctionnements à faible vitesse de l'eau.
Le volume du réservoir est tel qu'il permet une série de lavages successifs rapprochés, sachant qu'au fur et à mesure des puisages la puissance thermique des éléments chauffants augmente. Des résultats satisfaisants ont été obtenus, dans un local professionnel de 8 à 10 personnes, avec un réservoir 4 cylindrique de diamètre égal à 8 centimètres environ, de hauteur égale à 50 centimètres environ, et un ensemble chauffant autorégulant fournissant une puissance maximale de 66 Watts environ à froid et d'environ 14 Watts à chaud. Ces valeurs sont optimisables.
La description qui suit, faite en relation avec les figures 7 à 12, concerne les moyens pour obtenir rapidement la température d'eau appropriée aux points de puisage.
La figure 7 représente un type de chauffe-eau central tradi- tionnel de production d'eau chaude ou d'eau tiède sanitaire.
Le chauffe-eau traditionnel comprend un réservoir étanche 4, muni d'un orifice inférieur d'introduction d'eau 5 et d'un orifice supérieur d'extraction d'eau 6. Le réservoir 4 est enfermé dans des moyens calorifuges 104, permettant d'isoler thermiquement le réservoir 4 par rapport à l'air ambiant. Des moyens chauffants 8 tels qu'une résistance électrique thermoplongeur, connectés à une source extérieure d'énergie électrique, permettent de chauffer l'eau contenue dans le
réservoir 4 et de l'amener à une température appropriée. Généralement, les résistances électriques thermoplongeurs sont associées à des moyens de commande pour alternativement établir ou interrompre l'alimentation des moyens chauffants en énergie électrique, en fonction d'un thermostat disposé dans le réservoir 4 pour mesurer la température de l'eau. On assure ainsi une régulation de la température dans le réservoir par action en tout ou rien.
Une canalisation d'arrivée 2, raccordée à l'orifice inférieur d'introduction d'eau 5, permet d'amener de l'eau dans le réservoir 4. Une canalisation de sortie 7, raccordée à l'orifice supérieur d'extrac¬ tion d'eau 6, permet d'extraire l'eau chaude du réservoir 4 et de l'amener à des moyens de puisage non représentés.
Des moyens de commande de débit, actionnables par l'utilisa¬ teur, et non représentés sur la figure, permettent de commander le débit d'eau dans la canalisation de sortie 7. Des moyens mélangeurs ou mitigeurs 108 sont disposés en aval dans la canalisation de sortie 7, entre un premier segment 109 et un second segment 110 de canalisation de sortie. Les moyens mélangeurs ou mitigeurs 108 sont raccordés, par une canalisation de dérivation 111, à un point de piquage 112 de la canalisation d'arrivée 2. Les moyens mélangeurs ou mitigeurs 108 réali¬ sent, dans la canalisation de sortie 7, un mélange en proportion appropriée d'eau plus froide provenant de la canalisation d'arrivée et d'eau plus chaude provenant du réservoir 4.
Pendant les périodes de non utilisation, les moyens mélangeurs ou mitigeurs 108 autorisent généralement le passage de l'eau entre le premier segment 109 de canalisation de sortie et la canalisation de dérivation 111. Il en résulte une circulation d'eau, par thermosiphon, dans le sens représenté par les flèches 113. L'eau chaude circulant dans le premier segment de canalisation de sortie 109, dans la canalisation de dérivation 111 et dans le segment d'entrée 114 de canalisation d'arrivée situé entre le point de piquage 112 et l'orifice inférieur d'introduction d'eau 5, tend à se refroidir car ces parties de canalisation sont généralement peu ou pas calorifugéeε.
D'autre part, la température appropriée de l'eau en sortie dans la canalisation de sortie n'est pas immédiatement atteinte.
La structure de dispositif selon la présente invention, représentée par exemple sur la figure 8, diffère de cette installation
traditionnelle par la disposition particulière des éléments fonctionnels et des canalisations. Sur la figure 8, on a désigné par les mêmes références numériques les éléments similaires à ceux de la figure 7. On retrouve ainsi le réservoir étanche 4, l'orifice inférieur d'introduc- tion 5, l'orifice supérieur d'extraction 6, les moyens calorifuges 104 de réservoir, les moyens chauffants 8, une canalisation d'arrivée 2, une canalisation de sortie 7, des moyens mélangeurs 108, un premier segment 109 de canalisation de sortie, un second segment 110 de canalisation de sortie, une canalisation de dérivation 111, un point de piquage 112, et un segment d'entrée 114 de canalisation d'arrivée.
Selon l'invention, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 8, des moyens mélangeurs 108 sont disposés en position haute et à proximité immédiate de l'orifice supérieur d'extraction d'eau 6. Ainsi, les moyens mélangeurs 108 sont reliés à l'orifice supérieur d'extraction d'eau 6 par un premier segment 109 de canalisation de sortie qui est le plus court possible.
En outre, le point de piquage 112 de canalisation d'entrée est en position haute, et à proximité immédiate des moyens mélangeurs 108. La canalisation de dérivation 111, reliant le point de piquage 112 et les moyens mélangeurs 108, présente la longueur d la plus courte possible. La canalisation d'arrivée 2 arrive ainsi en position haute au point de piquage 112, et la canalisation de sortie 7 débute en position haute à la sortie des moyens mélangeurs 108. Un premier avantage de cette structure est que les raccordements de canalisation d'arrivée 2 et de canalisation de sortie 7 se font en position haute, position plus accessible pour l'installateur.
Avec une telle structure, on peut avantageusement disposer en alignement l'une par rapport à l'autre la canalisation d'entrée 2 et la canalisation de sortie 7. Dans ce cas, le dispositif peut être aisément inséré dans une canalisation préexistante, par simple coupure et raccordement.
Le segment d'entrée 114 de canalisation d'arrivée, situé entre le point de piquage 112 et l'orifice inférieur d'introduction d'eau 5, est isolé thermiquement de l'air ambiant sur au moins la plus grande partie de sa longueur, de préférence sur toute sa longueur. La canalisation de sortie 7 peut avantageusement être calorifugée. Selon une disposition préférée, représentée sur la figure 8, ledit segment
d'entrée 114 de canalisation d'arrivée est placé à proximité immédiate du réservoir 4, et est isolé thermiquement de l'air ambiant par les moyens calorifuges 104 du réservoir. On réalise ainsi un ensemble particulièrement compact, peu encombrant, qui peut être contenu dans une enceinte isolante pouvant être aisément positionnée à proximité d'un point de puisage tel qu'un lavabo ou une douche.
Le même principe est adopté pour de gros chauffe-eau selon l'invention.
Selon une première réalisation telle que représentée sur la figure 8, les moyens mélangeurs 108 comprennent un T de raccordement 115 et un diaphragme 116. Le T de raccordement 115 est positionné entre la canalisation de dérivation 111, le premier segment 109 de canalisation de sortie et le second segment 110 de canalisation de sortie, comme le représente la figure. Le diaphragme 116 est interposé dans la canalisa- tion de dérivation 111, entre le point de piquage 112 et le T de raccordement 115. Le diaphragme 116 est choisi avec une ouverture appropriée, qui détermine la proportion entre le débit d'eau traversant directement la canalisation de dérivation 111 et le débit d'eau traversant le segment d'entrée 114 de canalisation d'arrivée, le réservoir 4 et le premier segment 109 de canalisation de sortie. Le diaphragme 116 peut être interchangeable, pour autoriser un réglage discontinu de débit, lors de la fabrication du dispositif de production d'eau tiède sanitaire. La température T3 de l'eau dans le second segment
110 de canalisation de sortie 7 est supérieure à la température Tl de l'eau dans la canalisation d'arrivée 2, et inférieure à la température
T2 de l'eau dans le réservoir 4. La température T3 de l'eau en sortie est déterminée par les températures Tl et T2 et par la proportion des débits relatifs déterminée par le diaphragme 116.
Selon une variante simplifiée, le diaphragme 116 est remplacé par un simple retreint réalisé sur la paroi elle-même de canalisation de dérivation 111. La proportion constante de débit d'eau est alors déterminée par construction, selon la forme du retreint.
Selon une variante plus évoluée, le diaphragme 116 est remplacé par un robinet, maintenu partiellement ouvert, permettant ainsi un réglage manuel continu de la proportion constante de débit d'eau.
Il est ainsi possible d'obtenir, dans la canalisation de sortie, une eau tiède sanitaire à température relativement constante,
sans nécessiter de moyens de réglage onéreux. Egalement, l'eau contenue dans le réservoir 4 peut être à température relativement élevée, par exemple comprise entre 55 et 90°C. Cette température évite la formation de bactéries dans le réservoir, formation qui pourrait résulter de la stagnation de l'eau dans le réservoir pendant une période prolongée et à une température inférieure à 50°C. Malgré la température de réservoir de 55 à 90°C, relativement élevée, la température de l'eau dans la canalisation de sortie est plus basse en permanence, et se trouve automatiquement à une température admissible pour l'utilisation normale. De préférence, le réservoir 4 est limité par une paroi périphérique 117 de forme cylindrique allongée, orientée selon un axe I- I généralement vertical. La paroi périphérique 117 se raccorde à une paroi de fond 118 et à une paroi de sommet 119. L'orifice inférieur d'introduction d'eau 5 est ménagé dans la paroi de fond 118, tandis que l'orifice supérieur d'extraction d'eau 6 est ménagé dans la paroi de sommet 119. Le réservoir 4 peut avoir une hauteur relativement grande, par rapport à son diamètre, de façon que, pour un même volume, le diamètre soit relativement petit. Un tel réservoir, du fait de sa fiabilité, peut ainsi être• logé dans une paroi de bâtiment, à proximité d'un point de puisage tel qu'un lavabo. La disposition allongée en hauteur favorise le processus de thermosiphon, par lequel une circula¬ tion permanente d'eau chaude se produit entre le réservoir 4, la canalisation de dérivation 111 et le segment d'entrée 114 de canalisa¬ tion d'arrivée. Ce processus de thermosiphon favorise les échanges thermiques et l'homogénéisation progressive de l'eau contenue dans le réservoir 4, pendant les périodes de non puisage.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 8, le segment d'entrée 114 de canalisation d'arrivée d'eau comprend en outre, dans sa partie la plus basse, une dérivation 120 vers un orifice 121 inférieur de vidange obturé par un moyen d'obturation tel qu'un bouchon amovible 122. Selon une possibilité représentée, l'enceinte calorifuge 104, qui enferme le réservoir 4 et le segment d'entrée 114, comprend des pieds 123 non soudés au réservoir, de sorte que le dispositif peut reposer sur le sol sans pont thermique, en laissant l'accès à l'orifice de vidange 121.
Cette structure particulière de chauffe-eau selon l'invention permet d'obtenir plus rapidement la température appropriée d'eau aux
points de puisage après une période de non consommation d'eau. Ces avantages de rapidité sont obtenus quel que soit le type de moyens chauffants 8 utilisés. Ainsi, les moyens chauffants 8 peuvent être de différents types bien connus. Par exemple, on peut utiliser des moyens chauffants constitués par des thermoplongeurs traditionnels, ou résis¬ tances électriques que l'on connecte à une source extérieure d'alimenta¬ tion en énergie électrique. De tels moyens chauffants constitués par des thermoplongeurs doivent obligatoirement être associés à des moyens de régulation thermique, assurant l'établissement et l'interruption d'ali- mentation des thermoplongeurs en fonction de la température de l'eau à l'intérieur du réservoir. Il n'est pas rare que ces moyens de régulation thermique connaissent des défauts, conduisant assez souvent à une augmentation exagérée de température et de pression à l'intérieur du réservoir 4, pouvant provoquer dans certains cas une explosion acciden- telle susceptible d'entraîner la mort d'hommes.
Pour ces raisons, on pourra préférer, selon l'invention, un mode de réalisation particulier des moyens chauffants de type ensemble autorégulant 8, illustré sur les figures 2 et 8. Dans ce mode de réalisation, l'ensemble chauffant autorégulant 8 comprend un cordon chauffant autorégulant 80, convenablement isolé électriquement et plaqué autour et à l'extérieur de la paroi 117 du réservoir 4, et revêtu d'une paroi extérieure réfléchissante 50 afin d'améliorer le rendement thermique.
Le cordon chauffant est, de préférence, disposé autour de la zone inférieure du réservoir 4.
Lorsqu'on désire une capacité plus grande de production d'eau tiède sanitaire, on peut combiner plusieurs enceintes similaires au réservoir 4 du mode de réalisation de la figure 8. Par exemple, la figure 9 représente un mode de réalisation dans lequel les moyens de réservoir comprennent plusieurs enceintes cylindriques d'axe générale¬ ment vertical disposées côte à côte en batterie. On peut par exemple disposer trois enceintes 127, 128 et 129, formant un ensemble parallélé- pipédique relativement plat. Les enceintes 127, 128 et 129 sont raccordées en boucle de TICKELMAN, comme le représente la figure, de façon que les trajets de circulation d'eau soient de même longueur quelle que soit l'enceinte qu'ils traversent, sans qu'il existe de circuit préférentiel.
Dans le mode de réalisation représenté sur cette figure 9, les moyens mélangeurs 108 comportent une structure différente de celle prévue dans le mode de réalisation de la figure 13. En effet, dans ce cas, les moyens mélangeurs comprennent un mitigeur 130, mécanique ou thermostatique, dont une première entrée 131 est raccordée à la canalisation de dérivation 111, dont une seconde entrée 132 est raccordée au premier segment 109 de canalisation de sortie, et dont la sortie 133 est raccordée au second segment 110 de canalisation de sortie. Le mitigeur 130 permet un réglage variable de la proportion de débit de sortie provenant respectivement des moyens de réservoir et de la canalisation de dérivation 111, afin d'approcher au plus près la consigne de température.
Dans ce mode de réalisation, tel que représenté sur la figure 9, on incorpore dans les moyens calorifuges 104 l'ensemble des enceintes 127, 128 et 129 formant les moyens de réservoir, le segment d'entrée 114 de canalisation d'arrivée, ainsi que la canalisation de dérivation 111. Seul le mitigeur 130 est éventuellement à l'extérieur des moyens calorifuges 104. Ainsi, la canalisation de dérivation 111 est disposée à proximité immédiate des moyens de réservoir, et est isolée thermiquement de l'air ambiant par les moyens calorifuges 104.
Dans les modes de réalisation des figures 8 et 9, on réalise un recyclage interne court de l'eau chaude du réservoir par le segment d'entrée 114, la canalisation de dérivation 111 et le premier segment 109 de canalisation de sortie. La figure 10 représente une utilisation possible du dispositif de la figure 8. Le dispositif de production d'eau tiède sanitaire est alors disposé à proximité d'un point de puisage constitué par un bec 134 pour alimentation d'un lavabo 135 schématiquement représenté. Le bec 134 est raccordé directement à la canalisation de sortie. Dans ce cas, la canalisation de sortie est particulièrement courte. Le dispositif peut être logé en-dessous du lavabo 135, verticalement, le long ou dans la colonne de lavabo, ou dans la paroi contre laquelle est posé le lavabo 135.
La canalisation d'arrivée d'eau 2 est munie d'un robinet de commande de débit d'eau chaude 136, avantageusement actionnable au pied, comme le représente la figure.
La canalisation d'arrivée d'eau 2 comprend une branche d'eau
froide 137, raccordée en un point de raccordement 138 en amont du robinet de commande de débit d'eau chaude 136. La branche d'eau froide 137 est munie d'un robinet de commande de débit d'eau froide 139. La branche d'eau froide 137 est raccordée en aval en un point de jonction intermédiaire 140 dans le second segment 110 de canalisation de sortie. L'actionnement du robinet de commande de débit d'eau froide 139 permet d'alimenter directement le bec 134 en eau froide provenant de la canalisation d'arrivée 2.
L'actionnement du robinet de commande de débit d'eau tiède 136 permet d'alimenter le bec 134 avec de l'eau tiède provenant du dispositif, c'est-à-dire de l'eau constituée d'un mélange d'eau tiède provenant du réservoir 4 et d'eau froide provenant de la canalisation d'arrivée d'eau 2.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 11, le dispositif comprend les mêmes éléments que dans le mode de réalisation de la figure 8, et ces mêmes éléments sont repérés par les mêmes références numériques. La différence réside dans la structure mixte des moyens chauffants 8 : les moyens chauffants 8 comprennent d'une part un ensemble autorégulant 80 comportant le cordon chauffant autorégulant 51 enroulé en hélice autour de la partie inférieure de paroi périphérique 117 du réservoir, et d'autre part un élément chauffant 52 de forte puissance tel qu'un collier chauffant appliqué autour de la partie restante de paroi périphérique 117 de réservoir. L'élément chauffant 52 peut par exemple présenter une puissance de plusieurs kilowatts. Il est associé à un thermostat 53 muni d'une sonde de température 54. La sonde de température 54 est logée à l'intérieur du réservoir 4, pour mesurer la température de l'eau contenue dans le réservoir. Le thermostat 53 reçoit l'information fournie par la sonde de température 54, et commande en tout ou rien l'alimentation électrique du collier chauffant 52. Le cordon chauffant autorégulant 51 est alimenté en permanence en énergie électrique. La figure représente schématiquement les connexions électri¬ ques appropriées. La sonde de température 54 peut par exemple être disposée dans la canalisation de dérivation inférieure 120, traversant le bouchon 122 et traversant éventuellement une vanne à passage intégral insérée dans ladite canalisation de dérivation 120, et non représentée sur la figure. En présence d'une vanne à passage intégral, la vanne permet de retirer la sonde 54 sans vidanger la totalité de l'eau
contenue dans le réservoir 4. De préférence, comme représenté, la sonde 54 traverse le premier segment 109 de canalisation de sortie, ce qui la rend plus facilement accessible par le haut du dispositif, et ce qui peut permettre une régulation de température. Dans ce mode de réalisation, le cordon chauffant autorégulant
51, de faible puissance, est adapté pour chauffer l'eau du réservoir 4 jusqu'à une température haute T5, par exemple de 65°C environ. Le thermostat 53 est réglé pour commander l'alimentation du collier chauffant 52 jusqu'à une température intermédiaire T4 d'eau. La température haute T5 de régulation du cordon chauffant autorégulant 51 est plue élevée que la température intermédiaire T4 obtenue par le collier chauffant 52 et le thermostat 53. Par exemple, la température intermédiaire T4 de stabilisation par le thermostat 53 peut être d'environ 60°C, ou moins selon le besoin. En début de fonctionnement, le chauffage de l'eau contenue dans le réservoir 1 est assuré simultanément par le cordon chauffant autorégulant 51 et le collier chauffant 52. Lorsqu'une température de 60CC est atteinte, le collier chauffant 52 n'est plus alimenté, et la régulation de température est assurée par le seul cordon chauffant autorégulant 51. Cette structure permet de ne pas solliciter le thermostat 53 et le collier chauffant 52 sur de courtes durées pour le maintien en température. Ceci prolonge appréciablement la durée de vie des matériels fonctionnant en discontinu. Ce principe peut s'appliquer à des dispositifs de production d'eau tiède décentralisée, mais également à des dispositifs de production d'eau chaude centralisée, ou à des dispositifs de production d'eau chaude de chauffage de locaux.
Une telle structure mixte de moyens chauffants 8, comprenant un élément chauffant 52 de forte puissance associé à un thermostat 53 et un cordon chauffant autorégulant 51, peut être avantageusement utilisée dans une structure selon la présente invention munie d'un thermosiphon intégré. Toutefois cette structure mixte de moyens chauffants 8 peut également être utilisée indépendamment d'un tel thermosiphon intégré. En fait, cette structure est utile chaque fois qu'un élément chauffant tel que le collier chauffant 52 est piloté par un thermostat 53. Ainsi, sur une installation traditionnelle de ballon chauffant muni d'un thermo¬ plongeur ou d'un collier chauffant, le thermoplongeur ou le collier étant piloté par un thermostat, on peut avantageusement adapter un
cordon chauffant autorégulant prévu pour maintenir une température plus élevée que celle pour laquelle est réglé le thermostat. On évite ainsi de solliciter thermostat et éléments chauffants de forte puissance sur de courtes durées pour le maintien en température. Cela prolonge considérablement la durée de vie des matériels fonctionnant en disconti¬ nu.
On a représenté sur la figure 12 un exemple d'application de dispositifs selon l'invention, pour réalisation d'une installation de production d'eau chaude sanitaire ou d'eau tiède sanitaire, comportant en cascade au moins un dispositif centralisé de forte capacité pour production d'eau chaude sanitaire, et au moins un dispositif compensa¬ teur décentralisé de plus faible capacité pour production d'eau chaude ou tiède au voisinage des points de puisage.
Dans le mode de réalisation représenté, l'installation comprend un dispositif centralisé 55, de forte capacité, placé de préférence au- dessous et au plus près de la zone d'utilisation à fréquence élevée de l'eau chaude. Le dispositif centralisé 55 présente une structure similaire à celle du mode de réalisation de la figure 8, avec de préférence un mitigeur 56 thermostatique en sortie. Le réservoir 4 est muni de moyens chauffants qui comprennent avantageusement un élément chauffant de forte puissance 52 de type thermoplongeur et un ensemble autorégulant 80 à cordon chauffant. Un robinet 116 permet de régler la proportion de débit d'eau plus froide et d'eau plus chaude réalisant par mélange le débit d'eau chaude dans la canalisation de sortie 7. Le dispositif centralisé 55 est associé en outre à un vase d'expansion 57 et à une soupape de sécurité 58, disposés l'un et l'autre par exemple dans la canalisation d'arrivée 2. Un robinet d'arrêt d'entrée d'eau générale 59 est inséré dans l'entrée générale d'eau.
Le dispositif centralisé 55 est réglé pour réguler la tempéra- ture de l'eau dans son réservoir à une valeur relativement haute, par exemple 70°C environ. Le mitigeur 56 est réglé pour fournir, dans la canalisation de sortie 7, une eau tiède à température dite d'utilisation générale, par exemple 40°C environ, qui est la température habituelle aux points de puisage tels que les lavabos, douches ou bains. La canalisation de sortie 7 est raccordée à au moins un premier dispositif compensateur décentralisé 60 proche d'un point de puisage 61. Le dispositif compensateur décentralisé 60 peut avantageusement être du
même type que le dispositif de la figure 8. La canalisation d'arrivée 102 est raccordée par la vanne 3 à la canalisation de sortie 7 du dispositif centralisé 55. Le point de puisage 61 est raccordé également par un robinet 13 à une canalisation d'eau froide 62 provenant directement du robinet d'arrêt d'entrée d'eau générale 59. Le dispositif compensateur décentralisé 60 est de plus faible capacité, et reçoit ainsi par sa canalisation d'arrivée de l'eau à température d'utilisation générale provenant de la canalisation de sortie 7 du dispositif centralisé 55. Le dispositif compensateur décentralisé 60 peut être réglé de manière que l'eau contenue dans son réservoir soit à une température de 65°C environ, et de manière que l'eau tiède en sortie soit à une température de 40°C environ. Le dispositif décentralisé 60 assure la fonction de compensateur, pour ramener la température de l'eau en sortie au point de puisage à une valeur voisine de la température d'utilisation appropriée, par exemple de l'ordre de 40°C environ, compensant les éventuelles pertes thermiques dans la canalisation de sortie 7 pendant le transfert entre le dispositif centralisé 57 et le dispositif compensateur décentralisé 60. Le dispositif centralisé 55 permet une accumulation plus importante par de l'eau chaude à tempéra- ture plus élevée, par exemple de l'ordre de 70βC environ. Le dispositif compensateur décentralisé 60 évite le gaspillage d'eau chaude, et permet de réduire le volume et la puissance du dispositif centralisé 55. L'abaissement de puissance du dispositif centralisé 55 permet soit le fonctionnement en continu car le surcoût de prime fixe pour le fonctionnement en heures creuses ne se justifie plus, soit le fonction¬ nement en heures creuses avec relance automatique en-dessous d'un seuil de température d'eau.
Une telle installation en cascade présente l'avantage d'écono¬ miser sensiblement l'énergie calorifique nécessaire à son fonction- nement. En effet, dès la sortie du mitigeur 56, l'eau envoyée dans la canalisation de sortie 7 est à température d'utilisation générale, de l'ordre de 40°C, ce qui induit des pertes calorifiques plus faibles que dans le cas d'une installation traditionnelle dans laquelle l'eau présente en canalisation de sortie d'un ballon central est nécessaire- ment à température plus élevée.
Si l'on désire, au point de puisage 61, une température voisine de la température d'utilisation générale, le dispositif compensateur
décentralisé 60 doit seulement compenser la perte de température subie par l'eau dans la canalisation de sortie 7.
Si, par contre, on désire une température plus élevée de l'eau au point de puisage 61, on peut utiliser un dispositif compensateur décentralisé 60 muni d'un collier chauffant tel que le collier 52 du mode de réalisation de la figure 11, pour élever la température de l'eau à une température supérieure à celle présente en canalisation de sortie 7, par exemple à 50°C.
A titre d'exemple, la figure 12 représente en outre un point de puisage 63, proche du dispositif centralisé 55, qui peut être démuni de dispositif compensateur, et un point de puisage 64 tel qu'un lave-main de WC, alimenté seulement en eau froide et muni d'un chauffe-eau autonome selon l'invention, produisant une eau tiède à 30 ou 35°C environ. Egalement, les points de puisage 65 et 66 illustrent un ensemble de salle de bain, avec deux dispositifs compensateurs en série permettant le puisage immédiat d'eau chaude.
La figure 13 représente une application d'un dispositif selon l'invention à élément chauffant de forte puissance associé à un ensemble autorégulant, pour la production d'eau chaude pour chauffage de locaux. Une chaudière principale thermostatée 140 produit de l'eau chaude envoyée dans un circuit primaire 141 comportant une bouteille de mélange 142 et un premier circulateur 143. La bouteille de mélange est en outre raccordée par un orifice de sortie 148 à un circuit secondaire de chauffage 144 classique, à un second circulateur 145, pour chauffer des radiateurs 146 ou planchers chauffants. Selon l'invention, on prévoit sur la bouteille de mélange 142 un ensemble autorégulant 147 tel qu'un cordon chauffant autorégulant. Cette disposition de l'ensemble autorégu¬ lant assure notamment un chauffage à température réduite ou pour le maintien hors gel, à l'arrêt volontaire ou accidentel de la chaudière principale.
Une autre application avantageuse consiste à placer un disposi¬ tif compensateur similaire à celui représenté sur la figure 8, en sortie d'une chaudière sans accumulation. Le dispositif compensateur augmente sensiblement la capacité de production d'eau à température appropriée, et permet par exemple des puisages simultanés sans variation sensible de température de l'eau puisée.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa-
tion qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendica¬ tions ci-après.