WO2009112385A1 - Installation de production d'eau chaude sanitaire - Google Patents

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WO2009112385A1
WO2009112385A1 PCT/EP2009/052401 EP2009052401W WO2009112385A1 WO 2009112385 A1 WO2009112385 A1 WO 2009112385A1 EP 2009052401 W EP2009052401 W EP 2009052401W WO 2009112385 A1 WO2009112385 A1 WO 2009112385A1
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boiler
duct
water
balloon
hot water
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PCT/EP2009/052401
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Joseph Le Mer
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Joseph Le Mer
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/0026—Domestic hot-water supply systems with conventional heating means
    • F24D17/0031—Domestic hot-water supply systems with conventional heating means with accumulation of the heated water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1051—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for domestic hot water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/48—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water
    • F24H1/52—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water incorporating heat exchangers for domestic water
    • F24H1/523—Heat exchangers for sanitary water directly heated by the burner

Definitions

  • the present invention relates to an installation for producing domestic hot water.
  • a sanitary hot water production installation equipping a dwelling both individual and collective, includes a boiler and two exchangers, which will be called one primary, and the other secondary.
  • the boiler that for example runs on gas or fuel oil is used to heat a first liquid.
  • it may be, in the case of a so-called “mixed” installation, water flowing in the radiators of a central heating system.
  • the boiler is equipped with the primary heat exchanger, whose function is to transmit a portion of the heat generated by the hot gases from the combustion of the burner equipping the boiler.
  • This boiler is for example of the condensing type, comprising a (or) coil (s) helical (s) (s), for example stainless steel, surrounding the burner, and in which passes the first liquid to be heated.
  • a (or) coil (s) helical (s) (s) for example stainless steel
  • the first liquid which circulates in closed circuit, can be selected and / or treated, in particular demineralized and degassed so that it does not pose problems related to corrosion and deposition of solids, including limestone -source of clogging, against the walls of the tube (s) of the primary exchanger.
  • the flue gases from the burner have, for example, a temperature of the order of 950 ° C. and the first liquid, initially at ambient temperature, is heated to a temperature of the order of 80 ° C.
  • the secondary heat exchanger has the function of transmitting heat from the first liquid thus heated to the second liquid, in this case sanitary water, which is used for the purpose of supplying a point of use on demand.
  • sanitary water which is used for the purpose of supplying a point of use on demand.
  • a sink a sink, a shower and / or a bath for example.
  • the temperatures used are considerably lower than in the primary heat exchanger, so that the passage inside the exchanger of the untreated sanitary water is that is to say, drinking water from the public distribution network does not pose, in principle, a critical problem of corrosion or solid matter deposits.
  • Such an installation comprising a boiler and two exchangers generally gives satisfaction in terms of operation, reliability and longevity.
  • such a domestic hot water production installation comprises a boiler, a hot water storage tank, a sanitary cold water supply pipe, a water supply boiler feed pipe to be heated, provided with a pump adapted to ensure the circulation of the water to be heated to the boiler when it is started and to prohibit this circulation when it is stopped, a duct for drawing domestic hot water, a duct leaving heated water out of the boiler.
  • said sanitary cold water supply duct is connected via a "T" connector, said first connector, on the one hand, to the boiler supply duct and, on the other hand at a recirculation duct opening into the bottom part of the hot water storage flask, while the boiler outlet duct and the draw duct open respectively in the central portion and in the upper part of the balloon.
  • This installation is regulated for example so that the water stored in the flask is kept permanently at a temperature of 65 ° C, which is generally suitable for the applications concerned.
  • this cold water is mixed with hot water from the lower part of the flask via the recirculation duct, and it is this mixture (of warm water) that the pump delivers to the water. boiler inlet.
  • hot sanitary water at a temperature of 65 ° C, remains stagnant in the pipework upstream of the balloon, including inside the boiler.
  • a limescale deposit is thus observed on the walls of the pipes of the installation as long as the temperature of the water remains higher than 40 ° C.
  • the sanitary cold water supply duct is provided with a second connector in "T", placed upstream of the first if we consider the direction of circulation of cold sanitary water;
  • the portion of the sanitary cold water supply conduit connecting the second and first connectors in "T" is equipped with a storage balloon whose capacity is significantly lower than that of the hot water storage tank;
  • the outlet duct of the heated water out of the boiler is equipped with a three-way valve which is connected by a by-pass duct to the second "T" connector, this valve being able to occupy selectively either a position, so-called primary, in which it communicates the boiler outlet with the central portion of the balloon, a position, said secondary in which it communicates the boiler outlet with the conduit by-pass.
  • the boiler is a gas or oil boiler
  • the boiler comprises a gas or oil burner adapted to heat water circulating in a tubular stainless steel winding which surrounds the burner;
  • the capacity of the storage balloon is approximately equal to the capacity of all the piping connected to the storage tank, downstream of the second "T" connector, that passing through the included boiler; the balloon is independent of the storage balloon and is situated outside of it; - The balloon is a compartment of the storage tank and is located in the lower part thereof;
  • valve is a solenoid valve
  • the installation comprises at least three temperature sensors able to measure the temperature of the water circulating therein, namely:
  • a sensor which captures the temperature inside the storage tank, in the lower portion thereof, but at a level above that at which said re-circulation duct opens;
  • - a sensor that captures the temperature at the outlet of the boiler; a sensor which captures the temperature inside the storage tank in the upper portion thereof, near the inlet of the draw-off duct;
  • the installation is equipped with a control and regulation circuit comprising a control unit able to control the running or stopping of the boiler and the pump and to control the valve according to temperature signals which are provided by these temperature sensors in accordance with a determined operating program.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating the control of the installation
  • FIG. 2 is a schematic view of the installation
  • Figures 3 to 6 are views similar to that of Figure 2 which mount different phases of a sequence of operation of the installation;
  • FIG. 7 shows a variant of the installation, wherein the balloon is integrated in the bottom of the storage tank.
  • a domestic hot water production facility connected, upstream side, on a cold water supply EFS, which may consist of a simple drinking water tap and downstream side, on a EFS domestic hot water outlet supplying one or more points of use (sink, washbasin, shower, bath, for example).
  • EFS cold water supply
  • a EFS domestic hot water outlet supplying one or more points of use (sink, washbasin, shower, bath, for example).
  • the installation comprises a boiler 1 provided with a burner 60 supplied with fuel mixture, for example a gas / air or oil / air mixture by means of a fan 6 with an adjustable flow rate.
  • fuel mixture for example a gas / air or oil / air mixture by means of a fan 6 with an adjustable flow rate.
  • the function of the installation is to heat the domestic cold water using this boiler, and to maintain the domestic hot water stored, at a given temperature, generally of the order of 65 ° C, in a storage tank. 2 with insulated wall, from where it can be drawn on demand to supply one or more point (s) of use.
  • the balloon 2 has a generally cylindrical shape, of vertical axis, with hemispherical end portions, and is supported on the ground by a base 20.
  • the burner 60 in the illustrated embodiment, is a cylindrical burner which is surrounded in a helical tubular coil 10 of stainless steel in which the water to be heated passes.
  • the assembly is housed in an envelope 11 provided with a flue gas exhaust duct and cooled (not shown), for example connected to a chimney leading to the outside of the house.
  • a flue gas exhaust duct and cooled (not shown), for example connected to a chimney leading to the outside of the house.
  • the hot gases generated at the surface of the burner pass through the interstices between turns of the winding in which the water to be radially heated circulates, from the inside to the outside, and communicate heat to this water, both by conduction and by condensation.
  • the burned and cooled gases are then evacuated via the sleeve.
  • the EFS sanitary cold water inlet into the installation is done by means of a duct 8 having a "T" connection 80 allowing the bifurcation of the water flow either in a duct 30 or in a duct 13. Conventionally, we will designate “second T-connector" this connection 80.
  • the conduit 30 has a portion 3 of substantially enlarged diameter, forming a storage balloon.
  • the duct 30 Downstream of the balloon 3, the duct 30 also has a "T" connector 90, which will be conventionally designated “first connector". T ". This authorizes the bifurcation of the flow of water either in a conduit 50, or in a conduit 9, called recirculation.
  • the conduit 9 opens through its outlet orifice 900 inside the balloon 2, in the lower part thereof.
  • the conduit 50 is provided with an electrically controlled pump 5 and is connected to the inlet of the tubular winding 10 of the boiler 1.
  • the output duct 40 of this tubular winding 10 is, in turn, provided with a three-way valve (solenoid valve) 4. On the latter are connected, on the one hand, the aforesaid conduit 13 from the second connector 80 and on the other hand, a conduit 12 which opens out through its outlet orifice 120 inside the balloon 2, in the middle part (approximately mid-height) thereof.
  • a three-way valve solenoid valve
  • the three-way valve 4 is adapted to be able to selectively connect the outlet duct 40 of the boiler, either with the duct 13, or with the duct 12.
  • the outlet duct of the domestic hot water ECS, or duct 7 spring through an inlet 70 in the upper part of the balloon 2.
  • a conventional purge system 21 In the lower part of the balloon 2 is mounted a conventional purge system 21.
  • This installation also comprises three temperature probes, namely one T 2 which captures the temperature of the water conveyed by the conduit 40, at the outlet of the boiler, another Ti which captures the temperature of the water present in the the lower portion of the balloon 2, at a level above the orifice 900 (but below the orifice 120) the one at which said re-circulation duct 9 opens and the third T3 which captures the temperature of the water present in the upper portion of the balloon 2 near the inlet 70 of the drawing duct 7.
  • the capacity (volumetric capacity) of the balloon 3 is substantially equal to that of the accumulated ducts 9, 50, 10, 40, 13, 12, and 30 (except balloon).
  • this capacity is about 16 1.
  • Figure 1 illustrates the control and automated management of the installation.
  • the installation comprises an electronic control unit UEC, in which predetermined operating instructions have been introduced by an operator (heating engineer and / or user). These include the optimal flow of the pump 5, the power implemented in the boiler 1, and the DHW outlet temperature of the DHW.
  • the UEC will be able to control, according to a given program, the start or stop and the flow rate of the pump 5, the start or stop of the boiler 1 and its power (function of the flow of the fan 6), and the change of state of the valve 4, this by implementing a process which will now be described with reference to Figures 3 to 6.
  • FIG. 3 is shown a drawing situation, by demand of a certain DHW water flow at a point of use.
  • Boiler 1 is on (fan 6 on and burner 60 on).
  • the valve 4 is thus oriented that the conduits 40 and 12 are in communication, while the conduit 13 is isolated.
  • the pump 5 is also running, and is set to provide sufficient flow for proper operation of the boiler, even for a low flow rate i 2 .
  • the flow rate of the pump 5 is independent of the flow rate.
  • a flow of hot water i 2 thus leaves the balloon through the upper orifice 70 of the balloon 2 and passes into the conduit 7.
  • an identical flow of cold water ii arrives in the installation via the conduit 8. It can not enter the conduit 13 whose other end is closed (valve 4 closed) and therefore enters completely into the conduit
  • This mixture is heated to a temperature of 65 ° C., controlled by the probe T 2 and is distributed in the central portion of the flask 2 via the conduit 12 (arrows j).
  • the UEC keeps the pump 5 and the boiler 1 running without changing the position of the valve 4.
  • the water present in the ducts is thus at a temperature too low for the limestone to be deposited on the walls of these ducts at the risk of scaling, in accordance with the desired objective.
  • the balloon 2 remains isolated and the hot water it contains remains at the set temperature, for example 65 ° C.
  • the UEC can be programmed so that in case of "small draws”, corresponding to low flow rates and / or short periods of demand for domestic hot water, the system remains in the previous state: boiler 1 off, pump 5 stopped and valve 4 in the bypass position.
  • the sanitary cold water flow entering via the duct 8 is the same as that of hot water leaving the tank 2 via the duct 7.
  • the incoming cold water passes through the conduit 30, expels the intermediate-temperature water which occupies this conduit, including the balloon 3, and the mixture is discharged through the bypass duct 9 at the base of the balloon 2.
  • the UEC controls the restarting of the boiler, and returns the installation to its initial operating state corresponding to that of Figure 2 previously described.
  • the balloon 3 occupies the internal volume of the hemispherical bottom cap of the balloon 2' and is separated from the internal volume of the latter by a horizontal partition 22.
  • the conduit 8 for supplying cold water opens directly into the tank 3 'via an outlet orifice 810.
  • the first "T” connector here designated 91, is positioned inside the storage tank 2 '. It comprises a vertical branch 910 which passes through the partition 22, while its horizontal branch, on one side, opens through a pipe 92 into the balloon 2 ', just above this partition 22; its other horizontal pipe connects to a bypass duct 93 connected to the pump 5.
  • the UEC first maintains the pump 5 and the boiler 1 in operation, without changing the position of the valve 4. A hot water stirring is then observed. , with a circulation in closed circuit, the going to the boiler being done by the ducts 93 and
  • the balloon 3 ' filled with cold water, remains isolated.
  • the probe T 2 regulates the power of the burner, which decreases as the temperature rises in the balloon 2 '.
  • the UEC controls the shutdown of the burner 60.
  • the cold water contained in the balloon 3 very quickly causes the cooling of the boiler winding 10, to achieve an intermediate final temperature, of the order of 35 to 40 ° C.
  • the UEC then controls, by a time delay, the stopping of the pump 5.
  • the water present in the ducts is thus at a temperature too low for the limestone to be deposited on the walls of these ducts at the risk of scaling, in accordance with the desired objective.
  • the flask 2 In the absence of drawing, the flask 2 'remains isolated and the hot water it contains remains at the set temperature, for example 65 ° C.
  • the UEC can be programmed so that in case of "small draws", corresponding to low flow rates and / or short periods of demand for domestic hot water, the system remains in the system. previous state (boiler off, pump off and valve in bypass position).
  • the sanitary cold water flow entering through the orifice 810 of the duct 8 is the same as that of hot water leaving the flask 2 through the orifice 70 of the duct 7.
  • the incoming cold water expels the intermediate-temperature water which occupies the balloon conduit 3 ', and the mixture is discharged through the tubes 910 and 92 of the connector 91 to be diffused at the base of the balloon 2.
  • the UEC commands the restarting of the boiler, and returns the installation to its normal initial operating state.

Abstract

L'installation comprend une chaudière (1), un ballon de stockage d'eau chaude (2 ), un conduit (8) d'amenée d'eau froide sanitaire, un conduit (7) de puisage d'eau chaude sanitaire; elle est remarquable en ce que le conduit (8) d'amenée d'eau froide est pourvu d'un connecteur en « T » (80), qui est branché par un conduit (30) pourvu d'un ballonnet de stockage (3) à un conduit de re-circulation reliant le ballon au conduit d'entrée (50), pourvu d'une pompe, de la chaudière (1), et en ce que le conduit de sortie (40) de la chaudière est équipé d'une vanne à trois voies (4) reliée par un conduit by-pass (13) à ce connecteur en « T » (80), cette vanne (4) pouvant occuper sélectivement soit une position dans laquelle elle fait communiquer la sortie de chaudière (40) avec la partie centrale du ballon (2), soit une position dans laquelle elle fait communiquer la sortie de chaudière (40) avec ce conduit by-pass (13). A l'arrêt de la chaudière, on peut expulser rapidement l'eau froide stockée dans le ballonnet (3) pour refroidir rapidement l'échangeur (1) et les tuyauteries et éviter ainsi les risques de dépôt de calcaire et d'entartrage de l'échangeur et des conduits.

Description

Installation de production d'eau chaude sanitaire
La présente invention concerne une installation de production d'eau chaude sanitaire.
Traditionnellement, une installation de production d'eau chaude sanitaire équipant une habitation, aussi bien individuelle que collective, comprend une chaudière et deux échangeurs, que l'on appellera l'un primaire, et l'autre secondaire.
La chaudière qui par exemple fonctionne au gaz ou au fioul sert à chauffer un premier liquide.
Avantageusement, il peut s'agir, dans le cas d'une installation dite « mixte », de l'eau circulant dans les radiateurs d'un système de chauffage central.
A cet effet, la chaudière est équipée de l'échangeur primaire, qui a pour fonction de transmettre une partie de la chaleur générée par les gaz brûlants issus de la combustion du brûleur équipant la chaudière.
Cette chaudière est par exemple du type à condensation, comprenant un (ou des) enroulement(s) tubulaire(s) hélicoïdal (aux), par exemple en acier inoxydable, entourant le brûleur, et dans lequel passe le premier liquide à chauffer.
Des échangeurs de ce genre sont décrits par exemple dans les documents de brevet EP-0678186 Bl, WO 2004/036121 Al et FR -A- 2896856.
Le premier liquide, qui circule en circuit fermé, peut être sélectionné et/ou traité, notamment déminéralisé et dégazé de telle sorte qu'il ne pose pas de problèmes liés à la corrosion et au dépôt de matières solides, notamment de calcaire -source de colmatages-, contre les parois du (des) tube(s) de l'échangeur primaire.
Ces problèmes potentiels résultent essentiellement du niveau très élevé des températures mises en œuvre A cet égard, et à simple titre indicatif, les gaz brûlés issus du brûleur ont par exemple une température de l'ordre de 950°C et le premier liquide, initialement à température ambiante, est chauffé à une température de l'ordre de 800C.
L'échangeur secondaire a pour fonction de transmettre de la chaleur du premier liquide ainsi chauffé au second liquide, en l'occurrence de l'eau sanitaire, que l'on puise dans le but d'alimenter à la demande un point d'utilisation tel qu'un évier, un lavabo, une douche et/ou une baignoire par exemple.
L'eau chaude sanitaire est stockée dans une enceinte à paroi calorifugée, usuellement appelée « ballon ».
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Un échangeur secondaire de ce genre est décrit par exemple dans le document de brevet FR -A-2847972.
Dans l' échangeur de chaleur secondaire, les températures mises en œuvre sont considérablement moins élevées que dans l'échangeur primaire, de sorte que le passage, à l'intérieur de cet échangeur, de l'eau sanitaire non préalablement traitée -c'est-à-dire de l'eau potable provenant du réseau de distribution public- ne pose pas, en principe, de problème critique de corrosion ni de dépôts de matière solides.
Il semble établi qu'une eau dite « dure », c'est-à-dire ayant une teneur en calcaire élevée, est sans danger pour le consommateur (même s'il est grand buveur d'eau) ; cependant elle pose des problèmes graves d'entartrage des canalisations à une température supérieure de l'ordre de 600C à 65°C environ. Au-dessous de 400C, le problème ne se pose plus. Entre ces deux seuils, le problème augmente avec la température. II devient critique à partir de 55°C environ.
Une telle installation comprenant une chaudière et deux échangeurs donne généralement satisfaction sur les plans du fonctionnement, de la fiabilité et de la longévité.
Elle présente cependant l'inconvénient d'un prix de revient élevé, puisqu'elle comporte deux échangeurs distincts.
Dans le but de résoudre cette difficulté, certains installateurs chauffagistes ont modifié le système en supprimant le second échangeur, et en faisant passer directement l'eau sanitaire à chauffer dans l'échangeur de la chaudière afin d'alimenter le ballon de stockage. Ainsi, une telle installation de production d'eau chaude sanitaire comprend une chaudière, un ballon de stockage d'eau chaude, un conduit d'amenée d'eau froide sanitaire, un conduit d'alimentation de la chaudière en eau à réchauffer pourvu d'une pompe apte à assurer la circulation de l'eau à chauffer vers la chaudière lorsqu'elle est mise en route et à interdire cette circulation lorsqu'elle est à l'arrêt, un conduit de puisage d'eau chaude sanitaire, un conduit de sortie de l'eau chauffée hors de la chaudière.
Plus précisément, ledit conduit d'amenée d'eau froide sanitaire est branché par l'intermédiaire d'un connecteur en « T », dit premier connecteur, d'une part, au conduit d'alimentation de chaudière et, d'autre part, à un conduit dit de re- circulation, débouchant dans la partie basse du ballon de stockage d'eau chaude, tandis que le conduit de sortie de chaudière et le conduit de puisage débouchent respectivement dans la partie centrale et dans la partie supérieure de ce ballon.
Cette installation est régulée par exemple de telle façon que l'eau stockée dans le ballon soit maintenue en permanence à une température voisine de 65°C, ce qui convient généralement pour les applications concernées.
En l'absence de puisage, le système est à l'arrêt, chaudière et pompe arrêtées.
Lorsque de l'eau chaude sanitaire est demandée, un certain débit quitte le ballon par sa partie supérieure de ce ballon et est acheminé vers le point d'utilisation via le conduit de puisage.
Ceci provoque la mise en route de la pompe et de la chaudière et un débit identique d'eau froide sanitaire alimente l'installation afin de compenser le puisage. Au niveau du premier connecteur, cette eau froide est mélangée à de l'eau chaude provenant de la partie basse du ballon via le conduit de re-circulation, et c'est ce mélange (d'eau tiède) que la pompe refoule à l'entrée de la chaudière.
Ceci permet d'obtenir un fonctionnement dans des gammes de débit et de température correctes de la pompe et de la chaudière, même si le débit de puisage est faible ou, au contraire, très élevé.
Une difficulté importante est rencontrée lorsque, l'eau sanitaire étant chargée en calcaire, le puisage s'arrête. La chaudière et la pompe sont alors stoppées par le système de commande et de régulation.
Par conséquent, de l'eau sanitaire chaude, à une température voisine de 65°C, reste stagner dans la tuyauterie située en amont du ballon, y compris à l'intérieur de la chaudière. La descente en température de cette eau, en l'absence de dispositif spécifique, est lente. On observe donc un dépôt de calcaire sur les parois des tubulures de l'installation tant que la température de l'eau demeure supérieure à 400C environ.
Ce phénomène, réitéré à chaque puisage, peut entraîner assez rapidement l'entartrage et la mise hors service de l'échangeur équipant la chaudière. Un autre inconvénient rencontré avec cette installation connue se situe dans le fait que l'énergie dissipée au cours du refroidissement de l'eau stagnant dans la tuyauterie, y compris dans l'échangeur, jusqu'au puisage suivant, est définitivement perdue, ce qui affecte le rendement énergétique global de l'installation. La présente invention vise à pallier ces difficultés en proposant, au sein d'une installation du type ci-dessus mentionné, à la fois d'éliminer -ou à tout le moins de réduire considérablement- le risque d'entartrage de ses tuyauteries tout en limitant notablement les pertes d'énergie qui interviennent normalement entre des puisages successifs.
Ces objectifs sont atteints, conformément à l'invention, grâce au fait que :
- le conduit d'amenée d'eau froide sanitaire est pourvu d'un second connecteur en « T », placé en amont du premier si on considère le sens de circulation de l'eau froide sanitaire ;
- la portion du conduit d'amenée d'eau froide sanitaire qui relie les second et premier connecteurs en « T » est équipée d'un ballonnet de stockage dont la capacité est notablement inférieure à celle du ballon de stockage d'eau chaude;
- le conduit de sortie de l'eau chauffée hors de la chaudière est équipé d'une vanne à trois voies qui est reliée par un conduit by-pass au second connecteur en « T », cette vanne pouvant occuper sélectivement soit une position, dite primaire, dans laquelle elle fait communiquer la sortie de chaudière avec la partie centrale du ballon, soit une position, dite secondaire dans laquelle elle fait communiquer la sortie de chaudière avec ce conduit by-pass.
Comme on le verra plus loin en détail, il est possible, grâce à cet agencement, de refroidir très rapidement et efficacement la tuyauterie située en amont du ballon, en deçà de 400C environ, par mise en circulation de l'eau froide présente dans le ballonnet lorsque cesse le puisage, ce qui prévient le risque de dépôt de calcaire.
Dans le même temps, on observe un « tiédissement » global de l'eau présente dans cette tuyauterie, qui reste en attente du puisage suivant à une température moyenne, ce qui limite grandement les déperditions de chaleur.
Par ailleurs, selon un certain nombre de caractéristiques additionnelles, non limitatives de l'invention:
- la chaudière est une chaudière à gaz ou à fioul ;
- la chaudière comporte un brûleur à gaz ou à fioul apte à chauffer de l'eau circulant dans un enroulement tubulaire en acier inoxydable qui entoure le brûleur ;
- la capacité du ballonnet de stockage est approximativement égale à la capacité de l'ensemble de la tuyauterie connectée au ballon de stockage, en aval du second connecteur en « T », celle traversant la chaudière incluse ; - le ballonnet est indépendant du ballon de stockage et est situé à l'extérieur de celui-ci ; - le ballonnet constitue un compartiment du ballon de stockage et est situé dans la partie inférieure de celui-ci ;
- ladite vanne est une électrovanne ;
- l'installation comporte au moins trois capteurs de température aptes à mesurer la température de l'eau qui y circule, à savoir :
- un capteur qui capte la température à l'intérieur du ballon de stockage, dans la portion basse de celui-ci, mais à un niveau au-dessus de celui auquel débouche ledit conduit de re-circulation;
- un capteur qui capte la température à la sortie de la chaudière; - un capteur qui capte la température à l'intérieur du ballon de stockage dans la portion supérieure de celui-ci, à proximité de l'entrée du conduit de puisage ;
- l'installation est équipée d'un circuit de commande et de régulation comprenant une unité de contrôle apte à piloter la marche ou l'arrêt de la chaudière et de la pompe et à commander la vanne en fonction de signaux de température qui lui sont fournis par ces capteurs de température conformément à un programme de fonctionnement déterminé.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention. Cette description est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma bloc illustrant la commande de l'installation ;
- la figure 2 est une vue schématique de l'installation ;
- les figures 3 à 6 sont des vues similaires de celle de la figure 2 qui montent différentes phases d'une séquence de fonctionnement de l'installation ;
- la figure 7 représente une variante de l'installation, dans laquelle le ballonnet est intégré dans le bas du ballon de stockage.
En référence à la figure 2, est représentée une installation de production d'eau chaude sanitaire branchée, côté amont, sur une arrivée d'eau froide sanitaire EFS, pouvant consister en un simple robinet d'eau potable et, côté aval, sur une sortie d'eau chaude sanitaire EFS qui approvisionne un ou plusieurs points d'utilisation (évier, lavabo, douche, baignoire, par exemple).
L'installation comporte une chaudière 1 pourvue d'un brûleur 60 alimenté en mélange combustible, par exemple un mélange gaz/air ou fioul/air au moyen d'un ventilateur 6 à débit réglable. La fonction de l'installation est de chauffer l'eau froide sanitaire au moyen de cette chaudière, et de maintenir l'eau chaude sanitaire stockée, à une température donnée, généralement de l'ordre de 65°C, dans un ballon de stockage 2 à paroi calorifugée, d'où elle peut être puisée à la demande afin d'alimenter un ou plusieurs point(s) d'utilisation.
De manière usuelle, le ballon 2 a une forme générale cylindrique, d'axe vertical, à portions d'extrémité hémisphériques, et est supporté au sol par un piétement 20.
Le brûleur 60, dans le mode de réalisation illustré, est un brûleur cylindrique qui est entouré dans un enroulement tubulaire hélicoïdal 10 en acier inoxydable dans lequel passe l'eau à chauffer.
L'ensemble est logé dans une enveloppe 11 munie d'une manchette d'évacuation des gaz brûlés et refroidis (non représentée), connectée par exemple à un conduit de cheminée donnant à l'extérieur de l'habitation. En fonctionnement, lorsque le brûleur est allumé et le ventilateur en marche, les gaz brûlants générés en surface du brûleur traversent les interstices inter spires de l'enroulement dans lequel circule l'eau à chauffer radialement, de l'intérieur vers l'extérieur, et communiquent de la chaleur à cette eau, à la fois par conduction et par condensation. Les gaz brûlés et refroidis sont ensuite évacués via la manchette.
Ce type d'appareil de chauffage à condensation est bien connu et ne sera pas décrit en détail ici afin de ne pas alourdir inutilement la présente description.
Au besoin, on pourra se reporter utilement aux documents de brevet EP-0678186 Bl, WO 2004/036121 Al ou FR -A- 2896856 mentionnés dans le préambule.
L'arrivée d'eau froide sanitaire EFS dans l'installation se fait au moyen d'un conduit 8 présentant un raccord en « T » 80 autorisant la bifurcation du flux d'eau soit dans un conduit 30, soit dans un conduit 13. Conventionnellement, on désignera « second connecteur en T » ce raccord 80.
Le conduit 30 possède une portion 3 de diamètre notablement élargi, formant ballonnet de stockage.
En aval du ballonnet 3, le conduit 30 présente également un raccord en « T » 90, que l'on on désignera conventionnellement « premier connecteur en T ». Celui-ci autorise la bifurcation du flux d'eau soit dans un conduit 50, soit dans un conduit 9, dit de re-circulation.
Le conduit 9 débouche par son orifice de sortie 900 à l'intérieur du ballon 2, dans partie inférieure de celui-ci. Le conduit 50 est pourvu d'une pompe 5 à commande électrique et est connecté à l'entrée de l'enroulement tubulaire 10 de la chaudière 1.
Le conduit de sortie 40 de cet enroulement tubulaire 10 est, quant à lui, pourvu d'une vanne à trois voies (électrovanne) 4. Sur cette dernière sont raccordés, d'une part, le conduit 13 précité provenant du second connecteur 80 et, d'autre part, un conduit 12 qui débouche par son orifice de sortie 120 à l'intérieur du ballon 2, dans la partie médiane (approximativement à mi hauteur) de celui-ci.
La vanne à trois voies 4 est adaptée pour pouvoir relier sélectivement le conduit de sortie 40 de la chaudière, soit avec le conduit 13, soit avec le conduit 12. Le conduit de sortie de l'eau chaude sanitaire ECS, ou conduit de puisage 7, ressort par un orifice d'entrée 70 en partie supérieure du ballon 2.
En partie inférieure du ballon 2 est monté un système de purge classique 21.
Cette installation comporte en outre trois sondes de température, à savoir l'une T2 qui capte la température de l'eau véhiculée par le conduit 40, en sortie de la chaudière, une autre Ti qui capte la température de l'eau présente dans la portion basse du ballon 2, à un niveau situé au-dessus de l'orifice 900 (mais en dessous de l'orifice 120) celui auquel débouche ledit conduit de re-circulation 9 et la troisième T3 qui capte la température de l'eau présente dans la portion supérieure du ballon 2 à proximité de l'entrée 70 du conduit de puisage 7.
Selon une caractéristique intéressante de l'invention, la capacité (contenance volumétrique) du ballonnet 3 est sensiblement égale à celle cumulée des conduits 9, 50, 10, 40, 13, 12, et 30 (hors ballonnet).
A titre indicatif, pour une chaudière de puissance 50 KW, et un ballon 2 ayant une capacité de 200 1, cette capacité est de 16 1 environ.
La figure 1 illustre le contrôle et la gestion automatisée de l'installation.
L'installation comporte une unité de contrôle électronique UEC, dans laquelle des consignes de fonctionnement prédéterminées ont été introduites par un opérateur (chauffagiste et/ou utilisateur). Ce sont notamment le débit optimal de la pompe 5, la puissance mise en œuvre dans la chaudière 1, et la température de consigne de sortie de l'eau chaude sanitaire ECS.
En fonction des valeurs de température mesurées par les capteurs Ti, T2 et T3, l'UEC va pouvoir commander selon un programme donné la marche ou l'arrêt et le débit de la pompe 5, la marche ou l'arrêt de la chaudière 1 et sa puissance (fonction du débit du ventilateur 6), ainsi que le changement d'état de la vanne 4, ceci par mise en œuvre d'un processus qui va maintenant être décrit en référence aux figures 3 à 6.
En référence à la figure 3 est représentée une situation de puisage, par demande d'un certain débit d'eau sanitaire ECS en un point d'utilisation.
La chaudière 1 est en marche (ventilateur 6 en route et brûleur 60 allumé). La vanne 4 est ainsi orientée que les conduits 40 et 12 sont en communication, tandis que le conduit 13 est isolé.
La pompe 5 est également en marche, et est réglée pour fournir un débit suffisant pour un bon fonctionnement de la chaudière, même pour un faible débit de puisage i2 . En pratique, le débit de la pompe 5 est indépendant du débit de puisage.
Un débit d'eau chaude i2 quitte donc le ballon par l'orifice supérieur 70 du ballon 2 et passe dans le conduit 7. Pour le compenser, un débit identique d'eau froide ii (par exemple à température de 15°C environ) arrive dans l'installation par le conduit 8. Il ne peut pénétrer dans le conduit 13 dont l'autre extrémité est obturée (vanne 4 fermée) et entre donc intégralement dans le conduit
30 et le ballonnet 3, pour en ressortir via le premier connecteur 90, et alimenter la pompe 5. Il se trouve alors mélangé à un débit 13, qui sort de la base du ballon 2 par le conduit de re-circulation 9.
C'est donc au total un mélange d'eau froide (par exemple à 15°C environ) et d'eau chaude (par exemple à 65°C environ) qui est refoulé par la pompe 5 vers la chaudière 1, avec un débit j = ii + i3.
Ce mélange est chauffé à une température de 65°C, contrôlé par la sonde T2 et est distribué dans la portion centrale du ballon 2 par le conduit 12 (flèches j).
Cette eau chaude se répartit à l'intérieur du ballon de stockage 2 en y assurant un certain brassage et une homogénéisation de la température du fait qu'une fraction i2 en ressort par le haut et une autre 13, en ressort par le bas. En référence à la figure 4 est représentée une situation d'arrêt du puisage le conduit 7 étant supposé fermé (ce qui est symbolisé par le signe x sur la figure). Il n'y a donc pas de demande d'appoint d'eau froide dans le circuit, de sorte que le conduit d'arrivée 8 se trouve à la pression du réseau d'eau froide sanitaire.
Dans un premier temps qui, en pratique, peut correspondre à quelques secondes, l'UEC maintient la pompe 5 et la chaudière 1 en marche, sans modifier la position de la vanne 4.
Dans ces conditions, on observe un brassage de l'eau chaude, avec une mise en circulation en circuit fermé d'un débit k de l'eau du ballon 2, l'aller à la chaudière se faisant par les conduits 9 et 50, et le retour au ballon par les conduits 40 et 12. Le ballonnet 3, rempli d'eau froide, reste isolé. La sonde T2 régule la puissance du brûleur, qui diminue au fur et à mesure que la température monte dans le ballon 2. Lorsque l'ensemble du ballon est à la température voulue, mesurée par les sondes Ti et T3, l'UEC commande l'arrêt du brûleur 60.
A ce moment, s'opère le basculement de la vanne 4 dans la position illustrée sur la figure 5. La pompe 5 est maintenue en marche.
On observe alors une circulation d'eau en circuit fermé, symbolisé par les flèches 1 sur la figure 5 du ballonnet 3 vers la chaudière (éteinte) 1 via la pompe 5 et le conduit 50 et un retour au ballonnet via le conduit 40, la vanne à trois voies 4 et le conduit de by-pass 13. Grâce à cet arrangement, l'eau froide contenue dans le ballonnet 3 provoque très rapidement le refroidissement de l'enroulement de chaudière 10, et le mélange de l'eau froide fournie par le ballonnet 3 avec la dose d'eau chaude -de volume sensiblement équivalent- qui se trouvait dans la tuyauterie mise en œuvre ici aboutit à une température finale intermédiaire, de l'ordre de 35 à 400C. Enfin, grâce à une temporisation appropriée, l'UEC commande l'arrêt de la pompe 5.
L'eau présente dans les conduits se trouve ainsi à une température trop basse pour que le calcaire ne se dépose sur les parois de ces conduits au risque de les entartrer, conformément à l'objectif recherché. En l'absence de puisage, le ballon 2 demeure isolé et l'eau chaude qu'il contient demeure à la température de consigne, par exemple de 65°C.
L'UEC peut être programmée pour qu'en cas de « petits puisages », correspondant à de faibles débits et/ou de courtes durées de demande d'eau chaude sanitaire, le système demeure dans l'état précédent : chaudière 1 éteinte, pompe 5 arrêtée et vanne 4 en position de by-pass.
Cette situation est illustrée sur la figure 6. En cas de petits puisages, il n'est pas opportun que la chaudière se mette en route dès lors que la réserve d'eau chaude disponible dans le ballon 2 est suffisante pour les satisfaire. Ceci évite notamment des phases d'arrêt/démarrage susceptibles de nuire à la durée de vie de l'installation, et les déperditions d'énergie liées aux fonctionnements de la chaudière sur des périodes brèves.
Dans cette configuration, le débit d'eau froide sanitaire m entrant par le conduit 8 est le même que celui d'eau chaude quittant le ballon 2 par le conduit 7.
Dans un premier temps, l'eau froide entrante passe dans le conduit 30, chasse l'eau à température intermédiaire qui occupe ce conduit, y compris dans le ballonnet 3, et le mélange est refoulé par le conduit de dérivation 9 à la base du ballon 2.
Une grande partie de la chaleur récupérée à l'étape précédente est donc ainsi transférée du ballonnet 3 au ballon 2, ce qui est favorable pour le bilan énergétique global.
Si les « petits puisages » se poursuivent, soit en continu, soit au coup par coup, c'est finalement de l'eau froide qui arrive à la base du ballon 2. Cependant, on observe à l'intérieur de celui-ci une transition relativement franche de température entre le volume inférieur (à basse température) et le volume supérieur (à haute température) de l'eau présente dans le ballon. Le niveau de cette zone transitoire monte petit à petit en fonction du volume puisé, et finit par atteindre le niveau de la sonde Ti.
En deçà d'une valeur seuil déterminée de la température à ce niveau, l'UEC commande la remise en route de la chaudière, et ramène l'installation dans son état de fonctionnement initial correspondant à celui de la figure 2 précédemment décrit.
Sur la variante d'installation conforme à l'invention qui est représentée sur la figure 7, on a fait usage des mêmes signes de référence que sur les figures précédentes pour désigner des éléments identiques ou similaires. Ce mode de réalisation se distingue essentiellement du précédent en ce que le ballonnet de stockage - ici désigné 3'- n'est pas ici séparé du ballon de stockage - ici désigné T-, mais en forme partie intégrante.
Plus précisément, le ballonnet 3' occupe le volume interne de la calotte de fond hémisphérique du ballon 2' et est séparé du volume intérieur de ce dernier par une cloison horizontale 22. Le conduit 8 d'amenée d'eau froide débouche directement dans le ballon 3' par un orifice de sortie 810.
Le premier connecteur en « T », ici désigné 91, est positionné à l'intérieur du ballon de stockage 2'. II comprend une branche verticale 910 qui traverse la cloison 22, tandis que sa branche horizontale, d'un côté, débouche par une tubulure 92 dans le ballon 2', juste au dessus de cette cloison 22 ; son autre tubulure horizontale se raccorde à un conduit de dérivation 93 relié à la pompe 5.
Cette installation fonctionne de la même façon que celle précédemment décrite.
En cas de puisage normal d'eau chaude sanitaire, chaudière 1 et pompe 5 en marche, avec vanne 4 faisant communiquer les conduits 40 et 12, l'eau froide sanitaire rentre par le conduit 8 dans le compartiment 3' constitutif du ballonnet de stockage, en ressort par la tubulure 910, est mélangé à de l'eau chaude provenant du ballon 2' par la tubulure 92, et ce mélange est refoulé vers la chaudière par les conduits 93 et 50 au moyen de la pompe 5. L'eau chauffée par la chaudière 1 revient dans le ballon pat les conduits 40 et 12 via la vanne 4.
En cas d'arrêt du puisage d'eau chaude sanitaire, dans un premier temps l'UEC maintient la pompe 5 et la chaudière 1 en marche, sans modifier la position de la vanne 4. On observe alors un brassage de l'eau chaude, avec une mise en circulation en circuit fermé, l'aller à la chaudière se faisant par les conduits 93 et
50, et le retour au ballon par les conduits 40 et 12. Le ballonnet 3', rempli d'eau froide, reste isolé. La sonde T2 régule la puissance du brûleur, qui diminue au fur et à mesure que la température monte dans le ballon 2'. Lorsque l'ensemble du ballon est à la température voulue, mesurée par les sondes Ti et T3, l'UEC commande l'arrêt du brûleur 60.
A ce moment, s'opère le basculement de la vanne 4 dans la position faisant communiquer les conduits 40 et 13, la pompe 5 étant maintenue en marche.
On observe alors une circulation d'eau en circuit fermé, du ballonnet 3' vers la chaudière (éteinte) 1 via la tubulure 910, le conduit 93, la pompe 5 et le conduit 50, puis un retour au ballonnet 3' via le conduit 40, la vanne à trois voies 4, le conduit de by-pass 13, et le conduit 8.
Grâce à cet arrangement, l'eau froide contenue dans le ballonnet 3' provoque très rapidement le refroidissement de l'enroulement de chaudière 10, pour aboutir à une température finale intermédiaire, de l'ordre de 35 à 400C. L'UEC commande ensuite, par une temporisation, l'arrêt de la pompe 5.
L'eau présente dans les conduits se trouve ainsi à une température trop basse pour que le calcaire ne se dépose sur les parois de ces conduits au risque de les entartrer, conformément à l'objectif recherché.
En l'absence de puisage, le ballon 2' demeure isolé et l'eau chaude qu'il contient demeure à la température de consigne, par exemple de 65°C.
Comme dans le premier mode de réalisation, l'UEC peut être programmée pour qu'en cas de « petits puisages », correspondant à de faibles débits et/ou de courtes durées de demande d'eau chaude sanitaire, le système demeure dans l'état précédent (chaudière éteinte, pompe arrêtée et vanne en position de by- pass).
Ceci évite l'apparition de phases d'arrêt/démarrage intempestives pour les « petits puisages ». Dans cette configuration, le débit d'eau froide sanitaire entrant par l'orifice 810 du conduit 8 est le même que celui d'eau chaude quittant le ballon 2 par l'orifice 70 du conduit 7.
Dans un premier temps, l'eau froide entrante chasse l'eau à température intermédiaire qui occupe le conduit ballonnet 3', et le mélange est refoulé par les tubulures 910 et 92 du connecteur 91 pour être diffusé à la base du ballon 2.
Les petits puisages se poursuivant, soit en continu, c'est finalement de l'eau froide qui arrive à la base du ballon 2, avec une transition relativement franche de température entre le volume inférieur (à basse température) et le volume supérieur (à haute température) de l'eau présente dans le ballon. Le niveau de cette zone transitoire monte petit à petit en fonction du volume puisé, et finit par atteindre le niveau de la sonde Ti.
En deçà d'une valeur seuil déterminée de la température à ce niveau, l'UEC commande la remise en route de la chaudière, et ramène l'installation dans son état de fonctionnement initial normal.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation de production d'eau chaude sanitaire, qui comprend une chaudière (1), un ballon de stockage d'eau chaude (2 ; 2'), un conduit (8) d'amenée d'eau froide sanitaire (EFS), un conduit (50) d'alimentation de la chaudière en eau à réchauffer pourvu d'une pompe (4) apte à assurer la circulation de l'eau à chauffer vers la chaudière lorsqu'elle est mise en route et à interdire cette circulation lorsqu'elle est à l'arrêt un conduit (7) de puisage d'eau chaude sanitaire (ECS), un conduit (40, 12) de sortie de l'eau chauffée hors de la chaudière (1), installation dans laquelle ledit conduit (8) d'amenée d'eau froide sanitaire (EFS) est branché par l'intermédiaire d'un connecteur en « T » (90 ; 91), dit premier connecteur, d'une part, au conduit d'alimentation de chaudière (50) et, d'autre part, à un conduit (9 ; 92), dit de re-circulation, débouchant dans la partie basse du ballon de stockage d'eau chaude (2 ; T), tandis que le conduit de sortie de chaudière (40, 12) et le conduit de puisage (7) débouchent respectivement dans la partie centrale et dans la partie supérieure de ce ballon (2 ; T), caractérisée par le fait que :
- le conduit (8) d'amenée d'eau froide sanitaire (EFS) est pourvu d'un second connecteur en « T » (80), placé en amont du premier (90) si on considère le sens de circulation de l'eau froide sanitaire (EFS) ;
- la portion (30) du conduit d'amenée (8) d'eau froide sanitaire (EFS) qui relie les second et premier connecteurs en « T » (80 ; 90) est équipée d'un ballonnet de stockage (3 ; 3') dont la capacité est notablement inférieure à celle du ballon de stockage d'eau chaude (2 ; T) ;
- le conduit de sortie de l'eau chauffée hors de la chaudière est équipé d'une vanne à trois voies (4) qui est reliée par un conduit by-pass (13) au second connecteur en « T » (80), cette vanne (4) pouvant occuper sélectivement soit une position, dite primaire, dans laquelle elle fait communiquer la sortie de chaudière (40) avec la partie centrale du ballon (2 ; T), soit une position, dite secondaire dans laquelle elle fait communiquer la sortie de chaudière (40) avec ce conduit by-pass (13).
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la chaudière (1) est une chaudière à gaz ou à fioul.
3. Installation selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la chaudière (1) comporte un brûleur (60) à gaz ou à fioul apte à chauffer de l'eau circulant dans un enroulement tubulaire (10) en acier inoxydable qui entoure le brûleur (60).
4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que la capacité du ballonnet de stockage (3 ; 3') est approximativement égale à la capacité de l'ensemble de la tuyauterie alimentant le ballon de stockage (2 ; 2'), en aval du second connecteur en « T » 80, celle traversant la chaudière (1) incluse.
5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que ledit ballonnet (3) est indépendant dudit ballon de stockage (2) et est situé à l'extérieur de celui-ci.
6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que ledit ballonnet (3') constitue un compartiment dudit ballon de stockage (2') et est situé dans la partie inférieure de celui-ci.
7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que ladite vanne (4) est une électrovanne.
8. Installation selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'elle comporte au moins trois capteurs de température aptes à mesurer la température de l'eau qui y circule, à savoir :
- un capteur (Ti) qui capte la température à l'intérieur du ballon de stockage (2 ; 2') dans la portion basse de celui-ci, mais à un niveau au-dessus de celui auquel débouche ledit conduit de re-circulation (9 ; 92) ;
- un capteur (T2) qui capte la température à la sortie de la chaudière
(i) ;
- un capteur (T3) qui capte la température à l'intérieur du ballon de stockage (2 ; 2') dans la portion supérieure de celui-ci, à proximité de l'entrée (70) du conduit de puisage (7).
9. Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait qu'elle est équipée d'un circuit de commande et de régulation comprenant une unité de contrôle (UEC) apte à piloter la marche ou l'arrêt de la chaudière (1) et de la pompe (5) et à commander la vanne (5) en fonction de signaux de température qui lui sont fournis par les capteurs de température (Ti, T2, T3) conformément à un programme de fonctionnement déterminé.
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