Brevet FR2455253A1 — publié le 19801121

L'invention concerne une machine autonome à absorption pour la réfrigération et/ou le chauffage. Un cycle thermodynamique à absorption avec fluides fait évoluer en circuit fermé un mélange de deux constituants, dont l'un, le fluide dit frigorigène, passe en grande partie en phase vapeur, alors que l'autre, dit solvant, reste partout pratiquement en phase liquide. rois sources thermiques extérieures, au moins, à des niveaux de température différents, sont indispensables pour constituer ces cycles : elles seront nommées respectivement source chaude, source intermédiaire et source froide d'après leur niveau de température. Dans un cycle continu (aoD alternatif), quatre appareils effectuent usuellement les échanges thermiques entre les fluides qui circulent et les sources thermiques extérieures. Le bouilleur, à la haute pression, reçoit la chaleur de la source chaude qui peut entre un système de captatif, solaire, un flux chaud (effluents .iadustriels, eau géothermale..) ou une enceinte de combustion. Dans le bouilleur arrive une solution riche en frigorigène et il en sort, d'une part, une vapeur à haute teneur en fluide frigorigène, d'autre part une solution appauvrie. Â la sortie du bouilleur on peut éventuellement adjoinre un rectifieur qui a pour r81e de relever la teneur de la vapeur en fluide frigorigène. Cet appareil peut entre thermiquement isolé ou au contraire fonctionner avec des échanges thermiques internes (avec les fluides du cycle) ou externes (avec les sources extérieures). Le condenseur, également à haute pression, est refroidi à moyenne température par la source intermédiaire pour condenser la vapeur frigorigène. L'évaporateur qui suit évapore à basse pression le fluide frigorigène en prélevant de la chaleur à la source froide. Enfin l'absorbeur reconstitue à basse pression la solution riche à partir de la solution pauvre et du fluide frigorigène évaporé et il évacue de la chaleur à la source intermédiaire. ED outre, ces systèmes peuvent comporter divers échangeur de chaleur internes (c'est-à-dire entre les différents courants des fluides du cycle). Dans le cas de la réfrigération, l'effet recherché est l'extraction de chaleur (la production de froid) par l'évaporateur. L'ensemble fonctionne par injection de chaleur au bouilleur et la chaleur rejetée par le condenseur et l'absorbeur doit être évacuée par un courant d'eau ou un réfrigérant atmosphérique. Dans le cas d'application au chauffage, la chaleur utilisée par le circuit de chauffage est celle que cèdent le condenseur et l'absorbeur. Cette énergie provient de l'évaporateur qui refroidit un milieu à basse température, par exemple l'atmosphères et dubouilleur qui reçoit l'énergie de la source chaude. Bien entendu il existe aussi des applications mixtes où s'utilisent à la fois le froid produit par l'évaporateur et la chaleur cédée à la source intermédiaire. Dans les machines dont on vient de rappeler les bases classiques, une pompe mécanique est nécessaire pour aspirer la solution riche à la sortie de l-'absorbeur et pour la renvoyer sous pression au bouilleur. Surtout quand les échanges externes s'effectuent avec des gaz, l'atmosphère en particulier, il peut être économique d'organiser la circulation forcée des gaz, ce qui exige l'entratnement mécanique de ventilateurs. Un dispositif de captation solaire qui peut constituer la source chaude doit le plus souvent être muni d'une circulation forcée du fluide caloporteur. Ces besoins variés en énergie noble font qu'on ne peut pas réaliser des machines mécaniquement au tonomes.et qu'il faut faire appel soit à un réseau électrique, soit à un moteur thermique. Le but de l'invention est de proposer une telle machine pouvant fonctionner de façon mécaniquement autonome. Ce but est atteint, selon l'invention, dans une machine à absorption pour la réfrigération et/ou le chauffage comportant : - un bouilleur chauffé pour la production de la vapeur et d'une solution pauvre à partir d'une solution riches - un condenseur recevant une partie de la vapeur du bouilleur et la condensant à température intermédiaire par échange avec le milieu extérieur, - un détendeur du condensat précédemment obtenu, - un évaporateur comportant des moyens d1échan- ge thermique avec le milieu extérieur et réévaporant le condensat, - un absorbeur recevant la vapeur provenant de l'évaporateur et la solution pauvre en provenance du bouilleur à travers un détendeur, - une pompe de circulation renvoyant au bouilleur la solution riche reconstituée au sein de l'absorbeur , par le fait qu'elle comporte un moteur de détente alimenté en vapeur sous pression à partir du bouilleur. Ce moteur détend le fluide frigorigène de la haute pression du bouilleur à une basse pression égale ou supérieure à celle de l'absorbeur. Suivant le débit et les pressions en jeu, cette opération peut s'effectuer dans un moteur volumétrique (type à vis, à palettes, etc...) ou dans une turbine. L'arbre de ce moteur entraîne plus ou moins directement les pompes et ventilateurs utiles. Un dimensionnement convenable des organes peut d'ailleurs dégager un excédent d'énergie mécanique : celui-ci peut faire tourner un générateur électrique dont la production peut alimenter en particulier un dispositif de régulation. De cette façon on obtient l'autonomie recherchée. Par exemple pour une installation solaire, il ne sera plus nécessaire d'avoir une source distincte d'énergie pour actionner la pompe de recirculation ou les autres auxiliaires mécaniques, tels que commandes de vannes, registres, etc.. Selon divers modes de réalisations possibles, l'échappement de vapeur détendue dans le moteur peut être dirigé sur 1'absorbeur, sur le condenseur ou encore sur l'évapora- teur. I1 est avantageux que la machine comporte, comme il est connu en soi, un rectifieur inséré entre le bouilleur et le condenseur et/ou le moteur de détente à échappement dirigé sur le condenseur. En ce cas, il est possible de prélever la vapeur sous pression pour l'alimentation du moteur à un ou plusieurs niveaux du rectifieur. Selon un mode de réalisation, la machine com porte un surchauffeur de la vapeur admise au moteur. Si le moteur de détente est un moteur de déten te de la vapeur en paliers successifs de pressions, il est avantageux que la machine comprenne des moyens de resurchauffe du fluide sur au moins un palier de pression. Les figures 1 à 4 représentent quatre schémas fonctionnels de machines selon l'invention. La figure 1 représente le schéma fonctionnel d'un premier mode de réalisation de l'invention. Un bouilleur 1 pour un mélange eau-ammoniac est raccordé par une canalisa tion 21 à un rectifieur 8 qui relève la teneur en vapeur frigorigène et renvoie en 22 la solution appauvrie vers le bouil leur 1. Le rectifieur 8 fonctionne comme échangeur avec le liquide riche recyclé par la pompe 6 dans la boucle 29 de réa limentation du bouilleur 1. La vapeur riche passe ensuite, par la canalisation 23, au condenseur 2 refroidi à moyenne température par l'atmosphère ou un circuit d'eau. La vapeur est alors envoyée au détendeur 3 par la canalisation 25 traversant un échangeur 10 disposé, par ailleurs, sur la sortie 26 d'un évaporateur 4 qui suit le détendeur 3.En sortant de l'échan geur 10, la vapeur détendue est amenée par la canalisation 27 à un absorbeur 5, ou est amenée, par ailleurs de la solution pauvre du bouilleur I à travers un détendeur 9 après passage dans l'échangeur Il également inséré sur la boucle 29 en aval de la pompe 6 et de l'échangeur 8, comme il a été dit. Selon l'invention, une canalisation 24 de vapeur riche en provenance du bouilleur I alimente un moteur 7, d'où, après détente, la vapeur s'échappe par la canalisation 30 jusqu'a l'absorbeur 5, où la solution riche est reconstituée avant recyclage. L'installation donnée en exemple a été déterminée pour fournir une puissance frigorifique de 27000 frigories/ heure (31,4 kw). Le bouilleur 1, à 20 bars, reçoit de la source chaude 159 kW à une température qui ne dépasse pas 1500C. Les teneurs en ammoniac de la vapeur à la sortie et du liquide pauvre sont respectivement 0,78 et 0,224. Recevant une partie (2/3) de la vapeur sortant du bouilleur, le rectifieur 8 produit par échange thermique avec la solution riche de la vapeur à 5900 et de teneur 0,998 en ammoniac. Celle-ci est envoyée dans le condenseur 2 qui évacue vers l'atmosphère 30 kW jusqu'à une température de 49 C. Le fluide condensé traverse ensuite l'échangeur thermique 10 qui transfère 4,7 kW de chaleur vers le fluide sortant de I'éva- porateur 4, puis le détendeur 3 qui fait chuter la pression à 2 bars. Le fluide frigorigène détendu alimente l'évaporateur 4 qui prend à la chambre froide 31,ru kW à une température inférieure à -160C. Par ailleurs, le liquide pauvre produit par le bouilleur est refroidi dans l'échangeur 11 en cédant 172 kW à la solution riche, puis envoyé à l'absorbeur 5 à travers le détendeur 9. Dans cette réalisation particulière, le moteur de détente 7, qui est du type à vis, reçoit 1/3 de la quantité de vapeur qui sort à 1500C du bouilleur. I1 détend cette vapeur de 20 à 2 bars, ce qui fournit une puissance théorique de 9r05 kW, soit une puissance mécanique disponible sur l'arbre du moteur de 5,72 kW. L'absorbeur 5 mélange trois flux : le fluide détendu par le moteur 7, celui venant de l'évaporateur 4 à travers l'échangeur 10 et le liquide pauvre issu du bouilleur 1 à travers l'échangeur Il et le détendeur 9. L'appareil est refroidi jusqu'à 49 C par la source intermédiaire qui est l'atmosphère (154 kW). De l'absorbeur sort le liquide riche (0,284 de teneur en ammoniac) que la pompe 6 met sous pression pour alimenter le bouilleur ; la puissance mécanique consommée par cette pompe vaut 1,73 kw. Dans oet exemple, il reste donc un excédent de puissance mécanique de 3,99 kW qui peut servir à entraîner les ventilateurs des échangeurs à air (condenseur et absorbeur). Cet excédent de puissance peut être ajusté en fonction des besoins simplement en changeant le rapport du débit de vapeur qui entre au rectifieur à celui envoyé au moteur, et en dimensionnant les appareils en conséquence. Dans la variante de la figure 2 le moteur est alimenté à un des niveaux du rectifieur 8 à plusieurs niveaux. Â la figure 3 le moteur 7 est en parallèle entre le rectifieur 8 et le condenseur 2, une vanne de réglage 31 étant alors prévue sur la canalisation 23 et la pression chutant de 20 à 18 bars. A la figure o, le moteur 7 est dispose entre le bouilleur et l'évaporateur 4. On pourra en outre surchauffer la vapeur admise au moteur et meme resurchauffer la vapeur sur un palier de pression si le moteur est un moteur à détente par paliers. D'autres configurations que celles qui ont été décrites et représentées seront possibles. C'est ainsi qu'il peut être avantageux qu'après détente dans le moteur 7 la partie gazeuse soit envoyée dans l'absorbeur 5, tandis que la partie liquide est envoyée dans l'évaporateur 4. REVENDICATIONS 1) Machine à absorption pour la réfrigération et/ou le chauffage comportant : - un bouilleur (1) chauffé pour la production de la vapeur et d'une solution pauvre à partir d'une solution riche, - un condenseur (2) recevant une partie de la vapeur du bouilleur et la condensant à température intermédiai- re par échange avec le milieu extérieur, - un détendeur (3) du condensat précédemment obtenu, - un évaporateur (4) comportant des moyens d'échange thermique avec le milieu extérieur et réévaporant le condensat, - un absorbeur (5) recevant la vapeur provenant de l'évaporateur et la solution pauvre en provenance du bouilleur à travers un détendeur, - une pompe (6) de circulation renvoyant au bouilleur la solution riche reconstituée au sein de l'absorbeur, caractérisée en ce qu'elle comporte un moteur (7) de détente alimenté en vapeur sous pression & partir du bouilleur. 2) Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échappement de vapeur détendue dans le moteur (7) est dirigé sur 1' absorbeur (5). 3) Machine selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que l'échappement de vapeur détendue dans le moteur (7) est dirigé sur le condenseur (2). 4) Machine selon la revendication 1, caractériséeen ce que l'échappement de vapeur détendue dans lenteur (7) est dirigé sur l'évaporateur (4). 5) Machine selon la revendication I, caractérisée en ce que l'échappement de vapeur détendue dans le moteur (7) est dirigé partie sur l'evaporateur (4), partie sur l'absorbeur (5). 6) Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caracterisée en ce qu'elle comporte un rectifieur (8) inséré entre le bouilleur (1) et le condenseur (2) et/ou le moteur (7) de détente à échappement dirigé sur le condenseur (2). 7) Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que la vapeur sous pression pour l'alimentation du moteur (7) de détente est prélevée à un ou plusieurs niveaux du rectifieur (8). 8) Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un surchauffeur (12) de la vapeur admise au moteur. 9) Machine selon la revendication 8, dans laquelle le moteur de détente est un moteur de détente de la vapeur en paliers successifs de pressions, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de resurchauffe du fluide sur au moins un palier de pression.