Brevet FR2465970A1 — publié le 19810327

L'invention se rapporte à un nouveau procédé pour la production de froid à partir d'une source de chaleur ; elle concerne également une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention vise plus particulièrement un nouveau processus de réfrigération produit à partir de l'énergie solaire. I1 existe déjà plusieurs procédés permettant d'utiliser l'éner- gie solaire pour produire du froid. On a par exemple suggéré de faire appel à des groupes à absorption: à ammoniaque ou à bromure de lithium, dans lesquels le fluide réfrigérant est absorbé avec dégagement de chaleur par une phase liquide, pour désorber à plus haute pression sous l'action de l'énergie solaire. Après condensation à une température compatible avec une source froide disponible, le fluide frigorigène est détendu au cours de la phase d'absorption qui se déroule à plus faible pression. Cette détente provoque une vaporisation et s'accompagne d'une production de froid. Ces installations font en général appel à des pompes et à d'autres organes qui,d'une part, augmentent le prix et'autre part, en limitent l'emploi dans les pays éloignés ou par du personnel non spécialisé. Les groupes à bromure de lithium ont un coefficient de performance (COP) relativement bon, mais ils présentent toutefois l'inconvénient notable d'être difficiles à réguler, car en dehors d'une plage de température assez limitée, le bromure de lithium se cristallise et ainsi ne circule plus. Récemment, on a proposé de remplacer le fluide frigorigène des systèmes à absorption par un adsorbant solide tel qu' une zéolithe. Ainsi, pendant le jour, l'énergie fournie par le soleil permet la désorption de la zeolithe et le fluide frigorigène libéré est stocké sous forme liquide dans un réservoir après condensation dans un échangeur. En revanche, pendant la nuit, la zéolithe peut à nouveau réadsorber le fluide frigorigène gazeux préalablement vaporise dans l'évaporateur, avec production simultanée de froid. Les avantages d'un tel système à adsorption solide par rapport à ceux à absorption liquide sont multiples. Or, en règle générale, il est beaucoup plus intéressant-de produire le froid pendant la journée, c'est-à-dire au moment où l'on en a le plus besoin. Celà est vrai aussi bien en climatisation qu'en conservation, bien qu a un degré moindre. Malheureusement, à ce jour, les systèmes de réfrigération fonctionnant sur ce principe d'adsorption solide ont un cycle intermittent : jour et nuit, qui en limite la portee pratique, sauf à utiliser des organes volumineux de stockage, ce qui alors augmente considérablement le coût de ces installations. Dans le brevet américain 3,270,512 de NASA, on a décrit un système de réfrigération, notamment pour engins spaciaux, comportant deux cuves contenant chacune un composé adsorbant, tel qu'un gel de silice,et et travaillant alternativement en adsorption et en désorption. Ce dispositif qui ne peut fonctionner qu'aux rayonnements directs du soleil, a un cycle assez long et donc un rendement assez faible. Lorsque l'on désire utiliser cette installation au sol, le cycle dure une journée, ce qui est pratiquement incompatible avec une exploitation industrielle. L'invention pallie ces inconvénients. Elle concerne plus particulièrement un perfectionnement au procédé de réfrigération par adsorbants solides qui soit continu et qui ne nécessite qu'un entretien réduit et entraîne une faible consommation auxiliaire. Dans ce procédé, où l'on fait appel à deux cuves contenant chacune un adsorbant solide (zéolithe ou autre), lesdites cuves fonctionnent alternativement en adsorption, puis en désorption. Toutefois, pendant la phase de désorption, la chaleur est fournie par une source quelconque telle qu'un échangeur à eau chaude alimenté par un moyen quelconque tel qu'un capteur solaire, alors que durant la phase d'adsorption, la chaleur est évacuée par un échangeur raccordé à une source froide telle qu'un échangeur à air ou à eau selon le cas. Dans une forme de réalisation, la chaleur provenant des capteurs solaires peut eventuellement transiter par un stockage de façon à régulariser la production. L'évaporateur, quant à lui, est placé dans une cuve tampon pour permettre le stockage des frigories produites. L'invention vise essentiellement une installation appropriée. Cette installation réfrigérante du type comportant - une source de chaleur destinée à chauffer un fluide de chauffage, - un composé solide adsorbant ayant une grande capacité d'adsorption, mais une faible énergie d'adsorption, - un fluide frigorigène adsorbé sur ledit composé solide adsorbant, - un condenseur destiné à liquéfier les vapeurs de fluide frigorigène produites sous l'effet de l'action du fluide de chauffage issu de la source de chaleur sur le composé adsorbant saturé de fluide frigorigène, - un évaporateur destiné à vaporiser le liquide frigorigène produit, - et deux cuves destinées à recevoir le composé adsorbant, ces deux cuves travaillant respectivement l'une en désorption, l'autre en adsorption, se caractérise en ce que lesdites cuves sont reliées,d'une part entre elles et d'autre part, par un jeu de vannes et de tuyauteries au condenseur et à l'evaporateur. L'invention concerne salement un procédé de réfrigération, notamment pour la mise en oeuvre de cette installation. Ce procédé de réfrigération dans lequel - on vaporise par chauffage un fluide frigorigène préalablement fixé sur un composé adsorbant, - on condense les vapeurs ainsi produites et on stocke le liquide frigorigène produit, - puis on vaporise ce liquide frigorigène et on adsorbe à nouveau sur le corps adsorbant les vapeurs ainsi détendues, de sorte que par cette détente, on produise du froid, et dans lequel, on opère avec deux cuves contenant chacune un composé adsorbant, ces deux cuves travaillant respectivement et alternativement en désorption et en adsorption. Ce procédé se caractérise en ce que pendant le traitement, on refroidit la cuve travaillant en adsorption par passage d'un fluide réfrigérant sur le condenseur. En pratique - on inverse le cycle de fonctionnement lorsque chaque cuve est proche de son point d'équilibre, c'est-à-dire lorsque les phases d'adsorption et de désorption ont atteint dans chacune des cuves le voisinage du point d'équilibre, - avant l'inversion du cycle, on vise à égaliser les températures entre les deux cuves. Comme matière solide adsorbante, on utilise des composés connus ayant, d'une part, une grande capacité d'adsorption et, d'autre part, une faible valeur d'énergie d'adsorption. On peut citer le charbon actif, les gels de silice, les alumines activées. En pratique, on utilise avec succès les zéolithes qui donnent d'excellents résultats. Comme on le sait, ces zéolithes, naturelles ou de synthèse, sont des aluminosilicates cristallins dont la teneur en silice varie d'un type à l'autre. On utilise de préférence des zéolithes de type 13 X. Comme fluide de chauffage, on utilise avantageusement de l'eau ou un fluide caloporteur, dénommé aussi parfois fluide athermique, tel que des mélanges de diphényl et d'oxyde de diphélynle connus sous le nom de "diphyl" et commercialisés sous les dénominations de Gilliotherm, Dowtherms, etc,. Comme fluide frigorigène en dépression, on utilise des fluides connus tels que l'eau, le méthanol, l'ammoniaque, etc.. On utilise de préférence la vapeur d'eau, car pour une masse donnée de zéolithe, on traite ainsi plus de vapeur d'eau que de méthanol. Ainsi, pour une quantité donnée de frigories à produire, on aura besoin de moins de zéolithe avec de la vapeur d'eau qu'avec du méthanol, ce qui avantageusement, diminue les dimensions des cuves. En outre, comme on le sait, ce liquide est maintenu en dépression pour permettre le déroulement du cycle qui s' effectue entre la pression d'évaporation et celle de condensation. En conséquence, la pression de ce fluide est déterminée par les températures désirées pour ces deux phases de condensation et d'évaporation. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1 représente schématiquement une installation pour la mise en oeuvre de l'invention. La figure 2 montre une telle installation fonctionnant dans sa première phase. La figure 3 représente la même installation dans la phase suivante. La figure 4 illustre la phase intermédiaire de fonctionnement, l'une des caractéristiques de l'invention. La figure 5 montre un évaporateur-condenseur tubulaire susceptible d'être mis en oeuvre dans l'invention. En se référant aux figures - l désigne une source de chaleur d'un type quelconque connu, dans lequel en pratique la température du fluide de chauffage est comprise entre 800C et 1500C (dans certains cas, cette température peut même atteindre 2200C) ; cette source 1 peut être soit de la chaleur de récupération, soit un capteur solaire tel que par exemple un capteur du type thermique plan, sous vide ou non, avec ou sans surface sélective, ou à concentration,par exemple du type parabolique ou sphérique ou cylindro-parabolique; - 2 désigné un conduit ou circule le fluide de chauffage - 3 et 4 désignent deux cuves en acier inox ou autre matériau, résistant au vide et à la corrosion, contenant chacune un échangeur de température 5 et 6 où circule le fluide de chauffage ou de refroidissement ; cet échangeur est avantageusement une batterie à ailettes de climatisation dont les interstices sont remplis de zéolithe 7a ou 7b ; la zéolithe 7 qui se présente sous forme de petits bâtonnets ou mieux de billes, entoure les tubes de la batterie où circule le fluide de chauffage issu de 2 ou de refroidissement et les ailettes favorisent un transfert de chaleur rapide et uniforme entre ce fluide et la zéolithe - 8 désigne un circuit de fluide frigorigène en dépression, par exemple de la vapeur d'eau, reliant chaque cuve, respectivement 3 ou 4, dans l'ordre tout d'abord, à un premier échangeur thermique 9 servant de condenseur, par exemple du type tubulaire montré à la figure 5, refroidi soit par de l'eau, soit par de l'air, qui passe dans une cheminée 10 où est placé ce condenseur, et est aspiré par un ventilateur 11 afin d'accélérer les échanges thermiques, puis en série, à un second échangeur 12 placé dans une cuve tampon 13 permettant de stocker l'eau froide ou la glace pro duite; cet échangeur 12 servant d'évaporateur et cette cuve 13 étant reliée par un jeu de vannes et de pompes appropriées à la centrale à réfrigérer ou de conditionnement d'air ; on prélève dans cette cuve de stockage 13,en soi connue,au fur et à mesure des besoins; - 14,15,16 et 17 désignent des vannes multi-voies,notamment trois voies Comme on le sait, la pression du fluide frigorigène est imposée par le choix des températures de condensation et d'évaporation désirées. Cette installation fonctionne de la manière suivante PHASE I : Cuve 3 en désorption - cuve 4 en adsorption (figure 2) Le fluide de chauffage 2 issue de la source de chaleur 1, par exemple un capteur solaire, arrive à la vanne 14, puis de là pénètre dans l'échangeur 5 de la cuve 3. La zéolithe 7b contenue dans cette cuve 3 s ' échauffe au contact de la tubulure de cet échangeur 5 et donc se déssèche. A la sortie de l'échangeur 5, le fluide de chauffage arrive a la vanne 15,puis retourne à la source de chaleur 1; puis le cyle recommence. La vapeur d'eau désorbée de la zéolithe 7b quitte la cuve 3 en passant dans le conduit 8, puis passe ensuite à travers la vanne 17, puis de là, sur le condenseur 9. A titre-d'exemple, la pression de cette vapeur d'eau à l'entrée en 9 est de l'ordre de 75 millibars. Le liquide frigorigène continue ensuite son parcours dans le conduit 18 jusqu'à l'échangeur-évaporateur 12 où il se vaporise. Celà provoque le refroidissement de l'eau contenue dans la cuve de stockage 13. Enfin, ce liquide frigorigène continue dans le circuit 18 jusqu'à la vanne 16 qui 1 t amène alors en tête de la cuve 4. Cette vapeur d'eau est alors adsorbée par la zéolithe 7a contenue dans la cuve 4. Comme l'adsorption est une réaction exothermique, il faut donc refroidir cette cuve 4.Pour ce faire, le conduit 19 qui traverse cette cuve 4 est connecté par la vanne 14 à l'échangeur 20, puis par la vanne 15 revient sur la cuve 4. On évacue ainsi les calories produites en 4 pendant la phase d'adsorption de la zéolithe. Sur les figures 2 et 3, on a représenté - en traits pleins larges le circuit de chauffage au moyen du fluide de chauffage issu de la source de chaleur 1, - en tirets réguliers, le circuit de fluide frigorigène, - en pointillés, le circuit de refroidissement. Pendant la phase de désorption de la cuve 3, le circuit de chauffage va de la source de chaleur 1 à la vanne 14, de là pénètre dans la cuve 3, va jusqu'à la vanne 15 et retourne à la source 1. Pendant ce temps, le circuit frigorigène part de la cuve 4, arrive à la vanne 17, traverse le condenseur 9, de là traverse également l'évaporateur 12, arrive à la vanne 16 et pénètre dans la cuve 4. En revanche, le circuit de refroidissement de la cuve 4 sort de cette cuve, arrive à la vanne 14, traverse l'échangeur 20 et revient à cette cuve 4. Lorsque la zéolithe 7b contenue dans la cuve 3 est presque sèche, c'est-à-dire lorsque la zéolithe est presque toute désorbée, et lorsque la zéolithe 7a contenue dans la cuve 4 est gorgée d'eau, alors on commute les vannes 14, 15,16 et 17 et on inverse le circuit pour travailler selon la deuxième phase. PHASE II : Cuve 3 en adsorption - cuve 4 en désorption (figure 3) Lorsque,dans la cuve en cours de désorption, la teneur du gaz desorbé descend en dessous d'une certaine valeur qui peut être détectée par exemple par une élévation de la température de la zéolithe, on commute comme déjà dit automatiquement les vannes 14,15,16 et 17 de façon à inverser le cycle et ce, afin d'éviter, ou d'arrêter la phase de désorption à faible rendement (point d'équilibre). En pratique, cette inversion a lieu toutes les quinze minutes environ, de sorte que pour une puissance de frigorie donnée, on pourra considérablement diminuer la quantité de zéolithe nécessaire. On a donc intérêt à avoir des cycles raisonnablement courts. Ce résultat est fondamental et cnnstitue un progrès considérable et totalement inattendu par rapport aux techniques antérieures, notamment celle décrite dans le brevet américain 3,270,512 cité dans le préambule. En effet, si on adoptait ce système NASA au sol, on aurait un seul cycle par jour, alors qu'en revanche, le dispositif de l'invention permet d'en avoir jusqu'à au moins une centaine environ. Ce progrès dans un rapport de 1 à 100 est imprévu et considérable. En outre, à rendement égal, le volume de l'installation est considérablement réduit. Toutefois, l'inversion du cycle est une opération brusque et la cuve qui était désorbée est chaude alors qu'elle devient adsorbante et devrait être froide et vice et versa. La compensation de ces températures provoque des pertes de chaleur, ce qui diminue le coefficient de performance (COP). Pour pallier cet inconvénient, on passe par une phase intermédiaire de courte durée (figure 4) au cours de laquelle l'eau de refroidissement du circuit 19 de la cuve 4 passe également dans la cuve 3. Pour ce faire, on modifie les vannes 14 et 15 pour avoir un passage direct (par exemple par des vannes à quatre voies), de manière à ce que le fluide de refroidissement (l'eau) traverse les tuyauteries des deux échangeurs 5 et 6 respectivement des deux cuves 3 et 4 comme indiqué par le circuit représenté en pointillés à la figure 4. Ainsi, le transfert d'une partie de la chaleur sensible d'une cuve à l'autre attenue le délai pour, selon le cas, refroidir ou réchauffer la cuve. Celà augmente le coefficient de performance de l'installation. Pendant la deuxième phase, le circuit de l'eau de chauffage va de la source de chaleur 1 jusqu'à la vanne 14 qui la renvoie dans I'échangeur 6 de la cuve 4, de là arrive à la seconde vanne 15 et retourne à la source de chaleur 1. Pendant ce temps, le circuit du fluide frigorigène va de la cuve 4, arrive à la vanne 17 qui l'envoie sur le condenseur 9, pénètre dans l'évaporateur 12,de là repasse sur la vanne 16 qui le renvoie en tête de la cuve 3. En revanche, le circuit de refroidissement est alors établi dans la cuve 3, passe donc par la tuyauterie de l'échangeur 5 de de cette cuve, arrive à la vanne 15, passe dans l'échangeur 20 et par la vanne 14 est renvoyé en tête de la cuve. Pendant le cycle, la masse de zéolithe est donc utilisée plusieurs fois dans la même journée et donc pour une puissance frigorifique donnée, la masse de zéolithe est beaucoup plus faible que dans un système intermittent. Comme déjà dit, la figure 5 représente un échangeur d'un type tubulaire connu susceptible d'être utilisé en 9 et 12. Ce condenseur se compose d'une arrivée de fluide frigorigène sous forme de vapeur 31 dans une enceinte cylindrique 32 d'où part une multitude de tuyauteries 33 disposées de part et d'autre du dessous de ce cylindre 32, lesdites tuyauteries 33 débouchant dans un second cylindre 34 où sont récupérés les condensats des vapeurs amenées en 31. Une tuyauterie 35 prélève le liquide formé et l'amène à un organe intermédiaire de stockage 36 avant de le renvoyer dans le circuit normal. Les tuyauteries verticales 33 sont décalées de manière à faciliter le passage de l'eau ou de l'air de refroidissement. Une telle installation présente de nombreux avantages par rapport aux solutions commercialisées à ce jour. On peut citer - possibilité de produire du froid à la demande, - possibilité de produire du froid à partir d'un capteur solaire, même pendant la journée, c'est-à-dire pendant les heures où on en a le plus besoin, - grâce à la phase intermédiaire de récupération de la chaleur et une utilisation optimum de la zéolithe, meilleur COP que le système intermittent, - système relativement statique, donc investissement et entretien réduits et meilleure fiabilité. Outre les avantages considérables déjà cités par rapport au dispositif décrit dans le brevet américain 3,270,512 de NASA,cité dans le préambule, on peut ajouter également - production de froid amélioré de moitié du fait de la phase intermédiaire, - à puissance égale, réduction sensible de la quantité de composé absorbant nécessaire, - utilisation au sol, sans exposition aux rayonnements directs du soleil. De la sorte, on peut utiliser ce type d'installation avec suc cès partout où l'on désire produire économiquement du froid,notamment pour la conservation et surtout pour la climatisation. R E V E N D I C A T I O N S 1/ Procédé de réfrigération dans lequel - on chauffe jusqu'à évaporation un composé adsorbant,se présentant sous forme divisée, sur lequel a été adsorbé un fluide frigorigène, - on condense les vapeurs ainsi produites de fluide frigorigène et on stocke le liquide ainsi produit, - puis on vaporise à nouveau ce liquide frigorigène et on adsorbe à nouveau sur le corps adsorbant les vapeurs ainsi détendues, de sorte que cette détente produise du froid, - et dans lequel on opère au moyen de deux cuves contenant le composé adsorbant, ces deux cuves travaillant respectivement et alternativement en désorption et en adsorption, caractérisé en ce que pendant le traitement, on refroidit la cuve travaillant en adsorption par passage d'un fluide réfrigérant à la fois sur le condenseur et sur ladite cuve. 2/ Procedé selon revendication 1, caractérisé en ce que l'on inverse le cycle adsorption-désorption lorsque partie essentielle du composé adsorbant de la cuve désorbée est désorbé, c'est-à-dire lorsque chaque cuve est proche de son point d'équilibre. 3/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé entre que avant l'inversion du cycle, on égalise les températures entre les deux cuves. 4/ Installation réfrigérante du type comportant - une source de chaleur destinée"à chauffer un fluide de chauffage, - un compose solide adsorbant ayant une grande capacité d'adsorption et une faible énergie d'adsorption, - un fluide frigorigène adsorbé sur ledit composé solide adsorbant, - un condenseur destiné à liquéfier les vapeurs de fluide fri gorigène produites sous l'effet de l'action du fluide de chauffage issu de la source de chaleur et traversant le composé adsorbant chargé de fluide frigorigène, - - un évaporateur destiné à vaporiser le liquide frigorigène produit, - et deux cuves destinées à recevoir le composé adsorbant, lesdites cuves travaillant respectivement l'-une en désorption, l'autre en adsorption, caractérisé en ce que lesdites cuves sont reliées d'une part entre elles et d'autre part, par un jeu de vannes et de tuyauteries à la fois au condenseur et à l'évaporateur. 5/ Installation selon revendication 4, caractérisée en ce qu'elle présente un moyen apte à commuter automatiquement les vannes reliant les cuves entre elles et au condenseur et à l'évaporateur. 6/ Installation selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que l'échange thermique entre le composé adsorbant contenant le fluide frigorigène adsorbé et le fluide de chauffage s'effectue par passage de ce dernier dans une batterie de tuyauteries munie d'ailettes, ladite batterie étant placee dans la cuve et le composé adsorbant étant disposé contre le tube et entre les ailettes de façon à assurer le contact thermique. 7/ Installation réfrigérante selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend - une source de chaleur destinée à chauffer un fluide de chauffage, - deux cuves reliées par un jeu de tuyauteries et de vannes a la source de chaleur contenant chacune un échangeur de température où circule ledit fluide de chauf fage, et un composé adsorbant destiné à adsorber un fluide frigori gène, - un circuit de fluide frigorigène en depression reliant chaque cuve tout d'abord à un premier échangeur thermique servant de con denseur pour le fluide frigorigène, ensuite, en série, à un second échangeur placé dans une cuve tampon destinée à stocker les frigories produites.