Brevet FR2470356A1 — publié le 19810529

On ne connait guère aujourd'hui qu'un seul procédé qui permette le transfert de chaleur entre deux sources A et B au moyen d'une troisième source C dont la température est plus élevée que les deux précédentes. Il s'agit du procédé dit "à absorption" dans lequel on condense et on évapore de l'ammoniac produit par le chauffage d'une solution aqueuse de ce gaz. Un calcul simplifié permet d'établir le rendement thermique approximatif de ce type de dispositif. Dans le cas d'une utilisation comme système frigorifique, le rendement est défini comme le rapport de la quantité de chaleur enlevée à la source froide A à la température absolue TA sur la quantité de chaleur fournie à la source chaude C, à la température TC : TA TC - TB #frigo = # (1) TC - TB - TA Si, au contraire, c'est l'utilisation en pompe de chaleur qui est envisagée, le rendement est défini comme le rapport de la quantité de chaleur transférée à la source intermédiaire B, à la température TB, sur la quantité de chaleur fournie à la source chaude C TB Tc C B T, ca .T o A (2) lc ls - 1A Il ressort de ces formules que, dans les deux cas, le rendement dépend en premier lieu des températures TA et TB, c'est-à-dire des conditions normales de fonctionnement de tout système frigorifique et, en second lieu, de la température de la source chaude Tc. Il est clair que le rendement sera d'autant meilleur que TC sera plus élevée. Le dispositif objet de la présente invention permet théoriquement de fonctionner avec une température TC beaucoup plus grande qu'actuellement, et donc d'atteindre des rendements beaucoup plus élevés. Il est basé sur la loi des équilibres chimiques, appelée aussi la loi d'action de masse.Considérons un système équilibré, tel que solide 1 = solide 2 + Gaz (3) alors la pression du gaz, s'il s'agit d'un gaz monomoléculaire -ce que nous supposons-, satisfera à la relation pnGaz = k(T) (4) Dans cette formule, n est un exposant le plus souvent égal à l'unité et k une constante qui ne dépend que de la température, selon la relation classique d(log k) - BH (5) dT RT2 Il est ainsi possible de concevoir un dispositif dans lequel on réalise une zone de haute pression et une zone de basse pression il suffit que chacune de ces zones soit en communication avec une enceinte contenant les solides 1 et 2 à une température qui corresponde à la pression que l'on désire.Suivant la nature du gaz et les températures des sources froide et intermédiaire, on peut obtenir une condensation dans la zone de haute pression et une évaporation dans la zone de basse pression. On transfère ainsi de la chaleur de la source froide vers la source intermédiaire. Le choix du système chimique solide 1, solide 2, gaz, dépend du domaine thermique dans lequel on veut fonctionner et aussi des contraintes technologiques. La température de la source intermédiaire, ou source tiède, doit être inférieure à la température critique du gaz ; ce dernier doit également être liquide et présenter une tension de vapeur suffisante à la température de la source froide. Les carbonates constituent une première famille de systèmes chimiques possibles au voisinage de la température ambiante. L'équa tion chimique s'écrira carbonate = oxyde + CO2 L'exemple classique est celui du carbonate de calcium CaCO3 = CaO + CO2 Mais on peut aussi citer les carbonates d'aluminium et de lanthanides.Les sulfites donnent lieu à de semblables réactions de décomposition sulfite = oxyde + SO2 Les ammoniacates peuvent également être envisagés, bien que leur stabilité thermique ne permette pas, en général, de fonctionner à température très élevée. L'équation chimique est du type X, nNH3 = X + n NH3 Dans un domaine thermique plus élevé, on utilisera la décomposition des hydrates. Aux plus basses températures, on provoquera la liquéfaction de l'oxygène, de l'azote ou de l'hydrogène en pyrolysant des oxydes, nitrures ou hydrures. Dans ces systèmes, toutefois, l'étude théorique est rendue plus complexe par l'existence de phases non-stoechiométriques, l'irréversîbilité de certains processus chimiques et la difficulté d'atteindre un équilibre thermodynamique rigoureux.La réalisation est cependant possible chaque fois que, suivant l'équation générale (3), l'ensemble des phases constituant le solide 2 présente, dans le même domaine de température, une f ble pression d'équilibre avec le gaz, et une cinétique de recomb naison assez rapide. Le procédé objet de la présente invention suppose que les équilibres thermodynamiques soient atteints ou approchés rapide' Comme il s'agit de réaction en phase hétérogène, il importe que surface spécifique de la phase solide soit grande, et ne soit par excessivement affectée par les opérations répétées de décompositi et de recombinaison. Une des voies permettant d'atteindre ce rés tat consiste à disperser l'élément actif sur un support inerte. Le dispositif objet de l'invention comporte les organes es sentiels de tout système frigorifique : condenseur, réservoir de fluide liquide, régleur, évaporateur. Son originalité réside dans l'obtention de hautes ou basses pressions de fluide frigorigène dans les différentes parties du système. Cette double fonction compression- aspiration est ici réalisée par voie chimique. On utilise une réaction chimique équilibrée du type SOLIDE 1 = SOLIDE 2 + GAZ Une élévation de température déplace l'équilibre vers la gauche haute pression de gaz. Le refroidissement provoque au contraire u baisse de pression. Le dispositif objet de l'invention est cyclique et comport deux enceintes symétriques. Au début du cycle, l'une des enceinte est refroidie et contient le solide 1. L'autre enceinte est chauf fée à haute température et contient le solide 2. Il peut être ast cieux de refroidir la première enceinte au moyen d'air pulsé et d'utiliser cet air chaud pour alimenter les brûleurs chauffant la seconde ; on réalise ainsi un transfert direct de calories de la source froide à la source chaude. Chacune des -deux enceintes est reliée au condenseur et à l'évaporateur au moyen de dispositifs anti-retour, de sorte que le fluide puisse aller de l'évaporateur à l'enceinte ou de l'enceinte au condenseur. Le mode de fonctionnement est cyclique : dans un premier temps, le solide 1 chauffé libère du gaz sous pression qui vient liquéfier dans le condenseur. Il pénètre dans l'évaporateur par ur régleur et est absorbe de façon continue par le solide 2. Lorsque tout le solide 1 est décomposé, la pression baisse et on arrive at second temps : il suffit d'inverser le processus et de chauffer l'enceinte froide et refroidir l'enceinte chaude. La production de froid est-alors réalisée de façon identique. Il y a évidemment un temps mort entre le moment où le système arrête de refroidir et celui où il recommence. Le schéma figurant en annexe illustre un mode de réalisation de l'invention, à titre d'exemple et nullement limitatif. Un récipient sphérique (5) garni d'éléments métalliques verticaux contient un mélange de carbonates. Ce récipient est chauffé par une rampe de brûleurs. Le tout se trouve dans une enceinte A soigneusement calorifugée. Une enceinte similaire B contient un récipient (6) chargé d'oxydes basiques. Le brûleur (8) ne fonctionne pas. Une soufflerie (13) aspire de l'air frais à travers l'enceinte B pour alimenter le brûleur (7). Le gaz carbonique sous pression atteint le condenseur (9) en traversant le dispositif anti-retour (en abrégé D.A.R.) (2). Celui-ci, ainsi que les autres D.A.R. 1, 3 et 4, comportent un système d'arrêt des particules solides. Le gaz carbonique liquide est collecté dans le réservoir (10) et pénètre dans l'évaporateur (12) par le régleur (11). Après évaporation, le gaz traverse le D.A.R. 4 pour être absorbé par les oxydes basiques contenus dans le réservoir (6). Les D.A.R. 1 et 3 empêchent le gaz de passer directement des zones de haute pression aux zones de basse pression. Lorsque les carbonates du récipient (5) sont décomposés, on inverse le sens de circulation de l'air au moyen de la soufflerie (13). Le brûleur (7) est éteint et on allume le brûleur (8). Dès que le récipient (5) est suffisamment refroidi, l'évaporateur peut recommencer à fonctionner. Ce procédé nouveau peut être utilisé soit comme système frigorifique, soit comme pompe de chaleur. Cette dernière utilisation permet, en raison du rendement thermodynamique élevé, de diminuer fortement la consommation de combustibles fossiles. De plus, la conception même du système rend possible la restitution de chaleur à des températures supérieures à 100 ou 2000 C. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transfert de chaleur entre une source froide contenant un évaporateur et une source intermédiaire contenant un condenseur dans lequel les pressions hautes et basses prov quant la condensation et l'ébullition du fluide frigorigène sont déterminées par la température d'enceintes contenant chacune plusieurs phases chimiques différentes, dont au moins une phase solid et une phase gazeuse, dans un état voisin de l'équilibre thermody nasique 2.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les systèmes chimiques de phases en équilibre thermodynamique peuvent être 1) des carbonates en équilibre avec le gaz carbonique et les phase solides résultant de la décomposition des carbonates, soit en géné- ral des oxydes basiques, conformément aux schémas réactionnels M = métal divalent, par exe ple Mg, Ca, Sr, Ba, Zn M = métal trivalent, par exemple Al, Y, La ou un terre rare. 2) des ammoniacates ou sels d'ammonium en équilibre avec le gaz am moniac et les phases résultant de leur pyrolyse conformément à l'équation de réaction 3) des sulfites en équilibre avec l'anhydride sulfureux et les phases résultant de leur pyrolyse conformément à l'équation de réaction 4) des hydrates en équilibre avec la vapeur d'eau et les phases résultant de leur pyrolyse 5) des oxydes en équilibre avec l'oxygène et les phases résultant de leur pyrolyse 6) des nitrures en équilibre avec l'azote et les phases résultant de leur pyrolyse 7) des hydrures en équilibre avec l'hydrogène et les phases résultant de leur pyrolyse. 3. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les phases solides intervenant dans l'équilibre chimique son contenues dans deux récipients clos dont l'un est porté à haute tem pérature et l'autre maintenu à une température plus basse, voisine de l'ambiante, chacun de ces deux récipients étant relié au condenseur et à l'évaporateur par l'intermédiaire de dispositifs anti-retour de telle sorte que le fluide ne puisse circuler que dans le sens : évaporateur + récipient et récipient + condenseur 4.Dispositif suivant les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que chacun des deux récipients est placé dans une enceinte calorifugée pourvue d'un orifice permettant une circulation gazeuse et d'un système de chauffage, de telle sorte que l'un des récipients soit refroidi par l'air qu'aspire une soufflerie, et que cet air ainsi préchauffé serve à alimenter la combustion du système de chauffage de l'autre enceinte. 5. Dispositif suivant les revendications 1, 3 et 4 caractérisé par le fait que l'on inverse le rôle des deux enceintes et des deux récipients dès que l'activité chimique de l'une au moins des phases solides devient insuffisante : l'enceinte chaude est refroidie, l'enceinte froide est chauffée et l'on inverse le sens de circulation de l'air. 6. Dispositif suivant les revendications i, 2 et 3 caractérisé en ce que les phases solides intervenant dans l'équilibre chimique présentent une grande surface spécifique, et en ce que ce résultat peut être obtenu en dispersant l'une des substances solides sur un support présentant une bonne inertie chimique vis-à-vis des phases du système aux températures de fonctionnement.