Brevet FR2474195A1 — publié le 19810724

Procédé de régulation thermique La présente invention concerne un procédé de régulation thermique. Dans certains systèmes o se produisent des réactions exothermiques et qui fonctionnent à une température ou dans un intervalle de tempéra- ture déterminé parfois très supérieur à la température ambiante, on est amené d'une part à évacuer les calories résultant desdites réactions, et d'autre part à fournir des calories au système notamment après une période d'arrêt de ce dernier lorsqu'on désire procéder à sa mise en route. C'est le cas notamment des batteries de générateurs sodium- soufre qui nécessitent une température de fonctionnement de l'ordre de 3000C à 3600 environ et dans lesquelles les processus de charge et de décharge se traduisent tous deux par une émission de calories. C'est également le cas des batteries de générateurs au lithium sulfure de fer dans lesquelles la température de fonctionnement se situe vers 400 à 4500C sensiblement. Le procédé classique consiste donc à fournir des calories au système par apport extérieur pour assurer son démarrage et inversement à évacuer les calories engendrées lors du fonctionnement et cela pour maintenir la température à une valeur de fonctionnement nominale. Cependant le bilan énergétique d'un tel procédé se révèle très mauvais, car il consomme une fraction non négligeable de l'énergie fournie par la batterie, dont le rendement se trouve donc pénalisé d'autant. La présente invention se propose de pallier un tel inconvénient. Elle a pour but de maintenir à une température ou dans un inter- valle de température donné une enceinte ou réacteur, avec des oscilla- tions minimales de ladite température autour d'une valeur moyenne, ce procédé ne nécessitant qu'un apport minimal d'énergie externe. En outre le procédé selon l'invention permet de limiter les gradients de température au sein du réacteur à des valeurs minimales. L'invention a donc pour objet un procédé de régulation thermique d'un système dans lequel se déroulent des réactions du type exothermique suivies de périodes d'arrêt, aux environs d'une température de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, caractérisé par le fait que l'on -2- met en contact ledit système avec un premier corps présentant un point d'ébullition voisin de la température de régulation du système, on utilise les calories résultant desdites réactions exothermiques pour porter à ébullition ledit premier corps, on utilise les calories provenant de la condensation des vapeurs résultant de ladite ébullition pour amener un deuxième corps à la température de son point de fusion, ce corps ayant été choisi tel qu'il fonde à une température voisine mais inférieure à la température d'ébullition dudit premier corps, on maintient ce deuxième corps à une température sensiblement constante et un peu supérieure à son point de fusion jusqu'à la fin desdites réactions exothermiques, et enfin que l'on laisse ledit deuxième corps se solidifier pendant lesdites périodes d'arrêt du système et que l'on maintient sa température sensiblement constante jusqu'à la fin desdites périodes d'arrêt. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit donnée à titre d'exemple purement illustratif mais nullement limitatif en référence aux dessins et diagrammes annexés dans lesquels: La figure 1 représente un réacteur régulé selon un procédé classique. Les figures 2A, 2B, 2C sont des diagrammes illustrant ledit procédé classique. La figure 3 représente un réacteur régulé selon le procédé conforme à l'invention. Les figures 4A, 4B, 4C sont des diagrammes illustrant le procédé selon l'invention. La figure 5 représente un réacteur régulé selon une variante du procédé conforme à l'invention. On a représenté figure 1 un système tel qu'un réacteur ou enceinte 1 dans laquelle se déroulent des réactions exothermiques à une température T suivies de périodes d'arrêt. Ce réacteur est entouré d'un isolant thermique 2. A la manière connue, la régulation de la température T est assurée d'une part par un apport de calories externes F1 durant les périodes d'arrêt et par une évacuation des calories F2 engendrées pendant -3- lesdites réactions. De telles fonctions sont assurées respectivement par exemple au moyen d'une résistance chauffante et d'une circulation d'air frais (non représentées). On a représenté figure 2A l'énergie thermique W dégagée par le réacteur 1 en fonction du temps t et cela en unités arbitraires. Les portions de courbes A correspondent à des réactions exothermiques se produisant au coeur du réacteur tandis que les parties B corres- pondent à des périodes de temps o l'énergie dégagée est nulle. La figure 2B montre les variations correspondantes de la tempé- rature T du réacteur. On voit donc que T présente des oscillations dont l'amplitude dépend de l'importance de l'isolement thermique 2. La figure 2C montre les oscillations de la température T en mettant en oeuvre un procédé de régulation thermique classique. Plus précisément les portions C correspondent à l'évacuation de calories engendrées F2 (figure 1) tandis que les portions D correspondent à l'apport de calories externes Fi. Néanmoins les oscillations de la température T demeurent encore notables. La figure 3 représente le réacteur 1 régulé par le procédé selon l'invention. Dans ce but, ledit réacteur 1 est disposé dans un premier corps 4 dont le point d'ébullition T2 est voisin de la température T à laquelle on désire réguler le réacteur. Ce corps 4 peut échanger directement des calories avec un deuxième corps 5 à travers une cloison thermiquement conductrice 6 et cela par condensation des vapeurs résultant de l'ébullition du corps 4 sur ladite cloison 6. L'ensemble est disposé dans une enceinte thermiquement isolante 7. Le corps 5 présente un point de fusion T avantageusement inférieur au point d'ébullition T2 du corps 4. Bien entendu les corps 4 et 5 doivent être stables aux températures mises en oeuvre dans le réacteur et en outre il est avantageux qu'ils présentent une pureté suffisante, de sorte que leurs changements de phase s'effectuent'à température fixe. On va maintenant expliquer le fonctionnement du procédé selon l'invention -4- On a représenté à la figure 4A l'énergie thermique W dégagée au sein du réacteur 1 en fonction du temps t et cela en unités arbitraires. La portion de courbe A correspond à une réaction exothermique se produisant au sein du réacteur tandis que les portions B correspondent à des périodes de temps o l'énergie dégagée est nulle. La figure 4B montre l'évolution des températures du premier corps 4 (courbe L) et du deuxième corps 5 (courbe S). Le dégagement de chaleur au sein du réacteur commence au temps E et se termine au temps I. On voit que dans l'intervalle de temps EF le corps 4 s'échauffe et atteint son point d'ébullition T tandis que le corps 5 commence à fondre après avoir atteint son point de fusion T1. Dans l'intervalle de temps FG l'ébullition du corps 4 se poursuit ainsi que la fusion du corps 5 qui est terminée au point G. Dans l'intervalle de temps GH l'ébullition du corps 4 se poursuit, tandis que le corps 5 liquéfié voit sa température croître. Dans l'intervalle de temps HI l'ébullition du corps 4 se poursuit toujours, mais on refroidit par un moyen extérieur le corps 5 liquéfié de sorte que sa température se stabilise à une valeur comprise entre T1 et T2. Dans l'intervalle de temps IJ l'ébullition du corps 4 cesse et sa température diminue, tandis que le corps 5 liquéfié se refroidit et commence à se solidifier au point J. Dans l'intervalle de temps JK la température du corps 4 diminue, tandis que la solidification du corps 5 se poursuit. Au point K, les deux corps se trouvent pratiquement à la même température à savoir T1, point de fusion du corps 5, et y restent jusqu'au point M o le corps 5 étant solidifié la température des deux corps commence à diminuer. A ce moment, on maintient par un moyen extérieur le corps 5 à une température voisine mais inférieure à T et cela jusqu'à nouveau dégagement d'énergie thermique au sein du réacteur 1. La figure 4C montre que les oscillations de la température T du réacteur autour d'une valeur moyenne sont de faible amplitude. En outre, si l'on désire maintenir indéfiniment l'ensemble à une température voisine de T1 il n'est nécessaire de commencer à fournir de l'énergie extérieure qu'à partir du point M comme précé- demment mentionné, tandis que dans le procédé classique un tel apport 2474 195 -5- doit être effectué dès le point I. On voit donc que le procédé selon l'invention permet d'effectuer une économie sensible d'énergie, corres- pondant à l'intervalle de temps IM. En exploitation normale du système, l'intervalle IM est donc suffisant pour qu'un nouveau cycle de fonctionnement recommence avant que le point M ne soit atteint. Dans ce cas, il n'y a donc aucun apport d'énergie externe à assurer ce qui se traduit par une économie maximale d'apport énergétique externe. On va donner maintenant un exemple concret de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans le cas o le réacteur 1 est une batterie de générateurs sodium-soufre dont la température de fonction- nement est de 300 à 3600C environ. Le corps 4 peut être une paraffine formée d'un hydrocarbure saturé dont le nombre d'atomes de carbone est compris entre 17 et 23 de sorte que le point d'ébullition puisse être choisi entre 300 et 3600. Le corps 4 peut être également du diphényle ou un isomère (ortho, méta, para) du terphenyle ou un mélange de ces corps, de telle sorte que le point d'ébullition puisse être choisi entre 300 et 3600C. Le corps 5 peut être soit un corps pur, soit un eutectique. A titre d'exemple on peut utiliser le thiocyanate de sodium, la soude, la potasse hydratée à 4%, le nitrate de sodium. En tant qu'eutectiques on peut mettre en oeuvre les systèmes suivants dont les points de fusion sont indiqués entre parenthèses KBr - KOH (3000C) Na Cl - Cu Cl (3140C) KBr Mg Br2 (3340C) KBr - Li Br (3340C) Li Cl - K Cl (3600C) Dans le cas d'une batterie au lithium/sulfure de fer dont le fonctionnement se situe à des températures de l'ordre de 400 à 450 C environ le corps 4 peut être par exemple une paraffine formée d'un hydrocarbure saturé dont le nombre d'atomes de carbone est compris entre 26 et 32.- Le corps 4 peut être également un isomère ou un mélange d'isomères 2474 195 -6- du terphenyle, à condition de pressuriser le système à une pression de 2 à 5 atmosphères, de telle sorte que le point d'ébullition puisse être choisi entre 400 et 45OC. Le corps 5 peut être avantageusement, et à titre nullement limitatif choisi parmi les eutectiques suivants dont les points de fusion sont indiqués entre parenthèses: KCi -Mn C12 - Na Cl (4000C) CaC12 - Ca (NO3)2 (4090C) MgC12 - Na Cl (4300C) KCl - Mg Ci (4300C) KC1 -Zn C12 (4330C) CaCl2 - LiCl -NaCl (4400C) KCl - Mn Cl2 (4500C) La figure 5 représente un réacteur régulé selon une variante du procédé conforme à l'invention. On a représenté le réacteur 1 immergé dans le corps 4. Le corps 5 est disposé à-une certaine distance du réservoir renfermant le corps 4, l'ensemble étant entouré d'une enceinte thermi- quement isolante 7. Cependant, dans cette variante, on met en oeuvre un liquide caloporteur en contact thermique avec les vapeurs du corps 4. A cet effet, une pompe 9 est apte à acheminer en circuit fermé le liquide caloporteur au sein du corps 5 par l'intermédiaire d'un échangeur 10. Dans un tel mode de réalisation, les échanges thermiques entre les corps 4 et 5 se trouvent accélérés' ce qui permet notamment de diminuer les gradients thermiques internes. Quelque soit le mode de réalisation choisi, on voit que le procédé selon l'invention permet d'extraire la chaleur du coeur du réacteur pour la restituer ensuite progressivement de sorte que la température du coeur du réacteur ne subisse que des fluctuations d'amplitudes minimales. Il trouve des applications particulièrement intéressantes dans 2474 195 -7- les batteries de générateurs sodium-soufre et lithium-sulfure de fer destinées à la traction. Bien entendu le procédé selon l'invention n'est nullement limité aux modes de réalisation décrits et représentés mais il en couvre au contraire toutes les variantes. Par exemple, de nombreux corps solides autres que ceux précédem- ment mentionnés peuvent être utilisés sans pour autant se départir du cadre de l'invention. 2474 195 -8- REVENDICATIONS 1/ Procédé de-régulation thermique d'un système dans lequel se déroulent des réactions du type exothermique suivies de périodes d'arrêt, aux environs d'une température de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, caractérisé par le fait que l'on met en contact ledit système avec un premier corps présentant un point d'ébullition voisin de la température de régulation du système, on utilise les calories résultant desdites réactions exothermiques pour porter à ébullition ledit premier corps, on utilise les calories provenant de la condensation des vapeurs résultant de ladite ébullition pour amener un deuxième corps à la température de son point de fusion, ce corps ayant été choisi tel qu'il fonde à une température voisine mais inférieure à la température d'ébullition dudit premier corps, on maintient ce deuxième corps à une température sensiblement constante et un peu supérieure à son point de fusion jusqu'à la fin desdites réactions exothermiques, et enfin que l'on laisse ledit deuxième corps se solidifier pendant lesdites périodes d'arrêt du système et que l'on maintient sa tempé- rature sensiblement constante jusqu'à la fin desdites périodes d'arrêt. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite température est comprise entre 300 et 3600 sensiblement. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite température et comprise entre 400 et 4500 sensiblement. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le transfert des calories entre lesdits corps s'effectue de façon directe. /-Procédé selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé par le fait que le transfert des calories entre lesdits corps s'effectue de façon indirecte au moyen d'un liquide caloporteur. 6/ Dispositif et notamment batterie sodium-soufre ou lithium-sulfure de fer mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes.