Brevet FR2489940A1 — publié le 19820312

Invention concerne un procédé pour la production de chaleur utilisable à partir de chaleurs perdues, à l'aide d'une transformation de niveau de chaleur par sorption, dans lequel la chaleur utilisable possède un niveau de température nettement plus élevé que les chaleurs perdues. L'opération peut alors être combinée en même temps avec une partie de production de froid par absorption, les proportions de production de chaleur utile et de production de froid étant souples et modifiables. Le procédé est applicable à toutes les opérations thermiques dans lesquelles sont dégagées des chaleurs perdues, celles-ci devant être converties en chaleur utile à 1000 et jusqu'à 2000C maximum. Il est connu d'utiliser des opérations de sorption pour la production de chaleur utile avec niveau de température moyen. Une réalisation consiste à incorporer la vapeur du fluide de travail dans un échange de chaleur avec la solution riche, avec réchauffage simultané préalable de la solution pauvre et de la vapeur constituant le fluide de travail (Voir brevet DE 26 29 441) et livre Pompes à chaleur" (Essen) H.Glaser (1977, pages 62-72 notamment page 67, figure 9). Mais un refroidissement amélioré de la solution riche n'est pas suffisant, à lui seul, pour refroidit le porteur de chaleur jusqu'au voisinage de la température ambiante. Cela suppose en outre une saturation très poussée de la solution riche. La température de début de désorption, et ainsi le refroidissement du porteur de chaleur perdues, est d'autant plus basse que la concentration de la solution riche est plus élevée. Cela exige une saturation supplémentaire de la solution sortant de l'absorbeur de chaleur utile dans le cas de très basses températures. Il est connu de procéder à cet effet à une sorption ultérieure dans la phase de ruissellement, dans le but de dégazage supplémentaire de la solution pauvre (Cholodilnaja Technika, Moscou-1965 nO 4 pages 31 à 35 et 1966 nO 7 pages 24 à 26). L'effet de cette disposition ne donne cependant pas son effet pour deux raisons. D'une part, la saturation supplémentaire de la solution riche et le dégazage supplémentaire de la solution pauvre s'effectuent avec circulation dans le même sens, de sorte qu'on ne peut pas obtenir une modification sensi ble de la concentration des deux cotés. D'autre part, on renonce aussi bien au préchauffage de la solution pauvre qu'à la surchauffe de la vapeur de fluide de travail, et ainsi la solution riche n'est pas refroidie. Celle-ci atteint une trop haute température et elle se vaporise en grande partie dans le désorbeur, en provoquant un abaissement de la concentration en vapeur du fluide de travail. Il peut se produire aussi des pertes considérables par rectification et chaleur évacuée au cours de la production du retour.Par une température de début de désorption élevée, le porteur de chaleur évacuée ne peut pas être refroidi suffisamment et la chaleur évacuée n'est pas utilisée. On se heurte également à des limites pour le dégazage. On connaît en outre un procédé de transformation de niveau de chaleur, dans lequel la vapeur de fluide de travail désorbée n'est pas condensée, mais est réabsorbée, de sorte qu'on peut considérer cette disposition comme une installation de ré-sorption à contre-courant. (Températur-technik 1975, mars-avril pages 33 à 35). Au moyen d'une ré-sorption, on a l'avantage que les vapeurs de fluide de travail peuvent être liquéfiées sous des pressions nettement basses, et que, au cours de la désorption, même avec emploi de porteurs de chaleur perdue à faible niveau de température, on peut atteindre une concentration de fluide de travail très réduite, grâce à laquelle est assurée une chaleur d'absorption spécifique élevée, lors de l'absorption dans l'absorbeur de chaleur utile. La chaleur d'absorption spécifique élevée a pour conséquence une faible circulation spécifique de la solution au cours de l'opération de transformation de niveau de chaleur, ou, avec une meme circulation de solution, le rendement en chaleur utile est plus grand. Cependant, l'inconvénient de ce procédé réside dans la nécessité de créer un circuit supplémentaire de fluide en solution entre le ré-sorbeur et le dégazeur, y compris le transmetteur de chaleur. La différence de température qui peut être obtenue entre chaleur utile produite et chaleur perdue disponible est cependant beaucoup trop faible, car on renonce à un échauffement régénérateur de la vapeur de fluide -de travail. Le refroidissement du porteur de chaleur évacuée est également insuffisant. L'invention a pour but d'améliorer l'état de la technique dans le domaine des opérations de sorption pour la transformation de chaleurs perdues en chaleur utile, haute transformation de chaleur, avec une plus grande différence de température et avec refroidissement du porteur de chaleur perdue jusqu'au voisinage de la température ambiante. Dans ce but, l'invention pose et résout un certain nombre de conditions nécessaires, à savoir - La chaleur utile à extraire doit avoir une température comprise entre 100 et 2500C, et présenter alors un niveau de température nettement supérieur à celui de la chaleur évacuée disponible pour le chauffage - Le support de chaleur évacuée doit être refroidi, dans un processus d'échange de chaleur, jusqu'au voisinage de la température ambiante - On doit utiliser le domaine de concentration de la solution pauvre avec une chaleur d'absorption spécifique maximale - I1 faut éviter une rectification des vapeurs de fluide de travail par une colonne de renforcement affectée au désorbeur, même dans le cas de mélange de deux matières ayant une différence de températures d'ébullition relativement faible - Le processus de transformation de niveau de chaleur doit, au besoin, pouvoir être combiné avec une partie de production de froid par absorption, en utilisant pour les deux opérations partielles la même paire de matières de travail, les rendements en chaleur utile et en froid étant variables - Le rapport thermique entre fourniture de chaleur utile et consommation de chaleur perdue doit se situer aussi prés que possible de la valeur théorique. En outre, l'invention a pour but d'éviter les insuffisances de l'état de la technique et de réaliser une valorisation de la chaleur perdue avec une consommation aussi réduite que possible en énergie mécanique. Conformément à l'invention, ce problème est résolu par le fait qu'un désorbeur, réalisé sous la formation d'un appareil vertical à contre-courant, subit un chauffage étranger à sa partie supérieure par de la chaleur perdue et est chauffé, par régénération dans sa partie inférieure, la solution dégazée s'écoulant du haut vers le bas, le fluide de chauffage passant dans les deux cas du bas vers le haut, et le chauffage par régénération est produit par la chaleur d'absorption qui se trouvè libérée, lors de la saturation supplémentaire de la solution riche avec la vapeur de fluide de travail. Pour assurer une grande différence entre la température de la chaleur perdue disponible et la température de la chaleur utile, il est prévu une combinaison d'une pression accrue de l'absorption par rapport à la désorption, un chauffage régénérateur de la partie inférieure du désorbeur et en conséquence un passage à contre-courant des courants de matière avec absorption, désorption et transmission de chaleur. Grâce à la saturation supplémentaire élevée de la solution riche avec des températures décroissantes ou des pressions élevées, et en assurant un refroidissement, en vue d'éviter une vaporisation partielle après la détente de la solution riche, le support de chaleur perdue est refroidi jusqu'au voisinage de la température ambiante. L'échauffement préalable régénérateur de la solution pauvre et de la vapeur de fluide de travail s'effectue au moyen de la chaleur d'absorption qui est produite lors de la saturation supplémentaire de la solution qui ruisselle directement de l'absorbeur de chaleur perdue. Le refroidissement supplémentaire de la solution riche qui fait suite au réchauffage régénérateur du désorbeur, le cas échéant couplé avec une autre saturation supplémentaire, s'effectue, au choix, dans un désorbeur à courant partiel qui est connecté en parallèle avec le désorbeur chauffé par une chaleur étrangère, ou bien dans une section d'évaporateur chauffée par régénération. Un refroidissement de la solution riche a lieu, d'une part, par une limitation de la saturation supplémentaire de la solution riche, avec simultanément dégagement de chaleur sensible pour une vaporisation du fluide de travail, ou par une désorption dans le désorbeur à courant partiel, et d'autre part, par un autre dégagement de chaleur sensible du condensat de fluide de travail et de son ré-sorbat, auquel cas ce dernier est pré-chauffé. Le refroidissement poussé du courant de porteur de chaleur nécessaire à ce dégagement de la chaleur de vaporisation et de la chaleur de dégazage est réalisé, au choix, par abandon de chaleur au condensat de fluide de travail et au résorbat, ou bien par alimentation dans la section supérieure, froide, de la partie du désorbeur chauffée par apport extérieur. Dans une première variante favorable de solution du problème, il est prévu que la production de chaleur utile a lieu par absorption dans plusieurs étages de pression, auquel cas la pression d'étage croit avec la croissance de la concentration de la solution, et le pré-chauffage de la solution est réalisé seulement pour les étages de pression les plus bas. Le pré-chauffage de vapeur de fluide de travail pour tous les absorbeurs de chaleur utile prévus est assuré par contact direct et échange de chaleur à contre-courant par rapport à la solution en écoulement dans le pré-chauffeur de solution, ou, dans les étages de pression plus élevés, dans une installation d'échange de matières. Dans une autre solution, il est prévu que, lors d'une absorption à plusieurs étages du fluide de travail, l'absorbeur de l'étage de pression, le plus haut assure, comme absorbeur à débordement, la couverture des besoins de chaleur de la section de désorbeur à chauffage par régénération, et la température finale de désorption est élevée et réglée par accroissement de la pression. Il est en outre prévu que la solution pauvre refroidie, introduite dans l'absorbeur de chaleur utile, est amenée à haute température dans une installation d'échange de matière par absorption, avant de pénétrer ensuite, en coulant sous forme de pellicule, dans la section de l'absorbeur refroidie. Dans le cas de besoin simultané de froid, une variante spéciale de la solution est préférable, suivant laquelle une section de froid provenant de l'absorption est raccordée aux opérations de transformation de niveau de température, une partie de la vapeur de fluide de travail étant prélevée en tête du désorbeur, condensée, puis vaporisée pour la production de froid, pour être ensuite absorbée dans l'absorbeur de fluide frigorifique au moyen d'un courant partiel approprié de' solution pauvre, refroidie dans un échangeur de chaleur. L'absorbat est pré-chauffé dans cet échangeur de chaleur par la solution pauvre et, après augmentation de la pression, mélangée, en un point de concentration appropriée de la solution, pour sa saturation supplémentaire. Pour tous les modes d'opérer décrits, il est avantageux de prévoir, comme fluide de travail, un fluide frigo rifique à basse pression ayant un point de vaporisation élevé, une composante des deux fluides prévus étant constituée par de l'eau. L'invention est expliquée ci-apres à l'aide d'un exemple de réalisation avec référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un processus de transformation de niveau de chaleur à étage unique, avec saturation supplémentaire et refroidissement de la solution riche à l'aide d'un désorbeur à courant partiel et condensation de la vapeur de fluide de travail. - la figure 2 représente un processus de transformation de niveau de chaleur à-étage unique, avec saturation supplémentaire et refroidissement de la solution riche dans une section d'un vaporisateur chauffée par régénération, avec condensation de la vapeur de fluide de travail. - la figure 3 montre un processus de trans for- mation de niveau de chaleur à deux étages dans lequel le deuxième étage d'absorption n'est pas employé comme absorbeur de chaleur utile, mais au contraire est constitué comme sous étage du désorbeur chauffé par régénération avec saturation supplémentaire et refroidissement de la solution riche à l'aide d'un désorbeur à courant partiel et condensation de la vapeur de fluide de travail - la figure 4 montre un processus de transformation de niveau de chaleur à trois étages dans lequel le troisième étage d'absorption est constitué comme étage inférieur, chauffé par régénération, du désorbeur, et le refroidissement de la solution riche a lieu au moyen d'un chauffage régénérateur dans des évaporateurs à différents étages de pression, avec condensation du fluide de travail. - la figure 5 montre le désorbeur d'un processus de transformation de niveau de chaleur auquel est annexée une section frigorifique. - la figure 6 représente un processus de transformation de niveau de chaleur à étage unique avec un désorbeur à courant partiel conforme à la figure 1, mais avec liquéfaction de la vapeur du fluide de travail par résorption, et nouvelle libération de la vapeur de fluide de travail sous une pression plus élevée par dégazage. Le porteur de chaleur dont on dispose pénètre sous forme de deux courants partiels, comme courant de chaleur perdu 1, et courant partiel de chaleur perdue 1', dans le processus de transformation de niveau de chaleur. Le courant partiel 1 sert à réchauffer, par apport extérieur, la partie supérieure 3 du désorbeur 2, tandis que le courant partiel 1' passe dans un évaporateur 5 ou un dégazeur 31 et ensuite dans un préchauffeur de condensat 16 pour abandonner sa chaleur au condensat de fluide de travail (re-sorbat), ou bien est alimenté, dans le haut de la partie supérieure du désorbeur 3, dans le courant de chaleur perdue 1, en un point correspondant à son niveau de température (figure 6).Après abandon de chaleur et épuration des deux courants partiels, le porteur de chaleur perdue quitte le processus en 6. Un porteur de chaleur perdue est amené en 8 dans un absorbeur de chaleur utile 9, traverse cet absorbeur à contre-courant par rapport à un film d'écoulement de la solution, en prélevant de la chaleur, pour sortir en 10 de ce processus et peut être finalement envoyé à un organe utilisateur de chaleur. La paire de fluides de travail qui est en circulation peut être amenée, comme solution riche, en t8te du désorbeur 2 en passant par une installation de détente 11 qui peut être réalisée comme une turbine de détente productrice de travail ou comme installation d'étranglement. Le fluide de travail est poussé par apport de chaleur dans le désorbeur 2, et est évacué de la tête de ce désorbeur 2. La vapeur de fluide de travail- est liquéfiée dans un condenseur 12 ou un re-sorbeur 32, entreposée dans le collecteur de condenseur 13 ou dans la partie inférieure du ré-sorbeur 32. Elle est envoyée, par une pompe à condensat 14 et des pré-chauffeurs de condensat 15 et 16, dans un système de vaporisation comportant un vaporiseur à chauffage extérieur 5 ou un dégazeur 31. Une section du vaporiseur à chauffage régénérateur 5' peut être connectée en parallèle avec le vaporiseur 5 (figure 4). La solution pauvre est retirée du pied du désorbeur 2 et est amenée, par une pompe à solution 17, dans un préchauffeur de solution 18, dans lequel est préchauffée en même temps la vapeur de fluide de travail provenant du vaporiseur 5 ou du dégazeur 31. La solution pauvre est ensuite délivrée, par le haut, sur un absorbeur de chaleur utile 9. La vapeur de fluide de travail sort du bas du préchauffeur de solution 18 et passe dans l'absorbeur de chaleur utile 9. Un courant partiel de la vapeur de fluide de travail provenant du vaporiseur 5 ou du dégazeur 31est introduit, pour assurer la saturation supplémentaire de la solution riche, dans la partie 4 du désorbeur 2 qui fonctionne comme absorbeur à débordement pour un chauffage par régénération du désorbeur 2. La solution riche fortement chargée en fluide de travail est prélevée à l'extrémité supérieure (la plus froide) de la section de désorbeur 4 à chauffage régénérateur. Elle est introduite, alternativement, soit, en vue de continuer la saturation supplémentaire ou le refroidissement, en bas, dans l'es- pace enveloppe d'un désorbeur à courant partiel 7, ou bien elle est amenée à la section de vaporiseur 51 à chauffage régénérateur. Si on utilise le désorbeur à courant partiel 7, la solution riche est prélevée à l'extrémité supérieure froide de ce désorbeur 7, refroidie ensuite davantage dans le préchauffeur 15 de condensat et elle est ramenée, de la manière décrite en passant par l'installation de détente 11, dans le désorbeur 2, un courant partiel étant éventuellement retourné dans le désorbeur 7 à courant partiel. Si on utilise la section 5' duvaporiseur à chauffage par régénération, la solution riche est ensuite ramenée de la même manière dans le désorbeur 2 en passant par le préchauffage de condensat 15 (avec utilisation d'un résorbeur 32 fonctionnant comme préchauffage de résorbat) et l'installation de détente 11. Le processus de transformation de niveau de chaleur peut être également exécuté, à plusieurs étages. On ajoute alors un ou plusieurs absorbeurs de chaleur utile, par exemple l'absorbeur 9' pour l'étage à moyenne pression. Au lieu d'un absorbeur de chaleur utile, on peut également utiliser l'absorbeur à débordement, à chauffage régénérateur, de la section inférieure du désorbeur 4 comme étage d'absorption supplémentaire pour accrortre l'écart entre la température du porteur de chaleur perdue et celle de la chaleur utile et opérer avec une pression dans le système plus élevée que l'étage de chaleur utile précédent. L'augmentation du nombre d'étages d'absorption nécessite également d'autres étages de vaporisation (vaporiseurs 19 et 21 avec les sections de vaporiseur 19' et 21' chauffées par régénération) ainsi que des pompes à solution 20 et 22. Une autre possibilité de réalisation du processus de transformation de niveau de chaleur est fournie par le raccordement d'une section frigorifique par absorption. A cet effet, la quantité partielle nécessaire de solution pauvre est prélevée au pied du désorbeur 2, avant la pompe à solution 17, et le condensat de fluide de travail utilisé ici comme condensat frigorifique, - est prélevé au collecteur de condensat 12, avant la pompe à condensat 14. La solution pauvre est refroidie, de la manière habituelle dans un échangeur de chaleur 26, par la solution enrichie, et elle parvient, après détente dans une installation d'étranglement 27, dans un absorbeur 25, dans lequel elle est enrichie en fluide frigorifique.L'absorbat est envoyé, par une pompe à solution 24, dans l'échangeur de chaleur 26, et il est ensuite envoyé en un point approprié, où la concentration en solution, est la même du processus de transformation de niveau de chaleur, ou bien il est ramené sur le eôté d'enveloppe de la section 4 chauffée par régénération du désorbeur 2. Le condensat de fluide frigorifique est amené, à partir du collecteur de condensat 13, en passant par un refroidisseur 29, et une installation d'étranglement 30 servant à la détente, dans un évaporateur de fluide frigorifique 28. De là, la vapeur de fluide frigorifique parvient, en passant l'espace qui enveloppe le refroidisseur de fluide frigorifique 29, dans l'absorbeur de fluide frigorifique 25 où elle sert à enri chir la solution pauvre. Pour le processus de transformation de niveau de chaleur, il est avantageux de choisir deux fluides de travail, dans laquelle le composant léger, c'est-à-dire le fluide de travail, est de préférence un fluide frigorifique à basse pression avec une chaleur de vaporisation élevée, mais, pour l'autre composant, c'est-à-dire le fluide d'absorption, il faut absolument choisir l'eau. REVENDICATIONS 10) Procédé pour la production de chaleur utile à partir de chaleurs perdues, à l'aide d'un processus de sorption, dans lequel un fluide de travail à basse pression est libérée d'une solution par désorption thermique, par échauffement avec de la chaleur perdue, est ensuite liquéfié par condensation ou re-sorption, puis vaporisée à noyau, à plus haute pression, par amenée de chaleur perdue, ou dégazé à partir du resorbat, et ensuite, à la pression de vaporisation ou de dégazage, réuni au désorbat (solution pauvre) dans un absorbeur, avec dégagement de la chaleur d'absorption, cette chaleur d'absorp t ion étant libérée à un niveau de température plus élevé que la chaleur perdue utilisée pour le chauffage, et étant transmise finalement à un transporteur de chaleur, comme chaleur utile, procédé caractérisé en ce qu'un désorbeur (2) est chauffé, dans sa partie supérieure (3) par un courant de chaleur perdue (1), et chauffé, dans sa partie inférieure (4), par régénération, par la sorption supplémentaire de la solution riche, cette absorption s'effectuant à contre-courant par rapport à la pelli- cule de la solution dégazée qui s'écoule, la solution riche ayant subi une saturation supplémentaire sortant à l'extrémité supérieure de la partie inférieure (4) étant amenée, pour fournir à nouveau de la chaleur sensible, le cas échéant avec nouvelle saturation supplémentaire, soit à un désorbeur à cou-rant partiel (7) monté en parallèle avec la partie supérieure (3) du désorbeur, soit à une section de vaporisation (5'), chauffée par régénération, qui est montée en parallèle avec un évaporateur (5) recevant un chauffage extérieur, auquel cas la solution riche supplémentairement saturée traverse, avec une température décroissante, le désorbeur à courant partiel (7), côté enveloppe, du bas vers le haut, ou la section de vaporisation (5'), d'où résulte un refroidissement supplémentaire de la solution riche dans un pré-chauffeur de condensat (15) après quoi la solution est détendue dans une installation de détente (11) et amenée au désorbeur (2) ou en partie au désorbeur (2) et en partie au désorbeur à courant partiel (7), à son extrémité supérieure, tandis que, à l'extrémité inférieure du désorbeur (2) la solution pauvre est prélevée, amenée à une pression plus élevée par une pompe à solution (17), préchauffée dans un préchauffeur (18), indirectement, à contre-courant, par saturation supplémentaire de la solution qui sort d'un absorbeur (9) de chaleur utile et délivrée à l'extrémité supérieure de ce dernier à la pression de l'absorpteur, pour être réunie, avec abandon de chaleur utile, avec la vapeur de fluide de travail libérée à haute pression dans un évaporateur (5) ou un dégazeur (31), cette vapeur ayant été préalablement pré-chauffée dans un pré-chauffeur de solution (18) par la solution qui s'écoule de l'absorbeur de chaleur utile (9), par échange de chaleur à contact direct, à contre-courant. 20) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'en dirigeant un courant partiel de chaleur perdue (1') vers le chauffage extérieur de l'évaporateur (5) ou du dégazeur (31) et en produisant ainsi de la vapeur de fluide de travail pour une saturation supplémentaire de la solution riche dans la section (51) de l'évaporateur ou dans le désorbeur à courant partiel (7), la solution riche n'est saturée et simultanément refroidie que jusqu'à un point tel, que, lors de sa détente à la pression du désorbeur, dans l'installation de détente (11), il ne se produise aucune vaporisation partielle, le courant partiel de chaleur perdue (1') étant alimenté, après l'évaporateur (5) ou le dégazeur (31), dans le courant de chaleur perdue (1), en un point de partie (3) au désorbeur correspondant à son niveau de température, ou bien est dirigé, en passant par un pré-chauffeur de condensat (16) vers la sortie du transporteur de chaleur perdue (6). 30) Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la production de chaleur utile augmente avec la croissance de la concentration de la solution au moyen de l'absorption dans des absorbeurs (9, 9') de chaleur utile à plusieurs étages de pression, que le préchauffage de la solution est réalisé dans un pré-chauffeur de solution (18) seulement pour l'étage de pression le plus bas de l'absorbeur de chaleur utile (9), et que le préchauffage de la vapeur de fluide de travail est réalisé par échange de chaleur à contact direct, à contre-courant, avec la solution qui s'écoule des absorbeurs (9, 9') de chaleur utile dans le pré-chauffeur de solution (18), ou, pour les étages de pression plus élevés, dans une installation d'échange de matière (23). 40) Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, si l'absorption du fluide de travail se fait en Plusieurs étages, l'absorbeur de l'étage de pression le plus élevé est constitué comme absorbeur à débordement pour couvrir le besoin en chaleur régénérative de la section inférieure (4) du désorbeur, et le niveau de température de la section (4) du désorbeur étant élevé et réglé par accroissement de la pression. 50) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, la solution pauvre qui pénètre dans l'absorbeur (9, 9') de chaleur utile est amenée à une température plus élevée, dans une installation d'échange de matières, par absorption de fluide de travail, et parvient ensuite à la sortie de chaleur utile, avec une nouvelle absorption de fluide de travail dans une section refroidie d'absorbeur. 60) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un courant partiel du condensat de fluide de travail, prélevé sur le produit de tête du désorbeur (2) ou du désorbeur de courant partiel (7), est utilisé pour la production de froid, par le fait que la vapeur de fluide de travail est absorbée dans un ou plusieurs absorbeurs (25) de fluide frigorifique par un courant partiel de la solution pauvre sortant comme produit de pied du désorbeur (2), l'absorbant obtenu étant échauffé, dans un échangeur de chaleur (26) par la solution pauvre, et étant ajouté au mélange, après augmentation de pression, dans la section d'absorption en un point où la concentration de la solution qui correspond, pour une saturation supplémentaire. 70) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, comme fluide de travail, il est prévu un fluide frigorifique à basse pression, avec une chaleur de vaporisation élevée, un des composants de la paire de matières de travail étant constitué par l'eau.