Brevet FR2495497A1 — publié le 19820611

L'invention concerne les pompes à chaleur à adsorption et à absorption. Une installation normale de conditionnement d'air par absorption, utilisant de l'eau et du bromure de lithium comme fluides de travail, est capable de pomper de la chaleur de 70C à 40'C avec un coefficient de performance (C.O.P.) de 0,7 lorsqu'elle reçoit de la chaleur à 30'C. On a à présent conçu une installation impliquant la combinaison de pompes à chaleur à adsorption et à absorption afin de produire et d'emmagasiner de l'énergie avec un coefficient de performance notablement accru pour des applications au conditionnement de l'air, ce coefficient de performance pouvant s'élever, par exemple, à 1,9. L'invention concerne un procédé combiné d'adsorp- tion et d'absorption dans lequel une source extérieure de chaleur est utilisée pour éliminer d'un adsorbant, contenu dans un adsorbeur, une vapeur d'adsorbat qui est condensée, la chaleur latente de condensation ainsi produite étant utilisée, par échange de chaleur, pour retirer l'absorbat du fluide de travail dans le générateur d'un système à absorption. L'installation comporte également un condenseur, un évaporateur et un absorbeur, l'adsorbat condensé étant détendu et transporté vers un second évaporateur o la chaleur extérieure est prélevée et o l'adsorbat s'évapore. L'adsorbat vaporisé par intermittence, provenant du second évaporateur, est dirigé vers l'adsorbeur afin d'être réadsor- bé par l'adsorbant en donnant de la chaleur d'adsorption transmise, par échange de chaleur, au fluide de travail se trouvant dans le générateur. Une forme préférée de réalisation ne comporte qu'un évaporateur,et l'absorbat et l'adsorbat sont consti- tués par une seule et même substance. Le procédé fonctionne de la même manière, sauf que l'adsorbat condensé, après échange de chaleur avec le fluide de travail dans le géné- rateur et après détente, est dirigé vers l'évaporateur du système d'absorption o la chaleur extérieure est prélevée et o l'adsorbat s'évapore. Ensuite, une certaine partie de l'adsorbat vaporisé, provenant de l'évaporateur, est dirigée vers l'absorbeur o elle est absorbée en donnant de la chaleur d'absorption. Une certaine partie de l'adsorbat vaporisé, provenant de l'évaporateur, est dirigée par in- termittence vers l'adsorbeur pour être réadsorbée, etc., comme décrit précédemmlent. Dans les cas o l'installation se cormporte comme un réfrigérant, il est également souhaitable que l'adsorbat condensé soit refroidi, avant détente, approximativement à la température d'évacuation de la chaleur de l'évaporateur, qui peut être, par exemple, d'environ 40 C. Dans le procédé de l'invention, l'écoulement in- termittent de l'adsorbat vaporisé de l'évaporateur ou du second évaporateur se produit lorsque la source de chaleur extérieure utilisée pour éliminer la vapeur d'adsorbat de l'adsorbeur est inopérante. Le processus d'absorption, tel qu'appliqué au procédé selon l'invention, est classique; autrement dit, l'absorbat (qui, dans la forme préférée de réalisation, est la même matière que l'adsorbat) est extrait du généra- teur par de la chaleur provenant indirecte-ient de la chaleur de condensation ou de la chaleur d'adsorption de l'adsorbat; l'adsorbat vaporisé est condensé dans le condenseur, en donnant de la chaleur de condensation; l'absorbat condensé, après avoir été détendu, est dirigé vers l'évaporateur o il s'évapore et duquel l'adsorbat vaporisé est dirigé vers l'absorbeur qui fournit de la chaleur d'absorption. Une solution de fluide de travail faible est pompée de l'absor- beur vers le générateur et une solution de fluide de travail forte est transmise du générateur à l'absorbeur par l'inter- médiaire d'un détendeur. L'appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé de l'invention comprend un adsorbeur qui renferme un adsorbant et qui est équipé de moyens fournissant à l'adsorbant de la chaleur provenant d'une source extérieure.Ces moyens compren- nent habituellement un échangeur de chaleur logé dans l'adsor- beur et entoure par l'adsorbant, l'échangeur de chaleur étant alimenté en fluide caloporteur cnauffé, provenant d'une source de chaleur extérieure, par exemple un élément de chauffage par effet Joule, une chaudière à gaz ou à mazout ou un collecteur de rayonnement solaire à haute tempéra- ture. L'adsorbeur présente une sortie de vapeur qui est reliée habituellement par un conduit, portant une vanne, à un échangeur de chaleur disposé de manière à pouvoir four- nir de la chaleur au fluide de travail dans le générateur du système absorbeur. Habituellement, cet échangeur de chaleur est disposé à l'intérieur du générateur afin d'être en contact direct avec le fluide de travail à l'intérieur du générateur. Il est également prévu des moyens destinés à transmettre la chaleur d'une source extérieure au généra- teur, par exemple à partir de ladite source extérieure de chaleur précitée. Ceci est habituellement assuré par deux échangeurs de chaleur reliés l'un à l'autre au moyen d'un conduit portant une pompe de circulation. L'un des échan- geurs de chaleur est en relation d'échange de chaleur avec l'échangeur de chaleur logé dans l'adsorbeur, et l'autre échangeur de chaleur est en relation d'échange de chaleur avec l'échangeur de chaleur pouvant fournir de la chaleur au fluide de travail se trouvant dans le générateur. Un échangeur de chaleur convenant à une utilisation dàns l'adsorbeur est celui décrit dans la demande de brevet britannique N0 80 36901. La partie-de l'appareil comportant l'absorbeur est plus ou moins classique. Le générateur, dans lequel le fluide de travail riche est concentré par chauffage et duquel l'absorbat est retiré à l'état de vapeur, est relié par un conduit à un condenseur dans lequel la vapeur d'absorbat est condensée. La chaleur de condensation est captée à l'intérieur de ce condenseur, habituellement au moyen d'un échangeur de chaleur logé à l'intérieur du con- denseur. Un détendeur est relié par un conduit au conden- seur et l'absorbat condensé est détendu dans ce détendeur, avec une chute de température. Ce détendeur est relié par un conduit à un évaporateur qui est à une pression inférieure à celle régnant dans le condenseur et dans lequel de la chaleur est prélevée dans l'atmosphère, habituellement au moyen d'un échangeur de chaleur placé dans l'évaporateur, et dans lequel également l'absorbai s'évapore. L'évaporateur est relié par un conduit à un absorbeur fonctionnant sensiblement à la même pression que l'évaporateur et renfermant le fluide de travail du système absorbeur. Le fluide de travail riche est dilué en ce point par l'absorbat vaporisé. L'absorbeur renferme habituellement un échangeur de chaleur afin que la chaleur d'absorption puisse être rejetée à l'atmosphère. Le générateur et l'absorbeur sont reliés l'un à l'autre par deux conduits séparés dont l'un porte un déten- deur. Le fluide de travail pauvre est transporté de l'absor- beur vers le générateur, habituellement au moyen d'une pompe, tandis que le fluide de travail fort, provenant du géné- rateur, est dirigé vers l'absorbeur en passant par le dé- tendeur. L'échangeur de chaleur relié à la sortie de vapeur de l'adsorbeur est également relié par un conduit à un détendeur. Ceci signifie que la vapeur d'adsorbat, après condensation dans l'échangeur de chaleur monté de manière à fournir de la chaleur au fluide de travail se trouvant dans le générateur, passe par ce détendeur o sa pression est réduite. Lorsque l'installation se comporte comme un réfrigérant, des moyens de refroidissement, par exemple un échangeur de chaleur placé en amont de ce déten- deur, sont de préférence mis en oeuvre afin que l'adsorbat soit refroidi avant d'être détendu. Le détendeur est relié par un conduit à un évapo- rateur qui peut être un évaporateur destiné à l'adsorbat, c'est-à-dire le second évaporateur, distinct de l'évapora- teur du système de l'absorbeur, ou bien qui peut être, de préférence, le même évaporateur que celui utilisé dans le système absorbeur, auquel cas l'adsorbat et l'absorbat sont constitués par une seule et même substance. Lorsqu'un second évaporateur est utilisé, l'adsorbat détendu est dirigé vers cet évaporateur, la chaleur est pré- levée dans l'atmosphère et l'adsorbat s'évapore. Ce second évaporateur est relié à l'adsorbeur par un conduit portant de préférence une vanne. Lorsque l'on souhaite adsorber l'adsorbat dans l'adsorbeur, on fait passer l'adsorbat vaporisé de ce second évaporateur dans l'adsorbeur par ce conduit. Lorsque, dans la forme préférée de réalisation de l'invention, de l'adsorbat est dirigé vers l'évaporateur du système absorbeur, l'adsorbat vaporisé sort de l'évapo- rateur et est dirigé à la fois vers l'absorbeur et vers l'adsorbeur. Ainsi, un seul conduit peut relier l'évapora- teur à l'absorbeur et il peut être équipé d'un conduit de branchement aboutissant à l'-adsorbeur. Ce conduit de bran- chement porte de préférence une vanne et c'est par ce con- duit de branchement que l'adsorbat vaporisé est extrait lorsque l'on souhaite adsorber l'adsorbat dans l'adsorbeur. Le système adsorbant/adsorbat préféré est un système tamis moléculaire à la zéolite Y/eau, bien qu'une autre combinaison adsorbant/adsorbat convenable soit une combinaison charbon actif/éthanol. Le fluide de travail préféré dans le système absorbeur est une solution aqueuse de bromure de lithium, bien que d'autres fluides convenables puissent comprendre du méthanol et du bromure de lithium, de l'ammoniac et de l'eau et de l'ammoniac et du thiocyanate de sodium. Le conduit reliant l'échangeur de chaleur de l'adsorbeur à l'échangeur de chaleur du générateur contient habituellement de l'eau sous pression afin que la chaleur puisse être fournie par de l'eau à l'état liquide, à une température d'environ 150'C. En variante, un fluide calo- porteur à basse pression de vapeur, par exemple du type "Dowtherm A", peut être utilisé dans ce circuit. Les chiffres donnés ci-après illustrent le fonc- i tionnement de cette installation combinée à adsorption et absorption. Une installation normale de conditionnement d'air à absorption, utilisant de l'eau et du bromure de lithium comme fluide de travail, est capable de pomper de la chaleur de 70C à 40WC avec un coefficient de performance de 0,7 lorsqu'elle reçoit de la chaleur à 90 C. Lorsque de l'eau à 1500C est retirée du tamis moléculaire en zéolite Y, la vapeur extraite peut être condensée à 90'C pour faire fonctionner le système absorbeur. A chaque fois que l'on utilise 3,51.106 J/kg pour extraire l'adsorbant, 2,326.106 J/kg sont fournis au systèmre absorbeur pour réfrigérer 1,628.106 J/kg. L'adsorbant peut ensuite être utilisé pour-réfrigérer de nouveau 2j326.!06 J/kg, libérant 3,51.106 J,/kg cans la pro- cédé à 90cC. Cependant, ces 3,5110 5 J/kg peuvent atre in- trod-uits dans le système absorbeur o ils réfrigèrent encore 2,46.106 J/kg. Le coefficient global de performance de l1'ins- tallation est donc 1,628 + 2,326 + 2,46 6,414 82 351 - ----= 1,82 3,51 = 3,51 à Il en résulte egalement que I'6223106 J/kg sont réfrigérés directement lorsque l'on introduit 3,51.106 J/kg dans l'irstallation, tandis que 4,9=105 J/kg de réfrigéra- tion sot emmagasinés et peuvent 2tre utilisés lorsqu'aucun apport dénergie n'est disponible0 Une installation de conditionnement, d'air réalise conforimément aux principes de 1'invention convient tout à fait à une mise en oeuvre par l'énergie solaire, car le coeffi- cient de performance élevé réduit le volume d'investissement demandé en panneaux solaires et la capacité d'emmagasinage présentée par l'appareil selon ilinvention perme-t à ce der- nier de fonctionner dans des conditions défavorables. Lorsqu'il est utilisé pour le chauffage, l'appra- reil peut atteindre un coefficient de performance encore plus élevé, c'est-à-dire environ 2,9, L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est un schéma de l'appareil selon l'invention. Un adsorbeur 1 renferme un tamis moléculaire 30 en zéolite Y qui adsorbe l'eau constituant l'adsorbat. L'adsorbeur 1 renferm.e écale:.ent un échangeur de chaleur 2 relié par une canalisation à une source de chaleur qui est une chaudière chauffée au aaz naturel. Un conduit 31, por- tant une vanne 3, est relié à une sortie de vapeur de l'adsorbeur 1 et à un échangeur 4 de chaleur disposé à l'intérieur d'un générateur 5 d'une installation de condi- tionnement d'air à absorption utilisant de l'eau et du bromure de lithium comme fluide de travail. L'autre extrémité de l'échangeur de chaleur 4 est reliée à un conduit 32 qui traverse un échangeur de chaleur 33 et qui porte un détendeur 6. Ce conduit 32 arrive au sommet de l'évaporateur 7 de l'installation de conditionnement d'air. L'évaporateur 7 est relié à l'absorbeur 13 de l'installation de conditionnement d'air par un conduit 34 duquel part un conduit 35 de branchement portant une vanne 16 et relié aufond de l'adsorbeur 1. L'adsorbeur 1 renferme un échangeur de chaleur 17 placé à proximité immédiate de l'échangeur de chaleur 2. Cet échangeur de chaleur 17 est relié par des conduits 36 et 37 à un échangeur de chaleur 19 logé dans le générateur 5. Une pompe 18 de circulation est montée sur le conduit 37 et le conduit 36 est relié à un conduit 38 aboutissant à un réservoir de distribution (non représenté). Dans la partie de conditionnement d'air de l'appa- reil, le haut du générateur 5 est relié par un conduit 8 au condenseur 9. De la chaleur est rejetée à l'atmosphère par un échangeur de chaleur 10 disposé dans le condenseur 9. Le fond du condenseur 9 est relié par un conduit , portant un détendeur 11, au sommet de l'évaporateur 7. Dans ce dernier, un échangeur de chaleur 12 prélève de la chaleur dans l'atmosphère. Le générateur 5 et l'absorbeur 13 sont reliés l'un à l'autre par deux conduits 41 et 42. Le conduit 41 comporte une pompe 14 et le conduit 42 comporte un détendeur 15. Le procédé selon l'invention se déroule de la manière décrite ci-après. L'eau est retirée de l'adsorbeur 1, qui renferme un tamis moléculaire 2 en zéolite Y, par la chaleur provenant de l'échangeur de chaleur 2 et arrivant à une température de 1500C. Cette chaleur est fournie par un fluide caloporteur chaud provenant d'une chaudière à gaz (non représentée). La vapeur d'eau passant par la vanne 3 et le conduit 31 arrive dans l'échangeur de chaleur 4 o elle se condense à 90'C. La chaleur latente de condensation actionne l'ins- tallation de conditionnement d'air de la manière normale, comme décrit ci-après. L'eau de condensation passe ensuite, par l'inter- médiaire du conduit 32, dans l'échangeur de chaleur 33 o elle est refroidie à 40C. Elle se détend ensuite dans le détendeur 6 en refroidissant à 70C et entre dans l'évapora- teur 7. Dans ce dernier, de la chaleur est prélevée dans l'atmosphère, l'eau se vaporise et cette vapeur d'eau est évacuée de l'évaporateur 7 par un conduit 34 afin d'être absorbée par la solution forte de bromure de lithium con- tenue dans l'absorbeur 13. La chaleur d'absorption est évacuée par l'échangeur de chaleur 20 à environ 400C. La solution faible de bromure de lithium est ensuite pompée de l'absorbeur 13 vers le fond du généra- teur 5 par la pompe 14 et par l'intermédiaire du conduit 41. De la chaleur est apportée par l'échangeur de chaleur 4 ou par l'échangeur de chaleur 19 à la solution de bromure de lithium contenue dans le générateur 5. La solution forte de bromure de lithium provenant du générateur 5 descend vers l'absorbeur 13 par le conduit 42 et le détendeur 15. Pendant ce temps, l'eau sortant du générateur 5 s'écoule par le conduit 8 et est condensée dans le condenseur 9. La chaleur latente de condensation est rejetée par l'intermé- diaire de l'échangeur de chaleur 10, à 40C, et l'eau de condensation est renvoyée à l'évaporateur 7 par l'intermé- diaire du conduit 40 et du détendeur 11. Dans cette forme de réalisation, l'eau contenue dans les échangeurs de chaleur 17 et 19 et dans les conduits 36 et 37 est sous pression, de sorte qu'elle ne s'évapore pas lorsque l'adsorbeur 1 reçoit de la chaleur à 150'C. En variante, un fluide caloporteur à faible pression de vapeur peut être utilisé à la place de l'eau sous pression dans ce circuit. Comme décrit précédemment, la vapeur d'adsorbat est évacuée de l'adsorbeur 1 par utilisation de chaleur extérieure. Lorsqu'aucun apport de chaleur n'est disponible, l'adsorbeur 1 peut être rechargé en adsorbat. Ceci s'effec- tue par fermeture de la vanne 3, ouverture de la vanne 16 et mise en marche de la pompe 18 de circulation. L'adsorbat, constitué d'eau vaporisée, peut ainsi être entraîné de l'évaporateur 7 vers l'adsorbant 30, logé dans l'adsorbeur 1, par l'intermédiaire des conduits 34 et 35 et de la vanne 16. De plus, la pompe 18 de circulation, lorsqu'elle fonctionne, fait circuler l'eau dans- les échangeurs de chaleur 17 et 19 par l'intermédiaire des conduits 36 et 37 de sorte que la chaleur d'adsorption est transmise au générateur 5 à 90'C et fait fonctionner ce générateur 5 de la manière normale. En variante, l'échangeur de chaleur 2 peut rece- voir sa chaleur d'un collecteur de rayonnement solaire à haute température. Dans ce cas, lorsque l'adsorbeur 1 est complètement déchargé, mais que de l'énergie solaire est encore disponible, il est possible de faire fonctionner l'installation de conditionnement d'air à absorption par transmission directe de la chaleur de l'échangeur 2 de chaleur à l'échangeur 17 et, par l'intermédiaire de la pompe 18 et des conduits 36 et 37, à l'échangeur de chaleur 19. L'échangeur de chaleur 2 est chauffé par le liquide provenant du collecteur de rayonnement solaire à haute température, qui fournit ainsi à cet échangeur de chaleur 2 un fluide caloporteur à 150'C. Lorsque l'adsorbeur 1 est actionné, le débit de sortie de l'installation de conditionnement d'air peut être augmenté, si cela est souhaité, car l'absorbeur et l'adsorbeur fonctionnent en parallèle, c'est-à-dire que de l'absorbat est transporté vers l'évaporateur du système absorbeur en même temps que de l'adsorbat est transporté vers l'adsorbeur pour être adsorbé par l'adsorbant. Un fonctionnement direct de l'appareil, l'adsor- beur 1 étant déchargé, ne donne un coefficient de perfor- mance que de 0,7 et n'est donc intéressant qu'en période de disponibilité de l'énergie solaire. Un fonctionne.-ent cyclique, c'est-à-dire une décharce de l'adsoreur I caui est ensuite rechargé, donne un coefficient dé nerfora? ze de 1,8. L'appareil selon l'invention peut ôtre utilisé avec du gaz naturel pour chauffer la chaudière fournissant le fluide caloporteur chaud à l'échangeur de chaleur 2, par internittence, afin d'éviter la consommation de gaz aux heures de pointe. Il en est de méme lorsque la chaudière est commandée électriquement, auquel cas elle est utilisée pendant les heures creuses, alors que l'électricité est à meilleur marché. La consommation d'énergie pendant les heures creuses, par exemple la nuit, est rendue uniquement possi- ble par le fait que la chaleur potentielle est emm.acasinée dans le système, c'est-à-dire dans l'adsorbeur. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées. au procédé et à l'appareil décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé combiné-d'adsorption et d'absorption, caractérisé en ce qu'une source extérieure de chaleur est utilisée pour retirer de la vapeur d'adsorbat d'un adsorbant (30) contenu dans un adsorbeur (1), cette vapeur d'adsorbat étant condensée et la chaleur latente de condensation ainsi produite étant utilisée, par échange de chaleur, pour retirer un absorbat du fluide de travail dans le générateur (5) d'un système d'absorption, ce système comprenant également un condenseur (9), un évaporateur (7) et un absorbeur (13), l'adsorbat condensé étant détendu et transporté vers un second évaporateur o de la chaleur extérieure est prélevée et o également l'adsorbat s'évapore, l'adsorbat vaporisé par intermittence, provenant du second évaporateur, étant transporté vers l'adsorbeur afin d'être réadsorbé par l'adsorbant en donnant de la chaleur d'adsorption qui est transmise, par échange de chaleur, au fluide de travail se trouvant dans le générateur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'adsorbat est la même matière que l'absorbat du fluide de travail et en ce que l'évaporateur du système absorbeur constitue également ledit second évaporateur, l'adsorbat condensé, après échange de chaleur avec le fluide de travail dans le générateur et après détente, étant trans- porté vers l'évaporateur o de la chaleur extérieure est prélevée et dans lequel l'adsorbat s'évapore, une certaine partie de l'adsorbat vaporisé étant transportée de l'évapo- rateur vers l'absorbeur. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'adsorbat condensé, avant d'être détendu, est refroidi sensiblement à la température de sortie de la chaleur de l'évaporateur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le système adsorbant/ adsorbat est un système tamis moléculaire (2) en zéolite Y/eau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le fluide de travail du système absorbeur est du bromure de lithium aqueux. 6. Appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé continu d'absorption et d'adsorption, caractérisé en ce qu'il comporte un adsorbeur (1) qui renferme un adsorbant (30) et un moyen (2) fournissant de la chaleur à l'adsorbant, à partir d'une source extérieure, l'adsorbeur comportant une sortie de vapeur reliée par un conduit (31) à un échangeur de chaleur (4) capable de fournir de la chaleur au fluide de travail du générateur (5) d'un système absorbeur, un élément transmettant de la chaleur d'une source extérieure au générateur, l'appareil comportant également un détendeur (6) relié par un conduit (32) à l'échangeur de chaleur (4), un évaporateur (7) relié par un conduit (32) au détendeur, et par un conduit (35) à l'adsorbeur, le système absorbeur comprenant ledit générateur (5) relié par un conduit (15). 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (4) est disposé à l'inté- rieur du générateur. - 8. Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les moyens transmettant de la chaleur au générateur à partir d'une source extérieure com- prennent deux échangeurs de chaleur (17, 19) reliés entre eux par un conduit (37) portant une pompe (18) de circula- tion, l'un (17) des échangeurs de chaleur étant en relation d'échange de chaleur avec la source extérieure (2) de chaleur et l'autre (19) étant en relation d'échange de chaleur avec l'échangeur de chaleur (4) pouvant fournir de la chaleur au fluide de travail du générateur. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 8, caractérisé en ce qu'un dispositif (33) de re- froidissement est placé en amont du détendeur monté entre l'évaporateur et l'échangeur de chaleur capable de fournir de la chaleur au fluide de travail du générateur. 10. Appareil selon:l'une quelconque des revendica- tions 6 à 8, caractérisé en ce que l'évaporateur (7) du système absorbeur est également l'évaporateur relié au dé- tendeur (6) et à l'adsorbeur (1).