Brevet FR2510592A1 — publié le 19830204

La présente invention concerne un procédé pour augmenter la température d'un fluide porteur inerte sous forme gazeuse lors de l'extraction de chaleur utile à partir d'un agent d'accumulation opérant par sorption d'eau. On sait accumuler de l'énergie provenant de l'environne- ment dans un agent d'accumulation opérant par sorption d'eau et extraire en cas de besoin cette énergie de l'agent d'accu- mulation Une telle énergie provenant de l'environnement peut, notamment, être produite par le rayonnement solaire, cf à cet égard l'article de "Solar Energy", 23 ( 1979),pages 489 à 495,o la chaleur d'adsorption de l'humidité est utilisée sur des tamis moléculaires du type zéolithe Comme autres exemples d'agents d'accumulation, on peut citer le gel de silice, Ca C 12,ou également le chlorure de lithiump les solutions de bromure de lithium et l'acide sulfurique. Ce système d'accumulation opère conformément aux relation suivantes, o les agents d'accumulation solides sont désignés dans ce cas par "agents de sorption " et o ces sorptions satisfont à la relation générale suivante: AB + chaleur A + B Comme exemples de tels systèmes,on peut citer: Li Cl 3 H 30 (solide) Li Cl(solide) + 3 H 20 (gaz) H 2 SO 04,r H 20 (liquide) H 2 SO 4 (r-n)H 20 (gaz) + n H 20 (gaz) Agent de sorption H 20 (solide) -agent de sorption (solide) + H 20 (gaz). Lors de l'extraction de chaleur utile à partir d'un tel agent d'accumulation opérant par sorption d'eau,l'agent d'accumulation contenant peu ou pas d'eau est mis en contact de l'air aussi humide que possible et l'absorption de la vapeur d'eau contenue dans cet air d'admission par l'agent d'accumulation,dégage de la chaleur qui est transmise au fluide porteur inerte sous forme gazeuse en augmentant sa température Ce fluide porteur inerte sous forme gazeuse,qui passe alors à un niveau de température supérieur,peut ensuite céder la chaleur utile qu'il contient dans un échangeur de chaleur, par exemple dans un système de chauffage. 2 2510592 L'avantage de tels agents d'accumulation opérant par sorption d'eau consiste en ce que l'énergie emmagasinée dans ces agents peut être stockée à volonté pendant une longue période, à condition qu'on empêche la pénétration d'eau dans l'agent d'accumulation Cela est cependant facilement possible lorsque l'agent d'accumulation chargé en énergie, c'est-à-dire en majeure partie ou complètement sec, est isolé par rapport à l'atmosphère, c'est-à-dire qu'on empêche la pénétration d'air humide ou la pénétration de vapeur d'eau dans un système fermé Une telle solution peut être facilement appliquée lors du stockage classique de l'agent d'accumulation dans des installations faisant intervenir des récipients En cas de be- soin, on peut alors extraire de la chaleur utile de l'agent d'accumulation par introduction d'air humide;par exemple,un agent d'accumulation peut être chargé en énergie en été,ou bien erwcas de disponibilité d'air sec, et cet agent d'accumu- lation à l'état sec peut être stocké dans des colonnes fermées jusqu'à la saison froide dans une condition chargée en énergie, puis dans cette saison froide,de la chaleur utile peut être extraite de l'agent d'accumulation à des fins de chauffage par introduction d'un fluide porteur humide. Il s'est avéré quelors de l'extraction de chaleur utile à partir d'un tel agent d'accumulation chargé en énergie, c'est-à-dire à l'état secpar introduction d'air humide dans la saison froide etnotamment,dans des journées hivernales froides o il est nécessaire d'atteindre un niveau de températu- re particulièrement élevé avec la chaleur utile extraite, l'introduction d'air humide dans l'agent d'accumulation chargé en énergie n'établit pas un niveau de température suffisamment élevé,par exemple de 600 Cycomme ce qui pourrait être obtenu lors de l'utilisation d'un chauffage par radiateurs classiques. La raison en est que,lors de l'extraction de la chaleur utile contenue dans l'agent d'accumulation chargé en énergieon utilise normalement de l'air ambiantqui peutpar exempleavoir été obtenu par extraction d'air à partir du sol Une telle extraction d'air à partir du sol est avantageuse, ou même également nécessaire pendant la saison froide et pendant des jours de gel car, autrement,on ne disposerait pas d'une quan- tité suffisante d'air humide à une température appropriée pour produire l'air d'admission Des essais ont cependant montré que, même pendant des journées hivernales froides,on pouvait obtenir de l'air d'admission ayant une température moyenne de C et une humidité relative de 80 à 100 %,par extraction d'air à partir de couches non gelées d'un sol ayant une perméa- bilité appropriée,qui a été éventuellement également précon- ditionné artificiellement par rapport de gravier Lorsqu'on introduit cet air d'admission à une température de 10 C et avec une humidité relative de 100 % dans un agent d'accumulation constitué par un gel de silice sec, c'est-à-dire chargé en énergie,on peut obtenir une augmentation de températu- re de 30 K,c'est-à-dire que la chaleur utile extraite de cet agent d'accumulation correspond à un niveau de température d'environ 40 C Cela n'est cependant pas suffisant,comme indi- qué ci-dessus,pendant des Journées froides o il est souhaitable d'avoir un niveau de température supérieur,ou bien pour d'autres applications,comme la préparation d'eau chaude de consommation. Conformément à la demande de brevet 81 -11 755,on a proposé,pour augmenter le niveau de température de la chaleur utile, d'effectuer un post-humidificationcomme le montrent notamment les processus opératoires mis en évidence sur les figures 4 et 5 de cette Oemande de brevet. L'invention a pour but d'améliorer encore les processus de post-humidification décrits dans la demande de brevet préci- tée afin d'élever encore le niveau de température obtenu avec la chaleur utile extraite de l'agent d'accumulation. Pour résoudre ce problème,on utilise le procédé conforme à l'invention,et selon lequel la chaleur résiduelle du fluide porteur est utilisée,après extraction de la chaleur utile,pour augmenter la température d'eau, et cette eau à une température supérieure est utilisée pour assurer une humdification complète ou pratiquement complète et pour augmenter la température du fluide porteur avant son introduction dans l'agent d'accumula- tion. Conformément à un mode avantageux d'application du procédé selon l'invention,on utilise de l'air comme fluide porteur. Conformément à un autre mode avantageux de réalisation, on utilise comme agent d'accumulation un gel de silice A cet égard,il s'est avéré également efficace d'utiliser comme agent d'accumulation de la zéolithe. Conformément à un autre mode avantageux de réalisation,la saturation du fluide porteur avec de l'eau est (réalisée à contre-courant dans une tour de ruissellement,ce qui permet d'obtenir un rendement particulièrement bon et une grande simplicité de mise en oeuvre. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence,dans la suite de la descriptiondonnée à titre d'exemple non limitatifen référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig l représente schématiquement une installation,ne rentrant pas dans le cadre de l'invention,pour extraire de la chaleur utile d'un agent d'accumulationauquel cas on utilise de l'zair ambiant humide; Fig 2 est une représentation schématique d'une installa- tion qui opèreconformément au procédé selon l'invention, avec un système ouvert et dans laquelle il se produit une post-humidification de l'air d'admission; Fig 3 est une représentation schématique d'une installa- tion qui opère également,conformément au procédé selon l'inventionmais cependant avec un système fermé,et dans laquelle il se produit également une post-humidification. Sur la figure lon a mis en évidence un mode opératoire connu suivant lequel il est prévu dans la colonne I,dans la zone hachurée,un agent d'accumulation déjà déchargé en énergie et, au-dessus de celui-ci,un agent d'accumulation encore chargé en énergie,c'est-à-dire à l'état sec,à savoir dans le cas considéré un gel de silice à pores étroits On introduit dans cet agent d'accumulation I,à la partie inférieure de la colonne, de l'air humide à une température Tu = 10 C et d'une humidité relative r = 100 % Cet air d'admission peut être obtenu facile- ment sous la forme d'air ambiant provenant d'une couche de 2510592 terrain prot A-ée contre le gelperméable à l'air et,le cas échéant,arrosée d'eau Dans le cas d'une application adiabati- que du procédé,il sort de l'air sec de la partie supérieure de la colonne chargée de l'agent d'accumulation I,car l'humidité de l'air d'admission a été complètement absorbée dans le gel de silice sec et à pores étroits Le niveau de température de l'air sortant a été déterminé par des mesures comme étant de Tf = 39 %C A partir de cet air constituant un fluide porteur inerte sous forme gazeuse et qui se trouve à une température de 390 C,il est possible d'extraire de la-chaleur utile QN dans échangeur de chaleur A placé à la suitela température de l'air à la sortie de l'échangeur de chaleur A diminuant Jusqu'à T = 300 C La chaleur utile QN, correspondant à un niveau de température de 390 C au maximum,peut ensuite être utilisée à des fins de chauffage ou bien pour la préparation d'eau chaude. Avec le procédé conforme à l'inventionqui est mis en évidence sur la figure 2,1 'air sortant de l'échangeur de- chaleur A et se trouvant encore à cette température élevée est canalisé dans un second échangeur de chaleur B o la chaleur résiduelle de l'aircorrespondant à 30 'C,est cédée à de l'eau? Cette eau circule dans l'échangeur de chaleur B et elle peut atteindre une température maximale de 170 C Cette eau à température élevée est canalisée Jusqu'à la partie supérieure d'un humidificateur branché en amont de la colonne contenant l'agent d'accumulation I,et elle sert à augmenter la température de l'air d'admission introduit à la partie inférieure de l'humidificateur et à assurer son humidification complète ou pratiquement complètec'est-à-dire à atteindre une valeur d'humidité relative r se rapprochant autant que possi- ble de 100 % L'eau sortant de la partie inférieure de l'humi- dificateur et refroidie est ensuite renvoyée à la partie inférieure de 'L'échangeur de chaleur B o elle peut W'écouler à contre-courant par rapport au fluide porteur,à savoir de l'ai dans le cas considéré Le circuit d'eau doit naturellement comporter une alimentation en eaucar l'humidité passant dans l'humidificateur est transmise à l'air d'admission Une telle admission d'eau peut se faire par l'intermédiaire d'un système 6 2510592 d'alimentation à régulation automatique. Comme humidificateur,on utilise avantageusement une tour de ruissellement, mais il est cependant également possible d'utiliser comme humidificateur une tour dans laquelle l'eau est injectée,par l'intermédiaire de bises, dans la partie- supérieure de la tour. En outreil est possible de faire passer l'eau canali- sée en circuit dans des étages d'épuration pour enlever des constituants solides ou gazeux contenus dans l'air introduit dans l'humidificateur et qui se sont accumulés dans l'eau, par exempledans le cas considéré,du 502 ou bien des particules solides telles que de la poussièrede la suieetcse trouvant dans l'air d'admissionou entraînées par celui-ci Ce circuit d'eau peut par conséquent servir d'étage additionnel d'épura- tion pour l'air d'admission introduit Dans ce cas,il peut être nécessaire d'effectuer un conditionnement de l'eau dans ce circuit Lors de l'utilisation d'une telle installation dans les conditions définies cidessuspar exemple lors de l'utilisation d'air d'admission à une température Tu = 10 C et avec une humidité relative ru = 100 %,on a obtenu comme résultat d'essais quel'air sorte de l'humidificateur à une température Ti = 170 C,et avec une humidité relative ri= 100 % Lorsque cet air correspondant à Ti = 170 C et ri= 100 % est introduit dans une colonne d'accumulation Iqui est remplie d'un gel de silice sec et à pores étroitson obtient à la sortie de la colonne pour l'agent d'accumulation Iune température Tf = 60 o Cclest-à-dire un niveau de température supérieur de 210 K pour la chaleur utile La température To de l'air sortant de l'échangeur de chaleur A a été maintenue à 300 C et cet air à 301 C a été ensuite utilisé dans l'échan- geur de chaleur B pour chauffer l'eau canalisée en circuit et introduite à la partie supérieure de l'humidificateur. Un autre avantage obtenu grâce au procédé conforme à l'invention consiste en ce quedans le cas considéré,le gel de silice a pu être chargé jusqu'à l'absorption maximale d'eau alors quedans un mode opératoire tel que celui de la 7 2510592 figure lil n'a été possible d'obtenir pour le gel de silice qu'une charge limite en eau d'environ 51 %,c'est-à-dire que la quantité d'énergie emmagasinée dans le gel de silice n'a pu être extraite que jusqu'à 51 %. Le procédé conforme à l'invention est approprié notamment lorsqu'on utilise comme agent d'accumulation un gel de silice, de préférence un gel de silice à pores étroits ou à pores moyens En ce qui concerne les agents d'accumulation du type zéolithe,il est possible d'utiliser dans le procédé conforme à l'invention aussi bien des zéolithes synthétiques que des zéolithes naturelles et, notamment,les zéolithes connues sous le nom de "tamis moléculaires". Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre sous la forme d'un système ouvert Dans ce cas,il est naturellement possible d'utiliser seulement de l'air comme fluide porteur. Il existe cependant également des situations o le procédé conforme à l'invention peut être mis en oeuvre sous la forme d'un système fermé, notamment lorsque l'air doit être conditionné à cause d'une trop grande proportion de substances perturbatricesîou bien,lorsque,dans le cas de conditions défavorables du sol,une aspiration d'air humide n'est pas possibleou seulement de façon insuffisantependant des journées froides ou en hiver Dans ce cas,la chaleur de l'air contenant de telles substances perturbatrices,ou bien la chaleur du sol; sont transmises dans un autre échangeur de chaleur Cpar l'intermédiaire d'un circuit à saumure,cf figure 3,au fluide porteur du système fermé,et celui-ci est humidifié par introduc- tion d'eau extérieure Ce fluide porteur ne doit alors pas être nécessairement constitué par de l'air,mais on peut également faire intervenir un gaz inerte comme de l'azote,des gaz rares ou du C 02. La quantité nécessaire de chaleur pour l'évaporation de l'eau introduite de l'extérieur dans le fluide porteur doit être fournie à partir de l'"anergie" de l'air introduit dans l'échangeur de chaleur C,ou bien de l"nergie" qui est extraite du sol,par exemple par l'intermédiaire du système à circuit à saumure Dans ce cas,cependant,il est possible d'obtenir également normalement seulement une température du fluide porteur introduit Tu = 10 C pour une humidité maximale relative ru = 100 %, de sorte que,finalement,on obtient les mêmes conditions de température en amont et en aval de l'échangeur de chaleur A que dans le cas du mode opératoire de la figure 1 Grâce au procédé conforme à l'invention,il est cependant possible en pratique d'atteindre,par interpo- sition de l'étage additionnel d'humidification,tel que celui mis en évidence sur la figure 3,les mêmes conditions de température que dans le système ouvert de la figure 2. Dans l'exemple représenté sur la figure 3,la quantité nécessaire de chaleur est introduite à partir du sol par l'intermédiaire d'un circuit à saumure Dans le premier humidificateur H 1, de la vapeur d'eau est fournie au fluide porteur jusqu'à ce qu'on obtienne pratiquement une saturation complète,c'est-à-dire r= 100 % alors que,dans le deuxième humdificateur H 2,1 a température est augmentée de T u jusqu'à Ti et, simultanémentpar admission d'eaule degré de saturation est maintenu à une valeur r = 100-Xou seulement légèrement inférieure Le premier humidificateur peut être constitué,de même que le second humidificateur, par une tour à ruissellement,ou bien par un autre dispositif connu. 9 25 10592 REVENDICATIONS l.Procédé pour augmenter la température d'un fluide porteur inerte sous forme gazeuse lors de l'extraction de chaleur utile à partir d'un agent d'accumulation opérant par sorption d'eau,caractérisé en ce que la chaleur résiduel du fluide porteur est utilisée,après extraction de la chaleu utile,pour augmenter la température d'eau,et en ce que cette eau à température supérieure est utilisée pour produire une humidification complète ou pratiquement complète et une augmentation de température du fluide porteu avant son introduction dans l'agent d'accumulation. 2 Procédé selon la revendication l,caractérisé en ce qu'on utilise de l'air comme fluide porteur. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce qu'on utilise un gel de silice comme agent d'accumulation. 4.Procédé selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce qu'on utilise de la zéolithe comme agent d'accumulatio 5.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que la saturation du fluide porteur avé de l'eau est réalisée à contre-courant dans une tour de ruissellement. Le Mandataire