Brevet FR2526136A1 — publié le 19831104

-I- Suivant l'aprellation la nlus hnbituellemnt retenue, le cycle à ''résorption'' est défini comme celui o un soluté est désorbé d'un solvant liquide avant d'y Etre à nouveau "résorbé" dans des conditions de pression, et donc de tempo- rature, supérieures à celles de la désorption Cette appel- lation permet de le distinguer du cycle h absorption clasri- que o les niveaux de pression sont inversés: l'absorption y étant effectuée à une pression plus basse que celle de la désorption. IO Par rapport à un cycle de Rankine, deux particularit 6 s importantes apparaissent: d'une part les échanges thermiques entre le désorbeur, l'absorbeur et des sources extérieures peu'T 2 nt s'effectuer sur de larges intervalles de temnérature ce qui est avantageux lorsque le système fait appel à un I 5 fluide caloporteur travaillant en chaleur sensible, d'autre part, la température maximale qu'il est possible d'atteindre dans le résorbeur n'est pas nécessairement inférieure à celle du soluté gazeux y entrant Dans un cycle de Rankine au contraire, les échanges correspondant à des changements d'état s'effectuent à température constante et comme d'autre. part, avec les fluides de travail usuels, la compression ' s'effectue entièrement en phase sèche, le gaz avant d'otre condensé doit d'abord ttre désurchauffé et de ce fait le ni- veau des échanges de température dans le condenseur sera né- cessairement inférieur à la température du gaz en fin de com- pression; ces deux caractéristiques représentent un sérieux handicap pour la réalisation de pompes à chaleur, Bn nnrti- culier dans le domaine des températures élevées: on ne ren- contre pratiquement pas d'applications au delà de I 20/I 50 C. Nénnmoins, malgré ces avantages, le cycle h résorption n'a requ que peu d'applications Celà s'explique par le fait que pour porter le gaz désorbé jusqu'à la pression on il - ra résorbé, il faut, soit le comprimersoit l'absorber puis porter le solvant enrichi jusqu'à la pression haute pour cue le gaz y soit désorbé avant sa résorption Cette dernière so- -2 - lution, coûteuse en investissement, donne un bilan énergé- tique peu favorable, de sorte que le temps de retour du sur- investissement par rapport q un chauffage direct, est exces- sif Quant à 11 solution par compression, elle est bien sou- vent inapplicable, en particulier dans le cas du couple eau/ ammoniac, car alors le taux de compression élevé conduit à des niveaux de température du gaz incompatibles avec la tech- nologie usuelle des compresseurs. I 1 est proposé, et c'est l'objet de la présente inven- IO tion, de modifier le cycle à résorption usuel, de faqon h permettre d'amener le gaz la pression de résorption, soit par compression, dans des conditions de températures accep- tables, soit par absorption, avec un rendement suffisant Plusieurs avantages du procédé perfectionné, selon l'inven- I 5 tion, apparaitront dans les descriptions qui suivent. Il est apparu possible de réduire notablement l'écart de pression existant entre les étapes de désorption et de résorption, pour un écart donné entre les niveaux de tempé- ratures impos 4 S pour les échanges entre le système et l'ex- térieur L'exemple ci-après permet d'illustrer le procédé selon l'invention, étant entendu que d'autres couples de sol- vant/ soluté et d'autres plages de températures peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention. Considérons, à titre d'exemple, le cycle décrit par de l'ammoniac désorbé puis résorbé dans une solution aqueuse. L'étape de désorption s'effectue h une pression Pl et la chaleur requise est apportée de l'extérieur par une source dite froide sur un intervalle de température TI T 2 L'étape de résorption est effectuée sous une pression P 2 et de la chaleur est évacuée vers une source chaude extérieure sur un intervalle T 3-T 4 Les inégalités suivantes sont considé- rées: P 2)Pl et TI I 1 est connu que lorsque du gaz (soluté) est mis en pré- sence d'un solvant liquide dont la concentration en soluté est inférieure à la concentration d'équilibre correspondant à la pression donnée, l'équilibre du système s'établira pour une température et une concentration de la solution telles que le point figuratif sur un diagramme enthalpie-concen- tration, soit à l'intersection de l'isobare correspondante et de la droite dite de mélange joignant les points figura- tifs du gaz et du solvant aux conditions d'entrée dans l'ab- sorbeur Ce qui est remarquable, c'est que la température ainsi atteinte pourra être nettement supérieure à celle du gaz Par exemple, sous 15 bar, pour du gaz contenant 99 % d' ammoniac entrant à 60 C dans un absorbeur o une solution I 0 aqueuse est à une concentration de 5 % et à une température de 60 C, l'équilibre correspondra à I 30 C et 23 % de con- centration Si la solution avait été introduite à I 40 C et pour toutes autres conditions identiques, l'équilibre aurait été atteint pour I 600 C et une concentration de IO%. Il apparait ainsi possible d'atteindre des températures élevées sans que pour autant il soit nécessaire d'avoir une température de gaz importante, les conditions d'introduction de la solution étant par contre l'élément déterminant. L'objet de la présente invention consiste essentielle- ment à obtenir, d'une part, un cycle ayant une amplitude de variation de la concentration du solvant aussi étendue que possible et, d'autre part, une température du solvant entrant dans le résorbeur de préférence supérieure à celle du sol- vant en sortant après enrichissement; ces deux conditions ayant pour conséquence essentielle de permettre une réduction notable de l'écart de pression. Dans le procédé selon l'invention, la solution contenue dans le résorbeur est refroidie en dessous du niveau de températu- re qu'il serait possible d'atteindre uniquement par échange avec la source chaude extérieure, c'est-à-dire: T 35, au pin- cement près; de la sorte sa concentration en soluté pourra être nettement élevée Dans le désorbeur au contraire, la désorption sera poussée au delà de la concentration corres- pondant à la température maximale que permet l'échange avec la source froide (T 2,t au pincement près) La chaleur requise pour la désorption sera, selon l'invention, fournie-par le -4- refroidissement du résorbeur qui, ainsi, accro tra la plage de variation de concentration. Le procédé, selon l'invention, permet donc, à condition d'effectuer les échanges à contre courant entre les fluides, d'abaisser la température dd la solution en cours d'enrichis- sement dans le résorbeur en dessous de TA et, à la limite, d' atteindre T 2; simultanément la température de la solution ap- pauvrie dans le désorbeur sera élevée au delà de T 2 et pourra atteindre T 3 La plage de variation de concentration corres- I O pondant à l'intervalle de température TI-T 2 n'ayant plus à correspondre à celle de l'intervalle T 3-T 4, il y aura glisse- ment vers les concentrations plus fortes pour les échanges avec la source froide, vers les concentrations faibles pour les échanges avec la source chaude> le complément de varia- I 5 tion de concentrations avec ou sans chevauchement, correspon- dant aux échanges internes au système. En prenant, toujours à titre d'exemplee un mélange eau/ammoniac, la modification du cycle, selon l'invention, conduira pour: TI-'40 C, T 2, 60 0, T 3 =II 5 0, T 4 =I 40 C, à des pressions, PI 4 bar et P 2 =I 5 bar, au lieu de PI=I,5 bar et P 2 &I 5 bar, soit un rapport de pression abaissé de I O à 3,75- Les échanges de chaleur entre la solution s'enrichissant dans l'absorbeur et celle qui s'appauvrit dans le désorbeur, pourront au choix, et sans sortir du cadre de la présente invention, s'effectuer directement au travers d'une paroi d' échangeur ou, indirectement, par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur contenu à l'intérieur d'une enceinte dont les parois constituent la surface d'échange et dont une partie est située dans le désorbeur, l'autre dans le résorbeur Ce fluide caloporteur s'téchauffera donc en refroidissant la so- lution dans l'absorbeur puis se refroidira en réchauffant la solution dans le désorbeur Il est possible de faire circuler aussi ce fluide dans les échangeurs constituant la source chaude et la source froide' c'est cette disposition qui a été le résorbeur, la solution pauvre entre dgns ce dernier appa- reil par le conduit (I) et en sort enrichie par le conduit ( 2) après avoir été en contact avec le gaz introduit par le conduit ( 3) La solution enrichie est détendue dans la vanne VI avant d'être introduite dans EI par ( 4) ou elle est désor- bée avant d'en ressortir par ( 5) De là elle est pompee par Pl jusqu'à la pression du résorbeur o elle est h nouveau introduite Le gaz désorbé en El est envoyé par le conduit ( 6) dans un compresseur CI d'o, sa pression ayant été 4 le- vée au niveau de E 2 il est à nouveau introduit dans cet appa- reil Il va de soi que pour porter la pression du g 8 z au ni- venu de celle du résorbeur, il était aussi possible d'ervi- I 5 sager une autre méthode telle que, par exemple, son absorp- tion à basse pression puis sa désorptioh h la haute pression. L'absorption du gaz dans E 2 dégage de la chaleur qui sert à élever la température du fluide caloporteur introduit par le conduit ( 7)et sortant par le conduit ( 8) Avant d'être intro- duit par le conduit ( 9) dans l'échangeur de EI, le fluide ca- loporteur cède de la chaleur à la source chaude par l'inter- médiaire de E 3 Après avoir été refroidi par échange avec la solution contenue dans El, le fluide est alors réchauffé en empruntant de la chaleur à la source froide en passant dans E 4 avant d'être réintroduit dans l'échangeur de E 2 par le conduit ( 7). Il est à noter que sans sortir du cadre de l'invention, il aurait été possible d'effectuer les échanges thermiques en séparant d'une part les échanges internes entre résorbeur et désorbeur effectués par l'intermédiaire d'un fluide calopor- teur donné, de ceux que le système effectue avec la source chaude et la source froide, ces derniers pouvant être effec- tués directement ou par l'intermédiaire d'un autre fluide; il est encore possible d'envisager, en particulier pour éviter les risques de contamination entre les sources extérieures et 2 526136 le système, que les échannes s'effectuent à l'aide, de tubes de chaleur "ca-ilocucs". Ilorg e le cycle à rés-or Dti'on est associé à un cycle absorption,, on peut de finc, ron cli assiqcue faire fonctionner le cycle -l résorp'tion à plus Thible conc-ntration, tàdr que la chaleur dégneée Pu résorbeur sera à une tempérrature supérieure à Ce Lle des deux deésor-beurs On oleut, eu contraire faire fonctionner Ilabsorbeur et le résorbeur dnns une plnge comprise entre celle du dèésorû-sur haute pressio -n -t Z celàce l Odu désorbeur bar,e presusion 're schéma îoreso,1 aors au fonctionrnerent' d'une r Qmpe à chpleur o le condenseur et 11 évaporateur sont remplacés par le resorbeur eît lie désorbeur. On trouve alors 'Les aventages déjà cités des échanres sur larges intervalles de température. Il est à roter que d'autres écha-ni,-es internes de cha- ont osib est leur entre di-verses par MS au sys terne et,, en particulier sur la phase gaz; il s'agit là de méthodes habituel-les à l'art et leur emploi dépend scuvent des conditions spécifi- ques de l'installation, par exemple des caractéristiques de la source froide souvent représentée par un courant d'efflu-n ente. -7- REVENDICATIONS I-Procédé perfectionné destiné aux pompes à chaleur fonc- tionnant entre deux intervalles de température distincts, l'un compris entre un niveau de température TI et T 2, sur lequel la pompe emprunthde la chaleur à une source froide et l'autre compris entre T 3 et T 4, sur leouel elle cède de la chaleur à une source chaude, ces deux intervalles de température ne se recouvrant pas, les températures de l'in- tervalle de la source chaude étant évidemment supérieures à celles de la source froide, le cycle décrit faisant appel à ioun fluide dénommé soluté qui subit dans un second fluide constituant le solvant liquide, au moins une étape d'absor- ption partielle ou totale au cours de laquelle de la chaleur est évacuée vers une source chaude sur l'intervalle de tem- pérature T 3-T 4, cette étape étant suivie d'au moins une I 5 étape de désorption des deux fluides qui s'effectue à une pression inférieure à celle de l'étape d'absorption et au cours de laquelle de la chaleur est regue sur l'intervalle TI-T 2, ce procédé étant caractérisé en ce que, sur la plage de température comprise entre les deux intervalles précités, 2 Ode la chaleur est échangée entre l'absorbeur et le désorbeur afin d'étendre l'amplitude de variation de la concentration du solvant en soluté au delà de ce que permettraient les seuls échanges de chaleur avec les sources chaudes et froides. 2 Procédé selon la revendication (I) caractérisé en ce que 251 es échanges de chaleur s'effectuent directement de la solu- tion en cours d'enrichissement dans l'ebsorbeur, vers la solu- tion en cours d'appauvrissement dans le désorbeur, ces deux fluides étant séparés par une paroi conductrice. 3 Procédé selon la revendication (I) caractérisé en ce que les échanges sont effectués par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur contenu dans une enceinte constituant une surface d'échange placée pour partie dans l'absorbeur et pour partie dans le désorbeur, "e dit fluide circulant de l'une à l'autreo 4-8- 4 Procédé selon la revendication ( 3) caractérisé en ce que le fluide caloporteur sert également à assurer les échanges avec la source chaude et/ ou avec la source froideo Procédé selon la revendication ( 2) ou ( 3) caractérisé en ce que les échanges de chaleur entre le système et les sources chaudes et froides s'effectuent h l'aide de tubes de chaleur, dits ''caloducs" de façon à supprimer tout risque de contamina- tion entre le système et les sources extérieures. 6 Procédé selon l'une des revendications (I) à ( 5) caractérisé I Oen ce que le gaz venant d'être désorbé est porté h la pression du résorbeur par compression. 7 Procédé selon l'une des revendications (I) à ( 5) caractérisé en ce que le gaz venant d'ttre désorbé est absorbé à la m 9 me pression dans un solvant identique ou non à celui utilisé pour I 5 le cycle à résorption mais dont la plage de variation de con- centration est choisie pour que la chaleur dégagée par cette absorption puisse être évacuée vers une source extérieure, la solution ainsi enrichie en soluté étant ensuite portée à la pression du résorbeur pour y 9 tre désorbée dans un intervalle de température sur lequel la chaleur de désorption pourra être fournie par une source extérieure. 8 Procédé selon la revendication ( 7) caractérisé en ce que la plage de variation de la concentration du solvant décrivant le cycle à résorption et celle du solvant décrivant l'autre cycle sont choisies de sorte que la pompe à chaleur ainsi constituée reçoive au désorbeur à basse pression une quantité de chaleur QI provenant d'une source froide échangeant sur un intervalle de température (A) alors que l'absorbeur et le résorbeur rejet- tent sur un intervalle (B) des quantités de chaleur Q 2 et Q 3 3 Overs une source chaude, l'énergie Q 4 nécessaire au fonction- nement du cycle étant fournie au désorbeur haute pression sur un intervalle (C), les dits intervalles s'échelonnant en tem- pératures croissantes de (A) à (B) puis (C)o -9- 9 Procédé selon l'une des revendications ( 6) ou ( 7) crec- térisé en ce que les conditions de température et de concen- tration du solvant entrant dans l'absorbeur permettent d'y élever sa température au delàh de celle du soluté jazemz y entrant.