Brevet FR2536514A1 — publié le 19840525

i L'invention concerne le fonctionnement des pompes à chaleur à sorption. Un facteur limitant l'utilité des pompes à chaleur à sorption est l'élévation de température entre l'évaporateur et le dispositif de sorption aux débits utiles de sorption Lorsque du chlorure de calcium et du méthanol sont utilisés comme matières adsorbantes et comme produits de sorption, cette température est limitée à environ 40-450 C Il est possible de fournir la chaleur de condensation du produit de sorption à une température supérieure à la température de sorption et la chaleur sensible emmagasinée dans le dispositif de sorption peut habituellement être fournie à une tempé- rature plus élevée Cependant, la chaleur de sorption qui peut constituer environ la moitié de la chaleur fournie à la charge, ne peut normalement être produite à des tem- pératures convenant au fonctionnement, par temps froid, d'une installation de chauffage central à eau chaude. Conformément à l'invention, ces difficultés sont pratiquement éliminées par un procédé pour faire fonctionner une pompe à chaleur à sorption, comportant un magasin à chaleur, ce procédé consistant (a) à fournir de la chaleur à l'évaporateur de la pompe à chaleur, à partir d'une source à basse température, et à fournir au magasin de chaleur, de la chaleur de sorption produite par la sorption du produit de sorption évaporé Ensuite, la chaleur provenant d'une source de chaleur à haute température est transmise au dispositif de sorption de la pompe à chaleur et la chaleur de condensation du pro- duit de sorption ainsi évaporé,puis condensé est trans- mise à la charge En variante à l'étape (a) ci-dessus, dans une étape (b), en alternance (i) de la chaleur sen- sible provenant du dispositif de sorption est transmise à la charge, et (ii) de la chaleur provenant du magasin de chaleur est transmise à l'évaporateur de la pompe à chaleur o le produit de sorption s'évapore et est absorbé dans le dispositif de sorption, et la chaleur de sorption produite dans ce dispositif est transmise à la charge. Dans le présent mémoire, les expressions "dis- positif de sorption", "sorption" "matière absorbante" et "produit de sorption" englobent les termes adsorbeur, adsorption, adsorbant et adsorbat et s'appliquent à la pompe à chaleur univariante équivalente dans laquelle l'adsorbat n'est pas simplement adsorbé par l'adsorbant, mais se combine chimiquement. Le système matière adsorbante/produit de sorption dont l'utilisation est préférée dans la pompe à chaleur à sorption est le système chlorure de calcium/ méthanol En variante, on peut utiliser un système chlo- rure de calcium/ammoniac ou un système tamis moléculaire zéolitique-phosphate d'aluminium/eau peut être utilisé. Un fluide caloporteur convenable pouvant être utilisé dans les échangeurs de chaleur et dans les conduits de raccordement est un liquide à basse pression de vapeur, par exemple au silicium tel que "Dow Syltherm 800 ". D'autres fluides convenables comprennent des hydrocarbures aromatiques thermiquement stabilisés. Dans l'étape (a) du procédé de l'invention, de la chaleur est transmise à l'évaporateur de la pompe à chaleur à partir d'une source de chaleur à basse tempé- rature Cette source à basse température a donc la tempé- rature à partir de laquelle on souhaite pomper de la chaleur pour atteindre une température plus élevée Cette source peut être, par exemple de l'eau circulant à la température ambiante à travers un échangeur de chaleur placé dans l'évaporateur/condenseur Cette chaleur fournie à l'évaporateur provoque une vaporisation du produit de sorption qui est alors adsorbé par la matière adsorbante présente dans le dispositif de sorption de la pompe à chaleur La chaleur de sorption ainsi produite au moins en partie est transmise au magasin ou réservoir de chaleur. Il en résulte la fusion de la substance contenue dans les récipients souples lorsque le réservoir de chaleur est un réservoir de chaleur latente de fusion. Ensuite, dans l'étape (a), la chaleur provenant d'une source de chaleur à haute température est transmise au dispositif de sorption de la pompe à chaleur Cette source de chaleur peut être, par exemple, un élément de chauffage par effet Joule En variante, la chaleur peut être fournie par la circulation, à travers un échan- geur de chaleur, d'un fluide caloporteur chauffé par une chaudière. Le produit de sorption ainsi vaporisé se condense et la chaleur de condensation est transmise au moins en partie à la charge. Dans l'étape (b) du procédé, menée en variante de l'étape (a), en alternance (i) de la chaleur sensible est transmise du dispositif de sorption à la charge et (ii) de la chaleur est transmise du réservoir dé chaleur à l'évaporateur de la pompe à chaleur o le produit de sorption s'évapore et est adsorbé dans le dispositif de sorption et la chaleur de sorption produite dans ce dis- positif est transmise à la charge Après la dernière -20 action de l'étape (a), c'est-à-dire la transmission de la chaleur au dispositif de sorption, il reste un dispositif de sorption chaud Par conséquent, dans la phase (i) de l'étape (b), cette chaleur sensible est transmise au moins en partie à la charge Après que cette chaleur sensible a été transmise, dans une phase (ii} alternant avec la précédente, le réservoir de chaleur est utilisé pour fournir de la chaleur qu'il a reçue lors de l'étape (a), et cette chaleur est transmise à l'vapo- rateur de la pompe à chaleur En conséquence, le produit de sorption s'évapore et est adsorbé dans le dispositif de sorption, et la chaleur de sorption ainsi produite est transmise au moins en partie à la charge. Dans le procédé selon l'invention, tous les transferts et toutes les transmissions de chaleur sont habituellement réalisés par échange indirect de chaleur. Un appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé de l'invention comprend une pompe à chaleur à sorption, un réservoir de chaleur, des moyens destinés à transmettre la chaleur d'une source de chaleur à basse température à l'évaporateur de la pompe à chaleur, des moyens destinés à transmettre au réservoir de chaleur la chaleur de sorption produite par la sorption du produit de sorption évaporé par la matière adsorbante, des moyens destinés à transmettre la chaleur d'une source de chaleur à haute température au dispositif d'adsorption de la pompe à chaleur et des moyens destinés à transmettre à la charge la chaleur de condensation des produits de sorption ainsi évaporés, puis condensés L'appareil comporte également des moyens pour, alternativement (i) transmettre à la charge la chaleur sensible provenant du dispositif de sorption, et (ii) transmettre la chaleur du réservoir de chaleur à l'évaporateur de la pompe à chaleur, et des moyens destinés à transmettre à la charge la chaleur de sorption produite dans le dispositif de sorption. Une pompe à chaleur à adsorption comprend habi- tuellement un adsorbdur et un évaporateur/condenseur. Des moyens sont destinés à la désorption de l'adsorbat adsorbé par l'adsorbant logé dans l'adsorbeur, des moyens sont destinés à condenser l'adsorbat désorbé dans l'évaporateur/condenseur, et des moyens sont destinés à évaporer l'adsorbat condensé dans l'évaporateur/condenseur afin qu'il puisse être adeorbé par l'adsorbant logé dans l'adsorbeuro La pompe à chaleur à adsorption peut comprendre une série de plateaux placés les uns au-dessus des autres contenant l'adsorbant et au-dessous desquels se trouve le condenseur/évaporateur Une telle forme de réalisation 3 G de pompe à chaleur à adsorption est décrite dans la demande britannique GB 8222333 Dans cette forme de réa- lisation de pompe à chaleur à adsorption, l'adsorbat, lorsqu'il est désorbé de l'adsorbant, peut se condenser dans le condenseur/évaporateur Dans une autre phase du procédé d'utilisation de cette pompe à chaleur à adsorption, lorsque de la chaleur est fournie au conden- seur/évaporateur, l'adsorbat condensé est évaporé et il 5. s'élève et est adsorbé par l'adsorbant contenu dans les plateaux La chaleur d'adsorption peut être transmise ailleurs au moyen d'un échangeur de chaleur associé aux plateaux. La pompe à chaleur à sorption utilisée lorsque le produit de sorption se combine chimiquement avec la matière adsorbante est habituellement de même réalisation que la pompe à chaleur à adsorption. Le réservoir de chaleur qui est utilisé avec la pompe à chaleur est de préférence un réservoir de chaleur latente de fusion De tels réservoirs de chaleur comprennent habituellement plusieurs récipients flexibles contenant une substance à point de fusion relativement bas et à chaleur de fusion relativement élevée, par exem- ple du sulfate de sodium décahydraté (point de fusion 320 C), du chlorure de calcium hexahydraté (point de fusion: 290 C), du carbonate de sodium décahydraté (point de fusion: 330 C), du phosphate disodique heptahydraté (Na 2 HPO 47 H 2 O) (point de fusion * 480 C), du thiosulfate de sodium pentahydraté (point de fusion X 480 C) ou de l'acide stéarique (point de fusion g 680 C) Lorsque de la chaleur est fournie au réservoir de chaleur, la substance à point de fusion relativement bas, qui est initialement solide, fond, la chaleur de fusion provenant de la chaleur d'origine extérieure La chaleur est emma- gasinée dans cette substance contenue dans les récipients et, lorsqu'elle est extraite du réservoir de chaleur, la substance se congèle, dégageant de la chaleur latente de fusion. Les moyens destinés à transmettre la chaleur dans l'appareil selon l'invention sont de préférence des échangeurs;de chaleur Des échangeurs de chaleur sont associés aux deux unités de la pompe à chaleur à sorption. Ces échangeurs de chaleur sont de préférence placés à l'intérieur de chaque unité Ainsi, par exemple, un échangeur de chaleur est placé à l'intérieur du conden- seur de la pompe à chaleur à sorption plutôt qu'à l'extérieur de ce condenseur Des conduits et, si cela est nécessaire, des valves et des pompes, sont utilisés pour raccorder entre eux les divers échangeurs de chaleur. Un réservoir collecteur est de préférence raccordé aux conduits reliant entre eux les échangeurs de chaleur Ce réservoir contient un fluide caloporteur ce qui permet de compléter toute perte de fluide calo- porteur dans le circuit et ce qui permet également une dilatation et une contraction du fluide pendant l'utilisa- tion, sous l'effet des variations de la température. Etant donné que l'eau ne peut être habituelle- ment utilisée commodément en tant que fluide caloporteur dans l'appareil selon l'invention, il est préférable que la chaleur produite par le circuit et destinée à être transmise à la charge soit fournie à un échangeur de cha- leur et que ce dernier transmette la chaleur à un échan- geur de chaleur de la charge à travers lequel l'eau peut s'écouler, ce dernier échangeur de chaleur fournissant de la chaleur à l'installation de chauffage domestique, etc. Etant donné que la chaleur est transmise par intermittence à la charge, il est préférable que cette dernière soit elle-même équipée d'un réservoir de chaleur afin que la fourniture de chaleur à la charge finale par exemple des chauffe-eau et des radiateurs domestiques, puisse être plus uniforme. Le procédé d'utilisation de la pompe à chaleur à sorption et de l'appareil selon l'invention doit permettre un pompage de chaleur satisfaisant de -50 C à + 60 'C Au commencement et à la fin de la saison de chauffage domestique, lorsque les conditions sont douces et qu'un fonctionnement seulement en charge partielle est nécessaire, l'utilisation d'un réservoir de chaleur à basse température, en tant que tampon entre la pompe à chaleur et le collecteur de chaleur (charge), assure constamment le maintien de la température de l'évapora- teur à un niveau raisonnable, par exemple 100 C Lorsqu'il en est ainsi, une température de sorption de, par exemple, 550 C, peut être tout à fait utilisable et le reste de la chaleur peut être fourni à une température quelque peu supérieure, si cela est nécessaire Cependant, au coeur de l'hiver, lorsque la température ambiante descend au-dessous de O C, une température de sorption de seule- ment 40 C n'est plus très utilisable Dans ces conditions, le réservoir de chaleur à température intermédiaire, par exemple, du type à sel hydraté, tel que prévu par le procédé et l'appareil selon l'invention, est utilisé pour emmagasiner la chaleur de sorption pendant un cycle afin qu'elle puisse être fournie à l'évaporateur pendant le cycle suivant. Etant donné que seulement environ 70 G % de la chaleur fournie à l'évaporateur pendant l'étape de sorption étagée auront à provenir de la source à basse température et étant donné que deux désorptions seront nécessaires pour transmettre cette chaleur à la charge, le coefficient de performance dans ce mode de fonctionnement est abaissé de 1,60 à 1,20 Cependant, étant donné que la vitesse de sorption augmente lorsque la montée de température est réduite, et étant donné que la vitesse de désorption peut être accrue si cela est nécessaire, une pompe à chaleur fonctionnant de cette manière peut être réalisée à de plus faibles dimensions-et à un moindre coût qu'une pompe conçue pour fournir une charge maximale en fonction- nement normal, à une température inférieure de transmis- sion de chaleur Il est donc vraisemblable que le coeffi- cient de performance saisonnier peut être maintenu aux environs de 1,4 en Grande-Bretagne, avec une température maximale de transmission de chaleur de l'ordre de 700 C. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique représente sché- matiquement un appareil convenant à la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Une pompe à chaleur à sorption est indiquée en 1 et comporte une partie 2 de sorption et une partie 3 à évaporateur/condenseur Un échangeur de chaleur 4 est capable de fournir de la chaleur à la matière adsorbante (chlorure de calcium) placée dans des bacs disposés dans le dispositif 2 de sorption, et le produit de sorption est du méthanol De la chaleur à basse température est fournie par un échangeur de chaleur 5 à la partie 3 à évaporateur/condenseur La partie à évaporateur et conden- seur renferme également un échangeur de chaleur 6 pouvant fournir de la chaleur à un échangeur de chaleur 35, au moyen de conduits 7 et 8 L'échangeur de chaleur 35 échange de la chaleur avec l'échangeur de chaleur 36 dela charge L à travers lequel de l'eau circule, ce qui permet à de la chaleur d'être transmise au circuit domestique d'eau chaude, etc. Un échangeur de chaleur 9 est placé dans la partie 2 de sorption et il est relié, par des conduits et 11, à un réservoir ou magasin 12 de chaleur latente de fusion, contenant des sacs souples 13 qui eux-mêmes contiennent du sulfate de sodium décahydraté, chaque sac étant immergé dans un fluide caloporteur qui circule dans les conduits de l'appareil et qui, dans ce cas, est un fluide du type "Dow Syltherm 800 ". Les conduits 14 et 15 relient le réservoir 12 de chaleur aux conduits 8 et 7 et des conduits 16 et 17 sont raccordés respectivement aux conduits 8 et 11 et et 7. Un réservoir collecteur 18, contenant le fluide caloporteur "Dow Syltherm 800 ", est raccordé par un conduit 19 aux conduits 7 et 10. Des vannes 20 et 21 sont montées sur les conduits et 11; des vannes 22 et 23 sont montées sur les conduits 8 et 7; des vannes 24 et 25 sont montées sur les conduits 14 et 15; et des vannes 26 et 27 sont montées sur les conduits 16 et 17. Des pompes 28, 29, 30 et 31 sont montées sur les conduits 10, 15, 17 et 7, respectivement. Le fonctionnement de l'appareil sera à présent décrit. Les vannes 22, 23, 24, 25, 26 et 27 étant fer- mées et les vannes 20 et 21 étant ouvertes, et la pompe 28 fonctionnant alors que les pompes 29, 30 et 31 sont à l'arrêt, de la chaleur à basse température est fournie à l'évaporateur 3 par la circulation d'une solution de chlorure de calcium à la température ambiante à travers l'échangeur 5 Ceci provoque une évaporation du méthanol dans l'évaporateur 3 et le méthanol vaporisé est adsorbé par le chlorure de calcium dans la partie 2 de sorption. La chaleur de sorption ainsi produite est transmise par échange de chaleur au réservoir 12 de chaleur Ceci est obtenu par la circulation du fluide caloporteur "Dow Syltherm 800 " sous l'action de la pompe 28 dans les conduits 10 et 11 raccordés à l'échangeur de chaleur 9 et au réser- voir de chaleur 12. La chaleur fournie au réservoir de chaleur 12 provoque la fusion du sulfate de sodium décahydraté dans les sacs 13. Lorsque la sorption est finie, les vannes 20 et 21 sont fermées, la pompe 28 est arrêtée et les vannes 22 et 23 sont ouvertes en même temps que de la chaleur provenant de la source à haute température est fournie au dispositif de sorption par la circulation du fluide "Dow Syltherm 800 v' à 300 'C à travers l'échangeur de chaleur 4 Les vannes 24, 25, 26 et 27 restent fermées et les pompes 29 et 30 restent arrêtées Ceci provoque la désorption du méthanol dans le dispositif 2 de sorption et sa condensation dans le condenseur 3 La chaleur de condensation est transmise à la charge par la circulation du fluide caloporteur "Dow Syltherm 800 " dans les conduits 7 et 8 sous l'action de la pompe 31 qui est alors en marche. Après que la chaleur de condensation a été transmise à la charge, les vannes 22 et 23 sont fermées et les vannes 26 et 27 sont ouvertes Les vannes 20, 21, 24 et 25 restent fermées La pompe 30 est mise en marche, la pompe 31 est arrêtée et les pompes 28 et 29 restent arrêtées Ainsi, la chaleur sensible provenant de la partie 2 de sorption est transmise à l'échangeur de chaleur 35 et, par suite, à l'échangeur de chaleur 36 de la charge, par l'intermédiaire de l'échangeur de 253651 4 chaleur 9 et des conduits 10, 17, 7, 8, 16 et 11 Lors- que cette transmission de chaleur est achevée, les vannes 24 et 25 sont ouvertes et la pompe 29 est mise en marche. Les vannes 26 et 27 restent ouvertes, les vannes 20, 21, 22 et 23 restent fermées, la pompe 30 reste en marche et les pompes 28 et 31 restent arrêtées A ce stade, de la chaleur est alors transmise du réservoir 12 de chaleur à l'échangeur de chaleur 6 Ceci provoque la chute de la température du fluide caloporteur circulant dans les conduits 14 et 15 et le sulfate de sodium décahydraté contenu dans les sacs 13 se congèle, cédant sa chaleur latente de fusion. La chaleur fournie à l'échangeur de chaleur 6 provoque l'évaporation du produit de sorption (méthanol) dans la partie 3 à évaporateur et ce produit est soumis à une sorption par le chlorure de calcium, constituant la matière adsorbante, dans le dispositif 2 de sorption. La chaleur de sorption est dégagée et est transmise, par l'échangeur de chaleur 9 et le fluide caloporteur circu- lant dans la pompe 30 et dans les conduits 10, 11, 16, 17, 7 et 8, à l'échangeur de chaleur 35 et de ce dernier, par échange de chaleur indirect, à l'échangeur de chaleur 36 Lorsque cette transmission de chaleur est achevée, le cycle de fonctionnement peut recommencer et se répéter indéfiniment. Des moyens automatiques, par exemple des capteurs de température et un microprocesseur, peuvent être prévus pour ouvrir et fermer les vannes lorsque cela est néces- saire. La chaleur peut donc être transmise d'une valeur aussi basse qu'environ -50 C à une température d'environ 500 C. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 1 5361 REVENDICATIONS 1 Procédé pour faire fonctionner une pompe à chaleur ( 1) à sorption équipée d'un réservoir ( 12) de chaleur, caractérisé en ce qu'il consiste, alternative- ment, (a) à fournir de la chaleur à l'évaporateur ( 3) de la pompe à chaleur, à partir dlune 'source de chaleur à basse température, et à fournir au réservoir de chaleur la chaleur de sorption produite par la sorption du produit de sorption évaporé, à transmettre la chaleur d'une source de chaleur-à haute température au dispositif de sorption ( 2) de la pompe à chaleur et à transmettre à la charge (L) la chaleur de condensation du produit de sorption ainsi évaporé, puis condensé, et (b), alternativement, (i) à transmettre à la charge la chaleur sensible provenant du dispositif de sorption et (ii) à transmettre la chaleur du réservoir de chaleur à l'évaporateur de la pompe à chaleur de manière que le produit de sorption s'évapore et soit adsorbé dans le dispositif de sorption, la charge recevant la chaleur de sorption produite dans le dispositif de sorption. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière adsorbante est du chlorure de calcium et le produit de sorption est du méthanol. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la source de chaleur à haute température est un élément de chauffage par effet Joule. 4 Appareil convenant à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe à chaleur ( 1) à sorption, un réservoir ( 12) de chaleur, des moyens ( 5) destinés à transmettre la chaleur d'une source de chaleur à basse température à l'évaporateur ( 3) de la pompe à chaleur, des moyens destinés à transmettre, au réservoir de chaleur, la chaleur de sorption produite par la sorption, par la matière aasorbante du produit de sor Ption évaporé, des moyens ( 4) destinés à trans- mettre la chaleur d'une source de chaleur à haute tempé- rature au dispositif ( 2) de sorption de la pompe à chaleur et des moyens destinés à transmettre à la charge (L) la chaleur de condensation du produit de sorption ainsi évaporé, puis condensé, des moyens destinés, alternati- vement (i) à transmettre à la charge la chaleur sensible provenant du dispositif de sorption et {ii) à transmettre la chaleur du réservoir de chaleur à l'évaporateur de - la pompe à chaleur, et des moyens destinés à transmettre à la charge la chaleur de sorption produite dans le dis- positif de sorption. 5 Appareil selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la pompe à chaleur à sorption comprend une série de plateaux placés les uns au-dessus des autres et contenant un adsorbant, le condenseur/évaporateur étant placé au-dessous de ces plateaux. 6 Appareil selon l'une des revendications 4 et , caractérisé en ce que le réservoir de chaleur est un réservoir de chaleur latente de fusion. 7 Appareil -selon la revendication 6, caracté- risé en ce que la substance présentant un point de fusion relativement bas et une chaleur de fusion relativement élevée est du sulfate de sodium décahydraté. 8 Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir collecteur ( 18) raccordé à des conduits ( 7, 10) reliant entre eux des échangeurs de chaleur ( 6, 9, , 36) qui, avec les conduits, assurent la transmission de chaleur vers et de la pompe à chaleur et le réservoir de chaleur, et vers la charge. 9 Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 8, caractérisé en ce que la charge comprend un réservoir de chaleur.