Brevet FR2558578A1 — publié le 19850726

Evaporateur pour installation solaire de réfrigération et procédé de réfrigération utilisant cet évapo- rateur. La présente invention est relative à un évaporateur pour une installation de réfrigération, notamment une installation solaire de réfrigération. Elle a pour but notamment d'utiliser au mieux un fluide frigorigène disponible afin de produire le plus possible de frigories ; elle a egalement pour but d'éviter la diffusion de ces frigories en les concentrant au fur et à mesure de leur production dans des parties distinctes de l'enceinte frigorifique. L'invention vise également une installation solaire de réfrigération, appropriée audit évaporateur, capable de produire des kilogrammes de glace utilisables, de conserver des aliments, et par conséquent de se conformer aux normes alimentaires. Dans les installations réfrigérantes classiques et selon le schéma typique d'un cycle frigorifique, le fluide frigorigène se détend du condenseur à l'évaporateur, où il absorbe la chaleur du milieu à refroidir, et les vapeurs sont aspirées et comprimées vers le condenseur par un compresseur. De façon connue, le compresseur des installations réfrigérantes classiques, qui nécessite de l'énergie électrique, peut hêtre remplacé par un ensemble adsorbeur-régénérateur comprenant une source chaude, notamment un capteur solaire contenant un adsorbant (de la zéolithe par exemple) qui aspire et fixe les vapeurs du fluide frigorigène. Une telle installation présentant l'avantage d'être autonome, puisque c'est le soleil qui fournit l'énergie nécessaire, est décrite dans le brevet FR 2 465 970 dépose par le CETIAT le 20.09.1979. Les installations solaires de réfrigération devant s'adapter, d'une part, au cycle diurne, et d'autre part, aux variations de l'ensoleillement d'un jour à l'autre, doivent être capables de produire pendant la nuit suffisamment de frigories et de les stocker, par exemple sous forme de glace, pour maintenir la température de l'enceinte frigorifique, à un niveau assez bas pendant le jour. Or, si l'ensoleillement reste trop faible pendant toute une journée, il se peut que l'on n'arrive pas à fabriquer suffisamment de glace. En effet, pour une installation donnée, les pertes de charge des canalisations, reliant l'évaporateur au capteur-régénérateur, limitent la puissance d'évaporation qui reste pratiquement constante quelle que soit la surface de l'évaporateur. En conséquence, pour un évaporateur donné, le flux thermique à l'évaporation varie avec la quantité de fluide désorbée journellement, ce qui peut entraîner un gradient thermique trop faible, entre l'évaporateur et le milieu ambiant, ne permettant pas d'atteindre des températures suffisamment basses pour permettre la formation de glace. La présente invention permet de résoudre ce problème (dans la plupart des cas où l'art antérieur ne le permettait pas) en utilisant au mieux le fluide frigorigène disponible et en évitant la diffusion des frigories en les concentrant au fur et à mesure de leur production dans des compartiments distincts de l'enceinte frigorifique. A cet effet, l'évaporateur contenu dans une enceinte frigorifique et composé de plusieurs modules d'évaporation successivement alimentés par le fluide frigorigène se caractérise en ce que lesdits modules sont reliés en cascade par une tuyauterie de débordement, et, à la source chaude, notamment au capteur solaire, à travers un condenseur par une tuyauterie munie d'un clapet anti-retour, qui ne laisse passer que les vapeurs, by-passé par un capillaire d'arrivée du fluide frigorigène. Chacun de ces modules contient un nid d'abeille vertical reliant deux tôles horizontales perforées et ondulées, l'une supérieure, assurant le transfert de la vapeur, vautre inférieure, assurant l'égalisation des niveaux dans le nid d'abeille. Selon une autre caractéristique de l'évapo- rateur selon 17 invention, un récipient de stockage du froid contenant un fluide de stockage est accolé sur la face externe inférieure de chacun des modules d'évaporation ; ce fluide de stockage est notamment un eutectique dont la fonte a pour effet le maintien à froid de l'enceinte frigorifique. L'invention vise également une installation appropriée à l'évaporateur ci-dessus défini Cette installation réfrigérante du type comportant - une source de chaleur, notamment un capteur solaire, destinée à chauffer un fluide frigorigène, - un composé solide adsorbant ayant une grande capaci té d'adsorption et une faible énergie d'adsorption, - un fluide frigorigène adsorbé sur ledit composé so lide adsorbant, - un condenseur à air destiné à liquéfier les vapeurs de fluide frigorigène issues de la source chaude et ayant traversé le composé solide adsorbant chargé de fluide frigorigène, - un évaporateur, comprenant plusieurs modules d'éva poration alimentés successivement en fluide frigo rigène, contenu dans une enceinte frigorifique iso lée thermiquement, cet évaporateur étant destiné à vaporiser le liquide frigorigène, - et au moins un récipient de stockage du froid, se caractérise en ce que lesdits modules sont reliés en cascade par une tuyauterie de débordement, et, à la source chaude, notamment au capteur solaire, à travers le condenseur, par une tuyauterie munie d'un clapet anti-retour by-passé par un capillaire d'arrivée dudit fluide frigorigène ; chacun desdits modules contenant un nid d'abeille vertical reliant deux tôles horizontales perforées et ondulées, l'une supérieure, assurant le transfert de la vapeur, l'autre inférieure assurant l'égalisation des niveaux dans le nid d'abeille. Elle se caractérise, en outre, en ce que le capteur solaire comporte en plus de moyens d'isolation et d'un vitrage, un adsorbeur étanche au vide, contenant le composé solide adsorbant, traversé par un orifice assurant la circulation du fluide frigorigène. Selon une caractéristique importante de l'installation réfrigérante selon l'invention, un récipient de stockage du froid est accolé sur la face externe inférieure de chaque module d'évaporation ; ce récipient contient un fluide de stockage, notamment un eutectique dont la fonte a pour effet le maintien à froid de l'enceinte frigorifique. L'invention concerne également un procédé de réfrigération notamment pour la mise en oeuvre de cette installation. Ce procédé de réfrigération dans lequel : - on vaporise par chauffage un fluide frigorigène préalablement fixé sur un composé adsorbant, - on condense les vapeurs ainsi produites et on stocke le liquide frigorigène produit, - puis on vaporise à nouveau dans un évaporateur ce liquide frigorigène et on adsorbe à nouveau sur le corps adsorbant les vapeurs ainsi détendues de sorte que cette détente produise du froid, se caractérise en ce que pendant le traitement, on concentre au fur et à mesure de leur production les frigories dans des réservoirs de stockage, distincts de l'enceinte frigorifique, contenant un fluide de stockage, notamment un eutectique t ces réservoirs de stockage sont chacun accolés sur la face inférieure externe de chacun des modules d'évaporation que comporte l'évaporateur. Comme matière solide adsorbante, on utilise de préférence la éolithe du type 13 X G. Pour le fluide frigorigène, on utilise de préférence de l'eau ou du méthanol. La manière dont l'invention peut être réali- sée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui de la figure annexée. Cette figure représente ltévaporateur selon l'invention, situé dans une installation solaire de réfrigération appropriée. En se référant à ladite figure, 1 désigne l'évaporateur, selon l'invention, contenu dans une enceinte frigorifique 15, comportant plusieurs étages ou modules d'évaporation 2 qui sont reliés en cascade par une tuyauterie de débordement 4 ; ils sont également reliés à une source chaude, notamment un capteur solaire 5, à travers un condenseur 6, par une tuyauterie 7 munie d'un clapet anti-retour 8, qui ne laisse passer que les vapeurs, et qui est by-passé par un capillaire 9 d'arrivée, à l'évaporateur 1, du fluide frigorigène 3. Chaque module d'évaporation 2 contient un nid d'abeille métallique vertical 10, reliant deux t8- les horizontales, perforées et ondulées 11, 12, l'une 11, située à la partie supérieure du module 2, assurant la fonction "transfert de la vapeur", l'autre 12, située à la partie inférieure du module 2, assurant la fonction "égalisation des niveaux" dans le nid d'abeille 10. Au-dessous de chacun des modules d'évaporation 2 est accolé un récipient de stockage des frigories 13, contenant un fluide de stockage 14, par exemple un eutectique. La partie basse de l'évaporateur 1 comprend un étage 30, identique de par sa constitution aux précédents mais qui en diffère cependant par des dimensions supérieures. Dans le mode de réalisation illustré par la figure, l'évaporateur 1 est réalisé en aluminium, choisi pour sa bonne conductivité thermique, et recouvert de tôles en acier inoxydable 25 résistant à la corrosion ; le vide que l'on a effectué préalablement, de façon connue, dans le circuit de fluide frigorigène 3, et notamment dans l'évaporateur 1, assure la planéité des modules 2 et un bon contact thermique avec les réservoirs de stockage du froid 14 (bacs à glace). Comme fluide frigorigène circulant dans le circuit et notamment dans l'évaporateur 1, il a été choisi l'eau ou le méthanol ; comme eutectique, un mélange propylène-glycol-eau avec point de congélation à -50C, soit 15% en poids de propylène glycol. Cet évaporateur 1 ainsi décrit présente de nombreux avantages Son fractionnement en plusieurs modules d'évaporation alimentés successivement par le fluide frigorigène, permet de réaliser un flux thermique à l'évaporation, pratiquement constant quel que soit l'ensoleillement, qui maintient le gradient de température entre au moins un module de l'évaporateur 1 et le milieu ambiant, à une valeur suffisamment grande. De plus, sa conception modulaire qui, on l'a vu précédemment, améliore les transferts thermiques entre la face d'évacuation et la face qui est en contact avec le fluide de stockage du froid 14, assure par ailleurs la tenue mécanique contre les forces dues à la pression atmosphérique sur les parois. L'enceinte frigorifique 15 de l'installa- tion réfrigérante selon l'invention comprend des caissons 41 (intérieur et extérieur) en acier inoxydable ; le choix d'un tel matériau se justifie par la valeur de sa conductivité thermique relativement faible pour un métal, et par sa très bonne résistance à la corrosion. Ces deux caissons sont séparés par un isolant 23, par exemple en polyuréthane expansé, recouvert de plexiglass 24 pour supprimer les ponts thermiques. Le capteur 5 de l'installation réfrigérante selon l'invention comprend1 comme dans l'état de la technique, un boîtier support 26, un isolant arrière (non représenté), un vitrage 17 assurant simultanément l'effet de serre, la protection contre le vent, la protection contre les intempéries ; il comprend également un adsorbeur 19.Cet adsorbeur 19 est adapte au fonctionnement spécifique de l'installation : - des soudures contrôlées à l'hélium assurent son étanchéité au vide, - sa structure est formée de deux nids d'abeille mé talliques 42 contenant le composé solide adsorbant 18, à forte capacité d'adsorption et à faible éner gie d'adsorption ; ce composé est de la zéolithe 13XG se présentant sous forme de grains cylindriques dans lesquels un liant d'argile représente 20% du poids ; les deux nids d'abeille 42 sont séparés par une tôle perforée et ondulée 27 permettant le passa ge des vapeurs de fluide frigorigène 3, depuis la zéolithe jusqu'au conduit de passage 20 et vice-ver sa ; des plots de cuivre 29 relient par endroits les faces avant et arrière de l'adsorbeur pour améliorer les échanges thermiques ; des grilles métalliques fines 43 s'opposent au passage des grains de zéoli the 18 vers le canal central, - la circulation de fluide dont il est le siège se réduit à un transfert de vapeur d'eau ou de méthanol vers l'extérieur de jour, et vers l'intérieur de nuit, ce qui nécessite par conséquent, un seul ori fice 20. Le condenseur 6 de l'installation réfrigérante selon l'invention est un condenseur à air construit à partir de tubes à ailettes 22 du commerce, du type Corrofin. En sortie du condenseur 6 et comme l'illustre encore la figure, le condensat s'écoule jusqu'au capillaire 9, relié à l'étage supérieur de l'évaporateur 1. Ce capillaire 9 autorise le transfert du liquide à un débit suffisant, quelle que soit la température de l'évaporateur 1 sans laisser passer les vapeurs. En phase d'évaporation, les vapeurs produites sont envoyées par la canalisation 7, à travers un clapet anti-retour 8, jusqu'au condenseur 6. Ce clapet 8 empêche pendant la phase solaire les vapeurs d'aller se condenser dans l'évaporateur 1. Cette installation fonctionne de la manière suivante Phase I : Phase d'ensoleillement ou phase de désorption Au départ, le capteur 5 est à peu près à la température ambiante et à une pression correspondant à celle de l'évaporateur 1. On chauffe ledit capteur 5 au moyen du rayonnement solaire. Suivant l'ensoleillement, la montée en température de l'adsorbeur 19 varie d'une demi-heure à une heure jusqu'à une température dite "de seuil" pour laquelle il peut commencer à désorber. Au-delà de ce stade, la montée en température de la zéolithe, par ailleurs limitée par les pertes thermiques du capteur 5, se poursuit plus lentement du fait du caractère endothermique de la réaction de désorption du fluide frigorigène 3 retenu dans l'adsorbeur 19 (ici la zéolithe). La totalité du volume désorbé est ensuite condensée à travers l'échangeur 6 puis transférée à l'évaporateur à travers le capillaire 9. Phase II : Phase d'adsorption Lorsque le rayonnement solaire a cessé de chauffer le capteur 5, seule la masse thermique du capteur 5 ralentit la décroissance de la température. Lorsque la masse thermique du capteur 5 ne ralentit plus la décroissance de la température, la phase d'adsorption avec production de froid commence réellement. La réaction qui en découle peut être violente du fait de la surpression au niveau de l'évaporateur 1. Le fluide frigorigène est aspiré par la canalisation 7, reliant l'évaporateur 1 au condenseur 6 produisant ainsi du froid, une diminution de débit d'adsorption et le refroidissement du capteur 5 jusqu'à la température ambiante. Un dévésiculeur 16 en haut de l'évaporateur 1, comprenant un tube de diamètre nettement supérieur à celui de la canalisation 7 et rempli de laine métallique, autorise le passage de vapeurs du fluide frigorigène ; en revanche, le fluide frigorigène liquide est piégé et retombe dans l'évaporateur 1. De façon avantageuse, l'installation solaire de réfrigération appropriée à l'évaporateur selon l'invention rend possible la production du froid à partir d'un capteur solaire, et cela meme lorsque l'ensoleillement est insuffisant. Il est à noter que par très beau temps, le surplus de fluide frigorigène désorbé peut être stocké dans la partie basse 30 de l'évaporateur 1 et être utilisé ainsi pour un stockage de froid en prévision de plusieurs jours sans ensoleillement. Ce stockage comme la conservation de la glace et éventuellement d'aliments, est assuré par la fonte de l'eutectique 14, contenu dans le réservoir 13 accolé au-dessous de chacun des modules d'évaporation 2, qui maintient l'enceinte frigorifique 15 à basse temperature en compensant les pertes. Bien entendu, l'invention ne saurait se limiter à l'exemple de réalisation plus spécialement décrit et représenté. REVENDICATIONS 1. Evaporateur pour installation de réfrigération contenu dans une enceinte frigorifique 115). comportant plusieurs modules d'évaporation (2), alimentés successivement par un fluide frigorigène (3), caractérisé en ce que lesdits modules sont reliés, d'une part, en cascade, par une tuyauterie de débordement (4), d'autre part à une source chaude, notamment un capteur solaire (5), à travers un condenseur (6), par une tuyauterie (7) munie d'un clapet anti-retour (8) by-passé par un capillaire (9) d'arrivée dudit fluide frigorigène (3) ; chacun desdits modules (2) contenant un nid d'abeille vertical 510) reliant deux tôles horizontales perforées et ondulées (11, 123, l'une supérieure (11) assurant le transfert de la va- peur, l'autre inférieure (12) assurant l'égalisation des niveaux dans le nid d'abeille (10) 2. Evaporateur selon la revendication 1, -caractérisé en ce que chacun des modules d'évaporation (2) est accolé sur sa face externe inférieure à un récipient de stockage du froid (13) contenant un fluide de stockage tel4). 3. Evaporateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide de stockage (14) est un eutectique dont la fonte a pour effet le maintien à froid de l'enceinte frigorifique (15). 4. Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le clapet anti-retour (8) est associé à des moyens (16) permettant exclusivement le passage des vapeurs du fluide frigorigène (3) issues de l'évaporateur (1). 5. Evaporateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens (16) comprennent un tube de diamètre nettement supérieur à celui de la tuyauterie (7), rempli de laine métallique. 6. Evaporateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit du fluide frigorigène (3), en particulier l'évaporateur (1), est mis préalablement sous vide. 7. Installation de réfrigération du type comportant : - une source de chaleur, notamment un capteur solaire, (5) destinée à chauffer un fluide frigorigène (3), - un composé solide adsorbant capacité d'adsorption et une faible énergie d'ad sorption, - un fluide frigorigène (3) adsorbé sur ledit composé solide adsorbant (18), - un condenseur à air (6), notamment comportant des tubes à ailettes [22), destiné à liquéfier les-va peurs (3a) de fluide frigorigène 13) issues de la source chaude (5) et ayant traversé le composé soli de adsorbant (18) chargé de fluide frigorigène (3), - un évaporateur (1) comprenant plusieurs modules d'évaporation (2) alimentés successivement en flui de frigorigène (3), cet évaporateur étant contenu dans une enceinte frigorifique (15) isolee thermi quement et destiné à vaporiser le liquide frigorige ne (3b) issu du condenseur (6), et - au moins un récipient de stockage du frois (13), caractérisée en ce que lesdits modules d'évaporation (2) sont reliés a'une part en cascade, par une tuyauterie de débordement (4), d'autre part à une source chaude, notamment un capteur solaire (5), à travers le condenseur (6), par une tuyauterie (7) munie d'un clapet anti-retour, qui ne laisse passer que les vapeurs (8), by-passé par un capillaire (9) d'arrivée du fluide frigorigène (3) ; chacun desdits modules (2) contenant un nid d'abeille vertical 8. installation de réfrigération selon la revendication 7, caractérisée en ce que le capteur solaire (5) comporte en plus des moyens permettant son isolation et un vitrage (17), un adsorbeur (19) en nid d'abeille (25), étanche au vide, contenant le composé solide adsorbant (18), ledit adsorbeur étant traversé par un orifice (20) commandé par une vanne (21) assurant la circulation du fluide frigorigène (3). 9. Installation de réfrigération selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'un récipient de stockage du froid (13) contenant un fluide de stockage (14) est accolé sur la face externe inférieure de chaque module d'évaporation (2). 10. Installation de réfrigération selon la revendication 9, caractérisée en ce que le fluide de stockage (14) contenu dans le récipient de stockage (13) est un eutectique, notamment un mélange de propylène glycol-eau, dont la fonte a pour effet le maintien à froid de l'enceinte frigorifique (15). 11. Installation de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que le fluide frigorigène (3) est du méthanol ou de l'eau. 12. Installation de réfrigération selon la revendication 11, caractérisée en ce que le composé solide adsorbant (18) est de la zéolithe 13XG se présentant sous forme de grains cylindriques liés par de l'argile. 13. Procédé de réfrigération relatif à l'installation réfrigérante selon les revendications 7 à 11, dans lequel - on chauffe jusqu a évaporation un composé adsorbant (18) se présentant sous forme divisée, sur lequel a été adsorbé un fluide frigorigène (3) - on condense les vapeurs de fluide frigorigène ainsi produites et on stocke le liquide (21) ainsi obte nu - on vaporise à nouveau ce liquide frigorigène au ni veau d'un évaporateur (1) modulaire et on adsorbe à nouveau sur le corps adsorbant les vapeurs ainsi dé tendues de sorte que cette détente produise du froid, caractérisé en ce que pendant le traitement, on concentre au fur et à mesure de leur production les frigories dans un réservoir de stockage (13) distinct de l'enceinte frigorifique (15) contenant un fluide de stockage (14).