Brevet FR2557963A1 — publié le 19850712

Dans les systèmes thermodynamiques dénommés "Pompes à Chaleur" au sens le plus large, c'est-à-dire dans lesquels un apport extérieur d'énergie est utilisé pour relever un niveau de température, on distingue les cas d'un apport d'énergie sous forme mécanique ou sous forme thermique; dans ce dernier cas nous considèrerons les systèmes ditstrithermes,c'est-à-dire a trois niveaux différents de température. Dans ce contexte la machine frigorifique est incluse dans la définition de la pompe à chaleur (PAC en abrégé dans la suite du texte). Une PAC à absorption sera ainsi un système tritherme dans lequel un apport extérieur d'énergie -Lhermigue va permettre de vaporiser un soluté contenu dans un solvant dans lequel il avait au préalable été dissous à pression inférieure, donc à température inférieure,/ utilisant la croissance de la solubilite avec la pression et en fonction inver- se de la température. Un système dit à "Résorption" fonctionne selon les mêmes lois mais avec des niveaux de pression inversés. Un handicap majeur des PAC à absorption provient des irréversibilités engendrées par les écarts élevés entre les deux niveaux de pression. Dans de tels cycles ces niveaux de pression sont imposés, respectivement, par la température du fluide de refroidissement pour la pression de condensation et par la température du fluide à refroidir pour la pression d'évaporation; le désorbeur, ou générateur, aura une pression peu différente de celle de condensation et l'absorbeur fonctionnera à une pression proche de celle d'évaporation. La plage de variation de concentration de la solution est alors délimitée par les températures du fluide de chauffage d'une part, et de celui de refroidissement de l'autre.Dans un cycle a absorption associé de façon classique à un cycle a résorption, les échangeurs de ce dernier remplaçant le condenseur et l'évaporateur, les niveaux de pressions et plages de concentration sont fixés de façon tout aussi rigide. Le but de la présente invention est de réaliser un cycle à absorption ayant un écart entre la pression d'absorption et celle de désorption aussi faible que possible. Ce but est atteint, selon l'invention, en rendant la pression de condensation indépendante des conditions de température du fluide de refroidissement, selon le procédé et à l'aide du dispositif décrit dans la suite du texte; d'autres avantages découlant de ce procédé apparaitront dans la description ci-après. Dans la demande de brevet français nO 82 07323 il est indiqué une possibilité de réduire l'écart des pressions dans un cycle à résorption en utilisant les échanges internes pour accroître la plage de variation de concentration de la solution. Lorsqu'un tel cycle est associé, pour élever la pression du gaz désorbé, à un cycle à absorption, celui-ci peut, puisque l'écart des pressions le permet, utiliser les échanges internes selon le procédé décrit par Altenkirch entre 1910 et 1920. Dans ce cas les domaines de concentration dans lesquels se situent les solutions des deux circuits, deviennent adjacents et ne sont plus disjoints comme dans un cycle à absorption- résorption usuel. Or il est apparu depuis, et c'est l'objet de la présente invention, que la délimitation du cycle à résorption, c'est-à-dire les domaines de pressions et concentrations, était indépendante du débit de solvant utilisé en associatiùn avec le soluté; (on suppose evidemment les conditions de températures imposées) ce débit, pouvant etre choisi arbitrairement, pourra donc par exemple entre identiquement nul, c'est-à-dire que la phase vapeur sortant du désorbeur sera condensée seule puis totalement revaporisée à pression différente. De la sorte le "deuxième" circuit de solution caractéristique des cycles à absorptionrésorption, peut être supprimé.Les avantages du procédé selon l'invention apparaitront par la suite dans la description. Dans un cycle decrit selon l'invention, le soluté gazeux quittant le désor- beur à une concentration proche de l'équilibre avec celle de la solution riche y entrant (cet-objectif étant atteint aussi bien par des moyens connus que selon une disposition préférée qui sera décrite par la suite), est alors con densé sur un intervalle de température correspondant à la condensation d'un mélange non azéotropique. La vapeur condensée sera alors détendue au niveau de pression inférieur selon un processus le plus souvent adiabatique, la vaporisation partielle entrainant un refroidissement de la solution dont l'amplitude dépend de l'écart des pressions. Il sera alors possible de revaporiser ce liquide en échangeant avec la source extérieure sur un intervalle de tempe rature inférieur au précédent.La fin de la vaporisation sera obtenue sur l'intervalle de température correspondant à la condensation, au pincement près requis, par échange thermique avec le condenseur. On obtiendra ainsi température supérieure de cet intervalle un fluide vaporisé de concentration très proche de celle du fluide avant condensation, mais à pression inférieure. Cette vapeur pourra alors être absorbée de façon connue, selon le cycle à absorption décrit par la solution; le faible écart de pression qu'il est possible ainsi d'obtenir, permettra le plus souvent d'effectuer un échange thermique entre désorbeur et absorbeur selon le procédé décrit par Altenkirch. Sans que ce procédé soit limité au couple solvant/soluté: eau/ammoniac, on peut citer à titre d'exemple les caractéristiques d'un cycle décrit par ce couple selon l'invention: Une solution à 30% d'ammoniac à 2 bar et 460C est en équilibre avec de la vapeur à 378. Celle-ci est totalement condensée si l'on abaisse sa température jusqu'à -180C. Une détente de ce liquide jusqu'à 1 bar conduit à une température de -33 C. La vaporisation partielle se produit alors jusqu'à une température de -230C correspondant à une solution à 68%. La chaleur correspondante sera alors empruntée à une source extérieure (Source Froide). La solution continuera alors à être vaporisée en échangeant de la chaleur avec le condenseur jusqu'à ce que la vaporisation soit totale, ce qui correspondra à une température de 33"C environ. Ce gaz pourra alors être absorbé par la solution dont la concentration varie de 8% à 28%. L'apport thermique requis par la désorption s'effectuera entre 700C et 900C, l'évacuation de chaleur entre 46 et 330C. Sur ce même intervalle la chaleur de condensation du gaz aura été aussi évacuée à l'extérieur A titre de comparaison, un cycle classique dans lequel la chaleur de condensation aurait entièrement été évacuée à l'extérieur, aurait eu une pression de condensation de 13 bar, soit une différentielle de 12 bar au lieu de 1 bar selon l'invention. Par ailleurs l'apport thermique requis pour la désorption aurait dû être effectué à 1700C environ au lieu de 900C.Ce sont ces amélioratons importantes du niveau de température de l'apport thermique et de l'écart de pression qui constituent un des avantages essentiels du cycle selon l'invention. D'autres avantages apparaitront dans la description ci-après. Il est connu que le gaz désorbé peut être amené à une concentration en équilibre avec celle de la solution riche entrant au désorbeur, par contre-courant avec celle-ci, effectué dans une colonne de rectification, une telle disposition présente néanmoins l'inconvénient de nécessiter que la totalité de la chaleur soit apportée au niveau le plus élevé. Cette astreinte est bien souvent gênante et, d'autre part incompatible avec la disposition d'Altenkirch pour les échanges internes entre absorbeur et désorbeur. Une disposition connue, présentée en particulier en 1953 à Londres lors de la session de l'institut du Froid, consiste- à prélever avant chauf-fage une par tie de la solution riche qui servira à rectifier, par contre-courant, le gaz qui a été désorbé sur l'intervalle de température correspondant au doraine.de variation de la concentration du liquide; mais ce dispositif nécessite une. régulation délicate et les échanges sont déséquilibrés lorsque l'unité ònc- tionne à charge partielle. Selon un développement préféré de la présente invention, le gaz désorbé, qui se trouve proche de l'équilibre en température et concentration avec la solution pauvre et chaude, sera refroidi dans- un circuit sépare, en échangeant de la chaleur sur le même intervalle de température que. celui sur lequel la désorption a été réalisée.Après ce refroidissement, les condensats seront séparés de la vapeur et réunis à la solution devant être désorbée, quir sa trouve dans des conditoions voisines de température et concentratibn Il y aura donc de la sorte, en parcourant l'intervalle total de température. sur lequel s'effectue la désorption, dans le sens des températures croisanteS et successivement: -Une zone de séparation liquide-vapeur où l'équilibre est pratiquement réalisé aux conditions d'entrée dans le désorbeur. -Une zone d'échange thermique sur un intervalle de température croissant. -Une zone de séparation liquide-vapeur ou règnent des conditions voisines de l'équilibre avec la solution pauvre. Il va de soi que la zone d'échange thermique peut être tronçonnée en plusieurs sections échangeant avec un ou plusieurs circuits indépendants et réunies par des zones de séparation, ce qui permet un recyclage partiel ou bien des soutirages et/ou appoints permettant de faire varier le débit traité tout au long de l'intervalle de température. Ces zones d'échange et de séparation peuvent, sans sortir dru cadre de la pré- sente invention être realisées selon le dispositif connu des colonnes à plateaux chauffés (ou refroidis) ou, au contraire suivant une disposition préférée constituée par l'échangeur d'architecture spécifique représente en figure 1: la solution riche entrant par le conduit 1 et sortant, appauvrie, par le conduit 2. le fluide caloporteur entrant par le conduit 3 et sortant par 4 après circulation canalisee par des chicanes. Dans le compartiment 5 la vapeur désorbée est reprise pour traverser la section d'échange 6 et se retrouver dans le compartiment d'entrée 7 où les condensats rejoignent la solution alors que le gaz est extrait par le conduit 8. Au lieu de circuler comme représenté à titre d'exemple dans des tubes, le fluide caloporteur circulant côté calandre, il aurait eté possible de faire circuler solution et vapeur côté calandre, le fluide caloporteur étant confiné dans des tubes en serpentin ou accordéon, ou entre plusieurs plaques. La disposition horizontale représente permet le recyclage simple des condensats, ce qui n'exclut pas de réaliser ce dispositif verticalement, la circulation étant soit forcée, soit assurée par difference de masse volumique assurant des différentielles de pression hydrostatique selon des procédés connus. En appelant:"module" une section d'échange encadrée de deux zones de separa- tion, il apparait que la juxtaposition en série de plusieurs modules permettra de varier les circuits de caloporteurs assurant les échanges sur les divers intervalles, et aussi de varier l'architecture des circuits. Par exemple (fig.2): -Sur l'intervalle de température commun au desorbeur et à l'absorbeur, la solution à désorber circulera à l'intérieur d'une surface d'echange (tubes,plaques ou autres moyens connus) située dans l'enceinte de l'ab sorbeur, et à la surface de laquelle ruissellera la solution absorbant ainsi le gaz en présence duquel elle se trouve.On pourra aussi, ce qui est représenté sur la figure, utiliser un fluide intermédiaire: le module de désorption 21 contient un circuit interne dans lequel (22) circule un caloporteur qui sera réchauffe en 23 dans l'enceinte 24 de l'absorbeur. -Sur l'intervalle supérieur de température correspondant aux échanges avec la source de chauffage, l'apport thermique pourra être effectué par un caloporteur circulant dans un circuit étanche 25, l'alimentation en solution s'effectuant par l'ajutage 26 au sommet de l'enceinte 27 à contre-courant du gaz désorbé qui, ainsi rectifié, sera prélevé par le conduit 28. -Le gaz désorbé dans l'enceinte 27 sera ramené par 28 à la zone de sépara- tion chaude du module 21. Après avoir traversé la section d'echange il sera conduit, en phase sèche au condenseur 29 puis par l'organe de déten te 201 à l'évaporateur 202. La fin de vaporisation est obtenue par échan ge avec le condenseur, dans le circuit d'échange 203. La simplicité et facilité de régulation d'un tel ensemble apparait ainsi clairement. Dans une autre disposition préférée de l'invention il est proposé de prélever de la solution pauvre dans l'absorbeur alors qu'elle vient d'être pratiquement sature par absorption adiabatique, préalablement à tout refroidissement. On dispose de la sorte d'un liquide qui pourra servir de caloporteur pour tous les échanges avec l'extérieur, à l'exception de l'apport thermique de désorp- tion, sans aucun risque de vaporisation pui.qu'en tout point la température sera inférieure a la température de saturation. On pourra ainsi éviter la pénétration d'un fluide étranger à l'intérieur de l'unité, tous les échanges internes étant assurés par circulation de solution non saturée, donc sans risque de contamination et sous très faible écart de pression rendant la réalisation des surfaces d'échange bien moins couteuse. Par ailleurs l'évacuation de la chaleur se faisant dans un échangeur externe, sur air ou sur eau, celui-ci pourra aisément être isolable de l'unité et conçu pour pouvoir être nettoyé.Il est à noter que pour tous les niveaux d'échanges thermiques avec l'extérieur il est possible, sans sortir du cadre de la présente invention de faire circuler vapeur et solution côté enceinte ou, au contraire, à l'intérieur d'un circuit d'échange rendant ainsi possible d'adapter la morphologie de la surface d'échange à toutes astreintes telles que non contamination par exemple. Il est aussi possible, en utilisant la disposition en modules déja décrite, d'élargir l'intervalle de température sur lequel la PAC échange avec l'extérieur, sans pour autant accroitre l'écart de pression.Par exemple pour doubler l'intervalle de température de l'apport thermique, on peut soutirer de la solution appauvrie à une température correspondant au milieu de l'intervalle et l'envoyer à l'absorbeur; les différences de débit ainsi réalisées entre les sections permettent d'échanger avec l'extérieur le complément de chaleur; cela suppose que la variation de température de lasolution entre les deux niveaux de pression soit de préférence obtenue suivant un processus adiabatique. Le même raisonnement s'applique aux échanges avec la source froide. Un avantage important du cycle décrit selon l'invention apparait lorsque l'on compare ce cycle à celui des systèmes dits "Multiétagés". En effet, non seulement, il est ici aussi possible de rendre dissymétriques les deux écarts de température entre les trois niveaux d'échanges avec l'extérieur, faisant varier en proportion les quantités de chaleur échangées avec les sources selon le Principe de Carnot, mais il est surtout possible, ce qui ne l'est pas autrement, de faire varier le niveau médian, les extrêmes étant fixes, et cela meme en cours de fonctionnement et de façon continue, par la seule variation de débit de solution du cycle à absorption, pour une charge donnée. Par exemple pour des niveaux de température de 180/35/250C le coefficient de performance théorique atteindra 10,5 ce qui conduit a des performances au moins égales à celles d'une installation d'evaporation multiples effets utilisée pour concentrer un produit à 250C, et ce avec un investissement moindre et une plus basse température du produit à traiter. Il faut aussi noter que le cycle, selon l'invention, peut être décrit en inversant les niveaux de pression. De la sorte le cycle à absorption sera décrit en sens inverse (cycle dit à résorption), la condensation s'effectuera à pression plus basse que la vaporisation. On obtiendra ainsi un système dénommé: "Thermotransformateur", c' est-à-dire ou une partie de la chaleur reçue sera dégradée à un niveau inférieur pour revaloriser le restant à niveau plus élevé. Tous les avantages du cycle d'absorption décrit selon l'invention, subsistent dans ce cas et en particulier la possibilité de faire varier a volonté, de façon continue le niveau médian de température par rapport aux deux niveaux extrêmes. Les descriptions précédentes sont données à titre d'exemple de réalisation du procédé selon l'invention. D'autres realisations peuvent être envisagées selon des dispositifs connus d'échange thermique et de circulation de fluide, sans sortir du cadre de la présente invention. On peut en particulier utiliser des thermosyphons et aussi adjoindre un gaz incondensable pour abaisser la pression partielle de la phase vapeur dans la partie du cycle dite "basse pression. REVENDICATIONS 1- Procédé perfectionné pour la réalisation d'une Pompe à Chaleur Tritherme décrivant un cycle au cours duquel un soluté gazeux est absorbé dans un solvant liquide puis en est désorbé à une pression au moins égale à la précédente et caractérisé en ce que le gaz désorbé ayant une concentration et une température voisines de l'équilibre avec celles de la solution riche entrant au désorbeur, est condensé sur un intervalle de température décroissant par échange thermique successivement avec une source extérieure puis avec l'éva- porateur, le dit gaz ayant ainsi été condensé est alors après détente introduit dans l'évaporateur ou la vaporisation commence par échange avec une source extérieure puis est achevée par échange thermique avec le condenseur ci-dessus. 2- Procédé selon la revendication (1) caractérisé en ce que le gaz est (a) désorbé sur un intervalle de température puis (b) séparé de la solution pauvre puis (c) refroidi, sans transfert de masse.avec le courant (a) avant d'être (d) séparé des condensats (e) qui seront recyclés avec (a), la phase gazeuse seule étant alors extraite. 3- Procédé selon la revendication (1) ou (2) caractérisé en ce que la solution pauvre introduite dans l'absorbeur subit d'abord une absorption adiabatique l'amenant au voisinage de la saturation, cette solution étant ensuite prélevée dans un circuit séparé pour servir de fluide caloporteur dans les divers échanges, excepté la désorption. 4- Procédé selon l'une des revendications (1) à (3) caractérisé en ce que la pression de désorption est au plus égale à la pression d'absorption, la pression de condensation devenant ainsi au plus égale à la pression d'évaporation. 5- Dispositif combiné de transfert de chaleur et de masse caractérisé en ce qu'il comprend au moins (A) un compartiment de séparation liquide/gaz dans lequel les conditions sont proches de l'équilibre avec la solution riche, (B) un compartiment de séparation liquideigaz dans lequel les conditions sont proches de l'équilibre avec la solution pauvre et (C) un compartiment d'échange thermique reliant (A) à (B) et dans lequel la solution circule de (A) vers (B) en étant réchauffée et le gaz de (B) vers (A) en étant refroidi, un circuit étanche dans lequel passe un fluide caloporteur permet l'échange thermique entre le dit comr > artiment te l'extérieur.