Brevet FR2571481A1 — publié le 19860411

La présente invention concerne un dispositif de stockage de l'énergie fri- gorifique. On connaft bien l'intérêt qu'il y a à accumuler du froid, en exploitant la chaleur latente de "fusion-cristallisation" de l'eau ou des eutectiques d'hydrates salins. On pourra, à cet égard, se reporter au brevet français n" 80 06 130, publié sous le n" 2 490 800. On trouve par ailleurs dans le commerce des eutectiques d'hydrates salins dans une gamme de temperatures allant de 00C à - 70"C. Par ailleurs, on connaft différents systèmes permettant le stockage de l'énergie frigorifique par utilisation de la chaleur latente de "fusion-cristallisation". Parmi ces systèmes, on peut citer notamment : les bacs à glace, ouverts ou fermés, les échangeurs accumulateurs du type décrit dans le brevet sus-mentionné, les machines à glace, etc. La présente invention se propose d'apporter un nouveau dispositif de stockage de l'énergie frigorifique, qui présente de nombreux avantages par rapport aux dispositifs antérieurement connus, et particulièrement - une meilleure densité de stockage; - un prix de revient inférieur - un rendement global supérieur - une mise en oeuvre simplifiée. L'idée à la base de l'invention consiste à engendrer des cristaux de glace ou d'eutectique par dégivrage continu d'un échangeur-évaporateur, et à stocker les cristaux de glace ou d'eutectique ainsi obtenus. L'invention a donc pour objet un disposi tif qui comprend : un échangeurs évaporateur, générateur de cristaux de glace ou d'eutectique, dont le primaire est raccordé à un générateur de froid ; des moyens de séparation des cristaux de glace ou d'eutectique, qui prennent naissance sur la surface du secondaire de ltéchangeur-évaporateur, ces cristaux étant entraînés soit mécaniquement, soit naturellement par le flux du caloporteur duquel ils sont issus, et une enceinte de stockage qui reçoit les cristaux issus de la surface du secondaire de l'échangeurévaporateur, l'accumulation de ces cristaux dans ladite enceinte constituant le stockage d'énergie frigorifique par chaleur latente de cristallisation. Selon l'invention, le primaire de l'échangeur-évaporateur est raccordé à un générateur de froid dont l'évaporateur est remplacé par l'échangeurévaporateur du dispositif selon l'invention. Le fluide frigorigène utilisé (fréon, ammoniac, etc. ) dépend de l'utilisation ou de l'application envisagée. Le calo porteur qui circule dans tout le secondaire est soit de l'eau, soit un eutectique d'hydrate salin, et, selon que ce fluide est à l'état liquide ou à l'état solide, il est dit "caloporteur" ou "calostockeur". On comprend que les fonctions du dispositif objet de l'invention sont mul tipules 1 - il permet de refroidir, de façon classique, le caloporteur qui circule dans le secondaire et qui est destiné à l'alimentation des équipements consom mant l'énergie frigorifique 2 - il transforme le caloporteur en calostockeur, en cristallisant le caloporteur sur la surface du secondaire de 1' échangeur -évaporateur, lorsque la tempé rature de peau de ce dernier est inférieure à la température de cristallisa tion de l'eau ou de l'eutectique d'hydrate salin utilisé 3 - il assure la séparation des cristaux de glace ou d'eutectique qui se forment sur la surface du secondaire de l'échangeur-évaporateur ou la surfusion du caloporteur 4 - il accumule l'énergie frigorifique dans l'enceinte de stockage, sous la forme des cristaux précédemment séparés de la surface de l'échangeur-évaporateur ou générés par la surfusion ; et, 5 - il restitue l'énergie frigorifique précédemment stockée au caloporteur, par échange direct entre le caloporteur, dont la température est alors supé rieure à celle du calostockeur, et le calostockeur lui-meme. Selon une caractéristique de la présente invention, les moyens de séparation des cristaux de glace ou d'eutectique de la surface de l'échangeur-évaporateur sont constitués, de préférence, par un système émettant des vibrations, et plus particulièrement par un générateur d'ultrasons soumettant le volume utile de ltéchangeur-évaporateur à un flux ultrasonique réparti. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, qui en illustrent divers exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins - la Figure 1 est une représentation schématique illustrant le principe général de fonctionnement du dispositif selon cette invention; - la Figure 2 est une vue schématique illustrant un premier exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention, dans lequel l'évaporateur est intégré à l'enceinte de stockage de l'énergie frigorifique - la Figure 3 est une vue partielle, à échelle agrandie, représentant une variante d'échangeur-évaporateur utilisée dans le dispositif de la Figure 2;; - les Figures 4 et 5 sont des vues, respectivement en coupe longitudinale et en coupe transversale, d'un échangeur-évaporateur utilisé dans un dispositif selon l'invention, dans lequel il est séparé de l'enceinte de stockage - les Figures 6 et 7 représentent un autre exemple de réalisation d'un échangeur-évaporateur séparé de l'enceinte de stockage - la Figure 8 est une vue en plan des Figures 6 et 7 - la Figure 9 est une vue partielle représentant la forme de la conduite assurant le transfert des cristaux de glace ou d'eutectique de l'échangeurévaporateur vers l'enceinte de stockage ; et, - les Figures 10 et 11 sont des vues en coupe longitudinale et transversale d'une autre variante. On se réfère en premier lieu à la Figure 1, qui est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention destinée à en comprendre le principe de fonctionne ment. Ce dispositif comprend essentiellement un compresseur frigorifique 10, un évaporateur 12 dans lequel se forment, par givrage, les cristaux de glace ou d'eutectique, un circuit de circulation 14 du caloporteur, comportant une pompe 16, une cuve de stockage 18 reliée à l'évaporateur 12 par une conduite de liaison 20, un filtre 24 à la partie supérieure de la cuve de stockage, pour retenir les cristaux formés et laisser passer le caloporteur, et un moyen 22 pour assurer la séparation des cristaux de la surface de l'évaporateur sur laquelle ils se forment. On comprend que les cristaux de glace ou d'eutectique qui se forment et se déposent sur la surface de l'évaporateur 12 sont décollés de cette surface par le moyen 22 (qui sera décrit en détail ci-après), et ils sont entraînés naturellement ou mécaniquement par le caloporteur vers la cuve de stockage 18, leur accu mulation dans cette cuve constituant le stockage de l'énergie frigorifique par chaleur latente de cristallisation. Le générateur de froid (compresseur 10) qui alimente le circuit primaire de l'évaporateur 12 est conçu de façon qu'à toute variation de charge frigorifique secondaire corresponde une variation simultanée de la température d'évaporation du fluide frigorifique du générateur de froid. Il en résulte que la température d'évaporation du circuit primaire de l'évaporateur varie entre - un maximum qui correspond à une charge frigorifique maximale ; et, - un minimum, qui correspond à une charge frigorifique minimale. On peut considérer trois modes de fonctionnement: 10 - Stockas La puissance frigorifique exigée par les équipements terminaux est inférieure à la puissance développée par le générateur de froid. La température d'évaporation du générateur atteint une valeur telle que la puissance frigorifique développée par ce générateur s'équilibre avec la puissance frigorifique transférable au secondaire par l'intermédiaire de 1' échangeur-évaporateur, Dans ces conditions, la température d'évaporation du générateur de froid est telle que la température de surface de l'échangeur, côté secondaire, devient inférieure à la température de cristallisation du caloporteur secondaire. I1 se produit alors un givrage de l'échangeur-évaporateur et la mise en action du moyen de séparation 22 des cristaux du caloporteur qui ont pris naissance sur sa surface. Les cristaux ainsi formés et séparés de la surface de l'évaporateur présentent une densité inférieure à celle de l'eau ou de l'eutectique duquel ils sont issus. Ladite différence de densité est avantageusement utilisée, selon cette invention, pour que les cristaux du caloporteur secondaire ainsi formés et détachés de la surface de l'évaporateur se placent naturellement à la partie haute de la cuve de stockage, comme on l'a représenté sur la Figure 1.C'est par accumulation successive de ces cristaux dans la cuve de stockage 18 que l'on réalise, selon l'invention, le stockage de l'énergie frigorifique désiré. 2" - Production directe d'énergie frigorifique La puissance appelée par les équipements terminaux est, dans ce cas, sensiblement égale à la puissance développée par le générateur de froid 10. La température d'évaporation du générateur de froid atteint alors une valeur telle que la puissance frigorifique développée par ce générateur s'équilibre avec la puissance frigorifique transférable au secondaire par l'intermédiaire de ltévapo- rateur 12. La température de surface de l'échangeur, côté secondaire, est alors telle que l'on observe un refroidissement traditionnel en chaleur sensible du caloporteur secondaire. 30 -Déstockane La puissance frigorifique qui est demandée par les équipements terminaux est supérieure à la puissance qui est développée par le générateur de froid 10. Dans ces conditions, la température d'évaporation du générateur de froid atteint une valeur maximale, qui est toutefois insuffisante pour répondre à la demande du caloporteur secondaire. I1 en résulte que la température du caloporteur secondaire croit, pour atteindre une valeur sensiblement supérieure à la tempé- rature de fusion du calostockeur préalablement cristallisé dans la cuve de stockage 18 du dispositif. Le caloporteur liquide, mis au contact du calostockeur préalablement cristallisé, puise alors le complément de puissance frigorifique réclamé, par échange direct et fusion du calostockeur contenu dans la cuve 18. On a indiqué ci-dessus que le dispositif selon l'invention prévoyait des moyens (22, Fig. 1) pour assurer la séparation des cristaux de glace ou d'eutectique de la surface de l'échangeur. On peut, selon l'invention, envisager tout moyen approprié, notamment des dispositifs thermiques ou mécaniques. On peut utiliser les systèmes classiques de dégivrage qui réalisent, au droit de l'interface "échangeur-givre", une fusion des cristaux de glace, qui sont ainsi décollés de la surface de l'échangeur. L'origine du flux thermique qui est nécessaire à cette séparation peut être de nature diverse, par exemple un réchauffage thermique de l'interface à partir de cordons électriques uniformément répartis, ou par inversion et soufflage des gaz chauds du compresseur frigorifique, alors introduits dans 1' échangeur-évaporateur. I1 s'agit là de techniques bien connues de l'homme de l'art, et, pour cette raison, elles ne seront pas décrites en détail. Selon l'invention, on utilise avantageusement un système mécanique engendrant des vibrations, pour assurer la rupture des liaisons "cristaux-échangeurs" avec une faible dépense en énergie. De préférence, on soumet le volume utile de l'évaporateur 12 à un flux ultrasonique réparti, qui est obtenu à l'aide d'au moins une sonotrode vibrante. L'évaporateur 12 étant immergé dans le liquide caloporteur secondaire, les sonotrodes émettent des vibrations à haute fréquence qui sont transmises au liquide en y créant des alternances de pressions et de dépressions, qui peuvent engendrer le phénomène de cavitation, se caractérisant notamment par la formation de microbulles qui implosent violemment, en décollant les cristaux de glace ou d'eutectique des parois des surfaces de l'évaporateur.Grâce à cette application d'ultrasons, on obtient les avantages suivants - obtention d'un coëfficient d'échange thermique maximal, en raison notamment de l'inexistence d'une couche de givre significative sur les parois de l'échangeur évaporateur - accroissement du cosfficient d'échange de 1' échangeur-évaporateur, en raison de l'accroissement du coéfficient de transfert convectif; en effet, les vibra tions ou l'implosion des microbulles générées par les ultrasons peuvent être assimilées à un accroissement relatif des vitesses des fluides en contact avec la surface de l'évaporateur - possibilité de moduler l'onde ultrasonique en puissance, fréquence et durée, ce qui permet de modifier la structure macroscopique cristalline des cris taux libérés. Grâce à cette modulation, on peut obtenir un stockage de cris taux plus ou moins compact, donc plus ou moins dense en énergie, et dont la surface d'échange (caloporteur - calostockeur) peut être adaptée aux puissances de déstockage requises. On remarquera que, dans le cas d'un flux ultrasonique continu, on peut voir apparaitre un phénomène de surfusion du caloporteur contenu dans le volume utile de 1' échangeur-évaporateur. Dans ce cas, le caloporteur ne cristallise qu'après libération de ce flux, et les cristaux du caloporteur apparaissent à la sortie de 1' échangeur-évaporateur, c'est-à-dire dans la cuve de stockage 18. L'énergie frigorifique nécessaire à la formation de ces cristaux est extraite de l'énergie frigorifique de surfusion, le caloporteur retrouvant alors sa température de cristallisation. On se réfère maintenant aux Figures 2 et 3, qui illustrent un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel l'évaporateur est intégré à la cuve de stockage. Ce dispositif comporte des composants similaires à ceux décrits cidessus. I1 se compose, en effet, d'un compresseur 26, d'un condenseur 28, d'un détendeur 30, d'un échangeur-évaporateur 32, placé à la partie inférieure de la cuve de stockage 36, qui est munie d'une grille supérieure 38 pour retenir dans la cuve les cristaux de glace ou d'eutectique détachés de la surface de l'évaporateur 32 par un générateur d'ultra-sons 34, et d'un réseau de distribution muni de deux pompes 42, 44. On prévoit une plaque perforée 40 assurant la répartition du caloporteur sur toute la surface de l'évaporateur. Dans cet exemple de réalisation non limitatif, l'échangeur-évaporateur 32 est du type à tubes à ailettes, les ailettes pouvant etre verticales (Figure 2) ou inclinées. Sur la vue partielle de la Figure 3, on a représenté un échangeurévaporateur 32 comportant des tubes à ailettes inclinés 46. Cette variante présente un double avantage - elle permet d'accroitre la turbulence du caloporteur en provenance de la plaque de répartition 40, et, par conséquent, d'accroftre le coëfficient d'échange convectif du secondaire ; sur la Figure 3, on a schématisé par les flèches fl la turbulence du caloporteur - elle permet d'augmenter le rendement ultrasonique de la sonotrode 34, en faisant écran, grâce à la présence des ailettes inclinées, à l'onde ultra sonique transmise au caloporteur par la plaque de répartition 40. L'onde ultrasonique est alors réfléchie dans la zone intéressée (Figure 3, flèches f) 2 La cuve 36 est calorifugée, et elle comporte, à sa partie inférieure : une chambre de répartition 31, qui reçoit le caloporteur en retour du circuit d'utilisation, ce caloporteur étant pulsé par la pompe 44.La partie supérieure de la chambre de répartition 31 est fermée par une plaque de tôle perforée 40, ayant un triple rôle: a) assurer une équi-répartition du débit du caloporteur passant de la chambre 31 dans la cuve 36, les trous ou fentes ménagés dans cette tôle 40 per mettant d'équi-répartir le caloporteur sur toute la surface de l'échangeur évaporateur 32, par conversion de la pression statique de la chambre 31 en pression dynamique, lors du passage du caloporteur au travers des per forations de la plaque b) améliorer le coëfficient d'échange convectif de l'échangeur-évaporateur 32. Le flux du caloporteur pulsé au travers des perforations de la plaque crée par induction une vitesse relative importante du caloporteur amené au contact de l'échangeur-évaporateur c) assurer une équi-répartition de la puissance ultrasonique. Le ou les géné rateurs d'ultrasons (sonotrode 34) sont fixés sur la tale de répartition (Fig. 3), et la distance entre chaque générateur est déterminée de façon à favoriser la vibration propre de la tale et à donner un rayonnement homo gène dans le caloporteur. L'échangeur-évaporateur 32 est placé au-dessus de la chambre de répartition 31, cet échangeur étant du type à tubes à ailettes, comme décrit ci-dessus. La cuve de stockage 36 comporte une crépine 38 dont les mailles ont des dimensions inférieures au diamètre des cristaux provenant de l'évaporateur 32. La cuve peut être éventuellement munie d'un cordon réchauffeur, destiné à permettre une libre circulation du caloporteur. Le réseau de distribution comporte, ainsi qu'on l'a vu ci-dessus, deux pompes 42 et 44, dont les débits sont identiques. La pompe 42 assure l'alimentation des échangeurs terminaux 43, et la pompe 44 alimente en caloporteur à débit constant l'échangeur-évaporateur 32. Le réseau comporte en outre une vanne trois voies mélangeuse 41, soumise à un régulateur de température placé sur le départ du réseau, cette vanne 41 permettant de maintenir une température constante du réseau de distribution, par mélange du caloporteur en provenance de l'échangeur-évaporateur et de la cuve de stockage 36 avec le caloporteur de retour pulsé par la pompe 44. Dans le second exemple de réalisation de l'invention, illustré par les Figures 4 et 5, l'échangeur-évaporateur 46 est séparé de la cuve de stockage, comme dans le cas illustré par la Figure 1. Le primaire est du type à plaques 48, mais peut être du type à tubes (voir l'exemple de réalisation représenté aux Figures 10 et 11), à l'intérieur desquels circule le fluide frigorifique à évaporer, et le secondaire est constitué par la virole de l'échangeur, qui délimite une enceinte dans laquelle circule le caloporteur à refroidir ou à cristalliser. La vitesse de circulation du caloporteur secondaire est, dans tous les cas, suffisante pour entraîner les cristaux de glace ou d'eutectique vers la sortie du secondaire de l'échangeur, celle-ci étant prévue sur la partie supérieure de la virole de I'échangeur, afin d'éviter toute accumulation intempestive des cristaux.Les générateurs d'ultrasons 50 sont placés sur la virole de l'échangeur-évaporateur 46; celle-ci est donc soumise aux flux ultrasonique équi-réparti dans toute l'enceinte délimitée par la virole. Bien entendu, on isole du flux ultrasonique tous les composants et équipements accessoires -de l'installation. La variante illustrée par la Figure 6 est encore du type à évaporateuréchangeur 52 extérieur à la cuve de stockage. Sur cette Figure 6, on retrouve les générateurs d'ultrasons 54 placés sur la virole de ltéchangeur-évaporateur, de manière à soumettre celle-ci au flux ultrasonique, et les plaques 58 de ltéchangeur- évaporateur dans lesquelles circule le fluide frigorigène à évaporer. L'enceinte délimitée par la virole de l'échangeur 52 est munie d'un certain nombre de cloisons 56. Le caloporteur secondaire pénètre par l'orifice d'admission 60, et il en ressort par un orifice d'évacuation 62, auquel on donne une forme appropriée pour éviter toute accumulation de cristaux. La variante illustrée par la Figure 7 est encore du type évaporateuréchangeur 52 extérieur à la cuve de stockage. Sur cette Figure, on retrouve les sonotrodes 54' et les plaques de répartition 64 en contact direct avec le caloporteur qui circule entre les plaques 58, à l'intérieur desquelles circule le fluide frigorifique à évaporer. La variante illustrée par les Figures 10 et 11 diffère de celle décrite ci dessus par le fait que l'échangeur est du type à tubes 58' à détente sèche. Parmi les avantages apportés par cette invention, on peut citer notam ment 1 - la possibilité d'obtenir toutes les combinaisons de fonctionnement désirées utilisation directe de la puissance frigorifique installée ; utilisation de la puissance frigorifique installée pour assurer simultanément des besoins in férieurs à cette puissance et la charge du stockage ; utilisation de la puis sance frigorifique par la seule charge du stockage, et utilisation de la seule énergie frigorifique accumulée dans l'enceinte de stockage du dispositif, le générateur de froid étant à l'arrêt 2 - le fluide caloporteur-calostockeur, étant contenu dans un circuit fermé étanche, peut être maintenu à la pression de service du réseau 3 - obtention d'une très importante surface d'échange, grâce à la structure ma croscopique des cristaux de glace ou d'eutectique, ce qui permet d'obtenir une très grande puissance d'échange au dé stockage, et donc un caloporteur dont la température est voisine de la température de fusion du calostockeur 4 - possibilité d'exploiter la diminution de la température d'évaporation, lorsque la puissance demandée (secondaire) devient inférieure à la puissance pri maire, pour porter la température du secondaire de l'échangeur-évaporateur à une température inférieure à la température de cristallisation du calopor teur, afin de cristalliser ce dernier. I1 demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux divers exemples de réalisation décrits et représentés, mais qu'elle en englobe toutes les variante s. REVENDICATIONS 1 - Dispositif échangeur-évaporateur stockeur d'énergie frigorifique, caractérisé en ce qu'il comprend : un échangeur-évaporateur (12 - 32) générateur de cristaux de glace ou d'eutectique dont le primaire est raccordé à un générateur de froid (16 - 26); des moyens (22 - 34 - 50 - 54 - 54') pour séparer les cristaux de glace ou d'eutectique qui prennent naissance sur la surface du secondaire dudit échangeur-évaporateur, ces cristaux étant entraRnés soit mécaniquement, soit naturellement par le flux du caloporteur duquel ils sont issus, et une enceinte de stockage (18 - 36) qui reçoit les cristaux issus de la surface du secondaire de 1' échangeur-évaporateur, l'accumulation de ces cristaux dans ladite enceinte constituant le stockage 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le caloporteur destiné aux utilisations et le calostockeur sont un seul et même fluide, ce fluide étant caloporteur lorsqu'il est à ltétat liquide, et calostockeur quand il est à l'état solide, et en ce qu'il est contenu dans un circuit fermé étanche pour pouvoir être maintenu à la pression de service du réseau. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit frigorifique primaire est réalisé de manière que la température diminue lorsque la puissance appelée secondaire devient inférieure à la puissance primaire. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de séparation des cristaux de glace ou d'eutectique de la surface de ltéchangeur-évaporateur est un système thermique. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de séparation des cristaux de glace ou d'eutectique de la surface de l'échangeur-évaporateur est un système mécanique, notamment un système émettant des vibrations, et de préférence un générateur d'ultrasons, le flux ultrasonique étant alors transmis par l'intermédiaire du caloporteur. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le flux ultrasonique est transmis au caloporteur contenu dans l'enceinte de ltéchangeur- évaporateur (32 - 52) par l'intermédiaire d'une plaque vibrante (40 - 64) sur laquelle sont montées les sonotrodes (34 - 54'), la distance entre chaque sonotrode étant déterminée de façon à favoriser la vibration propre de ladite plaque, en vue d'obtenir un rayonnement homogène du flux dans toute l'enceinte, ceci afin de générer, dans certains cas, un phénomène de surfusion du caloporteur à l'in térieur du volume utile de 1' échangeur-évaporateur. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le phénomène de surfusion est spécialement exploité pour que les cristaux ne se forment qu'une fois le caloporteur hors du flux ultrasonique. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur-évaporateur (32) est placé soit dans la cuve de stockage (36), à la partie inférieure de celle-ci, soit à l'extérieur de cette cuve (18), cette dernière étant alors située en aval de l'échangeur-évaporateur (12). 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l1 échangeur -évaporateur (32) est du type à tubes à ailettes (46), les ailettes étant de préférence inclinées par rapport à la verticale. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évaporateur (46 - 52) est placé à l'extérieur de la cuve de stockage, le flux ultrasonique étant transmis au caloporteur soit par l'intermédiaire de la virole dudit échangeur-évaporateur, soit par l'intermédiaire d'une plaque de répartition (64) mise en contact direct avec le caloporteur.