Brevet FR2567253A1 — publié le 19860110

La présente invention a pour objet un dispositifd'échange thermique, notamment utilisable comme réfrigérateur solaire à absorption intermittente, et plus particulièrement destiné aux pays tropicaux privés de toute énergie autre que L'énergie solaire Jusqu'à présent de nombreuses études ont été entreprises afin de permettre d'utiliser l'énergie solaire pour actionner des machines frigorifiques . En particulier, en laboratoire , de nombreuses expériences ont été mises en oeuvre afin de déterminer le couple frigorigène qui permettrait d'obtenir les meilleurs rendements . De nombreux problèmes se sont posés notamment au niveau des fonctionnements diurne et nocturhe de réfrigérateurs de ce type et les expériences de laboratoire ne se sont pas traduites par des réalisations industrielles fiables.En outre, les réalisations industrielles hypothétiques se seraient heurtées au prix de revient important des dispositifs annexes destinés notamment à donner au générateur absorbeur la position sensiblement la plus avantageuse par rapport au mouvement du soleil. A la suite de recherches particuLièrement étendues dans le domaine de l'utilisation de l'énergie solaire, la demanderesse a mis au point un réfrigérateur solaire à absorption intermittente obviant aux inconvénients des réfrigérateurs solaires de l'art antérieur Un objet de la présente invention est de fournir un réfrigérateur solaire susceptible de fonctionner avec un cycle de réfrigération de 24 heures sans aucune autre source d'énergie que l'énergie solaire Un autre objet de la présente invention est d'éviter que se produise dans le circuit de réfrigération , une remontée en température accidentelle dans La cuve isolante, et ce sans mettre en oeuvre d'échangeur particulièrement sophistiqué , mais seulement un condenseur refroidi par l'air ambiant Encore un autre objet de la présente invention est de réaliser un réfrigérateur solair-e de conception à la fois facile et robuste , sans avoir à utiliser de pièces mobiles ni d'eau, évitant ainsi la corrosion intérieure, tout en évitant des interventions trop fréquentes de l'usa- ger pour le réglage de l'appareil , ce réfrigérateur solaire pouvant être fabriqué à un prix de revient très compétitif. La présente invention a donc pour objet un dispositif thermique , notamment utilisable comme réfrigérateur, et actionnable-au moyen de l'énergie solaire par absorption intermittente , ce dispositif thermique comportant , monté sur un bâti, un générateur absorbeur, un condenseur et un évaporateur agencé de façon connue en soi , et caractérisé en ce que le générateur absorbeur comporte au moins un élément générateur absorbeur constitué par un système de focalisation des rayons solaires selon une droite focale, ce système coopérant avec un élément tubulaire creux dont l'axe coincide avec ladite droite focale , et qui renferme un agencement d'amenée de gaz constitutif d'un couple frigorigène , cet élément tubulaire creux étant chargé avec une substance absorbante susceptible de créer avec le gaz un couple frigorigene performant L'invention est en outre remarquable par les points suivants: le système de focalisation est constitué par un miroir cylindroparabolique g L'agencement d'amenée du gaz est un élément tubulaire creux monté coaxialement dans l'élément tubulaire renfermant la substance absorbante, et comportant un certain nombre de trous traversants; périphériquement à l'élément tubulaire interne, est prévu un treillis présentant une Largeur de maille appropriée pour SeOppo5erau passage de la substance absorbante ; le couple frigorigéne est constitué par un halogénure de métal alcalino-terreux , de préférence du chlorure de calcium, et du gaz ammoniac ; les éléments constitutifs du générateur absorbeur sont montés sur le plan supérieur du bâti , ce plan supérieur présentant par rapport au plan horizontal du sol une inclinaison égale en degrés à la latitude cu lieu de positionnement du dispositif thermique ; entre le générateur et le condenseur est monté un clapet de non retour, entre l'évaporateur et le générateur est monté un clapet de non retour ; dans le système isolant de l'évaporateur, est monté un clapet différentiel à trois voies générateurévaporateur et condenseur-évaporateur ; un réservoir tampon est monté entre le condenseur et l'évaporateur en aval du clapet à trois voies D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'une forme de réalisation non limitative de réfrigérateur solaire à absorption intermittente , en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig.1 est une vue partielle en perspective , partiellement arrachée, du réfrigérateur solaire de l'invention; Fig.2 est une vue en perspective d'un élément générateur - absorbeur constitutif du réfrigérateur solaire de l'invention; Fig.3 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un organe constitutif du générateur-absorbeur ; Fig.4 est un schéma synoptique du réfrigérateur solaire de l'invention; et Fig.5 est une vue en élévation partiellement arrachée en coupe longitudinale axiale d'un clapet à trois voies utilisé selon l'invention. En se référant aux dessins , on voit que le générateur 1 est constitué dgun certain nombre d'éléments générateurs absorbeurs , chacun d'entre eux étant constitué par un élément de focalisation Constitué par un boîtier Sa à l intérieur duquel est monté un miroir cylindroparaboli- que 5b. Dans l'axe de la droite focale du miroir cylindroparabolique 5b, on a prévu des saignées verticales 5c. Ces saignées 5c étant destinées à recevoir un élément tubulaire absorbeur 6 , qui se trouvera ainsi centré coaxialement à la droite focale du miroir cylindroparabolique Sb. On remarquera plus particulièrement sur ba figure 2 que les éléments 6 sont couplés par paires à un système d'amenée du gaz ammoniac, de façon à former un système de tube quadrangulaire , les éléments 6 étant disposés syjné- triquement et parallèlement à un tube central 7. Comme représenté sur la figure 3, chaque élément générateur - absorbeur 6 comporte coaxialement un tube 8 dont les extrémités & Xb viennent stemmancher coaxialement dans Les prolongements des raccordements tubulaires 9 soudés à L'élément 6. Des joints 10a, 10b sont prévus pour garantir l'étanchéité au niveau du raccordement de l'élément tubulaire 8 et du- tuyau 9. L'étément tubulaire interne 8 est centré à l'intérieur de-l'élément tubulaire 6 par l'intermédiaire d'au moins une patte 11, et comporte un certain nombre de trous traversant 12.Autour de I'élément 8 est également prévu un treillis 15 présentant une dimension de maille permettant le passage du gaz ammoniac tout en empêchant que les grains de surface absorbante contenus dans l'élément 6 ne viennent au contact de-l'élément 8 pour boucher les trous 12. De préférence, les éléments 6 , 8 et 9 sont constitués par des tubes en acier , la face extérieure de L'élément 6 étant recouverte d'un revêtement sélectif constitué par des feuilles de recouvrement en un matériau approprié pour son absorption actinique, ou bien obtenu par un traitement de surface appropriée des éléments tubulaires 6 Par miroir cylindroparabolique 5b, on entend des miroirs courbes de section parabolique définissant une surface parabolique ayant pour foyer une droite. Chaque miroir est protégé par une vitre et peut être tourné, de plus ou moins 23.0 autour de l'axe commun fixe . Des butées de limitation de rotation , non representées aux dessins, sont disposées sur le bâti de façon à limiter la rotation desdits ensembles de miroirs cyLindroparaboliques . Les ensembles 5, 6 sont disposés sur le plan supérieur d'un bâti, ce pLan supérieur faisant un angle o( avec le plan horizontal du bâti . Le condenseur 2 est constitué par des tubes d'acier à ailettes 2a et raccordé en aval à un réservoir tampon 4 en acier qui est lui-même raccordé à un évaporateur 3a disposé dans une cuve isolante 3,et constitué d'un as semblage de tubes en acier. Selon une forme de réalisation avantageuse de l'invention,on dispose au-dessus de cet évaporateur 3a et en contact avec lui un réservoir de stockage de froid, non représenté aux dessins,et constitué avantageusement par une enceinte souple à l'intérieur de laqueLle on a chargé un mélange eutectique,par exemple de l'antigel,ce réservoir pouvant être remplacé par des compartiments plein d'eau si l'on désire simplement obtenir des pains de glace. Le dispositif thermique selon la présente invention comporte également un agencementpe vannes ou clapets destiné à lui assurer l'autonomie de fonctionnement.Cet agencement est avantageusement constitué de trois clapets automatiques I, II, III,fonctionnant uniquement sous l'influence de la pression du gaz ammoniac, et le contraignant à circuler pendant des périodes parfaitement définies en fonction du temps et des paramètres extérieurs,toujours dans le même sens. Le clapet I qui est monté entre le générateur et le condenseur, permet, lors de l'échauffement du sel qui dissocie l'ammoniacate,le passage du gaz comprimé vers le condenseur et interdit sa réabsorption directe par le sel durant l'évaporation nocturne. Le clapet II,monté entre l'évaporateur et le générateur,isole l'évaporateur 3a du générateur 2 pendant La phase diurne afin que le gaz libéré au générateur 1 ne vienne pas se condenser directement dans l'évaporateur 3a et l'échauf- fer, ce qui rendrait impossible la conservation de produits ou denrées périssables. Ce clapet Il s'ouvre la nuit à la suite de la dépression régnant dans le générateur 1 et permet ainsi le passage du gaz aspiré par le sel partiellement dissocié,le blocage à la pression pouvant atteindre 30 bars (3 MPa),tandis que le passage à la dépression est négligeable. Le condenseur 2 et l'évaporateur 3a et le générateur 1 sont réunis par une vanne ou clapet différentiel à trois voies III,ce clapet fait office de système bloqueur de gaz et simultanément filtre le liquide. Ce clapet représenté sur la figure 5, est normalement fermé lorsque la pression P2 au condenseur est sensiblement la même que la pression P1 au générateur . il s'ouvre lorsque La différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur est de l'ordre de 4 à 5 bars, ceci dans un double but, d'assurer, d'une part, une bonne fermeture lorsque les pressions sont voisines , et, d'autre part de réaliser une détente à L'ouverture. Le soir, après un cycle de fonctionnement, La pression P1 au générateur est inférieure à la pression P2 au condenseur et le passage de Liquide est prévu vers l'évaporateur 2a selon les flèches F1,F2. La journée , lorsque La pression P1 au générateur est supérieure à la pression P2 à L'évaporateur, cette pression de gaz PI vient solliciter La membrane 13 du clapet à trois voies III et à l'encontre de l'action du ressort 14 vient fermer le passage du Liquide selon F1,F2. Cette vanne permet à L'appareil de fonctionner en continu, malgré certaines intermittences du rayonnement solaire, auquel cas le condenseur 2 ne contiendra plus que du gaz qui, sans la présence de cette vanne III , irait, par l'intermédiaire du condenseur 2,se condenseur dans L'évaporateur 3a en le réchauffant suivant le principe de Watt ou de la paroi froide le condenseur ne jouant plus son rôle. Bien que des couples frigorigènes à base d'un halogénure de métal alcalin et d'ammoniac puissen êtreutilisés dans le dispositif thermique de réfrigération selon l'invention, une des originalités de l'invention consiste à mettre en oeuvre un couple frigorigène Ca-C12 , NH3 qui a déjà eu un certain essort à L'échellon industriel , mais dont le mode d'utilisation, qui tire l'énergie nécessaire à la dissociation des ammoniacates générés par ledit couple frigorigene, est réalisé uniquement par rayonnement solaire. Les avantages de ce couple frigorigène du point de vue absorption chimique sont certains du fait, d'une part, qu'il n'existe pas de tension de vapeur du solide et d'autre part ,que Le gaz ammoniac présente une force de chaleur latente de vaporisation (Tc = 132,4 C). On obtient ainsi selon l'invention, dans une enceinte isolée de volume utile pouvant varier de 50 litres à quelques mètres cubes , une température comprise entre -3 0C et + 8 0C , c'est-à-dire conforme à la norme OMS de conservation des vaccins , et ce dans une ambiance diurne extérieure d'environ 430 pour une température nocture de 30 C, grâce à la coopération entre des éléments générateur - absorbeur disposés à l'intérieur de miroirs cylindroparaboliques, coaxialement avec la droite focale de ces derniers, et d'un dispositif permettant un contrôle de l'écoulement entre le condenseur et l'évaporateur, grâce au. montage entre ces derniers d'une vanne ou clapet différentiel à trois voies. il est clair que L'invention n'est nullement limitée à cette forme de réalisation, mais on peut par exemple con c evoir que le plan porteurpu bâti puisse être réglable par rapport au plan horizontal , en fonction de la latitude du lieu d'exploitation du réfrigérateur solaire , et ce en prévoyant des moyens de positionnement en rotation permettant de régler l'angle Oc , correspondant à la latitude en degré. De même, il est judicieux de prévoir des éléments isolants entre le générateur 1 et son bâti porteur afin de réduire Les fuites thermiques. Outre les applications de la machine thermique solaire de L'invention comme réfrigérateur, on peut également envisager d'autres applications telles que dans des installations de climatisation, et également la nuit comme pompe de chaleur dans les zones désertiques en raison de la température relativement élevée(700C environ) du couple frigorigène durant l'absorption nocturne. -REVENDICATIONS d'échange 1. Dispositif/thermrque , notamment utiLisabLe comme réfrigérateur actionné au moyen de énergie solaire par absorption intermittente , ce dispositif comportant, montés sur un bâti , un générateur absorbeur, un condenseur et un évaporateur , caractérisé en ce que le générateur absorbeur comporte au moins un élément générateur absorbeur constitué par un système de focalisation C5b) des rayons solairesselon une droite focale , ce systeme coopérant avec un élément- tubulaire creux (6) dont l'axe coincide avec ladite droite focale , et qui renferme un agencement d'amenée du gaz (8), cet élément tubulaire creux (6) étant chargé avec une substance absorbante susceptible de créer avec le gaz un couple frigorigène performant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de focalisation est constitué par un miroir cylindroparabolique (5b). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou Z,caractérisé en ce que l'agencement d'amenée de gaz est un élément tubulaire creux (8)monte coaxialement à l'intérieur de L'élé- ment tubulaire chargé 6) et comportant un certain nombre de trous traversant (12). 4.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, entre les deux éLéments tubulaires coaxiaux ( 6 , 8) est prévu un tre;Ll;S (15) de Largeur de maille appropriée pour s'opposer au passage de la substance absorbante renfermée dans l'élément tubulaire (6). 5.3ispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le couple frigorigène est constitue par un halogénure de métal alcalino-terreux par exemple du chlorure de calcium, et du gaz ammoniac. 6.3;spositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments constitutifs (5b, 6) du générateur absorbeur sont montés sur Le plan supérieur du bâti , ce plan supérieur présentant par rapport au plan horizontal dudit bâti, un angle d'inclinai- son Oc égale en degrés à la latitude du lieu de fonctionnement du dispositif thermique. 7.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, entre le générateur et le condenseur, est monté un clapet de non retour I agencé de façon à permettre, lors de l'échauffement du sel qui dissocie les ammoniacates, le passage du gaz comprimé dans le générateur 1 vers le condenseur 2,et interdire sa réabsorption directe par le sel durant l'évaporation nocturne. 8.Entre L'évaporateur et le générateur est monté un clapet de non retour II qui isole l'évaporateur (3a) du générateur (1) durant la phase diurne afin que le gaz libéré du générateur ne vienne pas se condenser directement dans l'évaporateur (3a)et l'échauffer, ce clapet II s'ouvrant la nuit pour permettre le passage vers Le générateur (1) du gaz aspiré par le sel partiellement dissocié,le bloquage à la pression pouvant atteindre 30 bars (3MPa),tandis que le passage à la dépression est négligeable. 9.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce qu'il est prévu un clapet différentiel à trois voies III (générateur - évaporateur,condenseur-évaporateur),ce clapet étant disposé dans la cuve isolante (3) de l'évaporateur (3a). Ce clapet é-tant normalement fermé lorsque la pression du condenseur est sensiblement la même qu'au générateur,mais s'ouvrant lorsque la différence de pression entre le condenseur et le générateur se situe dans une plage prédéterminée,par exemple de 4 à 5 bars. 10.Dispositif selon la revendication 9,caractérisé en ce que le clapet différentiel comporte une membrane(13), qui sous l'action de la pression régnant dans le générateur, agit à l'encontre d'un ressort (14)pour fermer le passage entre le condenseur (2) et l'évaporateur (3a). 11.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,caractérisé en ce qu'il est prévu un réservoir tampon (4) entre le condenseur (2) et l'évaporateur (3a). 12. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , comme appareil de climatisation 13. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11,comme pompe à chaleur.