Brevet FR2575812A1 — publié le 19860711

La présente invention est relative à un procédé de production de froid et/ou de chaleur, à partir d'une source de chaleur,mettant en oeuvre un nouveau fluide de travail selon un cycle comprenant un éjecteur (des moyens d'éjection). Le procédé peut être utilisé dans le domaine du chauffage de locaux ou de la réfrigération. Le principe du cycle avec éjecteur connu dans l'art antérieur est brièvement résumé comme suit. Un fluide moteur à haute pression et haute température provenant d'un bouilleur est détendu dans la première section d'un éjecteur. La détente provoque la mise en vitesse de ce fluide qui est capable d'entrainer un deuxième fluide issu d'un évaporateur. Les deux fluides sont mélangés et pénètrent dans la deuxième section de l'éjecteur. En réduisant leur vitesse ou énergie cinétique leur pression est augmentée pour atteindre celle régnant dans le condenseur. Une source thermique apporte de la chaleur à haute température TB au bouilleur, une deuxième source thermique qui peut être le milieu ambiant apporte de la chaleur à basse température TE à l'évaporateur, enfin la somme de ces deux chaleurs est récupérable au condenseur à une température intermédiaire TC. Le fluide issu du condenseur est en partie détendu et de nouveau évaporé à la température TE, et en partie élevé en pression par l'intermédiaire d'une pompe et vaporisé au bouilleur à la température TB. DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention propose l'utilisation, dans un cycle à éjection, d'un fluide de travail (appelé F dans la suite) composé d'un mélange nonazéotropique d'au moins deux fluides chimiquement inertes, capable de s'évaporer et de ne pas cristalliser dans les conditions du procédé. Le procédé est caractérisé en ce que: a) on soumet un fluide de travail (F) à l'état au moins partiellement gazeux à une étape de condensation sous une pression (PC) en transmettant la chaleur de condensation du fluide (F) à un fluide extérieur, ledit fluide (F) comprenant un mélange non- azéotropique de 5-95 % en fraction molaire d'un premier constituant et de 95-5 % en fraction molaire d'un second constituant miscible en phase liquide au premier constituant, les constituants dudit mélange étant capables de s'évaporer et de ne pas cristalliser dans les conditions du procédé, b) on fournit de la chaleur à une fraction (F1) de la phase liquide de condensation du fluide (F) obtenue à l'étape (a) sous une pression plus basse que celle (PC) de l'étape (a), de manière à obtenir la fraction (F1) au moins en partie en phase vapeur, c) on fournit de la chaleur à une autre fraction (F2) de la phase liquide de condensation du fluide (F), obtenue à l'étape (a), sous une pression (PB) plus élevée que celle (PC) de l'étape (a), de manière à obtenir la fraction (F2) au moins en partie en phase vapeur et d) on soumet la phase vapeur du fluide (F2), issue de l'étape de vaporisation (c), à une détente dans des moyens d'éjection et on entraîne par cette détente la phase vapeur du fluide (F1) issue de l'étape de vaporisation (b), de manière à mélanger ces deux phases vapeur et à reconstituer le fluide (F) à l'état au moins partiellement gazeux, à la pression (PC) de l'étape (a). La différence entre les températures normales d'ébullition des deux constituants est, par exemple, de 10 à 150 C. De préférence l'un des constituants est l'eau (80-95% en mole) et l'autre constituant (5-20% en mole) peut être, par exemple, un alcool, une cétone, l'ammoniac, une amine ou un amide ou tout autre composé soluble dans l'eau dont le point d'ébullition normale est compris entre 100 et - 50 C. Un autre mélange utilisable comprend deux hydrocarbures halogénés distincts. Le présent procédé permet un fonctionnement de longue durée sans intervention, comme par exemple le chauffage de locaux domestiques. Un mélange, par exemple, eau-alcool permet en effet d'obtenir simultanément la stabilité thermique nécessaire à la longévité, une basse pression acceptable au niveau de l'évaporateur, l'absence de corrosion, l'absence de risque de cristallisation et une simplicité mécanique indispensable à la longévité. En effet, le fluide F, lorsque par exemple l'un des constituants est l'eau, présente le premier avantage d'être un mélange de fluides chimiquement et thermiquement stables dans la gamme de température comprise entre eelle régnant à l'évaporateur, par exemple 0 C à -5 C, et celle régnant au bouilleur, par exemple 150-180 C. Un autre avantage est l'augmentation de la pression à l'évaporateur en comparaison d'un système utilisant de l'eau comme fluide unique de travail. En effet, aux basses températures de l'évaporateur (vers 0 oC), la pression de vapeur saturante de l'eau est très faible (proche de 600 Pascals). L'eau, quand elle est utilisée seule, nécessite done des systèmes dont le volume doit être largement- dimensionné pour éviter toute perte de charge entre les différents éléments. L'augmentation de la pression de travail permet la réduction du volume du système et se traduit par un coût d'investissement inférieur. - - Un autre avantage est la possibilité de sélectionner des mélanges non corrosifs, tels que les solutions eau-ammoniac, eau-alcool ou eau-cétone, par exemple. Les matériaux de construction courants comme l'acier au carbone ou le cuivre peuvent être utilisés selon les fluides retenus sans faire appel à l'acier inoxydable ou à des revêtements de matériaux coûteux comme agents de protection contre la corrosion. Un autre avantage, lorsque l'un des constituants est l'eau, est l'emploi d'un fluide de travail dont les - propriétés thermodynamiques sont proches de celles de l'eau si celle-ci est le constituant principal mais sans crainte de cristallisation. En cas de fonctionnement en pompe à chaleur, on préfère les mélanges dont le point de cristallisation est inférieur à -5 C, température couramment observée à l'évaporateur lorsque l'air ambiant est à une température proche de 0 C. Ceci est un avantage décisif par rapport aux systèmes à absorption utilisant le couple eau-bromure de lithium dans lequel le fluide de travail est l'eau pure, ce qui limite à 0 C la température la plus basse de fonctionnement de l'évaporateur. Un autre avantage est la simplicité mécanique de l'éjecteur qui permet une compression du fluide de travail sans organe mécanique mobile tel que celui utilisé dans les pompes à chaleur classiques à compresseur à membrane, à piston ou à vis. Le compresseur est souvent la cause d'une moindre fiabilité de l'ensemble et nécessite de plus une lubrification adaptée qui peut perturber les équilibres des fluides de travail. Un autre avantage est la réduction des irréversibilités thermodynamiques du système par l'emploi du type de fluide de travail proposé. Un tel type de fluide présente la particularité de passer de l'état liquide à l'état vapeur (et inversement) avec variation de température lorsque la pression reste sensiblement constante. De ce fait il est possible de réaliser un échange thermique à contre courant entre les fluides, limitant l'écart thermique entre ces fluides. Ces avantages se trouvent réunis dans le présent procédé. Les figures 1 à 7 décrivent divers modes de réalisation de l'invention. Un premier mode de réalisation, illustré par la Figure 1, est décrit ci-après. Le fluide de travail F constitué d'un mélange non-azéotropique d'eau et d'un produit soluble dans l'eau sort par la conduite 1 du condenseur à l'état liquide à la température TC et la pression PC. Une fraction F1 du fluide F est conduite par la canalisation 2 à l'organe de détente D qui abaisse la pression du fluide Fi à PE. Un début de vaporisation peut éventuellemnt se produire dans la conduite 3. Le fluide F1 est vaporisé dans l'évaporateur EV par apport thermique d'un fluide externe entrant par la conduite 10 et sortant par la conduite 11. Une circulation à contre-courant du fluide interne F1 et du fluide externe est préférable pour augmenter les performances énergétiques du cycle. Cependant l'évaporation du fluide de travail F1 peut être réalisée également dans un évaporateur d'un autre type, par exemple un évaporateur à air à courants de fluides croisés. Le fluide F1, constitué au moins en majeure partie d'une phase vapeur, sort par la conduite 5 dite d'aspiration de l'éjecteur E. Selon le principe connu de fonctionnement de l'éjecteur le fluide F1 introduit par le conduit 5 est aspiré par le fluide F2 à haute pression de la canalisation 9, mélangé à celui-ci et ressort par le conduit 6 à une pression intermédiaire entre celles régnant dans les conduites 9 et 5 respectivement. Il y a un effet de compression du fluide F1 introduit par la conduite 5, le travail de compression provenant de la détente du fluide F2 introduit par la conduite 9. Le mélange résultant (conduite 6) est à une pression PC supérieure àPE. Dans la conduite 6, le fluide F, dont le débit massique et la composition globale sont les mêmes que celles du fluide F issu du condenseur C, est au moins en majeure partie en phase vapeur. Par échange thermique avec un fluide externe circulant entre les conduits 12 et 13, les chaleurs introduites dans le système à l'évaporateur EV et au bouilleur B sont cédées au fluide externe par la condensation et le refroidissement du fluide de travail. Ce fluide de travail F étant composé d'un mélange non-azéotropique de fluides, la condensation n'est pas isotherme et une circulation à contre-courant est préférable lors de l'échange thermique avec le fluide externe. Le cycle est complété par la circulation dans le conduit 7 et la pompe P d'une fraction F2 du fluide F, issue de la canalisation 1. Ce fluide F2, à l'état liquide, est porté dans le bouilleur B à une pression PB supérieure à PC et à une température élevée TB qui permet la transformation du fluide F2 en une phase gazeuse amenée par le conduit 9 à l'éjecteur. Un autre mode de -réalisation (illustré figure 2) est caractérisé par l'adjonction d'un échangeur El. L'échange thermique dans cet échangeur, entre le fluide F1 sortant du condenseur et le même fluide F1 sortant de l'évaporateur EV par la conduite 4 permet de refroidir le liquide qui est soumis à la détente par échange thermique avec le fluide gazeux et/ou liquide issu de l'évaporateur. Un tel échange permet d'abaisser la pression après détente sans crainte d'un début exagéré de vaporisation, ce qui améliore les performances du système pour une surface d'échangeur donnée. Un autre avantage est de pouvoir utiliser un fluide de travail dont la température de rosée (correspondant à la fin de la vaporisation de ce fluide) est à une température supérieure à celle maximum disponible à l'évaporateur mais inférieure à celle de fin de condensation. Un autre mode de réalisation (illustré par la figure 3) est caractérisé par l'adjonction d'un réservoir R entre les canalisations 4 et 5. Un tel réservoir permet la séparation des phases vapeur et liquide issues de l'évaporateur EV dont la température et la pression sont le plus souvent telles que le fluide de travail ne peut être entièrement vaporisé. La phase liquide recueillie dans le réservoir R thermiquement isolé est, selon les lois de la thermodynamique, en équilibre de température et de pression avec les conditions de sortie d'évaporateur. Cela signifie en particulier que la phase liquide est enrichie en constituant le moins volatil du mélange non- azéotropique formant le fluide de travail. La température du bouilleur nécessaire à la vaporisation du fluide moteur F2 est plus élevée, permettant ainsi l'accroissement du rendement thermodynamique du système. Dans ce mode de réalisation la conduite 1 est confondue avec la conduite 2 et la conduite 7 relie le fond du ballon R à la pompe P. La composition des phases vapeur et liquide issues du réservoir R dépend de la composition du fluide de travail présent dans l'appareil ainsi que des conditions opératoires: température, pression et volumes internes. Un autre mode de réalisation (illustré par la figure 4, qui s'apparente à la figure 3) est caractérisé par l'adjonction simultanée d'un réservoir R en sortie de l'évaporateur (assurant la séparation des phase liquide et vapeur) et d'un échangeur E1 sur la ligne 1 pour le transfert thermique entre le liquide chaud issu du condenseur et la vapeur froide issue du réservoir R. Un autre mode de réalisation (illustré par la figure 5 qui s'apparente à la figure 3) est caractérisé par l'adjonction simultanée du réservoir R en sortie d'évaporateur et de l'échangeur E1 permettant le transfert thermique entre le liquide issu du condenseur et la phase liquide froide issue du réservoir R et portée à haute pression par la pompe P. Un autre mode de réalisation (illustré par la figure 6) est caractérisé par l'adjonction d'un réservoir R en sortie du condenseur. Le liquide présent dans cette réserve est soumis au respect des conditions thermodynamiques de ce point ainsi qu'aux contraintes de composition giobale de remplissage du système et de conditions de pression, température et volumes internes. Le liquide rejoint les lignes 2 et 7 par la ligne 14. Ces différents modes de réalisation peuvent être combinés pour aboutir à de nouveaux modes de réalisation adaptés aux conditions opératoires. La figure 7 illustre le principe d'un mode de réalisation caractérisé par l'adjonction d'un réservoir R1 en sortie de l'évaporateur, d'un réservoir R2 en sortie du condenseur et d'un -échangeur E1 pour le sousrefroidissement- du condensat issu du condenseur. Un tel mode de réalisation permet en particulier une auto- adaptation du système aux contraintes opératoires variables en puissance et en niveau de température. Les compositions des phases liquides et gazeuses dans les deux réservoirs R1 et -R2 sont en effet liées aux conditions de température, pression et volume internes ainsi qu'au respect des masses des constituants initialement introduits dans le système. EXEMPLE (Figure 1) Le fluide de travail F est constitué d'un mélange d'eau et de méthanol dont les proportions molaires respectives sont 0,8 et 0,2. En sortie de condenseur la température est de 50 C, le débit de fluide 20,82 kg/h et la pression 0,270 bar absolu. Une fraction, soit 8,33 kg/h, est acheminée via le détendeur à l'entrée de l'évaporateur. La pression à ce point du cycle est de 0,011 bar, la température de -3,1 C. Une fraction du fluide (1,14 kg/h) est déjà vaporisée par la détente. L'évaporation complète du fluide obtenue à une température de 5 C nécessite alors un apport thermique de 4,5 kW. L'autre fraction du fluide issu du condenseur, soit 12,49 kg/h, est portée à 10 bars par la pompe. A la température de 172 oC tout le fluide est en phase vapeur; l'apport thermique au bouilleur est de 7,6 kW. La chaleur récupérable au condenseur est de 12,1 kW. Le coefficient de performance défini comme la chaleur récupérée (12,1 kW) sur la chaleur introduite au bouilleur est de 1,59. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production de froid et/ou de chaleur mettant en oeuvre un fluide de travail (F), caractérisé en ce que: a) on soumet un fluide de travail (F) à l'état au moins partiellement gazeux à une étape de condensation sous une pression (PC) en transmettant la chaleur de condensation du fluide (F) à un fluide extérieur, ledit fluide (F) comprenant un mélange non- azéotropique de 5-95 % en fraction molaire d'un premier constituant et de 95-5 % en fraction molaire d'un second constituant miscible en phase liquide au premier constituant, les constituants dudit mélange étant capables de s'évaporer et de ne pas cristalliser dans les conditions du procédé, b) on fournit de la chaleur à une fraction (F1) de la phase liquide de condensation du fluide (F) obtenue à l'étape (a) sous une pression plus basse que celle (PC) de l'étape (a), de manière à obtenir la fraction (F1) au moins en partie en phase vapeur, c) on fournit de la chaleur à une autre fraction (F2) de la phase liquide de condensation du fluide (F) obtenue à l'étape (a) sous une pression (PB) plus élevée que celle (PC) de l'étape (a), de manière à obtenir la fraction (F2) au moins en partie en phase vapeur et d) on soumet la phase vapeur du fluide (F2) issue de l'étape (c) à une détente dans des moyens d'éjection et on entraîne par cette détente la phase vapeur du fluide (F1) issue de l'étape (b), de manière à mélanger ces deux phases vapeur et à reconstituer le fluide (F) à l'état au moins partiellement gazeux, à la pression (PC) de l'étape (a). 2 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel la phase liquide de condensation du fluide (F), obtenue à l'étape (a), est divisée 11' en deux fractions liquides (F1) et (F2) de même composition, la première fraction (F1) est seule soumise à l'étape (b) et la seconde fraction (F2) est seule soumise à l'étape (c). - 3 - Procédé selon la revendication 2, dans lequel, dans une étape supplémentaire (e), on soumet la fraction liquide (F1), avant sa vaporisation de l'étape (b), à un échange thermique avec la même fraction ayant subi ladite vaporisation. 4 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel on soumet à l'étape (b) l'ensemble des fractions liquides (F1) et (F2), en contr8lant la vaporisation sous la pression (PE) de manière à ne vaporiser qu'une partie dudit ensemble, en sépare la fraction vapeur résultante (F1) de la fraction non-vaporisée (F2), on soumet la fraction (F2) à l'étape (c) sous la pression (PB) et on envoie la fraction (F2) vaporisée résultante et la fraction vapeur (Fl) à l'étape (d) respectivement comme phase vapeur d'entraînement et phase vapeur entraînée. 5 - Procédé selon la revendication 4, dans lequel la fraction non- vaporisée (F2), avant d'être soumise à l'étape (c), est mise en contact d'échange thermique avec la phase liquide de condensation du fluide (F). 6 - Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la fraction vapeur (F1), avant d'être envoyée aux moyens d'éjection, est mise en contact d'échange thermique avec la phase liquide de condensation du fluide (F). 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, eomportant des moyens de mise en réserve d'une partie de la phase liquide de condensation du fluide (F). 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel le fluide de travail (F) est constitué d'un mélange non- azéotropique contenant au moins 80-95% (en fraction molaire) d'eau et 20% d'au moins un composé soluble dans l'eau dont le point d'ébulli- tion normale est compris entre 100 C et - 50 C. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le fluide de travail (F) est constitué d'un mélange d'eau et d'au moins un aleool. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le fluide de travail (F) est constitué d'un mélange d'eau et d'ammoniac. 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le fluide de travail (F) est constitué d'un mélange d'eau et d'au moins une cétone.