Brevet FR2590356A1 — publié le 19870522

DISPOSITIF POUR LA PRODUCTION EN CONTINU DE CHAUD ET DE FRDID La présente invention concerne un dispositif pour la production en con- tinu de chaud et de froid à partir d'une source chaude. Généralement, pour produire en même temps du chaud et du froid, on uti- lise des pompes à chaleur électriques. Cette solution est inadaptée lors- que l'on veut utiliser d'autres sources d'énergie. Les systèmes à sorption permettent aussi de produire de façon simultanée du chaud et du froid. Ainsi le brevet FR - 2 465 970 décrit un procédé de réfrigération par adsorbants solides qui fait appel à deux cuves conte- nant chacune un même adsorbant solide et fonctionnant alternativement en adsorption, puis en désorption. Les niveaux de température qui peuvent être fournis par le système sont fonction de l'adsorbant solide choisi et ont une incidence sur le coefficient de performance du dispositif. Dans ce cas, les problèmes essentiels à - résoudre sont d'une part l'adaptation des niveaux de température fournis par le système à la demande de l'uti- lisateur et, d'autre part, l'obtention de rendements suffisamment élevés. Le but de l'invention est de résoudre ces deux problèmes grâce à un cycle thermodynamique mettant en oeuvre des réacteurs en cascade utilisant chacun un couple adsorbant solide-fluide frigorigène et à une utilisation optimisée de la chaleur échangée entre les réacteurs proprement dits et de la chaleur échangée entre les réacteurs et les sources extérieures de chaleur. Cette optimisation est obtenue en adaptant les températures de fonction- nement (températures de condensation, d'évaporation et d'adsorption) pour chacun des couples. Le dispositif selon l'invention présente de nombreux degrés de liberté et permet donc une adaptation aux conditions de fonc- tionnement plus aisée que dans le cas de pompes à chaleur mises en série. Dans le cas présenté ici, l'optimisation sera obtenue en prélevant la chaleur utilisable non seulement au niveau des condenseurs, mais aussi au niveau des réacteurs dans leurs phases de refroidissement; c'est grâce à ce procédé que l'on peut obtenir des températures d'utilisation relative- ment élevées. La présente invention a donc pour objet un dispositif pour la production en continu de chaud et de froid camprenant en combinaison une source de chaleur extérieure, au moins un premier et un deuxième ensembles qui fonctionnent à l'aide de couples adsorbant solide-fluide frigorigène différents et qui comportent chacun au moins deux réacteurs renfermant le même adsorbant solide, un condenseur et un évaporateur, les réacteurs du premier ensemble étant reliés alternativement à la source de chaleur extérieure et la chaleur récupérée du premier ensemble servant à chauffer alternativement les réacteurs du deuxième ensemble. La présente invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui suit à laquelle cinq planches de dessin sont annexées à titre d'exemple. La Figure 1 représente de façon schématique un dispositif conforme à la présente invention et la Figure 2 représente de façon détaillée un exem- ple de réalisation d'un tel dispositif. 3 2590356 Les Figures 3,4 et 5 illustrent les trois étapes d'un cycle de fonction- nement relativement au premier ensemble de réacteurs d'un tel dispositif. Sur les différentes Figures, les mêmes éléments seront désignés par les mêmes références numériques et toutes les vannes mentionnées dans la description qui suit et sur les dessins sont des vannes trois voies. Un dispositif conforme à la présente invention va maintenant être décrit en référence à la Figure 1. L'invention n'est pas limitée à ce disposi- tif, le nombre d'ensembles de réacteurs peut notamment être modifié, mais il ne peut être inférieur à 2 de façon à ce que le dispositif comporte au moins deux ensembles fonctionnant avec des couples adsorbant solide- fluide frigorigène différents. Une source de chaleur 10 que l'on dénommera ultérieurement chaudière pouvant être alimentée par différentes sources d'énergie pour des raisons économiques, par exemple gaz et/ou électricité,est couplée par un circuit à un premier ensemble I comprenant au moins deux réacteurs, un évaporateur et un condenseur, et fonctionnant à l'aide d'un premier couple adsorbant solide-fluide frigorigène. Cet ensemble 1 est couplé par un circuit 8 à un deuxième ensemble 2 comprenant au moins deux réacteurs, un évaporateur et un condenseur, et fonctionnant à l'aide d'un deuxième couple adsorbant solide-fluide frigorigène, différent du premier, et par un circuit 9 et une vanne V17 à un dispositif de stockage de chaleur 4. Si un autre dispositif de stockage de chaleur 3 est prévu, l'ensemble 1 y est couplé d'une part par un circuit 17, le dispositif de stockage 3 constituant alors la source chaude de l'ensemble 2 auquel il est couplé par un circuit 29, et, d'autre part, éventuellement par le circuit 9 et la vanne V17. Si le dispositif de stockage 3 n'est pas prévu, l'ensemble 1 est directe- ment couplé à l'ensemble 2 par les circuits 17 et 29 qui sont alors réu- nis pour amener la chaleur délivrée par l'ensemble 1 à l'ensemble 2. L'ensemble 2 est couplé au dispositif de stockage 4 par un circuit 27. La chaleur produite par le dispositif est prélevée sur le dispositif de stockage de chaleur 4 par un circuit d'utilisation 6, le froid étant prélevé sur l'évaporateur de l'ensemble 2 par un circuit 7. Bien évidemment, un automate de régulation 30 commande le fonctionnement du dispositif. Un dispositif selon l'invention, tel que représenté Figure 1, va mainte- nant être décrit de façon plus détaillée en référence à la Figure 2, qui illustre un exemple de réalisation de l'invention. L'invention n'est pas limitée à cet exemple, le nombre de réacteurs de chaque ensemble pouvant notamment être modifié, étant entendu qu'il ne peut être inférieur à 2 de façon à ce que les réacteurs puissent fonctionner alternativement. Dans cet exemple de réalisation, on a prévu le dispositif de stockage de chaleur 3 de façon à décrire le dispositif dans sa forme la plus cam- plète, mais il est évident pour l'Hcmme de l'Art que ce système de stoc- kage n'est pas indispensable pour le fonctionnement du dispositif. Il faut tout d'abord rappeler qu'un intérêt essentiel du dispositif selon l'invention est qu'il peut être adapté pour fournir les niveaux de tempée- rature correspondant aux besoins définis par l'utilisateur. Dans ce but, on peut, tout en conservant la structure générale du dispo- sitif tel que représenté Figure 1, adapter le nombre de réacteurs dans chaque ensemble, choisir les couples adsorbant solide-fluide frigorigène utilisés dans les ensembles 1 et 2 de façon appropriée et enfin choisir les points d'utilisation en fonction des différents niveaux de tempéra- ture souhaités. 2590356 De façon générale, le froid est produit au niveau des évaporateurs et le chaud au niveau des condenseurs et des réacteurs. L'exemple de réalisation illustré Figure 2 est conçu pour fournir du froid à -10 C et du chaud à 70 C. Pour atteindre ce but, le couple adsorbant solide-fluide frigorigène du premier ensemble est le couple zéolithe-eau et celui du second ensemble est le couple charbon actif-méthanol. La chaudière 10 chauffe un fluide caloporteur par exemple une huile qui circule dans le circuit 5 à une température de 300 C environ. Les références 11 et 12 désignent deux réacteurs contenant de la zéolithe et o circulent alternativement le fluide caloporteur dans le circuit 5 qui couple respectivement chaque réacteur 11, 12 à la chaudière 10 par l'intermédiaire de deux vannes Vll et V12, et, un autre fluide calopor- teur dans un circuit 17 qui couple respectivement chaque réacteur 11, 12 au dispositif de stockage de chaleur 3 par l'intermédiaire de deux vannes Vi5 et V16. Chaque réacteur 11, 12 est relié respectivement à un condenseur 13 par l'intermédiaire d'un circuit 15 et d'une vanne V13 et à un évaporateur 14 par l'intermédiaire d'un circuit 16 et d'une vanne V14. Le condenseur 13 est relié à l'évaporateur 14 par le circuit 18. Dans les circuits 15, 16 et 18 circule l'eau associée à la zéolithe. L'ensemble 2 comprend ici les mêmes éléments que l'ensemble 1, les réfé- rences 21 à 28 et V21 à V26 désignant des éléments correspondants à ceux désignés par les références 11 à 18 et Vll à V16. Les réacteurs 21 et 22 de l'ensemble 2 contiennent comme indiqué précé- demment du charbon actif, et dans les circuits 25, 26 et 28 circule le méthanol associé au charbon actif. Le dispositif de stockage 4 joue pour l'ensemble 2 un rôle identique à celui du dispositif de stockage 3 pour l'ensemble 1, le circuit 29 et le dispositif de stockage 3 jouent pour l'ensemble 2 un râle identique à celui de la chaudière 10 et du circuit 5. La chaleur recueillie par le condenseur 13 est transférée, par le circuit 9 et la vanne V17, respectivement au dispositif de stockage 3 et au dispositif de stockage 4. De préférence, un circuit 8 permet de transférer pendant certaines phases le froid recueilli dans l'évaporateur 14 au condenseur 23. La chaleur produite chauffe l'eau dans le dispositif de stockage 4 d'o elle est prélevée grâce au circuit d'utilisation 6; le froid est prélevé au niveau de l'évaporateur 24 grâce au circuit 7. La commutation des vannes Vll à V17 et V21 à V26 est ccmmandée par un autcmate de régulation 30 dont les connections ne sont pas représentées. On va à présent décrire ccmment sont gérés à l'intérieur du dispositif la chaleur et le froid. Pour cela, le fonctionnement de l'ensemble 1 va tout d'abord être décrit, en référence aux Figures 3 à 5; il comprend trois étapes. Etape 1: Réacteur l en désorption et réacteur i2 en adsorption (Figure 3) Le fluide caloporteur circulant dans le circuit fermé 5 est chauffé dans la chaudière 10, traverse le réacteur 11, puis arrive à la vanne V12 et de là retourne dans la chaudière 10. Le circuit de chauffage 5 est repré- senté en traits pleins larges. Le passage du fluide caloporteur échauffe la zéolithe qui rejette par désorption de la vapeur d'eau. La vapeur d'eau atteint le condenseur 13 en passant par le circuit 15 et la vanne V13, et s'y condense. La conden- sation étant une réaction exothermique, le fluide circulant dans le cir- cuit 9 est chauffé lors de son passage dans le condenseur 13. L'eau con- densée atteint, par le circuit 18, l'évaporateur 14 o elle se vaporise. L'évaporation étant une réaction endothermique, le fluide circulant dans le circuit 8 est refroidi lors de son passage dans l'évaporateur 14. La vapeur d'eau atteint alors le réacteur 12 par le circuit 16 et la vanne V 14 et est alors adsorbée par la zéolithe contenue dans ce réac- teur. Le circuit du fluide frigorigène associé à la zéolithe, qui est de l'eau, est représenté en traits pointillés larges. L'adsorption étant une réaction exothermique, le fluide circulant dans le circuit 17 et traversant le réacteur 12 par l'intermédiaire des vannes V15 et V16, est chauffé lors de son passage dans ce réacteur. Le circuit de récupération de chaleur est représenté en traits pointillés fins. Lorsque la zéolithe contenue dans le réacteur 11 est presque entièrement désorbée, on ccmmute les vannes VUl à V16 pour accomplir la deuxième étape, dont l'intérêt a été mis en évidence dans le brevet FR - 2 465 970, et ceci pour arrêter la phase d'adsorption quand son rendement est trop faible. En effet, l'inversion brusque du cycle provoque des pertes de chaleur qui entrainent une diminution du coefficient de performance. C'est pourquoi il est préconisé, dans le brevet précité, de passer par une étape inter- médiaire qui va maintenant être décrite. a Etape 2: Etape intermédiaire (Figure 4) Les vannes V 15 et V 16 sont ccoeutées de façon à ce que le fluide circu- lant dans le circuit 17 traverse les deux réacteurs 11 et 12. Le circuit de ce fluide est représenté en traits pointillés. Le passage du fluide permet de transférer vers le réacteur 12 une partie de la chaleur sensible provenant du refroidissement du réacteur 11, et également une partie de la chaleur latente d'adsorption. Ainsi, le réacteur 12 est d'abord chauffé, avec une désorption partielle, sans apport d'énergie extérieure, ce qui augmente le coefficient de per- formane du dispositif. Lorsque la temçérature de la zéolithe dans le réacteur 12 est à peu près égale à celle de la zéolithe contenue dans le réacteur 11, on commute les vannes V 11 à V 16 pour inverser le cycle par rapport à la première étape et accolir la troisième étape. Etape 3: Réacteur 1! en asorption et réacteur 12 en désorption (Figure 5) Le fluide calcorteur circule dans le circuit 5 de la chaudière 10 jus- qu'à la vanne VIl, traverse le réacteur 12, arrive à la vanne V12 et retourne à la chaudière 10. Le circuit de chauffage 5 est représenté en traits pleins larges. Le fluide frigorigène part du réacteur 12, atteint le coÉlenseur 13 en passant par la vanne V13 et le circuit 15, puis pénètre dans l'évapora- teur 14 par le circuit 18 et est renvyé dans le réacteur 1i en passant par la vanne V14 et le circuit 16. Le circuit du fluide frigorigène est représenté en traits pointillés larges. 9 2590356 Le fluide récupérateur de chaleur circulant dans le circuit 17 traverse le réacteur 11 en passant par les vannes V15 et V16. Le circuit de récupération de chaleur est représenté en traits pointillés fins. Le fluide circulant dans le circuit 9 est chauffé lors de son passage dans le condenseur 13 et le fluide circulant dans le circuit 8 est refroidi lors de son passage dans l'évaporateur 14. Le fonctionnement est identique à celui de la première étape. Il ressort de la description du fonctionnement de l'ensemble 1 qu'à par- tir de la chaleur fournie par la chaudière 10, par l'intermédiaire du fluide caloporteur dont la température est d'environ 300 C: - de la chaleur est produite: alternativement au niveau des réacteurs 11 et 12, chaleur qui est transférée au dispositif de stockage 3 par l'intermédiaire du fluide circulant dans le circuit 17 et dont la température est comprise entre 170 C et 1200C environ. au niveau du condenseur 13, chaleur qui est transférée, par l'inter- médiaire du fluide circulant dans le circuit 9, d'une part, au dispo- sitif de stockage 3 lorsque la température du fluide est supérieure à C et, d'autre part, au dispositif de stockage 4 lorsque la tempé- rature du fluide est comprise entre 120 C et 70 C environ. - du froid est produit au niveau de l'évaporateur 14, froid qui est transféré au condenseur 23 de l'ensemble 2 de façon à le refroidir, par l'intermédiaire du fluide circulant dans le circuit 8 et dont la temperature est comprise entre 20 et 40 C environ. Le fornctionnement du second ensemble 2 est identique à celui de l'ensem- ble 1, le dispositif de stockage 3 joue un rôle identique à celui de la chaudière 10 mais chauffe le fluide caloporteur circulant dans le circuit 29, dont la structure est identique à celle du circuit 5, à une tempéra- ture de l'ordre de 120 C qui est suffisante pour assurer la désorption du charbon actif sans être trop élevée pour éviter la décomposition par- tielle du méthanol. Le dispositif du stockage 4 qui joue un rôle identique au dispositif de stockage 3, permet de chauffer l'eau disponible au niveau du circuit d'u- tilisation 6 à une temperature de 70 C environ. Enfin, l'évaporateur 24 fournit au niveau du circuit 7 un fluide à une température de - 10 C environ. Bien que seuls certains modes de réalisation aient été décrits, il est évident que toute modification apportée par l'Homme de l'Art, dans le même esprit, ne sortirait pas du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la production en continu de chaud et de froid, carac- térisé en ce qu'il comprend en combinaison une source de chaleur exté- rieure (10), au moins un premier et un deuxième ensembles (1,2) qui fonc- tionnent chacun à l'aide de couples adsorbant solide-fluide frigorigène différents et qui comnportent chacun au moins deux réacteurs (11,12; 21, 22) renfermant le même adsorbant solide, un condenseur (13,23) et un évaporateur (14,24); les réacteurs du premier ensemble (I) étant reliés en alternat à la source de chaleur extérieure (10) et la chaleur récupé- rée du premier ensemble (1) servant à chauffer alternativement les réac- teurs du deuxième ensemble (2). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le froid récu- péré au niveau d'au moins un évaporateur (14) du premier ensemble (1) est transmis à au moins un condenseur (23) du deuxième ensemble (2). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il ccam- prend un premier circuit (17) traversant les réacteurs du premier ensem- ble (1) de façon à récupérer la chaleur fournie lors des phases d'adsorp- tion en liaison avec un deuxième circuit (29) traversant les réacteurs du deuxième ensemble (2) de façon à les chauffer alternativement. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et deuxième circuits (17,29) sont réunis. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de stockage de chaleur (3) disposé entre ledit premier circuit (17) et ledit deuxième circuit (29). 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de stockage de chaleur (4) relié à un troisième circuit (27) traversant les réacteurs du deuxième ensemble (2) de façon à récupérer l'énergie fournie lors des phases d'adsorption, la chaleur délivrée par 12 2590356 le dispositif étant fournie au niveau d'un circuit d'utilisation (6) connecté audit dispositif de stockage (4). 7 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le froid déli- vré par le dispositif est fourni au niveau d'un circuit d'utilisation (7) connecté à au moins un évaporateur (24) du deuxième ensemble (2).