Brevet FR2602317A1 — publié le 19880205

La présente invention concerne un bouilleur à caloduc pour un appareil à absorption et notamment pour un réfrigérateur ménager à absorption-diffusion. Les appareils frigorifiques à absorption comportent un bouilleur chauffé dans lequel uri fluide frigorigène est chassé par vaporisation, ce fluide se liquéfiant ensuite dans un condenseur, se vaporisant dans un évaporateur pour produire le froid recherché et étant réabsorbé dans la solution appauvrie dans un absorbeur, avant d'être retourné au bouilleur. La chaleur est fournie au bouilleur par urie source thermique qui peut être urie flamme, une résistance électrique, uri circuit de vapeur ou encore un capteur solaire. Grâce à l'apport thermique qu'il reçoit le bouilleur remplit deux fonctions à savoir urie fonction thermodynamique et une fonction hydraulique. Sa fonction thermodynamique est de réaliser l'épui- sement de la solution riche en frigorigène lequel est constitué le plus souvent par de l'ammoniac, Il absorbant étant il eau. L'ébullition, dar,s le bouilleur, du mélange eau am moriiac produit, d'une part, urie quantité dé terminée de vapeur de frigorigène (ammoniac) et d'autre part une solution "épuisée" ou solution pauvre. L'ébullition du mélange n'est pas isotherme et dans le cas d'un mélange eau-ammoniac l'écart de température peut être supérieur à 50 C entre le mélange entrant dans le bouilleur au point de bu 1 le et la solution pauvre sortant du bouilleur. Par ailleurs la fonction de remontée hydraulique du bouilleur est liée à la particularité des machiries à absorp tien -diffusion comportant un gaz "neutre". Ce gaz permet un fonctionnement à pressiorl totale constante, mis à part les faibles écarts de pression liés aux hauteurs géométriques. Ainsi la hauteur géométrique qui permet à la solution pauvre de retourner à l'absorbeur c'est-à-dire la différence eritre le niveau d'alimentation inférieur de la solution riche et le rliveau supérieur de retour de la solution pauvre d a ris le bouilleur, est de l'ordre de quelques dizaines de centim- ètres. La faiblesse de l'écart de pression dû à cette hauteur fait que il cri peut remoriter le liquide er, provoquant sori ébullition partielle à la partie inférieure d'un tube aux dimensions bien dé finies, les bulles de vapeur formées assuratit l'entraînement hydraulique. Un tel tube ou "pompe à bulles", appelé encore "tube de pompe", , figure dans le bouilleur décrit dans le brevet- FR-A-2 447 524. On connaît par ailleurs des bouilleurs dans lesquels le transfert de chaleur est réalisé au moye d'un caloduc s' étendant entre une source thermique et le bouilleur. Toutefois dans ces solutions connues le caloduc utilisé est associé à utie seule source thermique constituée par un capteur scolaire, ainsi qu' il est décrit dans les brevets rR-A-2535034 et DE-A-2851867. Dards le générateur de chaleur décrit dans le brevet FR-A-2535034 l'évaporateur du caloduc constitue l'absorbeur du capteur solaire tandis que son condenseur est et relation d'échange thermique avec un accumulateur thermique lui-même couplé au bouilleur.De ce fait, avec une telle réalisation, le bouilleur re peut être chauf- fé que par l'énergie solaire. Dans le générateur de chaleur décrit dans le brevet DE-A-2851867 le caloduc s'étend verti calmement entre un capteur solaire supérieur et l'intérieur du bouilleur.Un tel appareil n'est pas totalement satisfai satit du fait que le caloduc fonctionne à contre-gravité, c'est-à-dire que son évaporateur et son condenseur sont situés respectivement et partie-haute et et partie basse, et qu' il est nécessaire de démonter le caloduc lorsqu' or, désire utiliser urie autre source thermique notamment la flamme d'un gaz. La présente invention vise à remédier aux inconvénients de tous ces appareils connus en procurant uri bouilleur à caloduc de conception particulièrement simple et dans lequel le transfert de chaleur s'effectue au moyen d'un dispositif permettant son utilisation avec une source thermique deun type quelconque qui peut être constituée par une flamme,une résistance électrique, un circuit de vapeur etc... A cet effet ce bouilleur à caloduc pour urie machine à absorption, notammer,t pour un réfrigérateur à absorptior,diffusion, dans lequel la partie extrême inférieure du calo duc format, t évaporateur est chauffée par urie source de chaleur tandis que sa partie extrême supérieure formant cetide ti- seur est et contact d'échange thermique avec le fluide frigorigène contenu daris le bouilleur, est caractérisé et ce qu'il comprend au moitis ut tube de pompe vertical alimenté à sa partie inférieure, en solution riche en frigorigène et la partie extrême supérieure formant condenseur du caloduc est er, contact d'échange thermique sur tout ou partie de ce tube de pompe vertical formant pompe à bulles. Le bouilleur à caloduc offre l'avantage qu'il peut être réalisé suivant plusieurs géométries spécifiques qui assurent une grande précision de la répartition thermique et dorit ut, des résultats est d1 ajuster de manière optimale l'é- puisemerit de la solution de fluide frigorigène et la remon- tée hydraulique du liquide. Grâce à l'agencement particulier du caloduc et aux géométries appropriées on peut ob tenir une même qualité de transfert thermique quelle que soit la source thermique extérieure utilisée telle qu'un brûleur à gaz, ut brûleur à pétrole ou urie résistance électrique. Par ailleurs la précision qu'apporte le transfert thermique par caloduc et le fait que ce transfert thermique soit régulièrement réparti le long du tube de pompe permet de réaliser des bouilleurs dans lesquels la récupératior, de la chaleur de rectificatiorl peu t être rendue optimale. Et effet or sait que pour améliorer le rendement des appareils à absorption-diffusion on peut employer utile solutiorl délicate à mettre en oeuvre qui est constituée par la récupéra tio de tout ou partie de la chaleur de rectification. Cette récupération suppose la création d'un échange thermique entre la vapeur sortarite et le liquide entrant, soit par coritact direct, soit le long de parois. Les écarts d1etithal- pies entre la vapeur sortar,t du bouilleur et la solution riche qui y retitre sourit tels que la solution se met à bouillir. Lorsque le transfert entre la source thermique externe et la solution n'est pas assez précisément localisé, les perturbations induites sur le fonctionnement du tube de pompe ou "pompe à bulles" peuvent malheureusement aboutir à l'arrêt du retour de la solution pauvre vers l'absorbeur. L'emploi d'un caloduc suivant l'invention permet au contrai r e de résoudre au mieux ce problème. Eri outre il permet d'obtenir un fonctionnement plus souple des appareils à absorption lors des variatioris de température dues aux changements des conditions climatiques extérieures. Il permet également, par l'emploi de plusieurs tubes de pompe associés à ut, même caloduc, d'augmenter la puissance de l'appareil dans utile proportion significative. Dans le cas des appareils utilisant urie source thermique à flamme, il est possible de conformer Ie caloduc de telle façon que le brûleur puisse être vu de l'extérieur de l'appareil. Pour les appareils à pétrole ou à gaz le cor- trôle visuel de la flamme du brûleur permet ainsi d'effectuer à temps les entretiens normaux de la mêche ou du brûleur et la mise à vue de la flamme permet aussi d'éviter que les utilisateurs ne fasser,t foructior,ner ces appareils dans des conditions inadaptées. Le caloduc utilisé dans le bouilleur suivant l'ir- Invention assure égal amant utie sécurité en cas de surchauffe. Sa conception permet d'éviter l'un des incidents graves de fonctionnement des réfrigérateurs à absorption-diffusion actuellement commercialisés et qui est appelé cristallisation. Et, effet les solutions les plus employées, c' est-à-di- re celles d'eau et d'ammoniac, sont légèrement corrosives pour les aciers qui sont utilisés erl général pour la cores- truction des appareils. Les fabricants ajoutent dolic et général ut agent passivant, le plus souvent uri di ch rom a te. Lorsque, pour une raiso quelconque, la circulation du liquide rie se fait plus dans le bouilleur, la charge thermique restant constante, le niveau de température monte considérablement. Si ce mauvais fonctionnement se maintient plusieurs heures, voire plusieurs jours, le liquide situé dans la zone de chauffe ne comporte rapidemer,t plus d'ammoniac mais aussi voit sa concentration augmenter en dichromate. Cet épaississement de la solution peut aboutir au bouchage du tube de pompe. Ce bouchage est souvent irréversible car le coût de l'opération de remise en état de l'appareil est supérieur à son coût de fabrication et ainsi le réfrigéra teur devient irrécupérable. Au contraire l'utilisation d'un caloduc suivant l'invention, en tant que moyen de transfert thermique intermédiaire, permet de lui faire supporter essentiellement les contraintes de ce mauvais fonctionnement. Le taux de remplissage du caloduc est choisi, pour uria puissance maximale dotirîéa, de telle façon qu'un dépassement de cette puissance entraîne automatiquement ut dépassement de la limite d'assèchement de la partie formant évaporateur du caloduc. Le caloduc est construit comme ut, limiter de flux, par assèchement de l'extrémité évaporatrice, et dans le cas extrême la destruction du seul caloduc permet d'avoir à changer uniquement cet élément amovible et non de ré former 11 appareil dar,s sot, ensemble. Ori décrira ci-après,à titre d1 exemples non limitatifs, diverses formes d' exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue et, coupe verticale schémati que d'un bouilleur à caloduc suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe verticale d'un variarite d'exécution d' uti bouilleur à caloduc. La figure 3 est une vue en coupe horizontale faite suivait la lige III-III de la figure 2. Les figures 4 et 5 sont des vues et coupe verticale d'autres variarites d'exécution du bouilleur à caloduc suivant l'invention. La figure 6 est une vue et, élévation de la partie inférieure dur, appareil comportant ut bouilleur chauffé par une flamme apparente. Le bouilleur à caloduc suivant 1' itiveritior qui est désigné dans son ensemble par la référence 1 sur la figure 1, comprend ue enceinte tubulaire verticale 2 au centre de laquel s'étend verticalement un tube de pompe axial 3.Ce tube de pompe 3 est relié, à sot, extrémité inférieure, à ut conduit 4 venant d'un absorbeur 5 et par lequel arrive au bouilleur 1 utie solution 6 riche eri frigorigène (ammoniac) Le volume compris entre l'enceinte tubulaire externe 2 du bouilleur et le tube de pompe axial 3 est fermé, à son extrématé inférieure, par Ut fond 7 et il continent utia solu tiori pauvre 8 qui est retournée par une canalisation 9, à l'absorbeur pour être mélangé à la vapeur de frigorigène provenant de l'évaporateur 11, afin de reconstituer une solution riche 6. La solution riche s'élève jusqu'à ut, certain niveau d'alimentation inférieur A dans le tube de pompe 3 tandis que le niveau de retour B de la solution pauvre contenue dans l'enceinte 2 est supérieur, la hauteur h antre les deux niveaux B et A étant de l'ordre de quelques dizaines de centimétres et permettant à la solution pauvre 8 de retour er à l'absorbeur 5. Pour l'apport de chaleur à l'intérieur du bouilleur 1 il est prévu, suivant l'invention, un caloduc 12 dot, t la partie extrême inférieure 12a, formant l'évaporateur, est engagée à l'intérieur d'une hotte de chauffage 13. Dans cette hotte est logé ut, brûleur 14 alimenté et, gaz ou en pétrole et dont la flamme 15 se trouve à proximité immédiate de l'évaporateur 12a, afin de chauffer celui-ci. Or, peut égal amant utiliser ue résistance électrique logée dans la hotte 13, adaptée à cet effet, à la place du brûleur 14. Suivarlt une variante la partie extrême inférieure 12a formant l'évaporateur du caloduc peut être elle-même conformée pour constituer la hotte 13 qui est chauffée. La partie extrême inférieure 12e constituant l'évaporateur s'étend verticalement et elle est prolongée vers le haut par une partie intermédiaire 12b, inclinée en direction de l'enceinte 2 du bouilleur et pénétrant à l'intérieur de celle-ci -à travers ut, trou approprié ménagé à cet effet dans la paroi. A l'intérieur du bouilleur 1 la partie iritermé- diaire inclinée 12b du caloduc 12 se prolonge par une partie extrême supérieure verticale 12c format condenseur. Cette partie format condenseur 12c est et, contact intime avec le tube de pompe, eti particulier à sa base, et elle s'étend sur une grande longueur, sensiblement entre les deux niveaux A et B. Par conséquent la chaleur qui est transmise par le caloduc 12, quelle que soit la source thermique utilisée, est transmise par conduction, par le condenseur 12c, au tube de pompe 3 avec lequel il est en relation d'échange thermique. Il provoque, dans ce tube 3, un effet de "pompe à bulles" provoqué par la vaporisation du frigorigène qui entraîne avec lui l'absorbant liquide (eau) qui retombe pour former la solution pauvre 8.Cette disposition permet d' op- timiser, en jouant sur le rapport des surfaces du condenseur 12c du caloduc 12 et du tube de pompe 3, d'une part le flux thermique nécessaire à la remontée hydraulique à 1 ' intérieur du tube de pompe 3 et d'autre part le flux thermique qui permet l'épuisement le plus complet de la solution du fluide frigorigèrie, pour donner la solution pauvre 8 retournant à l'absorbaur 5. Dans la variante d'exécution représentée sur les figuras 2 et 3 la partie formant condenseur 12c du caloduc 12 est logée dans Ut manchon 16 qui l'entoure complétement à l'intérieur de l'enceinte 2. Ce manchon s'étend longitudinalemerit et il est accolé au tube de pompe 3, en étant ari relation d'échange thermique avec celui-ci. Des ailettes 17, contribuant au transfert de chaleur, peuvent être éverituel- lemerit prévues autour du manchon 16 et du tube de pompe 3 accolés. On voit également sur la figure 2 que le hotte 13 data laquelle est disposé le brûleur 14, peut être prolori gé e par urie cheminée 13a qui peut être éverituellemerit mise et coritact avec l'enceinte 2 du bouilleur Dans la variante d'exécution représentée sur la figura 4, les fonctions d'épuisement de la solution pauvre 8 et de remontée hydraulique de la solution riche 6 sont séparées y compris géométriquement, ce qui autorise des niveaux de températures différents entre les deux transferts thermiques.A cet effet le bouilleur comprend deux caloducs à savoir, outre le cal duc 12 dont la partie formarit corideriseur 12c s'étend seule axialement à l'intérieur de l'enceinte 2, un second caloduc 18 qui est situé en totalité à l'exté rieur de l'enceinte 2 du bouilleur 1. Ce second cal duc 18 comprend une partie extrême inférieure 18a formant évaporateur, proche de la flamme 15 du brûleur 14, à l'intérieur de la hotte 13, utie partie iritermédiaire inclinée 18b et une partie supérieure lac de grande hauteur, s'étendant vertica J amatit et formant condenseur. Cette partie formant conde t,- seur 18c est en contact intime avec un tube de pompe 19 qui s'étend verticalement à l'extérieur de l'enceinte 2 et qui débouche dans celle-ci à ses deux extrémités. La partie inférieure de l'enceinte 2 est fermée par un fond transversal 21 situé uti peu au-dessus de il orifice inférieur du tube de pompe 19 et à ce fond 21 est raccordée la canalisation 9 par laquelle s'écoule la solution pauvre 8.L'orifice supérieur du tube de pompe externe 19 se trouve à Ut niveau ut peu supérieur à l'extrémité supérieure de la partie formant condenseur 12c du caloduc 12 Un bouilleur à cal duc conforme à la figure 4 cor,- vient tout particulièrement à ut, fonctionnement même dans les conditions extrêmes des pays tropicaux, du fait que grâce à la présence des deux caloduca 12 et 18 il peut fonctionner avec des températures nettement différentes pour les fonctiorws d'épuisement et de remontée hydraulique. L'augmentatior, de puissance des bouilleurs des réfrigérateurs à absorption-diffusiorl permet à la fois de lever certains obstacles liés à la baisse des performances lorsque la température du milieu extérieur s'élève, mais aussi de concevoir des machines plus grosses. Comme il a été indiqué précédemment, le régime d'ébullitior, et la géométrie doivent être bien définies pour que le phénoméne de "pompe à bulles" puisse fonctionner de manière stable. Pour des cor,ditions fixées de pression, de titre et de température, les caractéristiques géométriques optimales des tubes de pompe 3 sont elles aussi fixées.Lorsque l'ensemble de ces condi ticria est déterminé, la puissance thermique maximale l'est aussi. Pour lever cet assujettissement, tout er, maintenant les paramètres optimaux d'ébullition, l'une des possibilités est de créer un bouilleur muni de plusieurs "pompes à bulles" et, parallèle, airisi qu' il est représenté sur le figure 5. Dans cette forme d'exécution la partie extrême supérieure 12c format condenseur du caloduc 12, qui s'étend axial amatit à l'intérieur de l'enceinte 2, se trouve prise entre plusieurs tubes de pompe 3 s'étendant longitudinalement et mis et, cor, tac t d'échange thermique avec ce condenseur 12c. Cette disposition permet d'augmenter le débit à tra-vars le bouilleur tout en maintenant les mêmes conditions hydrauliques. Ceci est rendu possible grâce aux caractéristiques particu- lières du transfert de chaleur par le caloduc 12 à savoir une température homogène le long de ce tube caloduc et une réalisation de géométrie adaptée pour obtenir un fonctionne- matit identique des tubes de pompe 3 et, parallèle. Pour les appareils dans lesquels l'évaporateur 12e du caloduc 12 est chauffé par une flamme, il est particulié- remet, t avantageux que la forme du caloduc 12 soit telle que le foyer puisse être vu de l'avant de l'appareil comme il est représenté sur la figure 6. Sur cette figure on peut voir, à la partie inférieure de la face antérieure de l'appareil, une partie de la hotte 13 e dessous de laquelle se trouve le brûleur 14 assurent le chauffage de il évaporateur du caloduc non représenté. Ainsi pour les appareils à pétro- le ou à gaz le cotîtrôle visuel de la flamme permet d'effectuer à temps les entretiens normaux de la mêche ou du brûleur. REVENDICATIONS 1.- Bouilleur à caloduc pour ut, appareil à absorption, notamment pour un réfrigérateur à absorption-diffusion, dans lequel la partie extrême inférieure du caloduc format t évaporateur est chauffée par une source de chaleur tandis que sa partie extrême supérieure formant t condenseur est an contact d'échange thermique avec le fluide frigorigène contenu dans 1 e bouilleur, caractérisé en ce qu'il comprend au moitis ut, tube de pompe vertical (3) alimenté, à sa partie inférieure, en solution riche en frigorigène et la partie extrême supérieure formant condenseur (12c) du caloduc (12) est en contact d'échange thermique sur t tout ou partie de ce tube de pompe vertical (3) former, t pompe à bulles. 2.- Bouilleur à cal duc suivent la revendication 1 caractérisé en ce que la partie extrême supérieure forment condenseur (12c) du caloduc (12) est et, contact direct avec le ou les tubas de pompe verticaux (3). 3.- Bouilleur à cal duc suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la partie extrême supérieure format, t condenseur (12c) du caloduc (12) est logée dans un manchot, (16) l'entourant complètement et qui est lui-même e contact d'échange thermique avec le ou les tubes de pompe verticaux (3). 4.- Bouilleur à caloduc suivant la revendication 3 caractérisé en ce que des ailettes (17) sont prévues autour du manchon (16) et du tube de pompe (3) accolés. 5.-Bouilleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend plu- sieurs tubes de pompe verticaux (3) e contact avec la partie extrême format condenseur (12c) du caloduc (12) et répartis autour de celle-ci. 6.- Bouilleur à, caloduc suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend deux celoducs à savoir ur, premier caloduc (12) dot la partie extrême supérieure formant cor,der,seur (12c) s'étend saule à l'intérieur de l'enceinte (2) du bouilleur, pour assurer la fonction d'épuisement de la solution de frigori gène, et ut second caloduc (18) dont la partie extrême supé ri aura formant condenseur 18c est. eri contact avec uri tube de pompe (19) s'étendent verticalement à l'extérieur de l'en- ceinte (2) du bouilleur 1, débouchent dans celui-ci, à ses extrémités, par deux orifices inférieur et supérieur, ce tube de pompe (19) étant alimenté en solution riche par seri orifice inférieur. 7.-Bouilleur à caloduc suivent l' une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie extrême inférieure format évaporateur (12a) du caloduc (12) ou de chaque caloduc est engagée dans ou constitue une hotte de chauffage ( 13) conçue pour recevoir ut, brûleur à gaz ou à pétrole (14) ou une résistance électrique. 8.-Bouilleur à caloduc suivant la revendication 7 caractérisé en ce que la hotte (13) est prolongée vers le haut par une cheminée(13a) pouvant être mise en contact avec l'enceinte (2) du bouilleur (1). 9.-Bouilleur à caloduc suivent J' une quelconque des rever,dications 7 et 8 caractérisé et ce que la hotte de chauffage (13) est montée sur l'appareil de telle façon que sa flamme (15) soit visible de l'avant. 10.- Bouilleur à caloduc suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé et, ce que le taux de remplissage du caloduc est choisi, pour une puissan- ce maximale donnée, de telle façon qu'un dépassement de cette puissance entraîne automatiquement ut, dépassement de la limite d' assèchement de la partie formant évaporateur du caloduc.