Brevet FR2679632A1 — publié le 19930129

La présente invention concerne une installation pour produire du froid mettant en oeuvre une réaction entre un solide et un gaz (ou fluide). L'installation connue met en oeuvre par exemple une réaction entre un sel tel que du MnCl2 et un gaz tel que de l'ammoniac (NH3) , comme décrit par exemple dans le brevet français 2 615 601. Cette installation comprend un ou plusieurs réacteurs renfermant le solide qui sont reliés à un évaporateur et un condenseur par des tubulures dans lesquelles circule le gaz. L'intérêt de ce type d'installation réside dans le fait que la source de chaleur nécessaire à son fonctionnement peut être fournie par de l'énergie thermique7 contrairement aux installations frigorifiques classiques à compresseur. Dans les installations connues, la chaleur est transmise de la source d'énergie vers les réacteurs au moyen de pompes à huile ou à eau. Ces pompes associées à chaque réacteur consomment de l'énergie, augmentent le coût de réalisation et de fonctionnement de l'installation et accroissent l'encombrement de celle-ci. L'invention peut s'appliquer également aux installations de production de froid mettant en oeuvre une adsorption entre un solide tel qu'un zéolithe et un fluide tel que de l'eau. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des installations frigorifiques connues, notamment en apportant des améliorations aux moyens mis en oeuvre pour chauffer les réacteurs. L'invention vise ainsi une installation pour produire du froid mettant en oeuvre un solide et un fluide, comprenant au moins une enceinte renfermant le solide et reliée à un évaporateur et un condenseur par des tubulures dans lesquelles circule le fluide, une source d'énergie extérieure étant prévue pour chauffer 1 ' enceinte. Suivant l'invention, cette installation est caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'échange thermique disposés à l'intérieur ou à l'extérieur de l'enceinte qui communiquent par des tubulures avec un réservoir rempli d'un fluide caloporteur qui est chauffé par ladite source d'énergie extérieure. L'enceinte est constituée par un réacteur dans le cas d'une installation mettant en oeuvre la réaction entre un solide et un fluide. La source d'énergie utilisée pour chauffer le fluide contenu dans le réservoir peut être quelconque. Elle peut notamment être constituée par un échangeur de chaleur récupérant la chaleur de l'échappement du moteur thermique du véhicule comportant une installation frigorifique selon l'invention. Selon une version préférée de l'invention, le fluide caloporteur est chauffé de façon à former un équilibre entre les phases liquide et vapeur, la circulation du fluide dans les moyens d'échange thermique se faisant par thermosiphon avec changement d'état. L'équilibre des phases vapeur et liquide du fluide chauffé par la source d'énergie extérieure, permet de bénéficier de la chaleur latente de vaporisation de ce fluide, ce qui assure à la fois une bonne homogénéité de la température de chauffage au sein du réacteur et des flux thermiques élevés. Le fluide utilisé peut être de liteau portée à environ 2000C sous une pression égale à environ 15.105 Pascals. Le dispositif selon l'invention pour chauffer le réacteur, ne nécessite aucune pompe, puisque le fluide circule entre le réservoir et le réacteur par thermosiphonage avec changement d'état. Par ailleurs, un réservoir unique associé à une source d'énergie unique suffit pour chauffer plusieurs réacteurs reliés au réservoir par des tubulures équipées de vannes. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ciaprès. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est le schéma d'une première version d'une installation frigorifique, - la figure 2 est le schéma d'une deuxième version d'une installation frigorifique, - la figure 3 est le schéma d'une troisième version d'une installation frigorifique, - la figure 4 est le schéma d'une installation frigorifique à trois réacteurs, - la figure 5 est le schéma d'une autre installation frigorifique à trois réacteurs. Dans la réalisation de la figure 1, l'installation pour produire du froid mettant en oeuvre une réaction entre un solide et un gaz, comprend un réacteur R renfermant le solide S et relié à un évaporateur E et un condenseur C par des tubulures 100, 200 dans lesquelles circule le fluide G. Les moyens pour assurer le refroidissement du réacteur R comprennent une enveloppe 300 entourant la paroi 400 du réacteur R et définissant avec celle-ci une enceinte 500 remplie d'un fluide frigorigène reliée par des tubulures 600, 700 à un condenseur 900 qui est en condition d'échange thermique avec un ventilateur 110. Un ventilateur 110 est également associé à l'évaporateur E et au condenseur C. L'enceinte 500 constitue ainsi un évaporateur. Le condenseur 900 est relié à l'enceinte 500 par une première tubulure 600 communiquant avec la partie inférieure de l'enceinte 500 et munie d'une vanne 111, une seconde tubulure 700 étant reliée à la partie supérieure de l'enceinte 500. Dans l'exemple de la figure 1, le condenseur 900 relié à l'enceinte 500 est distinct du condenseur C qui est relié au réacteur R et à l'évaporateur E. L'enceinte 500 et le condenseur 900 remplacent ainsi les ailettes de refroidissement des réacteurs connus. Par rapport au mode de refroidissement à ailettes, la réalisation de la figure 1 présente les avantages suivants : - inertie thermique plus faible, - diminution des pertes thermiques, - possibilité de refroidir plusieurs réacteurs au moyen d'un échangeur-condenseur unique, - réduction de l'encombrement de l'installation, - possibilité d'évacuer la chaleur n'importe où, - isolation thermique du réacteur, - réduction du coût et du bruit de fonctionnement. Dans la version représentée sur la figure 2, le fluide frigorigène G qui circule dans l'enceinte 500 est le même que celui utilisé pour la mise en oeuvre dans le réacteur R de la réaction solide/gaz. Dans cet exemple, l'enceinte 500 du réacteur R est reliée par une tubulure 120 au réservoir 130 de stockage dudit fluide G situé entre l'évaporateur E et le condenseur C1. Cette tubulure 120 est munie d'une vanne 140 et communique avec la partie inférieure de l'enceinte 500. Dans l'exemple de la figure 2, l'installation ne comporte qu'un seul condenseur C1. L'enceinte 500 de refroidissement du réacteur R est reliée à un condenseur Ci par une tubulure 150 qui communique avec la partie supérieure de cette enceinte. Le condenseur unique Ci a un pouvoir d'échange thermique supérieur à celui (condenseur C de la figure 1) utilisé lorsque le refroidissement du réacteur R est assuré au moyen d'un condenseur distinct. Dans l'exemple de la figure 2, le fluide frigorigène utilisé pour refroidir le réacteur R est de l'ammoniac. Par rapport à la réalisation de la figure 1, celle représentée sur la figure 2 présente les avantages suivants - réduction du coût, du fait du remplacement de deux condenseurs associés à deux ventilateurs par un condenseur et un ventilateur uniques, - réduction de l'encombrement, - plus grande facilité de gestion du fait de l'utilisation d'un seul fluide frigorigène. Dans la réalisation représentée à la figure 3, l'installation comprend une source d'énergie extérieure 160 pour chauffer le réacteur R. Dans cet exemple, le réacteur R comporte des ailettes 170 de refroidissement auxquelles est associé un ventilateur 18. A l'intérieur du réacteur R sont prévus des moyens d'échange thermique 19 qui communiquent par des tubulures 200, 210 avec un réservoir 220 rempli d'un fluide caloporteur 230 qui est chauffé par la source d'énergie extérieure 160. Dans cet exemple, les moyens d'échange thermique 190 sont constitués par une tubulure 190a formant un serpentin à l'intérieur du réacteur R. Le fluide caloporteur 230 est chauffé de façon à former un équilibre entre les phases liquide et vapeur, la circulation du fluide dans les moyens d'échange thermique 190 se faisant par thermosiphon avec changement d'état. De préférence, le fluide est de l'eau portée à environ 2000C sous une pression égale à environ 15.105 Pascals. Lorsque l'installation est prévue sur un véhicule à moteur thermique, la source d'énergie 160 peut être fournie par récupération de chaleur sur l'échappement du moteur thermique. Cette source d'énergie peut cependant être constituée par un brûleur à gaz ou fioul, par une résistance électrique ou par un capteur solaire Les avantages de l'installation représentée sur la figure 3 sont les suivants : - suppression des pompes pour faire circuler le fluide entre la source d'énergie extérieure et le réacteur, - réduction de l'encombrement, - diminution du coût de fonctionnement, - grande homogénéité de température au sein du réacteur, - excellent échange thermique. Bien entendu, dans le cas de la réalisation selon la figure 3, les ailettes du réacteur peuvent être remplacées par un échangeur évaporateur Identique à celui représenté sur les figures 1 et 2. Dans la réalisation de la figure 4, l'installation frigorifique comporte trois réacteurs solide/gaz R1, R2, R3 renfermant chacun un sel St, S2 , S3 tel que du chlorure de manganèse. Chaque réacteur comporte une entrée/sortie de gaz ammoniac 21, 22 , 23. Le fonctionnement de l'installation comporte les trois phases suivantes : - Phase 1 : Le réacteur Ri reçoit de l'énergie thermique par l'échangeur 31 qui entoure le réacteur. Cette énergie thermique provient de la source de chauffage 31. Celle-ci fait entrer en ébullition un liquide (de l'eau par exemple) contenu dans un réservoir sous pression 29. La vapeur d'eau formée passe par la tuyauterie 28 et se dirige vers le collecteur 12. Cette vapeur à une température de l'ordre de 1800C pénètre par la tuyauterie 27 dans l'échangeur 3z du réacteur Rî, où elle se condense en chauffant le réacteur.L'eau condensée passe ensuite à la sortie de l'échangeur par la vanne magnétique 61 qui se trouve en position ouverte et se dirige gravitairement vers le collecteur 14 qui renvoie l'eau dans le réservoir 29 par la tuyauterie 30 pour former un nouveau cycle. Pendant cette phase de chauffage du réacteur R1, la vanne magnétique 71 est ouverte permettant la désorption du réacteur R1 en ammoniac. Le gaz ammoniac se dirige vers le condenseur 16 par l'intermédiaire du collecteur 11 et de la tuyauterie 15. Là, le gaz se condense sous l'effet du refroidissement de l'air extérieur, à l'aide du ventilateur 17. Le liquide formé est envoyé dans la réserve 19 par la tuyauterie 18. Le réacteur R2 en phase d'absorption, la vanne magnétique 82 est ouverte, ce qui crée une aspiration d'ammoniac à la basse température de l'évaporateur 22 vers l'entrée 22 du réacteur R2. L'évaporateur 22 est alimenté en ammoniac liquide par l'intermédiaire d'un dispositif d'expansion 21. La vanne 25 est une vanne de régulation permettant de contrôler la température d'évaporation dans l'évaporateur 22 et par suite la production du froid. La phase d'absorption de l'ammoniac par le sel dans le réacteur R2 est exothermique, ce qui nécessite d'évacuer la chaleur produite par l'intermédiaire de l'échangeur 42 du réacteur, la vanne magnétique 52 étant alors en position ouverte. L'échangeur 42 est alimenté en partie basse par du liquide ammoniac provenant gravitairement de la bouteille 19 grâce à la tuyauterie 26 et le collecteur 13. Le liquide se vaporise dans l'échangeur 42 et la vapeur formée est récupérée à la sortie de l'échangeur par la tuyauterie 93 qui la dirige vers le condenseur 16 par l'intermédiaire du collecteur 11 et de la tuyauterie 15. Dans le condenseur 16, l'ammoniac gazeux se condense grâce au refroidissement de l'air extérieur qui y circule à l'aide du ventilateur 17. Le liquide formé retourne dans le réservoir 19 pour former un nouveau cycle. Le réacteur R3 est en phase de refroidissement. La vanne Sa est ouverte et l'échangeur 43 reçoit de l'ammoniac liquide provenant du réservoir 19. Le liquide s'y vaporise refroidissant ainsi le réacteur de 1800C jusqu'à la température de condensation du condenseur 16. La vapeur passe par la tuyauterie 93 et se dirige donc dans le condenseur 16 par l'intermédiaire du collecteur 11 et de la tuyauterie 15. - Phase 2 : Le réacteur R1 est en phase de refroidissement. Le réacteur R2 est en phase de chauffage. Le réacteur R3 est en phase d'absorption. - Phase 3 : Le réacteur RI est en phase d'absorption. Le réacteur R2 est en phase de chauffage. Le réacteur R3 est en phase de refroidissement. Au cours des phases 2 et 3, les vannes respectives des réacteurs sont ouvertes comme déjà indiqué dans la phase 1. L'énergie thermique reçue par l'échangeur 31 peut être apportée soit par un brûleur à gaz ou à fioul ou par toute autre source de chaleur à température suffisante. Dans la variante représentée sur la figure 5, le circuit de refroidissement des réacteurs R1, R2, R3 est indépendant du circuit frigorifique. L'installation comporte dans ce cas un second condenseur 42. Les tuyauteries 91, 92, 93 de sortie des échangeurs 4t, 42, 43 sont reliées à un collecteur 40 qui est relié à la partie haute du condenseur 42 par la tuyauterie 41. Le liquide formé dans le condenseur 42 se déverse dans un autre réservoir 44 par la tuyauterie 43. La tuyauterie 26 est dans ce cas, raccordée à ce réservoir 44 et permet l'alimentation en liquide des échangeurs évaporateurs 41, 42 , 43 par le collecteur 13 et les vannes magnétiques 51, 52 , 53. Dans une variante également représentée sur la figure 5, la source d'énergie thermique provient d'un échangeur de récupération de chaleur 46 alimenté en 49 par un fluide chaud, tel que des gaz d'échappement d'un moteur thermique. Après refroidissement dans l'échangeur 48, ce fluide ressort de l'échangeur par le rejet 50. La surface d'échange est représentée par 47. La chaleur a pour effet de vaporiser le liquide provenant gravitairement du réservoir 29 dans l'échangeur 46 par l'intermédiaire de la vanne magnétique d'admission 55 et la tuyauterie 45. La vapeur formée dans l'échangeur 46 retourne en partie haute du réservoir 29 par l'intermédiaire de la tuyauterie 48. Les tuyauteries 45 et 48 reliant le réservoir 29 à l'échangeur 46 peuvent être éguipées de raccords automatiques 51, 52, 53, 54 afin de faciliter l'installation du système. L'échangeur 46 peut également être un capteur solaire. Selon une autre variante de l'invention, les vannes 51, 52 r 53 r ... 1 6., 62 , 63 et 55 peuvent être remplacées par des thermo-émulseurs interdisant lors de leur fonctionnement le retour du liquide vers l'évaporateur correspondant. L'invention n'est pas limitée bien sûr à la production de froid, elle peut également être appliquée à la production de chaleur par pompe à chaleur chimique. L'invention est applicable notamment au refroidissement des camions frigorifiques, à la climatisation de tous types de véhicules automobiles, au chauffage, à la production d'eau chaude. Par ailleurs, les condenseurs, au lieu d'être refroidis par de l'air peuvent l'être par un circuit de refroidissement à eau. D'autre part, l'invention s'applique également à la production de froid par adsorption entre un solide et un fluide. REVENDICATIONS 1. Installation pour produire du froid mettant en oeuvre un solide (S) et un fluide (G), comprenant au moins une enceinte (R) renfermant le solide et reliée à un évaporateur (E) et un condenseur (C) par des tubulures (100, 200) dans lesquelles circule le fluide (G), une source d'énergie extérieure (160) étant prévue pour chauffer l'enceinte, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'échange thermique (190) disposés à l'intérieur ou à l'extérieur de l'enceinte (R) qui communiquent par des tubulures (200, 210) avec un réservoir (220) rempli d'un fluide caloporteur (230) qui est chauffé par ladite source d'énergie extérieure (160). 2. Installation conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que l'enceinte (R) est un réacteur. 3. Installation conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens d'échange thermique sont constitués par une tubulure formant un serpentin (190a) à l'intérieur du réacteur. 4. Installation conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le fluide caloporteur (".30) est chauffé de façon à former un équilibre entre les phases liquide et valeur, la circulation du fluide dans les moyens d'échange thermique (190) se faisant par thermosiphon avec changement d'état. 5. Installation conforme à la revendication 4, caractérisée en ce que I fluide (230) est de l'eau portée à environ 2000C sous une pression égale à environ 15.105 Pascals. 6. Installation informe à l'une des revendications 1 à 5, cette installation étant prévue sur un véhicule à moteur thermique, caractérisée en ce qu la source d'énergie (160) est fournie par récupération de chaleur sur l'échappement du moteur thermique. 7. Installation conforme à l'une des revendications 2 à 6, comprenant plusieurs réacteurs (R1, R2, R3), caractérisée en ce que le réservoir (220) rempli de fluide caloporteur (230) est unique et est relié aux différents réacteurs (Rl, R2 r R3) par des tubulures et des vannes permettant de sélectionner le réacteur à chauffer. 8. Installation conforme à l'une des revendications 2 à 7, comprenant en outre des moyens pour assurer le refroidissement du ou des réacteurs, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent une enveloppe (300) entourant la paroi (400) du réacteur (R) et définissant avec celle-cl une enceinte (500) remplie d'un fluide frigorigène reliée par des tubulures à un condenseur (900, C,) qui est en condition d'échange thermique avec un ventilateur (110). 9. Installation conforme à la revendication 8, caractérisée en ce que ledit condenseur (900) est relié à l'enceinte (500) par une première tubulure (600) communiquant avec la partie inférieure de l'enceinte et munie d'une vanne (111), une seconde tubulure (700) étant reliée à la partie supérieure de l'enceinte (500). 10. Installation conforme à l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que ledit condenseur (900) relié à l'enceinte est distinct du condenseur (C) qui est relié au réacteur (R) et à i évaporateur (E). 11. Installation conforme à i'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que ledit fluide frigorigène (G) est le même que celui utilisé pour la mise en oeuvre dans le réacteur de la réaction solide/gaz. 12. Installation conforme à la revendication 11, caractérisée en ce que l'enceinte (500) du réacteur (R) est reliée par une tubulure (120) au réservoir de stockage dudit fluide (G) situé entre l'évaporateur (E) et le condenseur (C), cette tubulure (120) étant munie d'une vanne (140) et communiquant avec la partie inférieure de l'enceinte (500). 13. Installation conforme à l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle ne comporte qu'un seul condenseur (Cl), l'enceinte (500) de refroidissement du réacteur étant reliée à ce condenseur par une tubulure (150) qui communique avec la partie supérieure de cette enceinte. 14. Installation conforme à la revendication 13, caractérisée en ce que ledit condenseur (C1) a un pouvoir d'échange thermique supérieur à celui (C) utilisé lorsque le refroidissement du réacteur est assuré au moyen d'un condenseur distinct. 15. Installation conforme à l'une des revendications 12 à 14, caractérisée en ce que ledit fluide frigorigène (G) est de l'ammoniac.