Brevet FR2679633A1 — publié le 19930129

La présente invention concerne une installation pour produire du froid mettant en oeuvre 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 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 thermique, contrairement aux installations frigorifiques classiques à compresseur. Les installations à réaction solide/gaz du type précité comportent des réacteurs à ailettes coopérant avec des ventilateurs pour les refroidir. Ce mode de refroidissement présente notamment les inconvénients suivants - il augmente inertie thermique du réacteur ainsi que les pertes thermiques lors de la phase de chauffage des réacteurs, - il augmente l'encombrement de l'installation, notamment du fait que chaque réacteur doit être associé à un ventilateur, - il ne permet pas d'obtenir une installation compacte pouvant être disposée n'importe où, du fait de la présence des ventilateurs 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 ci-dessus. L'invention vise ainsi une installation pour produire du froid mettant en oeuvre un solide et un gaz, comprenant au moins une enceinte renfermant le solide et reliée à un évaporateur et un condenseur par des tubulures dans lesquelles circule le gaz, des moyens étant prévus pour assurer le refroidissement de 1 'enceinte. Suivant l'invention, lesdits moyens comprennent un échangeur en condition d'échange thermique avec le solide contenu dans l'enceinte, cet échangeur étant rempli d'un fluide frigorigène et étant relié par des tubulures à un condenseur qui est refroidi. Selon une version préférée, l'installation est caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent une enveloppe entourant la paroi du réacteur et définissant avec celle-ci une enceinte remplie d'un fluide frigorifique et reliée par des tubulures à un condenseur qui est en condition d'échange thermique avec un ventilateur ou un circuit de refroidissement à eau. Le refroidissement du réacteur est ainsi assuré par le fluide frigorigène qui circule dans l'enceinte entourant le réacteur ou dans un échangeur interne, ce fluide étant lui-même refroidi dans le condenseur. L'installation selon l'invention présente ainsi les avantages suivants L'inertie thermique du réacteur est beaucoup plus faible que dans les réacteurs à ailettes refroidis par un ventilateur Lors de la phase de chauffage du réacteur, les pertes thermiques sont diminuées. Un échangeur condenseur unique peut refroidir plusieurs réacteurs, ce qui permet de réduire l'encombrement de l'installation. De plus, l'évacuation de la chaleur peut être localisée n'importe où, ce qui facilite l'implantation de l'installation, par exemple dans un véhicule routier. L'enveloppe définissant une enceinte autour du réacteur assure une isolation thermique qui, outre la réduction des pertes thermiques, évite qu'en cas de très basse température extérieure, le sel contenu dans le réacteur ne se trouve à une température insuffisante par rapport à l'équilibre thermique. Par ailleurs, la suppression des ventilateurs associés à chaque réacteur, réduit les dépenses d'énergie ainsi que le bruit de fonctionnement. Selon une version avantageuse de l'invention, ledit condenseur est relié à l'enceinte par une première tubulure communiquant avec la partie inférieure de l'enceinte et munie d'une vanne, une seconde tubulure étant reliée à la partie supérieure de l'enceinte. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, ledit condenseur relié à l'enceinte est distinct du condenseur qui est relié au réacteur et à 1 'évaporateur. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, ledit fluide frigorigène est le même que celui utilisé pour la mise en oeuvre dans le réacteur de la réaction solide/gaz. Ce fluide peut être l'ammoniac, lorsqu'il s'agit d'une réaction entre un sel tel que le MnCl2 et NH2. Dans ce mode de réalisation, l'installation ne comporte qu'un seul condenseur, l'enceinte de refroidissement du réacteur étant reliée à ce condenseur par une tubulure qui communique avec la partie supérieure de cette enceinte. Ainsi, le condenseur utilisé pour refroidir le ou les réacteurs est le même que celui qui est normalement déjà prévu dans l'installation. Il suffit que ce condenseur soit surdimensionné. La version ci-dessus de l'installation est ainsi de conception très simple. De plus, elle ne comporte qu'un seul fluide à savoir l'ammoniac, ce qui facilite les remplissages. De plus, l'ammoniac présente l'avantage de présenter une forte chaleur latente de vaporisation et ne présente aucun risque de gel ou de décomposition dans une très large gamme de températures. 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 selon l'invention, - la figure 2 est le schéma d'une deuxième version d'une installation frigorifique selon l'invention, - 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 un 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 ou, - 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 Ci 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 C1 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. 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 RI, R2, R3 renfermant chacun un sel SI, 82 , S3 tel que du chlorure de manganèse. Chaque réacteur comporte une entrée/sortie de gaz ammoniac 21, 22, 2s. Le fonctionnement de l'installation comporte les trois phases suivantes - Phase 1 : Le réacteur R1 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 31 du réacteur RI, 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 RI, 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 53 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 RI 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 R1 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, 9s de sortie des échangeurs 41, 42, 4s 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 a 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 équipées 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 , 53, ..., 61, 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 relié à un évaporateur (E) et un condenseur (C) par des tubulures (100, 200) dans lesquelles circule le fluide (G), des moyens étant prévus pour assurer le refroidissement de l'enceinte, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un échangeur (300) en condition d'échange thermique avec le solide (S) contenu dans l'enceinte (R), cet échangeur (300) étant rempli d'un fluide frigorigène et étant relié par des tubulures à un condenseur (900, C) qui est refroidi. 2. Installation conforme à la revendication 1, mettant en oeuvre une réaction entre un solide (S) et un gaz (G), caractérisée en ce que l'enceinte est un réacteur (R), l'échangeur (300) étant constitué par une enveloppe (300) entourant la paroi (400) du réacteur (R) et définissant avec celle-ci une enceinte (500) remplie d'un fluide frigorigène et reliée par des tubulures à un condenseur (900, C) qui est en condition d'échange thermique avec un ventilateur (110), 3. Installation conforme à la revendication 2, 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). 4. Installation conforme à l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que ledit condenseur (900) relié à l'enceinte (500) est distinct du condenseur (C) qui est relié au réacteur (R) et à l'évaporateur (E). 5. Installation conforme à l'une des revendications 2 ou 3, 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. 6. Installation conforme à la revendication 5, caractérisée en ce que 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 (Ci), cette tubulure (120) étant munie d'une vanne (140) et communiquant avec la partie inférieure de l'enceinte (500). 7. Installation conforme à l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce qu'elle ne comporte qu'un seul condenseur (Ci), l'enceinte (500) de refroidissement du réacteur (R) étant reliée à ce condenseur (C1) par une tubulure (150) qui communique avec la partie supérieure de cette enceinte. 8. Installation conforme à la revendication 7, 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. 9. Installation conforme à l'une des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que ledit fluide frigorigène (G) est de l'ammoniac. 10. Installation conforme à l'une des revendications 2 à 9, comprenant une source d'énergie extérieure (160) pour chauffer le réacteur (R), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'échange thermique (190) disposés à l'intérieur du réacteur (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). 11. Installation conforme à la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits moyens d'échange thermique sont constitués par une tubulure formant un serpentin (190a) à l'intérieur du réacteur (R). 12. Installation conforme à l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce que 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. 13. Installation conforme à la revendication 12, caractérisée en ce que le fluide (230) est de l'eau portée à environ 2000C sous une pression égale à environ 15.105 Pascals. 14. Installation conforme à l'une des revendications 10 à 13, cette installation étant prévue sur un véhicule à moteur thermique, caractérisée en ce que la source d'énergie (160) est fournie par récupération de chaleur sur l'échappement du moteur thermique. 15. Installation conforme à l'une des revendications 10 à 14, comprenant plusieurs réacteurs (Ri , R2 r R3) r caractérisée en ce que le réservoir (220) rempli de fluide caloporteur (230) est unique et est relié au différents réacteurs (Ri , R2 , R3) par des tubulures et des vannes permettant de sélectionner le réacteur à chauffer. 16. Installation conforme à l'une des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que lesdites tubulures (200, 210) sont équipées de thermo-émulseurs.