Brevet FR2693542A1 — publié le 19940114

L'invention a pour objet un réacteur de machine frigorifique chimique ou à adsorption solide/gaz. On connaît déjà des installations de pompes à chaleur chimiques solide/gaz faisant appel aux phénomènes d'adsorption ou d'absorption. L'intérêt de ces machines à fonctionnement alternatif est l'utilisation d'énergie thermique comme source énergétique et l'absence de compresseur pour assurer la production de froid. Ces machines présentent cependant un certain nombre d 'inconvénients tels que la faible densité énergétique la difficulté de gestion et la pression très réduite pour les systemes zéolithe/eau et charbon actif/méthanol. Pour palier à ces inconvénients , des systèmes réactionnels sels/ammoniacs ont été développés.De telles installations ne sont pas toutefois entièrement satisfaisantes , car elles nécessitent dans le réacteur de dispositifs de transfert thermique à grande surface d'échange constitués généralement d'un faisceau tubulaire de chauffage pour la régénération, et d'un faisceau tubulaire de refroidissement pour l'évacuation de la chaleur de réaction.De telles installations ne sont pas satisfaisantes car la masse totale des échangeurs est importante, ce qui conduit à des pertes d'énergie dues à l'inertie thermique, donc à des rendements de régénération très faibles,ainsi qu'à une durée de préchauffage élevée. C'est d'une manière générale, un but de l'invention de fournir une installation qui ne présente pas les inconvénients rappelés ci-dessus, des installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir une installation dont les transferts de chaleur dans le réacteur s'effectuent au moyen d'un échangeur compact situé directement au coeur du réactif. C'est aussi un but de l'invention de fournir une installation dont le couple échangeur / réactif n'est pas en contact thermique avec l'enveloppe extérieure du réacteur. C'est encore un but de l'invention de fournir une installation dont le rendement thermique de régénération peut atteindre 80X alors que les réacteurs classiques ne possèdent qu'un rendement compris entre 25% et 80%. Le réacteur selon l'invention d'une installation de production de chaleur (ou de froid) par machine frigorifique chimique (ou à adsorption}, est caractérisé en ce que le ou les échangeurs internes au réacteur sont constitués d'une ou de plusieurs plaques à circuits intégrés dans lequel circule alternativement le fluide de chauffage et le fluide de refroidissement. Le ou les fluides de transfert seront de préférence à changement de phase liquide/vapeur mais peuvent également être liquide(s). La ou les plaques seront réalisées en aluminium (par exemple soudées par laminage à chaud) , ou en un autre matériau tel l'acier inoxydable ou autre.Le système est caractérisé par le fait que les différentes tubulures formant échangeur sont thermiquement liées les unes aux autres de telle sorte que la totalité de l'enveloppe extérieure est en contact thermique avec le réactif et est de ce fait utile même si le dispositif comporte deux circuits indépendants utilisés alternativement; ceci permet d'augmenter de façon importante le coefficient global d'échange thermique de chaque circuit. Selon une autre caractéristique de l'invention, la partie interne active du réacteur constituée de l'ensemble réactif/échangeur, n'est pas en contact thermique avec l'enveloppe extérieure du réacteur diminuant ainsi l'inertie thermique du système ce qui a pour effet d'augmenter le rendement de régénération et de diminuer la durée du préchauffage.Rappelons que le rendement de régénération du réacteur chaleur de réaction est: R o = chaleur de réaction + perte préchauffage La perte de préchauffage étant celle nécessaire pour élever la température du réacteur de la température de refroidissement à la température de décomposition, soit de l'ordre de 60 à 1600C dans le cas par exemple d'un système utilisant le couple MC12/NH3 comme réactif, on voit aisément que plus la masse à préchauffer sera faible, plus ce rendement sera élevé. L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lequel - la figure 1 est un schéma d'une installation selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe de l'échangeur - la figure 3 est une variante - la figure 4 est une variante en spirale de la figure 1 - la figure 5 est une vue en coupe du réacteur à échangeur spirale - la figure 6 est une variante en U de la figure i - la figure 7 est une vue en coupe d'un réacteur horizontal - la figure 8 est un schéma complet de machine frigorifique - la figure 9 est une vue en coupe de réacteur vertical - la figure 10 est une vue en coupe d'un système vertical à réacteur double utilisant deux réactifs différents. Un échangeur de réacteur de machine frigorifique chimique (ou à adsorption) selon l'invention, figure 1, comporte une plaque à circuit intégré par laminage à chaud ou similaire constituée d'un matériau résistant au réactif et aux fluides de transfert, tel de l'aluminium ou de l'acier inoxydable par exemple ou encore un matériau plastique résistant à la pression.Cette plaque 10 comporte des tubulures internes formant un ou plusieurs circuits (2 dans le cas de la figure) Le gaz de chauffage GC (de la vapeur d'eau par exemple) pénètre par la tuyauterie 11 en partie haute de l'échangeur puis est distribué par un collecteur 13 dans différentes tubulures ou la vapeur va se condenser en chauffant le réactif, les condensats formés sont collectés en 17 et le liquide de chauffage LC sort en partie basse par le tube 15. En phase de refroidissement, le liquide de refroidissement LR (du NH3 par exemple) pénètre en partie basse par le tube 14 puis est distribué par le collecteur 18 dans différentes tubulures, il va alors se vaporiser en refroidissant le réactif, les vapeurs sont collectées en 18 puis le gaz de refroidissement GR sort en partie haute par le tube 12. La figure 2 représente une vue en coupe de l'échangeur du réacteur selon l'Invention, les deux parois 20 et 21 sont en contact direct avec le réactif, les divers canaux de chauffage 221, 222....22n sont disposés en alternance avec les différents canaux de refroidissement 231, 232....23n, de telle manière que les parois d'échange thermiques 20 et 21 avec le réactif soient actives en totalité aussi bien en phase chauffage qu'en phase refroidissement, les parois de l'échangeur jouant le rôle de transfert thermique des canaux 22 vers les canaux 23 et inversement. Dans cette configuration, on pourra utiliser un échangeur du type à plaque 10 ou encore des tubes jointifs en condition mutuelle d'échange thermique. La figure 3 est une variante de réalisation de l'échangeur du réacteur permettant par pliage des rétrécissements 33 de réaliser un réacteur cylindrique vertical tel qu'il est représenté sur les figures 9 et 10. Le gaz de chauffage GC pénètre en haut de ltéchangeur par la tuyauterie 36, le liquide de chauffage LC sort en partie basse par la tuyauterie 30, et en phase de refroidissement le liquide LR pénètre en partie basse par la tuyauterie 31, le gaz de refroidissement GR sort en partie haute par la tuyauterie 37. La figure 4 représente un échangeur 10 identique à celui de la figure 1 mais enroulé en spirale. La figure 5 représente l'incorporation de cet échangeur spiralé de la figure 4 dans un réacteur cylindrique vertical. le réactif 51 est en contact direct avec l'échangeur 10. Des espaces 52 permettent une bonne diffusion du gaz devant réagir chimiquement (ou en adsorption) avec le réactif. Un espace est disposé entre le couple échangeur/réactif et l'enveloppe métallique 54 du réacteur afin de limiter l'inertie thermique du système actif. La figure 6 représente une variante de la figure 1 dans laquelle l'échangeur 10 forme un U, cette disposition permet d'avoir le minimum de tuyauteries de sortie de l'échangeur ce qui est un très gros avantage au niveau de l'étanchéité du système. La figure 7 représente un la vue en coupe d'un réacteur cylindrique horizontal selon l'invention dans lequel un échangeur 10 en U ou deux échangeurs 10 indépendants plans sont utilisés. Le réactif 51 entoure les échangeurs 10. Un espace 62 sépare les ensembles échangeur/réactif afin d'améliorer la diffusion du gaz vers le réactif. Dans le cas d'un système de froid chimique utilisant deux sels différents en partie gauche et en partie droite, la séparation B2 entre les deux ensembles comportera en plus une cloison verticale isolante poreuse de séparation (de la laine de verre par exemple) destinée à permettre le fonctionnement tel qu'il sera décrit pour la figure 10.L'enveloppe métallique 54 du réacteur comporte une isolation thermique externe 53 et ou interne 63 destinée à limiter les pertes de chaleur, l'isolation interne 63 permettant en outre d'éliminer presque en totalité l'inertie thermique nuisible de la structure 54. La figure 8 représente le principe de fonctionnement d'une machine frigorifique chimique à fonctionnement continu utilisant un dispositif de chauffage et un dispositif de refroidissement tel que décrit dans les brevets français Bernier/Faiveley ne9109498 et ne9109499. Les réacteurs utilisés dans cette machine pourront avantageusement être ceux décrits dans la présente invention. La figure 9 est un réacteur selon l'invention utilisant l'échangeur de la figure 3, les disques échangeurs 32i 32n sont en contact direct avec le réactif 51 constitué alors de galettes cylindriques espacées entre elles par un vide 62 permettant la diffusion du gaz provenant de l'évaporateur 42 par l'entrée 61 du réacteur (en phase refroidissement et en référence à la figure 8), et l'évacuation du gaz vers le condenseur 41 en phase chauffage. L'enveloppe 54 du réacteur est calorifugée à l'extérieur et ou à l'intérieur par un isolant 53 et 63 tel que décrit précédemment. La figure 10 représente un réacteur double selon l'invention comportant deux ensembles réactif/échangeur composés de deux sels différents 74 et 75 tels BaCl2 et ZnCl2 ou BaCl2 et NiCl2 par exemple, et destiné à être utilisé dans une machine frigorifique chimique à deux sels ou trois sels comme décrit par exemple dans le brevet Lebrun/Mauran/Spinner ne8913913. Le réacteur double selon l'invention comporte alors une paroi poreuse isolante 73 destinée à permettre le passage du gaz NH3 d'un ensemble vers 1 'autre. Chaque ensemble de réaction pourra comporter une isolation interne 63 comme décrit figure 9. L'intérêt d'une telle disposition est la possibilité d'utiliser une même enveloppe 70 pour constituer le corps du réacteur double. Seul un orifice 78 sera nécessaire pour réaliser le tirage au vide et la charge en NH3 du système réactif. L'invention n'est pas limitée à bien sûr à la production de froid ou de chaleur par machine thermochimique, elle peut être appliquée également aux machines à adsorption utilisant par exemple les couples zéolithe/eau ou charbon actif/méthanol. 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. IBEIDICEIIOES 1. Réacteur de machine frigorifique chimique ou à adsorption comprenant des moyens de transfert de chaleur caractérisés en ce que le ou les échangeurs sont constitués de tubulures (22) (23) en condition d'échange thermique entre elles et avec le réactif, et ou l'ensemble échangeur/réactif n'est pas en condition d'échange thermique avec l'enveloppe (54) du réacteur. 2. Installation selon la revendication i caractérisée en ce que le ou les échangeurs sont constitués de plaque(s) à circuits intégré(s). 3. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que les plaques sont en aluminium et réalisées par laminage à chaud. 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou les échangeurs sont constitués de tubes en contact thermique direct entre eux. 5. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou les échangeurs sont enroulés en spirale. 6. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que la plaque est formée de disques (32) et de rétrécissements (33) permettant l'utilisation de galettes de réactif. 7. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou les échangeurs (10) forment un U. 8. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu un espace est dégagé entre l'ensemble échangeur/réactif et l'enveloppe (54) du réacteur. 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le réacteur est muni d'une isolation thermique intérieure (63). 10. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le réacteur est du type double. 11. Installation selon la revendication 10 caractérisée en ce que le réacteur comporte une enveloppe extérieure unique. 12. Installation selon la revendication 10 caractérisée en ce que la paroi de séparation (73) est poreuse et isolante. 13. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou les fluides de transfert thermique sont à changement de phases. 14. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou les fluides de transfert thermiques sont des liquides. 15. Installation selon la revendication 10 caractérisée en ce que les sels réactifs des deux ensembles sont différents.