Brevet FR2694077A1 — publié le 19940128

L'invention a pcur objet un dispositif de production de froid indirect pour machine frigorifique. On connaît déjà des installations de pompes a' chaleur chimiques solide/gaz faisant appel aux phénomènes d'adsorption ou d 'absorption. On connaît également des machines frigorifiques à compression utilisant elles aussi l'ammoniac comme fluide fri'Sorigêne.Ces machines présentent cependant un certain nombre d inconvénients tels que les risques d'accidents graves en cas de corrosion des échangeurs, i 'anIoniac se dissipai alors dans les locaux. On connaît également les difficultés que posent les organes de détente d 'ammoniac dans les machines frigorifiques chimiques.Par ailleurs les systèmes indirects de production de froid nécessitent en général des pompes auxiliaires pour assurer le transfert des fluides et des dispositifs de régulation relativement comple's. De telles installations ne sont pas toutefois entièrement satisfaisantes ss car elles conduisent à des cours plus élevés, et entraient des consommations supplémentaires d'énergie tout en compliquant la régulation. 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 au niveau de la source froide et de la source chaude s'effectuent au moyen d'un dispositif de transfert inermêdiaire par caloduc superposé, c'est à dire de thermosiphon avec changement de phase liquide/vapeur. C'est aussi un but de l'invention de fournir une installation à réaction chimique solide/gaz ou à adsorption dont l'organe de détente est supprimé. C'est encore un but de l'invention de fournir une installation de production de froid à compression dont le fluide de transfert au niveau des échangeurs sur fluides externes est différent de celui utilisé par le compresseur frigorifique, permettant ainsi d'utiliser des compresseurs à NH3, et de disposer d'un dispositif économiseur utilisé lorsque la température du fluide externe côté condenseur est inférieure à celle côté évaporateur. L'invention sera bien comprise par la descriptio.-l qui suit faite à titre d'exemple et en référence au > dessins annexés dans lequel - la figure 1 est un schéma d'une installation selon l'invention - la figure 2 est une variante avec évaporateur à eau - la figure 3 est une variante en production de froid par machine solideXgaz fonctionnant à l'énergie solaire. - la figure 4 est une variante pour des systèmes à coapression. - la figure 5 est une vue en coupe d'un composant de l'invention. - la figure 6 est une variante de l'invention pour une machine à réaction chimique comportant deux sels. - la figure 7 est une variante de l'invention pour une machine frigorifique à réaction chimique comportant trois sels comme décrit par exemple dans la demande de brevet Lebrun/Mauran/Spînner n 8913913 - la figure 8 est une variante de la figure i pour une installation comportant deux réacteurs permettant un fonetionnement continu. - la figure 9 est une variante de la figure 6 pour une installation à deux sels et fonctionnement continu. En dispositif de production de froid indirect selon l'invention, figure 1, comporte un évaporateur 21 assurant le refroidissement d'une enceinte CF, le dit évaporateur faisant partie d'un circuit frigorifique fermé independant du circuit frigorifique de la machine solide/gaz. Un condenseur 17 est placé dans le réservoir 14 contenant le liquide 15.Ce réservoir est calorifugé extérieurement Cou intérieurement) par un matériau isolant 16, et est en relation avec le réacteur chimique R par l'intermédiaire d'une tuyauterie 10, d'un condenseur 11, et d'une tuyauterie 13. D1 phase de synthèse du réacteur, le liquide 15 (NH3) se vaporise grâce à la chaleur apportée à basse température par le condenseur 17. La vapeur 24 formée est alors aspirée par le réacteur R. Au cours de cette phase le fluide intermédiaire qui s'est condensé dans 17 se dirige dans le réservoir 16 puis grav-itairement va dans l'évaporateur 21 en passant par la vanne de régulation 20 dont le rôle est de réguler la température de l'enceinte réfrigérée CF.Le fluide intermédiaire (un HFC par exemple) se vaporise dans 21 en refroidissant CF, la vapeur passe alors par la tuyauterie 22 pour se diriger en partie haute du condenseur 17. La circulation du fluide intermédiaire s'effectue par gravité grâce à la différence de densité entre le liquide et la vapeur Des raeeords auto-obturables ou operculables 19 et 23 permettent un montage et un démontage facile de l'ensemble. Dans ce système aucun dispositif de détente n'est nécessaire car le liquide 15 se vaporise partiellement au début de la phase synthèse du réacteur, la circulation du fluide intermédiaire ne peut se produire que si la température du liquide 15 est inférieure à celle de l'enceinte CF à refroidir (effet de diode therniique). En phase de régénération du réacteur R, celui ci est chauffe par un moyen de chauffage CH ce qui désorbe le gaz du réacteur, la vapeur vient alors se condenser dans le condenseur Il et le liquide formé retombe dans le réservoir 14.Au cours de la phase de régénération, il n'y a pas de transfert thermiques au niveau de l'échangeur 17, donc pas de production de froid, on peut donc envisager l'utilisation de deux ensembles indépendants réacteur Rfoondenseur 11/réservoir 14/condenseur 17 dans lesquels les condenseurs 17 seraient raccordés en parallèle afin d'assurer une production de froid continue au niveau de l'évaporateur 21 (raccordement similaire à celui de la figure 3). La figure 2 représente une variante de l'invention dans laquelle la production de froid est assurée par un évaporateur à eau 27 comportant en échangeur 28 jouant le même rôle que l'évaporateur 21 de la figure 1. La figure 3 est une variante de réalisation pour l'applisatic,n en production de froid à partir d'une source d'énergie solaire. l'échangeur du réacteur R pourra également être double eo=me sur la figure 2. La figure 4 représente l'application du dispositif selon l'invention à une installaticn de production de froid à compression.Un circuit frigorifique classique comporte un compresseur 40, un condenseur 43, un détendeur 46, un évaporateur 41. Le fluide à refroidir entre en EF et sort en SF de l'évaporateur intermédiaire 48. Celui ci comprend un échangeur 49 dans lequel s'évapore le fluide intermOdiaire qui va ensuite se condenser dans l'échangeur 47, le liquide formé est stocké dans la réserve 59 puis retourne dans 49. De même un circuit similaire est placé sur le circuit du condenseur 43 avec un condenseur 42, une réserve 53 et un échangeur 44.Un dispositif économiseur constitué des tuyauteries 57 et 54 ainsi que des vannes 55 et 56 permet d'assurer le refroidissement au niveau de l'évaporateur 48 lorsque la tempe-rature dal fluide extérieur EF est supérieure à celle du fluide extérieur EC, celui sans faire fonctionner le compresseur 40. La figure 5 représente un détail du réservoir de la figure 1 selon l'invention. L'échangeur 17 (figure 1) est constitué de tubes horizontaux 52 garnis d'ailettes 51 (ou d'aiguilles comme dans le cas des échangeurs guirlandes). L'échangeur est placé en partie basse du réservoir 14 afin d'être toujours baigné par le liquide 15. Le fluide de transfert intermédiaire à changement de phase pénètre en G en partie haute de l'échangeur et ressort liquide en L. La figure 6 représente un exemple d'application de l'invention dans une machine frigorifique chimique à deux sels. Le froid produit au niveau de l'échangeur 65 sert de chaleur de régnération du réacteur R2. Un deuxième circuit AC comportant deux autres réacteurs comme ceux du premier circuit, permettra une production continue de froid au niveau de l'évaporateur 65. La figure 7 représente un exemple d'application de l'invention pour un circuit de machine frigorifique chimique à trois sels. L'évaporateur 65 assure une production de froid continue en assurant la régénération successive des réacteurs R1 et R2 qui contiennent un sel à bas niveau de température de régénération tel le BaC12/NH3. En phase de régénération de R4 (qui contient un sel tel NiCl2/NH3) l'echangeur de chauffage 64 transfère sa chaleur à l'échangeur 72 qui désorbe de ce fait R4 vers R1. Le froid produit dans CF par vaporisation du fluide intermédiaire va régénérer le réacteur R2 qui va alors se désorber vers R3. La chaleur de réaction des réacteurs R1 et R3 sera évacuée suivant le même principe dans le condenseur 73 après ouverture de la vanne 80.En phase de régénération de R3 (qui contient un sel tel ZnC12/NH3) à partir de la chaleur de réaction de R4 suite à l'ouverture de la vanne 81, le réacteur Ri est régénéré à partir de la production de froid en 65. La chaleur de réaction du réacteur R2 est évacuée vers le condenseur 73, 1 l'énhangeur 71 est alors en surchauffe par rapport à l'équilibre de température liquideXvapeur du fluide intermédiaire de production de froid, empêchant de ce fait toute circulation entre 71 et 65.De même, dans la première phase décrite auparavant c'était l'échangeur 70 qui se trouvait en surchauffe interdisant alors toute circulation entre 70 et 65.Le positionnement des tuyauteries alimentant les échangeurs 70 et 71 sera tel que les transferts thermiques d'un échangeur vers l'autre seront rendus impossibles. La figure 8 représente une variante de la figure 1 dans laquelle l'installation comporte deux circuits de réacteurs chimiques Ra et Rb indépendants, comportant chacun son propre condenseur lia et 11b et son propre réservoir 14a et 14b.Les deux réacteurs sont régénérés alternativement par le moyen de chauffage 64. Les deux réacteurs disposent d'un refroidisseur eorur,un 12.Un changeur de sous refroidissement 91 permet de refroidir le liquide sortant d'un condenseur à l'aide des vapeurs froides sortant du réservoir de l'autre circuit.Les deux échangeurs 17a et 17b permettent de transmettre le froid du réservoir vers l'évaporateur 21, l'effet de diode thermique empêchant les transferts si l'un des circuits de réacteurs est en phase de régéneration. La figure 9 représente une variante de la figure 6 permettant d'assurer une production de froid en continu pour une installation à deux sels. Les réacteurs R1 et R2 sont regroupes dans le même corps sur cette figure , soit respectivement Rîa/R2a et Rib/R2b. Un même refroidîsseur 61 évacue par le même proeédé de caloduc superposé, la chaleur dégagée au cours des réactions chimiques Le chauffage alternatif des deux réacteurs est assuré par 1 'échangeur 64 qui peut être soit une chaudière, soit une autre source quelconque de chaleur a température suffisante. La vanne de régulation 20 représentée sur les figures 1 à 9 peut être soit une vanne thermostatique contrôlant la température du milieu ambiant froid, soit une vanne pressostatique fermant le circuit si la pression de celui ci s'abaisse en dessous d'un seuil, soit encore une vanne électromaguétique commandée par la température du milieu à refroidir par exemple. L'invention n'est pas limitée à bien sûr à la production de froid par machine thermochimique, elle peut être appliquée également aux machines à adsorption utilisant par exemple les couples zéolithe/eau ou charbon actif/méthanol, ainsi qu'aux machines frigorifiques à compression ou à absorption tel NH3/H 3 (dans ce cas le circuit à compression tel qu'il est représenté figure 4 est remplacé par un circuit à absorption). L'invention est applicable notamment au refroidissement des camions frigorifiques1 à la climatisation de tous types de véhicules automobiles, au chauffage, à la production d'eau chaude, à la production de froid solaire, aux centrales d'eau glacée. Les échangeurs à air pourront être à convection naturelle ou à circulation forcée à l'aide d'un ventilateur. REYENDICATI0NS 1. Dispositif de refroidissement indirect d'une enceinte ou d'un liquide comprenant des moyens de transfert de chaleur caractérisés en ce que le système comporte un dispositif d'évaporation/condensation en circuit fermé à changement de phase liquide/vapeur, avec circuits distincts de vapeur et de liquide, sans organe mécanique de transfert, dont l'évaporateur (21) est en relation directe d'échange thermique avec le milieu à refroidir, et dont le ou les condenseurs sont en relation d'échange thermique direct avec soit un ou plusieurs réacteurs chimiques, soit un ou plusieurs évaporateurs de machine frigorifique chimique ou à adsorption solide/gaz ou à compression ou à absorption. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'évaporateur (21) (27) est en relation d'échange thermique avec un ou plusieurs ensembles réservoir (14) dans lequel s'évapore le fluide (24) de l'installation frigorifique (à réaction chimique7 à adsorption, à absorption ou à compression) grâce à 1' échangeur/condenseur(17) placé dans le réservoir. 3. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que le ou les échangeurs sont constitués de tubes (52) munis d'ailettes ou d'aiguilles (51). 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit comporte une vanne de régulation (20) 5. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit d'alimentation de l'évaporateur (21) (65) comporte des raccords auto-obturables ou operculables (19) (23). 6. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit d'alimentation en liquide comporte un réservoir (18) (59). 7. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que le réservoir (14) est calorifugé. 8. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le réacteur R comporte deux échangeurs à circuits indépendants en relation avec un refroidisseur (12) et un moyen de chauffage (64). 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'évaporateur (65) est en relation d'échange thermique avec un ou plusieurs condenseurs (63) (70) (71) placés directement dans le ou les réacteurs. 10. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le système frigorifique comporte deux dispositifs de transfert indirect à la source froide et à la source chaude, et comporte deux dispositifs de court cicuitage vanne/tuyauterie (54-55) (56-57) destinés à mettre en relation directe d'échange thermique les deux échangeurs côté sources externes.