Brevet FR2758616A1 — publié le 19980724

L'invention concerne un système frigorifique à absorption et un couple de travail solvant-frigorigène destiné à être utilisé dans un système frigorifique à absorption. Actuellement, trois types de système frigorifique à absorption sont connus : le système à absorption à simple effet de séparation, le système à absorption à simple effet de séparation et recompression, et le système-absorption à double effet de séparation. Parmi ces trois systèmes, le système à absorption à double effet de séparation est celui qui permet d'obtenir le coefficient de performance frigorifique (COP), défini comme le rapport de la quantité de chaleur absorbée à la source froide à la quantité d'énergie calorifique absorbée à la source de chaleur motrice, le plus élevé. Ce coefficient de performance frigorifique ou COP est ainsi représentatif du rendement du système frigorifique. Cependant, même avec le système frigorifique à absorption à double effet de séparation, le COP ne dépasse pas la valeur de 1 alors qu'en théorie, ce COP peut atteindre la valeur de 1, 3. L'invention vise à pallier cet inconvénient. A cet effet, elle propose un système frigorifique à absorption du type à double effet de séparation comprenant notamment : (a) un premier générateur à haute pression et haute température, (b) un second générateur qui est à une pression et une température inférieures à celles du premier générateur et alimentant, par une canalisation en vapeur de frigorigène un condenseur à la même pression que le second générateur mais à une température inférieure à ce second générateur, (c) un condenseur à la même pression que le second générateur précité et à une température inférieure à la température de ce dernier ; (d) un évaporateur à une pression et une température inférieures à celles du condenseur ; (e) un absorbeur à la même pression que l'évaporateur et à la même température que le condenseur ; et (f) un moyen de compression situé sur la canalisation qui alimente le premier générateur en solution riche en frigorigène, cette solution provenant de l'absorbeur, caractérisé en ce que le condenseur précité est à une pression supérieure à la pression du second générateur précité et inférieure à la pression du premier générateur précité. Selon une autre caractéristique du système frigorifique de l'invention, la pression du condenseur est obtenue par une compression des vapeurs de frigorigène issues dudit second générateur par un moyen de compression de ces vapeurs situe sur la canalisation alimentant en vapeur de frigorigène ledit condenseur. Selon encore une autre caractéristique du système frigorifique de l'invention, ladite solution riche en frigorigène est un couple de travail solvant-frigorigêne où le solvant est un composé choisi dans le groupe des méthylphénols, pris individuellement ou en mélange. Selon toujours une caracteristique du système frigorifique de l'invention, lesdits méthylphénols sont l'ortho-cresol, le méta-crésol et le para-crésol. L'invention propose également un couple de travail solvant-frigorigène destiné à être utilisé dans un système frigorifique à absorption caractérisé en ce que le frigorigène est un composé choisi dans le groupe des méthylphénols, pris individuellement ou en mélange, et en ce que le solvant est du méthanol. Selon une caractéristique du couple de travail de l'invention, lesdits méthylphénols sont l'ortho-crésol, le méta-crésol et le para-crésol. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celles-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre fait en référence aux figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente schématiquement le système frigorifique à absorption à double effet de séparation de l'art antérieur en relation avec les conditions de fonctionnement de chaque élément en termes de pression et de température, où la température est portée en abscisse et la pression en ordonnée, et - la figure 2 représente schématiquement le système frigorifique de 1 invention en relation avec les conditions de fonctionnement de chaque élément en termes de pression et de température, où la température est portée en abscisse et la pression en ordonnée. Le principe de fonctionnement et les éléments essentiels du système frigorifique à absorption à double effet de séparation de l'art antérieur vont maintenant être décrits en référence à la figure 1. Ce système utilise l'affinité réciproque des molécules, d'une part d'une substance volatile, le frigorigène ou agent producteur de froid dans l'évaporateur noté E dans la figure 1 et d'autre part d'une substance demeurant liquide, l'absorbant. Cet absorbant est également appelé solvant. Le couple solvant-frigorigène est également appelé couple de travail, le frigorigène étant le plus volatil des deux substances présentes. Dans ce type de système frigorifique, seul le frigorigène doit parcourir la partie de circuit du système où le froid est produit c'est-à-dire la partie du circuit entre le condenseur noté K2 et l'absorbeur noté A dans la figure 1, circuit 5. En effet, le froid est produit à l'évaporateur E où le phénomène d'évaporation du frigorigène consomme de l'énergie calorifique, notée JO dans la figure 1, fournie en partie, par l'élément à refroidir et refroidi. Puisque seul le frigorigène doit parcourir cette partie du circuit, une séparation aussi complète du frigorigène et du solvant quand il le faut, est importante. Dans le système montré en figure 1, cette séparation est obtenue en deux étapes successives, dans le générateur noté G1 en figure 1 et dans le générateur noté G2 en figure 1. Ainsi, comme montré en figure 1, la solution riche en frigorigène (mélange solvant + frigorigène), qui est issue de l'absorbeur A via un éventuel stockage de la solution riche en frigorigène, qui est à la température notée O en figure 1 et à la pression notée Po en figure 1, est amenée par la canalisation notée 1 en figure 1 au générateur G1 qui est à la température notée Om en figure 1 et à la pression notée Ph en figure 1 obtenue par le moyen de compression noté P en figure 1, en traversant deux échangeurs thermiques notés ET1 et ET2 en figure 1. La solution riche en frigorigène est alors chauffée à la température Om dans G1. Une première séparation solvant-frigorigène est effectuée dans ce générateur G1 produisant des vapeurs de frigorigène. Cette première séparation nécessite un apport extérieur d'énergie calorifique de toute origine appelée énergie calorifique motrice et notée Xm dans la figure 1. Les vapeurs du frigorigène issues de G1 sont alors amenées, par la canalisation notée 2 en figure 1 au second générateur G2. La solution appauvrie en frigorigène contenue dans G1 est également envoyée dans G2 en passant par l'échangeur thermique ET2 en subissant en amont ou en aval de ce dernier une chute de pression par un moyen quelconque approprié. Dans ET2, la solution appauvrie en frigorigène, chaude, circulant dans la canalisation 3, fournit de l'énergie thermique à la solution riche en frigorigène qui provient de l'absorbeur et qui circule dans la canalisation 1. Dans le générateur G2 qui est à la température notée Oi en figure 1 et à la pression notée Pk en figure 1, avec O Il y a alors dans G2, une nouvelle séparation du frigorigène de la solution appauvrie en frigorigène provenant de G1, avec production de nouvelles vapeurs de frigorigène. C'est ce qu'on appelle le double effet de séparation. Ensuite, d'une part le frigorigène liquide sortant de G2 (vapeurs de frigorigène provenant de G1 et condensées dans K1) et, d'autre part les vapeurs de frigorigène issues du générateur G2, sont envoyés au condenseur noté K2 en figure 1 par les canalisations notées 7 et 4, respectivement, en figure 1, alors que la solution encore plus appauvrie en frigorigène est renvoyée, par la canalisation notée 8 en figure 1, à l'absorbeur A en traversant l'échangeur thermique ET1 où elle transfère une partie de son énergie thermique à la solution riche en frigorigène circulant dans la canalisation 1. Le condenseur K2 est à la même pression Pk que le générateur G2 et à la même température O que l'absorbeur A. Dans le condenseur K2, les vapeurs de frigorigène issues du générateur G2 sont condensées. Le frigorigène liquide du courant 7 subit une chute de pression par un moyen quelconque approprié avant d'être admis dans K2. Il faut noter qu'à partir du générateur G2, et jusqu'à l'absorbeur A, seul le frigorigène est en circulation. Donc seul, le frigorigène liquide est alors transféré, par la canalisation notée 5 en figure 1, avec abaissement de la pression par un moyen quelconque approprié, à l'évaporateur E. L'évaporateur E est à la même pression Po que l'absorbeur A et à la température notée Oo dans la figure 1, température Oo qui est inférieure à la température O de l'absorbeur. Dans l'évaporateur E, le frigorigène est évaporé en consommant de l'énergie calorifique notée JO en figure 1 et qui est fournie par l'élément à refroidir. Cet évaporateur E est la source froide du système. Les vapeurs de frigorigène produites dans l'évaporateur E sont alors envoyées dans l'absorbeur A, par la canalisation notée 6 en figure 1. Enfin dans l'absorbeur A, les vapeurs de frigorigène s'absorbent dans la solution appauvrie en frigorigène provenant du générateur G2, après abaissement de la pression de la solution, pour reconstituer la solution riche en frigorigène qui sera à nouveau envoyée au générateur G1, pour un nouveau cycle de fonctionnement. Comme on le voit en figure 1, dans ce système, le condenseur K2 et le générateur G2 sont à la même pression de travail. L'homme de l'art comprendra aisément que le fonctionnement de ce système nécessite la présence d'organes de chute de pression à chaque fois que nécessaire. Ces organes et leurs emplacements sont connus de l'homme de l'art et bien que non décrits ici et que non représentés dans les figures 1 et 2, ces organes font partie du système frigorifique à double effet de séparation, auquel on se réfère ici. L'invention consiste à décaler la pression de travail du générateur G2 et du condenseur K2. Cela est réalisé, comme montré en figure 2, dans laquelle les mêmes signes de référence indiquent les mêmes éléments que dans la figure 1, en introduisant une compression des vapeurs de frigorigène sortant du générateur G2. Ceci peut être mis en oeuvre en prévoyant dans la canalisation notée 4 en figure 2, un moyen de compression noté P2 en figure 2. Ce moyen de compression peut être tout moyen de compression connu de l'homme de l'art tel qu'un moyen de compression mécanique ou électrique. Le condenseur K2 est alors à une température 0' pouvant être identique à la température O de l'art antérieur ou différente, mais à la pression notée Pk2 en figure 2 avec Pk Il est à noter ici que le système frigorifique à double effet de séparation de l'invention comprend également, bien que non décrits et représentés en figure 2, les mêmes organes de chute de pression que le système frigorifique à double effet de séparation de l'art antérieur. En augmentant la pression de travail de K2 par rapport à la pression de travail de G2, on crée un état d'équilibre thermodynamique dans G2 moins favorable au frigorigène et donc la solution sortant de G2 est plus appauvrie en frigorigène que ne le serait la même solution dans le système frigorifique de l'art antérieur. Tout d'abord, cet appauvrissement conduit à une diminution de la quantité de chaleur fm à fournir au générateur G1 par modification des besoins de circulation de la solution pauvre en frigorigène à puissance frigorifique recherchée fixée. Ensuite, il peut aussi permettre d'abaisser significativement la température minimale Om de travail dans Gl, ce qui permet également une réduction des pertes par chaleur sensible. En d'autres termes, l'énergie calorifique motrice fm est mieux utilisée dans le système de l'invention. De plus, avec le système de l'invention, on peut travailler à une pression Ph inférieure (dans G1) à celle utilisée dans un système à double effet de séparation classique. Ceci signifie que l'énergie à fournir à la solution (organe P en figures 1 et 2) pour obtenir cette pression sera inférieure à celle nécessaire avec le système classique. Enfin, dans le système de l'invention, uniquement la partie des vapeurs de frigorigène issues de G2 est comprimée ce qui demande moins d'énergie que si on voulait comprimer toutes les vapeurs de frigorigène, c'est-à-dire celles issues de G1 et de G2 ou celles circulant dans un système frigorifique à absorption à simple effet de séparation. En plus de cette diminution d'énergie, on aura également une diminution de la taille de l'équipement nécessaire à la compression et à la condensation des vapeurs issues de G2 par rapport à la taille de l'équipement nécessaire pour comprimer la totalité des vapeurs issues de G1 et de G2. I1 peut également résulter une diminution de la taille de tous les équipements en raison de la réduction des débits de circulation des solutions, réduction induite par des conditions opératoires pouvant être plus favorables par rapport à celles utilisées dans l'art antérieur. Ainsi, avec le système de l'invention, on peut maintenir la température minimale de fonctionnement Om du générateur Gl identique à celle utilisée dans le système de l'art antérieur mais la source d'énergie calorifique fm sera mieux exploitée, la pression du générateur G1 pourra, elle, être abaissée par rapport à celle du système de l'art antérieur. A titre d'exemple purement illustratif, pour un même couple de travail solvant-frigorigène, et une même température de travail Om, la pression Ph du générateur G1 dans le système frigorifique à double effet à recompression de l'invention pourra être de 2,2 à 2,5 bars en comparaison à une pression Ph du générateur G1 dans le système frigorifique à double effet de séparation de l'art antérieur de 3 à 3,5 bars. De la même façon, le coefficient de performance ou COP du système frigorifique de l'invention pourra être accru en comparaison avec celui du système de l'art antérieur. Cependant, la performance du système frigorifique à absorption de l'invention dépend dans l'application pratique du couple de travail solvant-frigorigène utilisé. Ce couple doit posséder à priori une déviation négative par rapport à la loi de Raoult. Cependant, on a montré que cette déviation ne doit pas être trop importante. En effet, dans le cas où l'on utilise un couple de travail solvant-frigorigène très favorable donnant lieu à des taux de solution faibles, alors le gain fourni par la compression n'est plus significatif par rapport au surplus énergétique nécessaire pour assurer cette compression. D'autres couples de travail destinés à être utilisés dans les systèmes frigorifiques à absorption sont connus. Par exemple, le méthanol est souvent utilisé en tant que frigorigène, associé à un absorbant (solvant) tel que des sels du type bromure de lithium ou bromure de zinc. Egalement, des solvants organiques tels que le tétraéthylène glycol diméthyléther et le glycérol ont été utilisés comme solvants du méthanol. L'invention propose un nouveau couple de travail solvant-frigorigène qui permet d'améliorer encore plus le COP du système frigorifique de l'invention. Ce couple est constitué du méthanol en tant que frigorigène, associé à un méthylphénol ou à un mélange de méthylphénols, produits aussi connus sous l'appellation crésols ou par le nom acide crésilique adopté souvent par les anglosaxons. Les crésols ont pour formule chimique brute C7HgO. Ce sont des alcools cycliques qui permettent une absorption importante de méthanol en raison de la possibilité de créer des liaisons hydrogènes fortes entre le solvant et le soluté. De plus, ils possèdent des températures d'ébullition élevées favorables à la séparation dans les générateurs. Leur stabilité est liée à l'absence dans le circuit de toute substance ou matériau pouvant induire une réaction de gradation d'un des composés du couple de travail ; l'air peut être cité à titre d'exemple. Enfin leur coût est faible. Les crésols existent sous les formes ortho-crésol, méta-crésol et para-crésol. Le couple crésols-méthanol répond parfaitement aux exigences thermodynamiques du cycle impliqué dans le système frigorifique de l'invention. En effet, les déviations induites par rapport à la loi de Raoult existent mais sont plus faibles que dans le cas d'une association du méthanol avec un ou plusieurs sels. A titre d'exemple purement illustratif, alors que le COP théorique obtenu, en utilisant le système à absorption à double effet de séparation avec recompression de l'invention avec un couple de travail méthanol-solvant de l'art antérieur, est de 0,9, le COP avec ce même système en utilisant le couple de travail crésols-méthanol de l'invention peut atteindre des valeurs de jusqu'à 1,3 et généralement non inférieures à 1,1. Comme cela apparaîtra clairement à l'homme de l'art, bien qu'ayant été décrit uniquement dans ce qui précède comme utilisé dans le système frigorifique à absorption à double effet de l'invention, le couple de travail crésols-méthanol de l'invention pourra également être utilisé dans tous les systèmes frigorifiques à absorption connus jusqu'à présent. Par ailleurs, bien qu'on ait mentionné le fait que le système frigorifique de l'invention ne permette pas d'obtenir un gain significatif par rapport au surplus énergétique nécessaire pour la recompression introduite dans le système frigorifique de l'invention, lorsqu'on utilise un couple de travail bromure de lithium-eau, le système frigorifique de l'invention pourra être utilisé avec un autre couple de travail que celui précisément décrit dans l'invention. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Ainsi, le système frigorifique de l'invention pourra être utilisé aussi bien pour produire du froid, la source froide étant alors l'évaporateur E que pour produire de la chaleur, la source chaude étant alors le condensateur K2 ainsi que l'absorbeur A. C'est dire que l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATIONS 1. Système frigorifique à absorption du type à double effet de séparation comprenant notamment (a) un premier générateur (G1) à une pression Ph et une température Om, (b) un second générateur (G2) à une pression (Pk) inférieure Ph et une température Oi (c) un condenseur (K2) à la pression Pk précitée et à une température O (d) un évaporateur (E) à une pression Po (e) un absorbeur (A) à la pression Po précitée et à la température O précitée, et (f) un moyen de compression (P) situé sur la canalisation (1), alimentant le générateur (G1) en solution riche en frigorigène, cette solution provenant de l'absorbeur (A), caractérisé en ce que le condenseur (K2) est à une pression Pk2 avec Pk 2. Système frigorifique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression Pk2 est obtenue par une compression des vapeurs de frigorigène issues du générateur (G2) par un moyen de compression (P2) de ces vapeurs, situé sur la canalisation (4) précitée. 3. Système frigorifique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la solution riche en frigorigène est un couple de travail solvant-frigorigène où le solvant est un composé choisi dans le groupe des méthylphénols, pris individuellement ou en mélange, le frigorigène est du méthanol. 4. Système frigorifique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits méthylsphénols sont l'orthocrésol, le méta-crésol et le para-crésol. 5. Couple de travail solvant-frigorigène destiné à être utilisé dans un système frigorifique à absorption caractérisé en ce que le solvant est un composé choisi dans le groupe des méthylphénols, pris individuellement ou en mélange, et en ce que le frigorigène est le méthanol. 6. Couple de travail selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits méthylphénols sont l'orthocrésol, le méta-crésol et le para-crésol.