Brevet FR2748093A1 — publié le 19971031

La présente invention concerne un dispositif pour produire du froid et/ou de la chaleur par réaction solidegaz. Le dispositif visé par l'invention est basé sur l'utilisation du système dit "pompe thermochimique", dont les caractéristiques principales sont les suivantes - on utilise, comme "moteur chimique" une réaction renversable entre un solide et un gaz du type + (G) > 2 La réaction est exothermique dans le sens 1, ce qui veut dire que dans ce sens, elle produit de la chaleur et endothermique dans le sens 2, c'est-à-dire que dans ce sens elle produit du froid. Un tel système permet le stockage d'énergie sous forme chimique et présente des domaines d'application variés. De plus, un tel système permet la production, à partir d'une source de chaleur à la température Ts, de chaleur à la température Tu telle que Tu Dans ce cas, le système est appelé "pompe à chaleur chimique". Un tel système permet également la production, à partir d'une source de chaleur à la température T's, de chaleur à la température T'u telle que T'u > T's Dans ce cas, le système est appelé "thermo transformateur chimique". Grâce à ce système, il est possible de produire de l'énergie frigorifique à partir d'une source de chaleur et de produire simultanément, à partir d'une source de chaleur à la température T"s, de la chaleur à la température T"u(T"u Suivant les cas, l'utilisation de la chaleur ou du froid produit est simultanée à la consommation d'énergie à haute température (Ts, T's, T"s) ou différée dans le temps (effet de stockage). Du document EP-A-0.382.586, on connaît un dispositif pour la production de froid et/ou de chaleur par réaction solide/gaz, comportant deux réacteurs contenant chacun un sel différent susceptible de réagir chimiquement avec un gaz dans des domaines de température et de pression adaptés, un évaporateur et un condensateur. Comme décrit dans ce document, le choix de deux sels placés différemment dans le diagramme de Clapeyron permet, au cours d'une des phases du cycle de fonctionnement, d'utiliser la chaleur de réaction de synthèse du sel situé dans le domaine haute température pour effectuer la réaction de décomposition (nécessitant un apport d'énergie) du sel situé dans le domaine des basses températures. Ce transfert de chaleur qui s'effectue par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur circulant entre les deux réacteurs a pour effet d'améliorer l'efficacité énergétique. Cependant, cette efficacité améliorée du système ne satisfait pas totalement les exigences commerciales requises pour un tel système, par exemple, parce que le dispositif nécessite de nombreuses vannes de commande. Du document FR A-2653.541 on connaît un dispositif pour produire du froid et/ou de la chaleur par réaction solide-gaz comprenant des chambres de réaction contenant chacune un sel différent susceptible de réagir avec un gaz dans des domaines de température et de pression adaptés, un évaporateur et un condensateur. Le déroulement du cycle de fonctionnement permet, comme dans le cas du document EP-A0.382.586, d'effectuer une phase de récupération d'énergie interne entre les deux réacteurs solide-gaz. Toutefois, dans ce cas, la gestion du cyle thermodynamique de fonctionnement, et notamment la phase de récupération, sont assurées par l'utilisation de plusieurs caloducs gravitationnels. La présente invention a donc pour objet un dispositif pour produire du froid et/ou de la chaleur par réaction solide-gaz, qui est performant mais qui nécessite un nombre réduit de vannes ou de dispositifs annexes assurant le transfert de chaleur. Pour répondre à cet objectif, l'invention propose un dispositif pour produire du froid et/ou de la chaleur par réaction chimique comprenant deux réacteurs renfermant chacun un sel associé (S1 , S2) susceptible de réagir chimiquement avec un gaz, et dispersé dans un support poreux, une enceinte destinée à recevoir le gaz des réacteurs et une enceinte destinée à délivrer le gaz aux réacteurs caractérisé en ce que les réacteurs sont disposés en contact direct et sont agencés afin que le transfert de chaleur entre eux se fasse uniquement par conduction. La présente invention propose également un procédé de mise en oeuvre de réactions chimiques entre au moins un sel et un gaz au sein d'un dispositif pour produire du froid et/ou de la chaleur, le dispositif comprenant deux réacteurs renfermant chacun un sel associé, disposé dans un support poreux, une enceinte destinée à recevoir le gaz des réacteurs, et une enceinte destinée à délivrer le gaz aux réacteurs, le procédé comprenant les étapes qui consistent a: - faire évoluer une premier réacteur, en faisant réagir son sel avec le gaz, entre la pression de l'enceinte destinée à recevoir le gaz et la pression de l'enceinte destinée à délivrer le gaz, et simultanément, - faire évoluer le second réacteur, en faisant réagir son sel avec le gaz, entre la pression de l'enceinte destinée à recevoir le gaz et une pression inférieure à celle de l'enceinte destinée à délivrer le gaz au premier réacteur. Les avantages, ainsi que le fonctionnement de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite d'une manière non limitative en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif pour produire du froid et/ou de la chaleur, selon l'invention et - les figures 2 à 7 représentent chacune un diagramme de Clapeyron illustrant le fonctionnement de dispositifs selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté un dispositif pour produire du froid et/ou de la chaleur, selon l'invention, comprenant deux chambres de réaction, ou réacteurs, 10 ; 12, qui, dans l'exemple illustré, sont cylindriques, l'un des réacteurs, ici 12, de diamètre plus faible, étant disposé, sensiblement coaxialement à l'intérieur de l'autre réacteur 10. Les deux réacteurs ont la même longueur axiale et sont séparés par une paroi 14, non poreuse. Le dispositif comprend, en outre, un condenseur 16 et un évaporateur 18 reliés par un conduit 20 muni d'un détendeur 22. Le condenseur et l'évaporateur 18 forment, ainsi, des enceintes destinées à recevoir et à libérer le gaz respectivement. Un ensemble de quatre vannes 24, 26, 28 et 30, permet de relier l'un ou l'autre des réacteurs 10, 12, sélectivement au condenseur 16 et à l'évaporateur 18, par l'intermédiaire de conduits 32 et 34. Dans l'exemple présenté figure 1, une résistance électrique 36 est disposée axialement à l'intérieur du réacteur 12 permettant de chauffer sélectivement celui-ci. Toutefois, le principe de fonctionnement du procédé s'applique évidemment à tout autre mode de chauffage du réacteur 12 qui peut, à titre d'exemples non limitatifs, consister en un brûleur à gaz, une circulation de fluide caloporteur à l'intérieur d'un conduit, ou un phénomène de condensation d'un fluide contenu dans un caloduc. Enfin, le dispositif comprend, de plus, un ventilateur 38, disposé à une extrémité des réacteurs 10 et 12 permettant de les refroidir sélectivement. Là aussi, le mode de refroidissement ne constitue qu'un exemple destiné à illustrer le fonctionnement du procédé et tout autre type de refroidissement peut également être utilisé sans modifier le déroulement des différentes phases du cycle. Les réacteurs 10 et 12 sont chacun munis d'un sel, respectivement S1 et S2, mélangé avec, ou dispersé dans un support poreux. Dans un mode de réalisation préféré, le support poreux comprend du graphite expansé recomprimé de densité se trouvant entre 0,05 et 0,5. Le fonctionnement du dispositif sera maintenant décrit en se référant aux diagrammes de Clapeyron des figures 2 à 5. L'état initial du cycle de fonctionnement du dispositif est représenté sur le diagramme de la figure 2. A cet instant, les deux sels S1 et S2 ont effectué leur décomposition et se trouvent à la pression du condenseur 16, Pcond. La résistance électrique 36, en contact direct avec le sel S2, est sous tension et impose au sel S2 une température haute Th. Le ventilateur 38 est coupé. Le sel S1, disposé autour du réacteur 12 contenant le sel S2, est chauffé par celui-ci jusqu'à une température se trouvant entre Th et sa température d'équilibre à la pression du condenseur 16, Teq S1 (Pcond). Les positions des réacteurs 10 et 12 sont représentées sur la figure 2 par des points 10, 12. La première étape du procédé de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention est représentée sur la figure 3. Lors de cette étape, la résistance électrique 36 est coupée et le ventilateur 38 est mis en marche. Le refroidissement du réacteur 10 contenant le sel S1 entraîne une diminution de sa température. Aussi, il traverse sa droite d'équilibre et passe en condition de synthèse. Il est alors isolé du condenseur. De ce fait la chute de température du réacteur 10 s'accompagne d'une diminution de sa pression, le sel suivant sa droite d'équilibre. Lorsque la pression du réacteur 10 atteint la pression Pévap de l'évaporateur 18, ceux-ci sont mis en communication en ouvrant la vanne 30, les autres vannes restant fermées. Le sel S1 effectue sa réaction de synthèse impliquant une production de froid par évaporation à Tévap. Le réacteur 12 contenant le sel S2 étant en contact thermique avec S1 par la paroi 14, le refroidissement du réacteur 10 contenant le sel S1 entraîne le refroidissement du sel S2 qui traverse sa droite d'équilibre et passe en condition de synthèse. Le réacteur 12 est alors isolé du condenseur 16. De ce fait, la chute de température du réacteur 12 s'accompagne d'une diminution de sa pression, le sel S2 suivant sa droite d'équilibre. Le réacteur 12 se trouve, alors, à une pression inférieure à celle (Pévap) de l'évaporateur 18. Durant la phase de synthèse du sel S1 le réacteur 12 contenant le sel S2 reste isolé de l'évaporateur 18, par la fermeture des vannes, empêchant ainsi toute réaction. Il reste donc sur sa droite d'équilibre et du fait du contact thermique, par la paroi 14, avec l'intérieur du réacteur 10 contenant le sel S1, se trouve à une température proche de TeqSl(Pévap). La deuxième étape du procédé est représentée sur la figure 4. Lors de cette étape, le ventilateur 38 est arrêté. Le réacteur 12 contenant le sel S2 est mis en communication avec l'évaporateur plaçant ainsi le sel en condition de synthèse. La production de chaleur due à la réaction provoque la remontée en température de S2 qui se trouve alors à la pression Pévap et à une température proche de TeqS2(Pévap). La synthèse de S2 provoque par évaporation une production de froid à Tévap. Le réacteur 10 contenant le sel S1 étant en contact thermique avec le réacteur 12 par la paroi 14, la remontée de température du sel S2 entraîne l'augmentation de température du sel S1. Le sel S1 traverse sa droite d'équilibre et se trouve en condition de décomposition. Le réacteur 10 est alors isolé de l'évaporateur. De ce fait, l'augmentation de température du sel S1 s'accompagne d'une augmentation de pression, le sel suivant sa droite d'équilibre. Lorsque la pression du sel S1 atteint la pression du condenseur 16, ceux-ci sont mis en communication en ouvrant la vanne 26. Le sel S1 effectue sa décomposition, l'énergie nécessaire à la réaction étant directement apportée par contact thermique par la synthèse exothermique du sel S2. Ensuite, on passe à la troisième étape du procédé de mise en oeuvre du dispositif, représentée sur la figure 5. Au début de cette étape, la résistance électrique 36 est mise sous tension. Le sel S2 est ainsi réchauffé, traversant sa droite d'équilibre et se trouvant en condition de décomposition. Le réacteur 12 est alors isolé de l'évaporateur. De ce fait l'augmentation de température du sel S2 s'accompagne d'une augmentation de pression, le sel suivant sa droite d'équilibre. Lorsque la pression du sel S2 atteint la pression du condenseur 16 Pcond, ceux-ci sont mis en communication en ouvrant la vanne 24, les autres vannes restant fermées. Le sel S2 du réacteur 12 effectue sa décomposition. Durant cette phase, le réacteur dont le sel S1 a déjà effectué sa décomposition, reste en communication avec le condenseur 16 qui impose sa pression Pcond. Du fait du contact thermique entre les réacteurs 10 et 12, le réacteur 10 est réchauffé de TeqSl(Pcond) à une température proche de TeqS2(Pcond). Sur le cycle complet on effectue deux effets utiles de production de froid par évaporation correspondant aux synthèses des sels S1 et S2, et l'on fournit une quantité d'énergie correspondant à une seule décomposition (décomposition du sel S2). En négligeant les termes de chaleur sensible le calcul du COP idéal du cycle conduit donc à : COP .AHévap O idéal = AHréact ion Ce mode de récupération interne par contact thermique direct entre des sels placés différemment dans le diagramme de Clapeyron peut aisément être étendu au cas de trois sels réactifs S1 S2 et S3. Dans ce cas les réacteurs contenant les sels réactifs seront constitués de trois enceintes coaxiales. L'enceinte de diamètre le plus faible contient le sel réagissant à haute température (S3), l'enceinte extérieure contient le sel réagissant à basse température (S1) et l'enceinte disposée entre les deux enceintes précédentes contient le sel réagissant à une température intermédiaire (S2). Dans le cas de l'utilisation de trois sels, le cycle, qui comprend une étape supplémentaire, permet d'effectuer trois effets utiles de production de froid par évaporation correspondant aux synthèses des sels S1 S2 et S3. Une quantité d'énergie correspondant à la décomposition du sel S3 est fournie. Pour compléter la description précédente, on donne, ci-après, à titre non limitatif, deux exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Les figures 6 et 7 représentent chacune un diagramme de Clapeyron analogue à ceux des figures 2 à 5. Le procédé schématisé sur la figure 6 est destiné à produire du froid à un niveau de température de SOC qui est adapté à la climatisation, la température ambiante étant de 350C. Le premier réacteur 10 contient du SrC12 qui réagit avec 7 moles d'ammoniac. Le deuxième réacteur 12 contient du Fez12 qui présente un coefficient de stoechiométrie égal à 4. Sur la figure 6 sont indiquées en caractère gras les températures d'équilibre des deux sels aux pressions d'évaporation et de condensation, ainsi que leurs positions au cours des trois étapes qui caractérisent le déroulement du cycle de fonctionnement. Sur la figure 7 est schématisé un procédé permettant de produire du froid à un niveau de température de -200C. Ce procédé est particulièrement adapté à la congélation avec une température ambiante de 35"C. Le premier réacteur 10 contient du MnCl2 qui réagit avec 4 moles d'ammoniac. Le deuxième réacteur 12 contient du NiCl2 qui présente un coefficient de stoechiométrie égal à 4. Sur la figure sont indiquées en caractère gras les températures d'équilibre de ces deux sels aux pressions d'évaporation et de condensation, ainsi que leurs positions au cours des trois étapes qui caractérisent le déroulement du cycle de fonctionnement. Dans un mode de réalisation alternatif, le condenseur 16 et l'évaporateur 18 peuvent être remplacés, chacun, par un réacteur, analogue aux réacteurs 10, 12. Les réacteurs forment respectivement une enceinte destinée à recevoir le gaz, et une enceinte destinée à délivrer le gaz aux réacteurs (10, 12). R R Nn T CSTTON.q 1 - Dispositif pour produire du froid et/ou de la chaleur par réaction chimique comprenant deux réacteurs (10 ;12) renfermant chacun un sel associé (S1 ; S2) susceptible de réagir chimiquement avec un gaz, et dispersé dans un support poreux, une enceinte (16) destinée à recevoir le gaz des réacteurs (10 ; 12) et une enceinte (18) destinée à délivrer le gaz aux réacteurs caractérisé en ce que les réacteurs (10 ; 12) sont disposés en contact direct et sont agencés afin que le transfert de chaleur entre eux se fasse uniquement par conduction. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'un des réacteurs (12) est disposé à l'intérieur de l'autre réacteur (10). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'enceinte destinée à recevoir le gaz des réacteurs (10 ; 12) comprend un condenseur (16), l'enceinte destinée à délivrer le gaz aux réacteurs comprenant un évaporateur (18). 4 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'enceinte destinée à recevoir le gaz des réacteurs (10 ; 12) et l'enceinte destinée à délivrer le gaz aux réacteurs comprennent chacun un réacteur associé (16 ; 18).