Brevet FR2856470A1 — publié le 20041224

I La présente invention concerne une pompe à chaleur à sorption solide/gaz comportant un échangeur unique par réactif assurant alternativement l'apport de la chaleur grâce à un échangeur inférieur et le rejet de la chaleur de réaction grâce à un échangeur supérieur, les échanges de chaleur étant réalisés par ébullition/condensation d'un liquide /gaz. On connaît des installations de pompes à chaleur chimiques solide gaz comportant deux échangeurs par réacteur notamment celles issues des brevets français de Jacques Bernier N 9109498, 9109499, 9208618, 9209026 et leurs extensions internationales. De telles installations utilisent un dispositif à changement de phase pour les transferts thermiques mais n'est pas entièrement satisfaisante car elles conduit à une complication du réacteur et à une baisse de rendement de la réaction chimique. On connaît également des réacteurs chimiques comportant un échangeur unique pour assurer les transferts thermiques du réactif, mais les installations utilisent un 15 transfert thermique avec un fluide sans changement d'état ce qui pose d'une part le grave problème de la masse de l'échangeur et de son fluide conduisant à une perte d'énergie de réchauffage, mais également à la non possibilité d'autorégulation du dispositif par le principe de la diode thermique ce qui complique techniquement énormément le système. C'est un premier but de l'invention de proposer un système de pompe à chaleur solide/gaz ne présentant pas les inconvénients des installations connues. C'est encore un but de l'invention de proposer un dispositif d 'échange thermique à diode thermique comportant trois échangeurs de transfert situés à des hauteurs différentes, l'échangeur situé à mi hauteur étant placé au coeur du réactif, 25 l'échangeur d'apport calorifique en bas et l'échangeur de rejet thermique en haut. C'est toujours un but de l'invention de proposer un dispositif d'échange thermique à trois échangeurs dont le fluide de transfert thermique est un fluide à changement de phase liquide/gaz pouvant contenir en outre plusieurs constituants miscibles ou non. L'invention sera bien comprise par la description des dessins donnée à titre 30 d'exemple et dans lesquels: - La figure 1 est une installation selon l'invention représentée en cycle, production de froid et assurant aussi le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire. - La figure 2 est une installation identique à celle de la figure 1 représentée en cycle régénération. - La figure 3 est une variante de la figure 1 assurant les productions de froid et d'eau chaude sanitaire, représentée en cycle production de froid. - La figure 4 est identique à la figure 3 représentée en cycle régénération. - La figure 5 est une variante de la figure 1 assurant uniquement la production de froid, représentée en cycle de production de froid. - La figure 6 est identique à la figure 5 représentée en cycle régénération. Une installation selon l'invention figure 1 comporte un réacteur chimique(2) comportant un réactif (Sl) constitué par un sel tel du chlorure de manganèse par exemple, lié avec un agent gonflant conducteur thermique. Les différents transferts 10 thermiques s'opérant au sein de ce réactif sont assurés par un échangeur (11). Le réacteur (2) comporte une barrière poreuse (12) permettant la diffusion d'un gaz tel l'ammoniac. La deuxième partie du réacteur (2) contient un réactif (S2) qui pourra soit être du NH3 liquide soit un sel tel le chlorure de Baryum par exemple lié avec un agent gonflant conducteur thermique. Le réactif (S2) contient un échangeur (13) qui 15 assure les différents transferts thermiques. La figure 1 est représentée en phase production de froid qui est assurée par un évaporateur (3) dans lequel circule un fluide secondaire air ou eau, par exemple, pulsé par une pompe (8) vers un circuit d'utilisation du froid (F). Notons que (8) peut être un ventilateur en cas de diffusion du froid par air. Du liquide frigorigène, tel le HFC R-134a descend gravitairement de l'échangeur (13) par la tuyauterie (24) vers l'échangeur (19) producteur de froid. Le liquide va se vaporiser dans l'échangeur (19) à une température de l'ordre de 0 C assurant ainsi la production de froid, la vapeur de R-134a formée remonte par la tuyauterie (23) vers l'échangeur (13) o elle va se condenser pour former un nouveau cycle. 25 Parallèlement le réactif (S2) va se dégazer de son NH3. Le gaz NH3 formé dans le réacteur va être dirigé vers le réactif (SI) avec lequel il réagit chimiquement par sorption.Cette dernière réaction exothermique va faire évaporer le liquide contenu dans l'échangeur (11). La vapeur formée va se diriger par la tuyauterie (25) vers l'échangeur (18) du condenseur de chauffage (4) et vers l'échangeur (15) du 30 condenseur placé dans le ballon d'eau chaude sanitaire (5). La vanne de distribution (9) met en relation la tuyauterie (26) et le bas de l'échangeur (11). Dans cette phase le gaz frigorigène contenu dans le circuit les échangeurs (11,15,18) se condense dans les deux derniers, le liquide formé retournant par gravité dans l'évaporateur (11) pour former un nouveau cycle. Notons que le fluide de transfert peut être par exemple un mélange non miscible d'eau et de R-134a l'eau étant quand à elle bloquée dans l'échangeur (21) sous forme de vapeur et aussi à l'entrée de l'échangeur (11) en partie basse, mais là sous forme liquide. Dans le cycle de production de froid de la figure 1, le brûleur à gaz (20) est placé dans la chaudière (1) et n'assure que le chauffage d'appoint éventuellement nécessaire au circuit de chauffage (C) ou au circuit de production d'eau chaude à l'aide du ballon (5). Pour ce faire deux circulateurs indépendants (6) et (7) installés avec un clapet de 10 retenue respectivement (27) et (28) assurent selon les besoins la circulation d'eau entre l'échangeur (22) de la chaudière (1) et respectivement le circuit chauffage (C) et l'échangeur (14) du ballon d'eau chaude (5). La fermeture du circuit de la vanne (9) côté échangeur (21) conduit à l'inactivation de cet échangeur (21). Lors du passage du NH3 gazeux du réactif (S2) vers le réactif (SI), le gaz traverse une paroi poreuse (12) constituée par un matériau également isolant thermique tel de la laine de verre ou laine de roche; la nature isolante de la paroi (12) permet d'éviter les transferts thermiques directs entre les réactifs (SI) et (S2). La figure 2 est une installation selon l'invention identique à la figure 1 mais 20 représentée en cycle régénération du réactif (SI). Seule la position de la vanne (9) a changé, elle ne met alors en relation que les échangeurs (21) et (11). L'échangeur (21) est un bouilleur inclus dans la chaudière (1), sous l'effet de la chaleur dégagée par la combustion au brûleur (20) I'eau contenue dans l'échangeur (21) se vaporise à une température de 180 environ, la vapeur formée monte par la tuyauterie (34) 25 vers l'échangeur (11) o elle se condense en apportant de la chaleur au réactif (SI). Le liquide formé dans (11) retourne par gravité vers l'échangeur (21) pour former un nouveau cycle en passant par l'intermédiaire de la vanne (9) et de la tuyauterie (33). Parallèlement, la position de la vanne (9) conduit à un engorgement de l'échangeur (18) en R-134a et eau liquides arrêtant ainsi les échanges thermiques de 30 l'échangeur (18). L'apport de chaleur au réactif (SI) va permettre de libérer le NH3 qui s'était lié chimiquement au réactif au cours de la phase de production de froid. Le NH3 gazeux traverse la paroi isolante (12) pour se diriger vers le réactif (S2) et l'échangeur (13). Le gaz va se lier chimiquement avec le sel du réactif (S2) ou tout simplement se condenser sur l'échangeur (13) pour le cas d'un réacteur (2) avec un seul sel. Dans les deux cas la réaction est exothermique et l'échangeur (13) devra évacuer de 5 la chaleur à une température de l'ordre de 40 C. A l'intérieur de l'échangeur (13) va donc se vaporiser le fluide R-134a, la vapeur formée va se diriger par la tuyauterie (31) vers les échangeurs (16) et (17) ou celui-ci va se condenser en cédant sa chaleur au circuit de chauffage (C) ou à l'eau contenue dans le réservoir (5). Le liquide formé retourne par la tuyauterie (32) vers le bas de l'échangeur (13) pour 10 reformer un nouveau cycle de vaporisation/condensation par thermosiphon avec changement de phase. Dans la phase régénération, il n'y a pas de production de froid au niveau du circuit (F). L'échangeur (19) est engorgé avec du R-134a liquide car il se trouve en partie basse et à une température inférieure à celle de l'échangeur (13). Il est important de noter que les phases régénération et production de froid constitueront un cycle d'une durée globale de l'ordre de 10 minutes. L'échangeur (19) pourra être associé à un stockage de froid sous forme de glace ou en chaleur sensible, afin de disposer en (F) d'une production de froid continue. Au niveau de l'échangeur (4) ou du ballon (5), la production de chaleur est continue et 20 indépendante de la phase de fonctionnement du réacteur. La récupération d'énergie thermique pourra inclure un système à condensation au niveau de la chaudière (1). Dans l'application pompe à chaleur, la production de froid sera évacuée à l'extérieur vers un circuit fermé de capteur enterré par exemple ou d'un échangeur à air sur 25 lequel circulera de l'air extérieur ou de l'air extrait. En application pompe à chaleur, le coefficient de performance de l'appareil sera compris entre 1,5 et 2, ce qui divisera la consommation d'énergie par deux comparativement à une chaudière. La figure 3 représente l'invention appliquée sans la fonction chauffage donc destinée 30 à assurer la production de froid et l'eau chaude sanitaire. Sur la figure 3 le cycle représenté est le cycle production de froid. Un échangeur extérieur (42) équipé d'un ventilateur rejettera à l'extérieur la chaleur de réaction de l'appareil qui n'aura pas trouvé utilisation pour assurer la production d'eau chaude sanitaire grâce à l'échangeur (15). L'échangeur (42) est en relation d'échange thermique avec le condenseur (4) grâce à une circulation d'eau pulsée par la pompe (41). Dans une autre version l'échangeur ventilé (42) sera directement le condenseur (4) et ne nécessitera donc pas un circuit d'eau intermédiaire. La chaleur de réaction de (SI) vaporise le fluide frigorigène contenu dans l'échangeur (11), la vapeur monte se condenser dans l'échangeur (15) assurant la production d'eau chaude sanitaire, puis vers l'échangeur (18) complémentaire qui terminera la condensation. Le liquide se dirigera par la tuyauterie (45), vers la vanne (40), qui se trouve en position d'ouverture dans cette phase. Le liquide retourne dans 10 I'échangeur (11) du réactif (SI) pour former un nouveau cycle. Dans cette phase de production de froid le réactif (SI) réagit avec l'ammoniac provenant de (S2) qui s'est dégagé grâce à l'apport de chaleur à une température de 0 apportée par la production de froid. Le fonctionnement de l'échangeur (19) et de l'échangeur (13) est similaire a ce qui a été décrit pour la figure 1. Dans la phase production de froid, la chaudière (1) n'a pas besoin de fonctionner, le circuit de l'échangeur (21) s'engorge d'eau en raison de l'arrêt du brûleur (20). La figure 4 est totalement identique à la figure 3 sauf que la vanne (40) est en position fermée et le brûleur (20) est en service afin de permettre la régénération du réactif (SI). Le brûleur fait bouillir l'eau contenue dans l'échangeur (21) et dirige la 20 vapeur vers l'échangeur (11) o elle se condense pour retourner ensuite vers la chaudière par la tuyauterie (53). Dans cette phase régénération de la figure 4, le gaz NH3 vient se fixer sur (S2) ce qui provoque la montée en température de (S2) de 0 à 40 C et fait entrer en ébullition le R-134a contenu dans l'échangeur (13). L'échangeur (19) s'engorge en 25 R-134a liquide arrêtant tout échange thermique dans l'échangeur (19). Par contre la chaleur dégagée par (S2) fait monter la vapeur de R-134a vers l'échangeur (16) du ballon d'eau chaude (5) o elle se condense puis retourne par la tuyauterie (50) vers le condenseur auxiliaire (4) o le gaz termine sa condensation dans l'échangeur (17) le liquide formé retourne gravitairement vers le bas de l'échangeur (13) par la 30 tuyauterie (51). La figure 5 représente un appareil selon l'invention n'assurant que la production de froid représenté en phase de production de froid. L'échangeur (11) étant en phase exothermique rejette de la chaleur conduisant à un transfert de chaleur par thermosiphon avec changement de phase entre les échangeurs (11) et (74). L'échangeur (74) est placé dans le condenseur (70) représenté à air ventilé mais qui 5 pourra être également à eau et couplé soit à des capteurs enterrés soit à un aérorefroidisseur comme décrit précédemment dans les figues 3 et 4. Le fonctionnement du système en phase production de froid est similaire à ce que décrit précédemment, la vanne (40) est en position ouverte et l'évaporateur (3) assure la production de froid (F). La figure 6 représente le même appareil de production de froid mais en phase de régénération du réacteur (Sl). La vanne (40) est en position fermée et le brûleur (20) est en service assurant le transfert de chaleur vers l'échangeur (11) du réactif (Sl). Le gaz NH3 passe de (Sl) à (S2) créant une production de chaleur qui devra être évacuée vers le condenseur (70) par l'intermédiaire de l'échangeur (73). L'application principale de l'invention est bien sûr les pompes à chaleur et les climatiseurs à gaz mais elle ne se limite pas à cela tant en ce qui concerne la source froide qui pourra être un réfrigérateur, une chambre froide ou autre, qu'en ce qui concerne la chaudière apportant l'énergie qui pourra être également solaire ou à bois ou autre. Le procédé selon l'invention pourra être rendu continu par l'utilisation de deux réacteurs identiques au réacteur (2) avec tous les accessoires, l'un étant en phase régénération pendant que l'autre est en phase production de froid et réciproquement. Le système est également applicable aux systèmes à quatre sels. Le fluide réagissant avec les réactifs (Sl) et (S2) pourra être de l'ammoniac, de 25 I'eau, de l'éthanol ou tout autre fluide susceptible de réagir chimiquement avec les réactifs utilisés. Les réactifs utilisés pourront être différents sels tels des chlorures ou du charbon actif ou de la zéolithe ou autre. D'une manière générale l'invention s'applique à tout type de machine 30 thermodynamique à sorption. REVENDICATIONS 1.Pompe à chaleur à sorption solide/gaz comportant un échangeur unique par réactif 5 assurant alternativement l'apport de la chaleur au réactif grâce à un échangeur inférieur et le rejet de la chaleur de réaction grâce à un échangeur supérieur, les échanges de chaleur étant réalisés par ébullition condensation d'un liquide/gaz. 2.1nstallation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le réacteur (2) comporte deux réactifs (SI) et (S2) séparés par une paroi poreuse et isolante (12), 10 chaque réactif comportant son échangeur unique (11) et (13). 3.1nstallation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit thermique du réactif (SI) comporte au moins un échangeur de chauffage (18, 15) placé(s) au dessus de l'échangeur (11) et un échangeur d'apport thermique (21) placé(s) en dessous, le passage d'un cycle à l'autre étant assuré par une vanne trois voies (9) 15 ou deux voies (40). 4.1nstallation selon la revendication 3 caractérisée en ce que le fluide de transfert biphasique est un mélange de deux liquides non miscibles. 5.1nstallation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit thermique du réactif (S2) comporte au moins un échangeur de chauffage (17, 16) placé(s) au 20 dessus de l'échangeur (13) et un évaporateur (19) placé en dessous. 6.Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la chaleur excédentaire est rejetée à l'extérieur par un condenseur (4,70) à air ou à eau. 7.1nstallation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les échangeurs de rejet de chaleur (16,17) ou (18,15) sont placés en parallèle ou en série. 8.Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit de refroidissement (F) est raccordé sur un capteur enterré. 9.1nstallation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le fluide actif des réactifs (SI) et (S2) est de l'ammoniac, de l'éthanol ou de l'eau.