Brevet FR2964184A1 — publié le 20120302

La présente invention concerne les dispositifs de chauffage d'un fluide, notamment pour le chauffage de l'air pour les bâtiments dans un système ouvert. Plus particulièrement, l'invention concerne les réacteurs thermochimiques utilisés pour le chauffage d'un bâtiment dans un système ouvert. Dans ce domaine, on utilise généralement l'humidité de l'air extrait d'un bâtiment pour décharger sous forme thermique l'énergie chimique du réacteur. On rappelle qu'un réacteur thermochimique comprend généralement un réservoir comprenant un matériau thermochimique composite généralement à base de matériau de sorption, le réservoir comprenant une entrée d'air pour alimenter le matériau thermochimique en air humide pour activer la réaction thermochimique. En effet, l'interaction entre l'humidité de l'air et le matériau thermochimique provoque une réaction chimique exothermique permettant de chauffer l'air qui est alors extrait du réservoir pour être utilisé dans un bâtiment en vu de son chauffage. Ce type de stockage de chaleur par procédé chimique est le plus adapté aux longues durées. Il a les avantages d'avoir des capacités volumiques beaucoup plus importantes et des durées de stockage sans limite car l'énergie stockée n'est ni consommée, ni dissipée par des pertes tant que les deux composants chimiques ne sont pas réunis. L'application la plus intéressante des réacteurs thermochimiques est le stockage de chaleur inter-saisonnier pour les bâtiments. On peut stocker une quantité importante de chaleur en été et l'utiliser ensuite, avec peu de pertes, en hiver. Dans ce domaine, on connaît notamment les documents 30 WO 2004/039488, WO 2008/099262, EP 0 258 979, EP 1 610 084 et EP 1 651 817. Toutefois, des critiques ont été émises quant à l'utilisation de réacteurs thermochimiques selon l'état de la technique. En effet, un défaut d'humidité peut apparaître, car l'air extrait du bâtiment n'est pas toujours assez humide pour alimenter la réaction avec le matériau thermochimique contenu dans le réservoir du réacteur. La quantité d'énergie récupérée par réaction chimique dépend en premier lieu de l'humidité absolue de l'air, ainsi que, en second lieu, de la température du matériau thermochimique. En effet, la quantité d'énergie récupérée est d'autant plus faible que l'humidité absolue de l'air injectée est faible et/ou que la température du matériau thermochimique est élevée. En conséquence, un but de la présente invention est de fournir un réacteur thermochimique amélioré par rapport à l'état de la technique. Plus particulièrement, un but de la présente invention est de fournir un réacteur thermochimique permettant d'augmenter le rendement de la réaction thermochimique à partir de l'air extrait du bâtiment, même si l'humidité de celui-ci n'est pas suffisante. A cet effet, l'invention concerne un réacteur thermochimique comprenant : - un réservoir comprenant un matériau qui réagit de manière exothermique avec de l'eau, le réservoir comprenant une entrée pour alimenter le matériau en air, humide, afin d'alimenter une réaction chimique entre l'eau contenue dans l'air et le matériau et une sortie pour évacuer l'air une fois chauffé et séché par la réaction chimique au sein dudit réservoir, le réacteur thermochimique étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un échangeur thermique agencé au sein du réservoir et étant destiné à chauffer un second fluide distinct de l'air intervenant dans la réaction chimique, avec au moins une partie de l'énergie thermique provenant de la réaction chimique afin d'extraire du réservoir au moins une partie de l'énergie thermique provenant de la réaction chimique. Avantageusement mais facultativement, l'invention comprend au moins l'une des caractéristiques suivantes : - le réacteur thermochimique comprend en outre un humidificateur destiné à augmenter le taux d'humidité de l'air humide entrant au sein du réservoir pour l'alimentation de la réaction chimique, - l'humidificateur comprend en outre un moyen de chauffage de l'air entrant au sein de l'humidificateur, - le moyen de chauffage de l'air entrant au sein de l'humidificateur comprend un échangeur d'énergie thermique entre l'air entrant au sein de l'humidificateur et l'air sortant du réservoir, - le matériau thermochimique contenu dans le réservoir comprend une Zéolite et/ou du MgSO4, - le matériau thermochimique se présente sous la forme de billes de diamètre entre 1 et 10 mm, mais de préférence de l'ordre de 2mm. L'invention concerne également un bâtiment caractérisé en qu'il comprend un réacteur thermochimique selon l'invention, le bâtiment comprenant des moyens d'extraction d'air permettant d'alimenter l'humidificateur en entrée du réservoir du réacteur thermochimique en air pour l'alimentation de la réaction chimique et un moyen de circulation destiné à la circulation du fluide en sortie de l'échangeur agencé au sein du sein du réservoir. L'invention concerne également un procédé d'utilisation d'un réacteur thermochimique, le réacteur thermochimique comprenant un réservoir au sein duquel une réaction thermochimique a lieu, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) introduction d'air (B2) pour l'alimentation de la réaction avec le matériau thermochimique contenu dans le réservoir (10) du réacteur thermochimique (T), b) introduction d'un fluide à chauffer distinct de l'air pour l'alimentation du réacteur thermochimique dans un échangeur agencé au sein du réservoir, c) chauffage du fluide à chauffer par l'échangeur thermique agencé au sein du réservoir, d) extraction du fluide en sortie de l'échangeur thermique, e) extraction de l'air en sortie du réservoir. Avantageusement mais facultativement, le procédé selon l'invention comprend au moins une des caractéristiques suivantes : - le procédé comprend une étape d'humidification de l'air pour l'alimentation de la réaction chimique préalablement à son introduction au sein du réservoir du réacteur thermochimique, - une étape de chauffage de l'air pour l'alimentation de la réaction chimique est effectuée durant l'étape d'humidification, - l'étape de chauffage de l'air pour l'alimentation d'un réacteur thermochimique durant l'étape d'humidification est effectuée au moins partiellement par échange thermique avec l'air ayant alimenté la réaction chimique repris en sortie du réservoir. D'autres buts, avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre au regard de la figure 1 (figure unique) annexée donnée à titre illustratif et qui représente un réacteur thermochimique selon une réalisation particulière de la présente invention. Ainsi, l'invention est basée essentiellement sur le fait d'associer en combinaison un réacteur thermochimique avec un échangeur de chaleur permettant d'augmenter sensiblement le rendement d'un réacteur thermochimique comme expliqué par la suite. Une réalisation préférentielle de la présente invention concerne une combinaison entre un réacteur thermochimique, un échangeur de chaleur et un humidificateur, ce qui permet d'obtenir un rendement encore meilleur du réacteur thermochimique même si l'humidité absolue de l'air utilisée pour la réaction thermochimique (par exemple extraite d'un bâtiment) est faible. Dans la suite de la description, les références alphanumériques commençant par la lettre « A » sont liées au fluide à chauffer et les références alphanumériques commençant par la lettre « B » sont liées à l'air humide pour l'alimentation du réacteur thermochimique proprement dite. En référence à la figure 1 annexée, un réacteur thermochimique T selon une réalisation particulière de la présente invention comprend un réacteur 1 proprement dit incluant un réservoir 10 qui contient un matériau thermochimique 100 qui réagit de manière exothermique avec l'eau, par exemple un matériau composite à base de matériau de sorption. Le matériau 100 comprend préférentiellement un composite à base de Zéolite et MgSO4 (voir notamment le document FR 08 56 068), ou d'un seul des deux ou de tout autre élément connu de l'état de la technique qui réagit de manière exothermique avec l'eau. Avantageusement, ce matériau thermochimique 100 se présente sous la forme de petites billes d'environ 2 mm de diamètre. Le réservoir de stockage 10 du matériau 100 comprend une entrée 14 d'air B pour alimenter le matériau thermochimique 100 en air humide (et engendrer ainsi la réaction thermochimique) et une sortie 16 pour la sortie de l'air chauffé et séché lors d'une réaction thermochimique avec le matériau 100 au sein du réservoir 10. Plus précisément, l'air B pour l'alimentation du réservoir, une fois rentré dans le réservoir 10 par l'entrée 14, engendre par son humidité une réaction chimique avec le matériau thermochimique. Une production de chaleur a alors lieu lors de la réaction chimique exothermique entre l'eau (préférentiellement sous forme de vapeur provenant de l'humidité de l'air B) et le matériau thermochimique 100. Ainsi, l'air B traversant le réservoir 10 s'assèche rapidement, et il récupère également de la chaleur libérée par la réaction thermochimique. A la sortie 16 du réacteur, l'air B se retrouve avec une humidité absolue plus faible et une température plus élevée qu'à l'entrée 14 du réservoir 10. Toutefois, la quantité de chaleur produite par la réaction entre le matériau thermochimique 100 et l'eau de l'air humide est d'autant plus élevée que la température du réservoir 10 est basse. Il est donc intéressant de limiter la hausse de température du réservoir 10. Afin de limiter cette hausse de température, il est prévu de doter le réservoir 10 d'un échangeur thermique 12. Préférentiellement, un but de la présente combinaison est de limiter la température du matériau thermochimique à 40°C au sein du réservoir 10 et de récupérer une partie de la chaleur produite à l'aide d'un fluide à chauffer A circulant au sein de l'échangeur thermique intégré 12. Ce fluide A est par exemple un liquide ou un gaz (comme l'air). Par ailleurs, un défaut d'humidité peut paraître, car l'air B, par exemple extrait d'un bâtiment et injecté dans l'entrée 14, n'est pas toujours assez humide pour alimenter la réaction avec le matériau thermochimique contenu dans le réservoir 10. Or, l'humidité absolue de l'air B pour l'alimentation du réacteur T est le paramètre limitant de la réaction thermochimique avec le matériau 100. Ainsi, il est également prévu de doter le réacteur d'un humidificateur comme 30 décrit ci-après afin d'augmenter l'humidité absolue de l'air B1. En conséquence, la combinaison d'un réacteur thermochimique, d'un échangeur de chaleur et d'un humidificateur permet d'augmenter25 sensiblement le rendement et permet d'utiliser de manière optimale l'air injecté pour la réaction thermochimique. Plus précisément, le réacteur thermochimique comprend un échangeur thermique 12 agencé au sein du réservoir 10. Cet échangeur thermique est destiné à chauffer un fluide A (fluide destiné à être chauffé), distinct de l'air B destiné à être injecté pour l'alimentation du réacteur thermochimique. Le chauffage du fluide A est effectué à partir d'au moins une partie de l'énergie thermique provenant de la réaction thermochimique exothermique au sein du réservoir 10. Ainsi, pour limiter une éventuelle carence d'humidité dans le réservoir 10 et pour récupérer un maximum d'énergie stockée, une solution consiste à intégrer un échangeur thermique 12 à l'intérieur du réacteur 1 pour récupérer une partie de la chaleur produite directement dans le réservoir 10. En conséquence, l'élévation de la température du réservoir, due à la réaction thermochimique exothermique, est limitée et la quantité de chaleur extraite du matériau 100 est plus grande par rapport à l'état de la technique. Ainsi, la réaction thermochimique au sein du réservoir 10 chauffe via 20 l'échangeur intégré 12 le fluide A provenant de l'extérieur qui sera utilisé ensuite pour chauffer de préférence un bâtiment. En conséquence, l'échangeur thermique 12 permet un échange de chaleur avec le fluide A, sans que ce dernier soit en contact ni avec le matériau 25 thermochimique 100, ni avec l'air B pour l'alimentation du réacteur thermochimique 1. Avantageusement, le réacteur thermochimique T est caractérisé en ce qu'il comprend en outre un humidificateur 2 destiné à augmenter le taux 30 d'humidité de l'air B entrant au sein du réservoir 10. Un tel humidificateur permet en effet d'augmenter l'humidité de l'air B pour l'alimentation du réservoir 10 afin d'optimiser le rendement de la réaction thermochimique exothermique au sein du réservoir. Un tel humidificateur 2 comprend préférentiellement des buses 23 de pulvérisation de gouttelettes d'eau connectées à une arrivée d'eau 20 et agencées le long du passage de l'air B pour l'alimentation du réacteur mais peut être de toute autre forme et structure connue de l'état de la technique. Selon une réalisation préférentielle de la présente invention l'humidificateur 2 comprend en outre un moyen de chauffage 22 de l'air BI au sein de l'humidificateur. Un tel moyen de chauffage 22 permet d'augmenter sensiblement la quantité d'humidité absorbée par l'air B pour l'alimentation du réservoir 10. En effet, lors du passage dans l'humidificateur 2, l'air BI extrait du bâtiment et injecté dans l'humidificateur 2, est refroidi par la vaporisation des gouttelettes d'eau avec lesquelles il est en contact, ce qui provoque une chute de la température de l'air. Or, la chute de la température diminue d'autant la quantité d'eau que l'air peut absorber ; autrement dit, plus l'air est chaud, plus il peut absorber d'eau (et donc plus son humidité absolue est grande). Aussi, afin de contrebalancer ces effets en retour, il est prévu l'agencement d'un échangeur thermique 22 permettant de prévenir toute chute de la température de l'air B2 due au contact avec les gouttelettes et éventuellement d'augmenter la température de l'air BI extrait. Ainsi, La combinaison d'un réacteur, d'un échangeur intégré et d'un humidificateur muni d'un échangeur thermique cherche paradoxalement à réduire la température du matériau thermochimique 100 au sein du tout en transférant de la chaleur à l'air B en entrée du réservoir 10. Selon une réalisation préférentielle, le moyen de chauffage 22 de l'air au sein de l'humidificateur 2 est un échangeur d'énergie thermique secondaire 22 entre l'air BI extrait du bâtiment et injecté au sein de l'humidificateur 2 à l'entrée 24 et l'air B3 sortant du réservoir 10 et circulant par la canalisation 18 jusqu'à l'échangeur 22 et introduit par l'entrée 28. Ainsi, un tel échange thermique entre l'air sortant B3 du réservoir 10 et l'air BI au sein de l'humidificateur 2 évite de recourir à une source d'énergie externe pour le chauffage de l'air Bi. On optimise ainsi le rendement du réacteur en réutilisant l'énergie thermique résiduelle de l'air B3 en sortie du réacteur 1. En effet, malgré l'échangeur intégré 12 qui récupère une bonne partie de la chaleur produite dans le réservoir 10, on observe que l'air B3 en sortie du réservoir contient de l'énergie thermique résiduelle. On peut utiliser cette énergie pour améliorer l'humidité de l'air extrait du bâtiment BI dans un échangeur humidificateur 2 placé en amont du réservoir 10. Dans cet échangeur, une injection d'eau est effectuée dans l'air BI pour augmenter son humidité et, dans le même temps, un transfert de chaleur se fait de l'air B3 à la sortie 16 du réservoir 10 vers l'air BI à l'entrée 24 de l'humidificateur 2. Ainsi, au moins une partie de l'énergie thermique de l'air chaud et sec en sortie du réservoir 10 est transférée à l'air BI dans l'humidificateur, pour contrebalancer la perte de chaleur provoquée par la vaporisation de l'eau pulvérisée par les buses 23. Ainsi, la combinaison entre : - d'une part un humidificateur 2 comprenant un échangeur de chaleur 22 relié à la sortie du réservoir 10, - et d'autre part un échangeur thermique 12 agencé au sein dudit réservoir 10 permet d'augmenter sensiblement le rendement du réacteur thermochimique T selon l'invention. L'invention concerne également un procédé d'utilisation d'un réacteur thermochimique selon l'invention comprenant les étapes suivantes : - extraction d'air BI par exemple d'un bâtiment pour l'alimentation de la réaction thermochimique avec le matériau contenu dans le réacteur thermochimique T. A titre illustratif, les caractéristiques de cet air BI (par exemple extrait du bâtiment) à l'entrée 24 de l'humidificateur 2 sont les suivants : température 20°C, humidité relative 50%. - humidification de l'air BI préalablement à son introduction au sein du réservoir 10 du réacteur thermochimique T, - dans le même temps, une étape de chauffage de l'air BI pour compenser la chaleur perdue lors de la vaporisation d'eau pulvérisée est effectuée durant l'étape d'humidification. A titre illustratif, l'air B2 en sortie 26 de l'humidificateur 2 connectée à l'entrée 14 dans le réservoir 10 a les caractéristiques suivantes : température 20°C, humidité relative 100%. Préférentiellement cette étape de chauffage est effectuée au moins partiellement par l'échange thermique avec l'air B3 en sortie 16 du réservoir 10 du réacteur thermochimique T (récupération de l'énergie thermique résiduelle). Bien évidemment, dans certains cas, l'air B2 en sortie 14 d'humidificateur 2 peut être à une température supérieure à la température d'entrée de l'air BI dans l'humidificateur 2, - introduction de l'air B2 au sein du réservoir 10 du réacteur thermochimique T, - réaction chimique entre la vapeur d'eau contenue dans l'air B2 introduit au sein du réservoir 10 et le matériau thermochimique 100, - dans le même temps, introduction du fluide AI à chauffer, distinct de l'air B, dans l'entrée 122 de l'échangeur thermique 12 au sein du réservoir 10, - chauffage du fluide AI par l'échangeur thermique 12 situé au sein du réservoir 10, - extraction du fluide A2 en sortie 120 de l'échangeur thermique 12, - extraction de l'air B3 en sortie 16 du réservoir 10 du réacteur thermochimique T. A titre illustratif, l'air B3 a les caractéristiques suivantes : température 40°C, humidité relative 5%, - injection de l'air B3 en sortie 16 du réservoir 10 du réacteur thermochimique T via la canalisation 18 dans l'entrée 28 de l'échangeur 22 de l'humidificateur 2 permettant le transfert de chaleur vers l'air BI entrant dans l'humidificateur 2 comme expliqué précédemment, - extraction de l'air B4 en sortie 27 de l'échangeur 22 de l'humidificateur 2. A titre illustratif, l'air B4 en sortie 27 de l'échangeur 22 a les caractéristiques suivantes : température 20°C, - à titre illustratif, le fluide AI en entrée 122 de l'échangeur thermique 12 au sein du réservoir 10 a une température de 0°C et le fluide A2 en sortie 120 de l'échangeur 12 a une température de 40°C. Il est à noter qu'il n'y a aucun transfert de matière entre le matériau thermochimique 100 (ou l'air B) et le fluide A grâce à l'échangeur thermique primaire 12 au sein du réservoir 10. L'homme du métier comprendra que le fluide A à chauffer entre dans l'échangeur 12 par l'entrée 122 pour y être chauffé et ressort par la sortie 120, sans pour autant être en contact avec le matériau thermochimique 100 ou l'air B. L'air humide B destiné à la réaction chimique proprement dite, quant à lui entre dans l'humidificateur 2 par l'entrée 24 pour augmenter son taux d'humidité (le transfert de chaleur au travers de l'échangeur 22 contrebalançant la perte de chaleur provoquée par la vaporisation de l'eau pulvérisée) ressort de l'humidificateur 2 par la sortie 26, rentre dans le réservoir 10 par l'entrée 14 pour participer à la réaction chimique, puis ressort du réservoir 10 par la sortie 16 pour circuler dans la canalisation 18 et être injecté dans l'échangeur 22 par l'entrée 28 et ressort de l'échangeur 22 par la sortie 27. REVENDICATIONS1. Réacteur thermochimique (T) comprenant : - un réservoir (10) comprenant un matériau (100) qui réagit de manière exothermique avec de l'eau, le réservoir comprenant une entrée (14) pour alimenter le matériau (100) en air (B), humide, afin d'alimenter une réaction chimique entre l'eau contenue dans l'air (B) et le matériau (100) et une sortie (16) pour évacuer l'air (B) une fois chauffé et séché par la réaction chimique au sein dudit réservoir (10), le réacteur thermochimique (T) étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un échangeur thermique (12) agencé au sein du réservoir (10) et étant destiné à chauffer un second fluide (A) distinct de l'air (B) intervenant dans la réaction chimique, avec au moins une partie de l'énergie thermique provenant de la réaction chimique afin d'extraire du réservoir (10) au moins une partie de l'énergie thermique provenant de la réaction chimique. 2. Réacteur thermochimique (T) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un humidificateur (2) destiné à augmenter le taux d'humidité de l'air (B2) entrant au sein du réservoir (10) pour l'alimentation de la réaction chimique. 3. Réacteur thermochimique (T) selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'humidificateur (2) comprend en outre un moyen de chauffage (22) de l'air (BI) entrant au sein de l'humidificateur (2). 4. Réacteur thermochimique (T) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de chauffage (22) de l'air entrant au sein de l'humidificateur (2) comprend un échangeur d'énergie thermique (22) entre l'air (BI) entrant au sein de l'humidificateur (2) et l'air (B3) sortant du réservoir (10). 5. Réacteur thermochimique (T) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le matériau thermochimique (100) contenu dans le réservoir (10) comprend une Zéolite et/ou du MgSO4. 6. Réacteur thermochimique (T) selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le matériau thermochimique (100) se présente sous la forme de billes de diamètre entre 1 et 10 mm, mais de préférence de l'ordre de 2mm. 10 7. Bâtiment (M) caractérisé en qu'il comprend un réacteur thermochimique (T) selon l'une des revendications 2 à 6, le bâtiment (M) comprenant des moyens d'extraction d'air permettant d'alimenter l'humidificateur (2) en entrée du réservoir (10) du réacteur 15 thermochimique (1) en air (B) pour l'alimentation de la réaction chimique et un moyen de circulation destiné à la circulation du fluide (A2) en sortie de l'échangeur (12) agencé au sein du sein du réservoir (10). 20 8. Procédé d'utilisation d'un réacteur thermochimique, le réacteur thermochimique comprenant un réservoir (10) au sein duquel une réaction thermochimique a lieu, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) introduction d'air (B2) pour l'alimentation de la réaction avec le 25 matériau thermochimique contenu dans le réservoir (10) du réacteur thermochimique (T), b) introduction d'un fluide (AI) à chauffer distinct de l'air (B) pour l'alimentation du réacteur thermochimique (1) dans un échangeur (12) agencé au sein du réservoir (10), 30 c) chauffage du fluide (AI) à chauffer par l'échangeur thermique (12) agencé au sein du réservoir (10), d) extraction du fluide (A2) en sortie de l'échangeur thermique (12), e) extraction de l'air (B3) en sortie du réservoir (10).5 9. Procédé d'utilisation d'un réacteur thermochimique (T) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comprend l'étape suivante : - humidification de l'air (BI) pour l'alimentation de la réaction chimique préalablement à son introduction au sein du réservoir (10) du réacteur thermochimique (T). 10. Procédé d'utilisation d'un réacteur thermochimique selon la revendication précédente caractérisé en qu'une étape de chauffage de l'air (BI) pour l'alimentation de la réaction chimique (1) est effectuée durant l'étape d'humidification. 11 Procédé d'utilisation d'un réacteur thermochimique (T) selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'étape de chauffage de l'air (BI) pour l'alimentation de la réaction chimique durant l'étape d'humidification est effectuée au moins partiellement par échange thermique avec l'air (B3) ayant alimenté la réaction chimique (16) repris en du réservoir (10).20