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Title:
HEAT EXCHANGE DEVICE USABLE AS A SOLAR REFRIGERATOR WITH INTERMITTENT ABSORPTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1986/000691
Kind Code:
A1
Abstract:
The heat exchange device, particularly usable as a refrigerator actuated by means of the solar energy by intermittent absorption comprises, mounted on a frame, an absorber generator (1), a condensor (2) and an evaporator (3a), the absorber generator (1) is provided with at least one absorber generator element comprised of a focusing system (5b) for focusing the solar rays according to a focal straight line, said system cooperating with a hollow tubular element (6) of which the axis coincides with said focal straight line, and which encloses a gas supply arrangement, said hollow tubular element (6) being filled with an absorbing substance susceptible of creating with the gas a performing refrigerating couple. There is provided a 3-way differential valve intended to provide for a self-contained operation.

Inventors:
FLECHON JEAN (FR)
GODMEL GERVAIS (FR)
Application Number:
PCT/FR1985/000181
Publication Date:
January 30, 1986
Filing Date:
July 02, 1985
Export Citation:
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Assignee:
UNIV NANCY (FR)
International Classes:
F24S23/74; F25B17/08; F25B27/00; (IPC1-7): F25B27/00; F25B17/08
Foreign References:
FR2501347A11982-09-10
US3270512A1966-09-06
FR1134385A1957-04-10
US2253907A1941-08-26
DE2739514A11979-03-08
FR2377589A11978-08-11
GB436402A1935-10-10
FR2471562A11981-06-19
Other References:
Revue de Physique Appliquee, Vol. 17, September 1982, pages 577-584 FLECHON et al.: "Emploi de Capteurs Solaires Cylindro-Paraboliques pour la Refrigeration dans les Zones Tropicales", see the whole document (cited in the application)
Revue de Physique Appliquee, Vol. 14, January 1979, pages 97-105 FLECHON et al.: "Recherche d'un Couple Frigorigene Adapte a la Refrigeration Solaire en Zone Tropicale", see the whole document (cited in the application)
Revue Pratique du Froid, Vol. 12, May 1956, pages 33-36 GHILARDI et al.: "Le Refrigerateur Solaire", see the whole document
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Dispositif d'échange thermique, notamment utilisable comme réfrigérateur actionné au moyen de l'énergie solaire par absorption intermittente, 5 ce dispositif comportant, montés sur un bâti, un générateur absorbeur, un condenseur et un évapora¬ teur, le générateur absorbeur comportant au moins un élément générateur absorbeur constitué par un système de focalisation des rayons solaires selon 10 une droite focale, ce système coopérant avec un élément tubulaire creux dont l'axe coïncide avec ladite droite focale, et qui renferme un agence¬ ment d'amenée du gaz (8), cet élément tubulaire creux étant chargé avec une substa'nce absorbante 15 susceptible de créer avec le gaz un couple frigo¬ rigène performant, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'est prévu un clapet différentiel à trois voies III (générateurévaporateur (3a) condenseur (2) évaporateur (3a)), ce clapet qui est disposé 20 dans la cuve isolante (3) de 1 ' évaporateur (3a), et étant normalement fermé lorsque la pression du condenseur (2) est sensiblement la même qu'au générateur, mais s'ouvrant lorsque la différence de pression entre le condenseur (2) et le généra 25 teur se situe dans une plage prédéterminée, par exemple de 4 x 10 à 5 x 10 Pa.
2. Dispositif selon la revendication 1, carac¬ térisé en ce que le clapet différentiel comporte une membrane (13), qui sous l'action de la pres 30 sion régnant dans le générateur, agit à l'encontre d'un ressort (14) pour fermer le passage entre le condenseur (2) et 1 ' évaporateur (3a).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le clapet différentiel corn porte à sa partie inférieure un détendeur qui accroit l'effet réfrigérant au moment du passage du liquide frigorigène.
4. Dispositif selon la revendication 1, carac térisé en ce que le système de focalisation est constitué par un miroir cylindroparabolique (5b) recouvert par une vitre (5d) destinée à.ajouter l'effet de serre à la focalisation.
5. Dispositif selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que l'agent d'amenée de gaz est un élément tubulaire creux (8) monté coaxialement à l'intérieur de l'élément tubulaire chargé (6) et comportant un certain nombre de trous traver¬ sants ( 12) .
6. Dispositif selon l'une quelconque des reven¬ dications 1 à 5, caractérisé en ce que, entre les deux éléments tubulaires coaxiaux (6, 8) est prévu un treillis (15) de largeur de maille appropriée pour s'opposer au passage de la substance absor bante renfermée dans l'élément tubulaire (6).
7. Dispositif selon l'une quelconque des reven¬ dications 1 à 6, caractérisé en te que le couple , frigorigène est constitué par un halogénure de métal alcalinoterreux, par exemple du chlorure de calcium, et du gaz ammoniac.
8. Dispositif selon l'une quelconque des reven¬ dications 1 à 7, caractérisé en ce que les élé¬ ments constitutifs (5b, 6) du générateur absorbeur sont montés sur le plan supérieur du bâti, ce plan supérieur présentant par rapport au plan horizon¬ tal dudit bâti, un angle d'inclinaison o^ égal en degrés à la latitude du lieu de fonctionnement du dispositif thermique, les bacs (5a) porteurs des miroirs (5b) étant montés de façon à pouvoir à pouvoir être pivotes de _+ 25° par rapport à o< .
9. Dispositif selon l'une quelconque des reven¬ dications 1 à 8, caractérisé en ce que, entre le « générateur et le condenseur, est monté un clapet . de non retour I agencé de façon à permettre, lors de 1' échauffement du sel qui dissocie les ammonia¬ cates, le passage du gaz comprimé dans le généra¬ teur 1 vers le condenseur 2, et interdire sa réab¬ sorption directe par le sel durant 1' évaporation nocturne.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'entre l' évaporateur et le générateur est monté un clapet de non retour II qui isole 1 ' évaporateur (3a) du générateur (1) durant la phase diurne afin que le gaz libéré du générateur ne vienne pas se con¬ denser directement dans 1 ' évaporateur (3a) et l'échauffer, ce clapet II s'ouvrant la nuit pour permettre le passage vers le générateur (1) du gaz aspiré par le sel partiellement dissocié, le blocage à la pression pouvant atteindre 30 bars (3 MPa), tandis que le passage à la dépression est négligeable.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est prévu, entre le condenseur (2) et l'évapora teur (3a), un réservoir tampon (4) destiné à assurer le refroidissement du liquide frigorigène.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'élément unité du générateur est un module formé de deux tubes focaux associés à un même bac con¬ centrateur, cette définition permettant une exten¬ sion indéfinie de la surface captante.
13. Application du dispositif selon l'une quel¬ conque des revendications 1 à 12, comme appareil de climatisation.
14. Application du dispositif selon l'une quel¬ conque des revendications 1 à 12, comme pompe à chaleur.
15. Application du dispositif selon l'une quel¬ conque des revendications 1 à 12, comme appareil de fabrication de glace.
Description:
".DISPOSITIF D'ECHANGE THERMIQUE, UTILISABLE COMME REFRIGERATEUR SOLAIRE A ABSORPTION INTERMITTENTE."

La présente invention a pour objet un disposi¬ tif d'échange thermique, notamment utilisable comme réfrigérateur solaire à absorption intermittente,' et plus particulièrement destiné aux pays tropicaux privés de toute énergie autre que l'énergie solaire. En effet, les besoins en froid des zones tropicales déshéritées sont essentiels pour assurer la survie de leurs occupants. La conservation des denrées périssables, en particulier des viandes et des vaccins ne peut être assurée sans réfrigération. Or ces contrées appartiennent généralement à des pays pauvres et sont privées de toute ressource énergétique autre que le soleil.

Jusqu'à présent de nombreuses études ont été entreprises afin de permettre d'utiliser l'énergie solaire pour actionner des machines frigorifiques . On peut citer par exemple la demande de brevet français 2 501 347, le brevet français 1 134 385 et le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 270 512, comme illustration de la technique antérieure. En particulier, en laboratoire, de nombreuses expé¬ riences ont été mises en oeuvre afin de déterminer le couple frigorigène qui permettrait d'obtenir les meilleurs rendements, voir par exemple l'arti- cle de Fléchon et al. dans la Revue de Physique

Appliquée, volume 14, janvier 1979, pages 97-105. De nombreux problèmes se sont posés notamment au niveau des fonctionnements diurne et nocturne de réfrigérateurs de ce type, et les expériences de laboratoire ne se sont pas traduites par des réali¬ sations industrielles fiables. En outre, les réali¬ sations indu-îtrielles hypothétiques se seraient heurtées au prix de revient important des disposi-

tifs annexes destinés notamment à donner au géné¬ rateur absorbeur la position sensiblement la plus avantageuse par rapport au mouvement du soleil. A la suite de recherches particulièrement éten- dues dans le domaine de l'utilisation de l'énergie solaire, la Demanderesse a mis au point un réfri¬ gérateur solaire à absorption intermittente obviant aux inconvénients des réfrigérateurs solaires de l'art antérieur. Un objet de la présente invention est de four¬ nir un réfrigérateur solaire susceptible de fonc¬ tionner de façon autonome avec un cycle de réfri¬ gération de 24 heures sans aucune autre source d'énergie que l'énergie solaire. Un autre objet de la présente invention est d'éviter que se produise dans le circuit de réfri¬ gération, une remontée en température accidentelle dans la cuve isolante, et ce sans mettre en oeuvre d'échangeur particulièrement sophistiqué, mais seulement un condenseur refroidi par l'air ambiant. Encore un autre objet de la présente invention est de réaliser un réfrigérateur solaire de concep¬ tion à la fois simple et robuste, sans avoir à utiliser de pièces mobiles ni d'eau, évitant ainsi la corrosion intérieure, tout en évitant des inter¬ ventions trop fréquentes de l'usager pour le réglage de l'appareil, ce réfrigérateur solaire pouvant être fabriqué à un prix de revient très compétitif . La présente invention a donc pour objet un dispositif d'échange thermique, notamment utili¬ sable comme réfrigérateur actionné au moyen .de l'énergie solaire par absorption intermittente, ce dispositif comportant, montés sur un bâti, un

générateur absorbeur, un condenseur et un évapora¬ teur, le générateur absorbeur comportant au moins un élément générateur absorbeur constitué par un système de focalisation des rayons solaires selon une droite focale, ce système coopérant avec un élément tubulaire creux dont l'axe coïncide avec ladite droite focale, et qui renferme un agence¬ ment d'amenée du gaz (8), cet élément tubulaire creux étant chargé avec une substance absorbante susceptible de créer avec le gaz un couple frigo- rigène performant, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'est prévu un clapet différentiel à trois voies (générateur-évaporateur, condenseur-évapora- teur), ce clapet qui est disposé dans la cuve iso- lante de 1 ' évaporateur, et étant normalement fermé lorsque la pression du condenseur est sensiblement la même qu'au générateur, mais s'ouvrant lorsque la différence de pression entre le condenseur et le générateur se situe dans une plage prédétermi- née, par exemple de 4 x 10 5 à 5 x 105 Pa.

L'invention est en outre remarquable par les points suivants : le clapet différentiel comporte à sa partie inférieure un détendeur qui accroit l'effet réfrigérant au moment du passage du liqui- de frigorigène ; le système de focalisation est constitué par un miroir cylindroparabolique recou¬ vert par une vitre destinée à ajouter l'effet de serre à la focalisation ; l'agencement d'amenée du gaz est un élément tubulaire creux monté coaxia- le ent dans l'élément tubulaire renfermant la substance absorbante, et comportant un certain nombre de trous traversants ; périphérique ent à l'élément tubulaire interne, est prévu un treil¬ lis présentant une largeur de maille appropriée

pour s'opposer au passage de la substance absor¬ bante ; le couple frigorigène est constitué .par un halogénure de métal alcalino-terreux, de préfé¬ rence du chlorure de calcium, et du gaz ammoniac ; les éléments constitutifs du générateur absorbeur sont montés sur le plan supérieur du bâti, ce plan supérieur présentant par rapport au plan horizon¬ tal du sol une inclinaison égale en degrés à la latitude du lieu de positionnement du dispositif thermique ; entre le générateur et le condenseur est monté un clapet de non retour, entre l'évapo- rateur et le générateur est monté un clapet de non retour ; un réservoir tampon est monté entre le condenseur et 1' évaporateur en aval du clapet à trois voies.

D'autres avantages et caractéristiques de l'in¬ vention apparaîtront à la lecture de la descrip¬ tion suivante d'une forme de réalisation non limi¬ tative de réfrigérateur solaire à absorption inter- mittente, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- Fig. 1 est une vue partielle en perspective, partiellement arrachée, du réfrigérateur solaire de l'invention ; - Fig. 2 est une vue en perspective d'un élé¬ ment générateur-absorbeur constitutif du réfrigé¬ rateur solaire de l'invention ;

- Fig. 3 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un organe constitutif du générateur-absor- beur ;

- Fig. 4 est un schéma synoptique du réfrigéra¬ teur solaire de l'invention ; et

- Fig. 5 est une vue en élévation partiellement arrachée en coupe longitudinale axiale d'un clapet

à trois voies utilisé selon l'invention.

En se référant aux dessins, on voit que le générateur 1 est constitué d'un certain nombre d'éléments générateurs-absorbeurs , chacun d'entre eux étant constitué par un élément de focalisation 5 constitué par un boîtier ou bac 5a_ à l'intérieur duquel est monté un miroir cylindroparabolique 5b recouvert par une vitre 5d destinée à ajouter l'effet de serre à la focalisation. Dans l'axe e la droite focale du miroir cylindroparabolique 5b, on a prévu des saignées verticales 5c. Ces saignées 5c étant destin'ées à recevoir un élément tubulaire absorbeur 6, qui se trouvera ainsi cen¬ tré coaxiale ent à la droite focale du miroir cylindroparabolique 5b.

On remarquera plus particulièrement sur la figure 2 que les éléments 6 sont couplés par pai¬ res à un système d'amenée du gaz ammoniac, de façon à former un système de tube quadrangulaire, les éléments 6 étant disposés symétriquement et parallèlement à un tube central 7.

Comme représenté sur la figure 3, chaque élément générateur-absorbeur 6 comporte coaxialement un tube 8 dont les extrémités 8a, 8b viennent s'emman- cher coaxialement dans les prolongements des rac¬ cordements tubulaires 9 soudés à l'élément 6. Des joints 10a, 10b sont prévus pour garantir l'étan- chéité au niveau du raccordement de l'élément tubulaire 8 et du tuyau 9. L'élément tubulaire interne 8 est centré à l'intérieur de l'élément tubulaire 6 par l'intermédiaire d'au moins une patte 11, et comporte un certain nombre de trous

- traversants 12. Autour de l'élément 8 est égale¬ ment prévu un treillis 15 présentant une dimension

de maille permettant le passage du gaz amr._oniac tout en empêchant que les grains de surface absor¬ bante contenus dans l'élément 6 ne viennent au contact de l'élément 8 pour boucher les trous 12. De préférence, les éléments 6, 8 et 9 sont constitués par des tubes en acier, la face exté¬ rieure de l'élément 6 étant recouverte d'un revê¬ tement sélectif constitué par des feuilles de recouvrement en un matériau approprié pour son absorption actinique, ou bien obtenu par un trai¬ tement de surface approprié des éléments tubulai- res 6.

Par miroir cylindroparabolique 5b, on entend des miroirs courbes de section parabolique défi- nissant une surface parabolique ayant pour foyer une droite. Chaque miroir 5a est protégé par une vitre 5b et peut être tourné, de plus ou moins 23°autour de l'axe commun fixe. Des butées de limitation de rotation, non représentées aux des- sins, sont disposées sur le bâti de façon à limi¬ ter la rotation desdits ensembles de miroirs cylin- dropâraboliques . Les ensembles 5, 6 sont disposés sur le plan supérieur d'un bâti, ce plan supérieur faisant avec le plan horizontal du bâti un angle d 'inclinaison c. égal en degrés à la latitude du lieu de fonctionnement du dispositif thermique, les bacs 5a étant montés de façon à pouvoir être pivotes de _+ 25° par rapport à o . .

Le condenseur 2 est constitué par des tubes d'acier à ailettes 2a et raccordé en aval à un réservoir tampon 4 en acier qui est lui-même rac¬ cordé à un évaporateur 3a disposé dans une cuve isolante 3, et constitué d'un assemblage de tubes en acier. Selon une forme de réalisation avanta-

geuse de l'invention, on dispose au-dessus de cet évaporateur 3a' et en contact avec lui un réservoir de stockage de froid, non représenté aux dessins, et constitué avantageusement par une enceinte sou-

5 pie à l'intérieur de laquelle on a chargé un mélange eutectique, par exemple de l-'antigel, ce réservoir pouvant être remplacé par des comparti¬ ments plein d'eau si l'on désire simplement obte¬ nir des pains de glace.

]_0 Le dispositif thermique selon la présente inven¬ tion comporte également un agencement de vannes ou clapets destiné à lui assurer l'autonomie de fonctionnement. Cet agencement est avantageusement constitué de trois clapets automatiques I, II, l ~ III, fonctionnant uniquement sous l'influence de la pression du gaz ammoniac, et le contraignant à circuler pendant des périodes parfaitement défi¬ nies en fonction du temps et des paramètres exté¬ rieurs, toujours dans le même sens.

20 Le clapet I qui est monté entre le générateur et le condenseur, permet, lors de 1 ' échauffement du sel qui dissocie 1 ' a moniacate , le passage du gaz comprimé vers le condenseur et interdit sa réabsorption directe par le sel durant l'évapora-

25 tion nocturne.

Le clapet II, monté entre 1 ' évaporateur et le générateur, isole 1 ' évaporateur 3a du générateur 2 pendant la phase diurne afin que le gaz libéré au générateur 1 ne vienne pas se condenser direc-

3Q te ent dans 1 ' évaporateur 3a_ et l'échauffer, ce qui rendrait impossible la conservation de pro¬ duits ou denrées périssables. Ce clapet II s'ouvre la nuit à la suite de la dépression régnant dans le générateur 1 et permet ainsi le ' passage du gaz

aspiré par le sel partiellement dissocié, le blo¬ cage à la pression pouvant atteindre 30 bars (3 MPa), tandis que le passage à la dépression est négligeable. Le condenseur 2 , 1 ' évaporateur 3a_ et le géné¬ rateur 1 sont réunis par une vanne ou clapet diffé¬ rentiel à trois voies III, ce clapet fait office άe système bloqueur.de gaz et simultanément filtre le liquide. Ce clapet, représenté sur la figure 5, est normalement fermé lorsque la pression P2 au condenseur est sensiblement la même que la pression PI au générateur, et comporte à sa partie inférieure un détendeur, par exemple un capillaire dont le rôle est d'obtenir du froid par détente supplémentaire du liquide lorsqu'en fin de journée l'ammoniac va passer du réservoir tampon à 1 ' éva¬ porateur. Il s'ouvre lorsque la différence de pression entre le condenseur et 1 ' évaporateur est de l'ordre de 4 à 5 bars, ceci dans un double but, d'assurer, d'une part, une bonne fermeture lorsque les pressions sont voisines , et, d'autre part de réaliser une détente à l'ouverture. Le soir, après un cycle de fonctionnement, la pression PI au géné¬ rateur est inférieure à la pression P2 au conden- seur et le passage de liquide est prévu vers 1 ' évaporateur 2a selon les flèches FI, F2. La journée, lorsque la pression PI au générateur est supérieure à la pression P2 à 1 ' évaporateur, cette pression de gaz PI vient solliciter la membrane 13 du clapet à trois voies III et à l'encontre de l'action du ressort 14 vient fermer le passage du liquide selon FI, F2. Cette vanne permet à l'appareil de fonctionner en continu, malgré cer¬ taines intermittences du rayonnement solaire,

auquel cas le condenseur 2 ne contiendra plus que du gaz qui, sans la présence de cette vanne III irait, par l'intermédiaire du condenseur 2, se condenser dans 1 ' évaporateur 3a en le réchauffant suivant le principe de Watt ou de la paroi froide le condenseur ne jouant plus son rôle.

Bien que des couples frigorigènes à base d'un * halogénure de métal alcalino-terreux et d'ammoniac puissent être utilisés dans le dispositif ther i- que de réfrigération selon l'invention, une des originalités de l'invention consiste à mettre en oeuvre un couple frigorigène Ca-Cl_ , NH., qui a déjà eu un certain essort à l'échelon industriel, mais dont le mode d'utilisation, qui tire l'éner- gie nécessaire à la dissociation des ammoniacates générés par ledit couple frigorigène, est réalisé uniquement par rayonnement solaire.

Les avantages de ce couple frigorigène du point de vue absorption chimique sont certains du fait, d'une part, qu'il n'existe pas de tension de vapeur de solide, et d'autre part, que le gaz ammoniac présente une forte chaleur latente de vaporisation L = 301,52 Kcal/kg à 0 ° et une température critique très basse, θ ≈ 132,4°C si on la compare à celle de l'eau.

On obtient ainsi selon l'invention, dans une enceinte isolée de volume utile pouvant varier de 50 litres à quelques mètres cubes, une tempé¬ rature comprise entre -3°C et +* 8°C, c'est-à-dire conforme à la norme OMS de conservation des vac¬ cins, et ce dans une ambiance diurne extérieure d'environ 43° pour une température nocturne de 30°C, grâce à la coopération entre des éléments générateur-absorbeur disposés à l'intérieur de

miroirs cylindroparaboliques , coaxialement avec la droite focale de ces derniers, et d'un disposi¬ tif permettant un contrôle de l'écoulement entre le condenseur et 1 ' évaporateur, grâce au montage entre ces derniers d'une vanne ou clapet diffé¬ rentiel à trois voies.

Il est ainsi clair que l'invention " n'est nulle¬ ment limitée à cette forme de réalisation.

L'élément unité du générateur peut être, par exemple, un module formé de deux tubes focaux associés à un même bac concentrateur.

En effet, la réalisation du générateur sous forme modulaire se prête à des extensions indéfi¬ nies dont la surface peut varier de quelques mètres carrés à quelques dizaines de mètres carrés sans que soit modifiée la chaîne suivante : con- denseur-évaporateur sinon dans ses dimensions et ses possibilités. En particulier, une clima¬ tisation domestique est envisageable en dégageant 1' évaporateur de la cuve isolante.

Outre les applications de la machine thermique solaire de l'invention comme réfrigérateur et climatiseur, elle peut être utilisée également la nuit comme pompe de chaleur dans les zones désertiques en raison de la température relative¬ ment élevée (70°C environ) du couple frigorigène durant l'absorption nocturne. Enfin, une présenta¬ tion simplifiée du montage peut être utilisée pour la fabrication de glace sans souci particulier de conservation alimentaire.