Art antérieur Le schéma de principe d'une frigopompe utilisant comme frigorigène un mélange eau-bromure de lithium est donné à la figure 1.

Le fonctionnement d'une telle frigopompe repose sur deux opérations distinctes. La première consiste à séparer (par un séparateur 12) les deux constituants du mélange frigorigène 10 constitué par une solution diluée de bromure de lithium pour obtenir d'une part une solution concentrée (le concentrat 14) de bromure de lithium et d'autre part de 1'eau (un solvant pur 16), cette séparation étant réalisée grâce à la dégradation d'un flux de chaleur entre une source à haute température 18 (par exemple une flamme de combustion à plus de 1000°C) et un puits de chaleur 20 (constitué par exemple par un environnement ambiant à 30°C). La seconde opération consiste ensuite à remélanger les constituants séparés (dans un mélangeur 22) pour reformer le mélange frigorigène initial 10 (le diluat), à partir de la ré-évaporation du solvant par pompage de chaleur d'un fluide frigoporteur (constitué par exemple d'eau glycolée ou tout autre liquide à bas point de congélation) d'un système de climatisation 24 et de la condensation puis du mélange de la vapeur ainsi obtenue à la solution concentrée 14, ce mélange libérant une chaleur de condensation-absorption à un niveau thermique supérieur à celui de 1'environnement ambiant 20.

Les frigopompes à eau-bromure de lithium commercialisées actuellement comportent presque toutes, au niveau du séparateur, deux étages de désorption-condensation (d'où leur appellation de frigopompes à deux effets) effectuant chacun une opération de vaporisation-condensation thermique et admettant une température maximale d'environ 150°C. Cette valeur maximale s'explique par le fait, qu'au delà de cette température, tous les métaux se corrodent en présence d'une telle solution aqueuse de bromure

de lithium. La demanderesse a montré dans sa demande de brevet français n'9612388 qu'il est possible d'améliorer les performances de ces frigopompes notamment par l'adjonction, selon une structure particulière, d'un troisième ou d'un quatrième effet.

Dans les frigopompes de fortes puissances, c'est à dire de quelques centaines à quelques milliers de kW, la source à haute température nécessaire à la dissociation des constituants du fluide frigorigène est en général séparée des séparateur et mélangeur qui forment le corps de la frigopompe proprement dit. Il peut s'agir d'une chaudière indépendante produisant un fluide chaud comme de la vapeur d'eau surchauffée ou encore plus simplement d'une liaison directe avec un réseau externe de production de chaleur. A titre d'exemple, le modèle ABSC commercialisé par la société TRANE est une illustration de ce type de frigopompe.

Définition et objet de l'invention La présente invention se propose par l'adjonction aux frigopompes existantes à source de chaleur séparée d'un dispositif de production simultanée de chaleur et de froid (que les inventeurs ont dénommé thermo- frigopompe) d'améliorer les possibilités techniques des frigopompes actuelles et notamment d'augmenter leur coefficient de performance COP (rapport de la puissance réfrigérante du système de climatisation à la puissance chauffante de combustion). Un autre but de l'invention est de permettre à 1'ensemble complexe ainsi créé de produire, en complément de la source de froid de climatisation et simultanément, une source de chaleur exploitable par l'utilisateur.

Ces buts sont atteints par un dispositif de production simultanée de chaleur et de froid destiné à tre couplé à une frigopompe de refroidissement d'un fluide frigoporteur alimentant un système de climatisation d'un bâtiment et comportant d'une part un séparateur destiné à séparer par évaporation et condensation les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un premier fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur destiné à reformer par évaporation et absorption ce premier fluide frigorigène, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte d'une part une chaudière-séparateur comportant une chambre de combustion destinée à tre reliée à la frigopompe pour chauffer le premier fluide frigorigène en vue de la séparation de ses constituants et un désorber, ou concentrateur, pour

séparer sous 1'effet de la chaleur dégagée par la la chambre de combustion les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un second fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur pour reformer, par absorption du constituant volatil issu d'un condenseur de chauffage du séparateur de la frigopompe, ce second fluide frigorigène.

Ainsi, par ce dispositif il devient possible, sans les remplacer, d'améliorer les performances de tous les types de frigopompe actuels. Il est seulement exigé de celles-ci qu'elles disposent d'une source de chaleur séparée.

Plus particulièrement, le mélangeur peut comporter une enceinte munie d'une part d'un premier circuit de circulation relié au système de climatisation pour faire circuler le fluide frigoporteur et d'autre part d'un second circuit de circulation relié à un dispositif de refroidissement pour faire circuler un fluide caloporteur chaud.

Le désorber de la chaudière-séparateur comporte un conduit d'entrée du second fluide frigorigène dilué relié à un conduit de sortie du mélangeur au travers d'un premier échangeur et un conduit de sortie du second fluide frigorigène concentré relié à un conduit d'entrée du mélangeur au travers d'un second échangeur. De mme, le mélangeur comporte un autre conduit d'entrée relié à une sortie du condenseur de chauffage du séparateur de la frigopompe délivrant ledit constituant volatil au travers d'un troisième échangeur. II est ainsi assuré par ces échangeurs un meilleur contrôle de la température du fluide frigorigène entré dans le désorber et le mélangeur.

Avantageusement, les premier et second fluides frigorigènes sont des mélanges d'eau et de bromure de lithium et le fluide frigoporteur est un liquide à bas seuil de congélation tel que de 1'eau glycolée.

Dans un mode de réalisation particulier, la chaudière-séparateur comporte une chambre de combustion à brûleur entourée par une première enceinte faisant fonction de désorber et recevant le second fluide frigorigène dilué et délivrant d'une part le second fluide frigorigène concentré et d'autre part de la vapeur d'eau surchauffée. La paroi de la première enceinte séparant le désorber de la chambre de combustion de la chaudière-séparateur est formée par une paroi en graphite imprégné de résine. De préférence, cette paroi en graphite, en contact direct avec la flamme de combustion, est recouverte d'une mince feuille d'un métal

réfractaire. Il est ainsi possible d'obtenir dans la chaudière-séparateur une production de vapeur à très haute température (supérieure à 250'C) sans risquer une détérioration de celle-ci. Cette température maximale peut encore tre augmentée en recourant pour le désorber de la chaudière à une structure monobloc en graphite.

L'invention concerne également l'ensemble formé par le dispositif de production simultanée de chaleur et de froid couplé à une frigopompe du type existant à un ou deux effets.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 montre un schéma de principe d'une frigopompe, -la figure 2 est un exemple de réalisation d'un dispositif de production simultané de chaleur et de froid selon l'invention couplé à une frigopompe existante, -la figure 3 visualise les différents échanges thermiques existant au sein de 1'ensemble de la figure 2, -la figure 4 montre la structure de la chaudière-séparateur du dispositif de la figure 2, et -la figure 5 est un exemple de réalisation d'une frigopompe à chaudière séparée de l'art antérieur.

Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel II est fait tout d'abord référence à la figure 5 qui illustre de façon fonctionnelle une structure de frigopompe à deux étages de désorption- condensation, dite à deux effets, de l'art antérieur conforme au principe de fonctionnement énoncé en préambule.

La chaudière 26 se présente avec sa chambre de combustion 28 comme une chaudière classique de production d'eau chaude surchauffée ou de vapeur pour un réseau de chauffage central de bâtiment. Elle est reliée à un séparateur 32 comportant deux étages de désorption-condensation et parcouru par une eau de réfrigération (ayant un rôle de fluide caloporteur chaud) qui provient directement d'un aéro-réfrigérant 38 et y retourne après avoir acquis un niveau thermique supérieur (par exemple de 35*C à 40*C).

Les deux étages de désorption-condensation servent à régénérer une solution diluée d'un fluide frigorigène (le diluat) de mme concentration introduite en parallèle dans chacun de ces deux étages. Cette régénération est réalisée par vaporisation du diluat sous 1'effet de la chaleur émise par la chambre de combustion 28. Le solvant pur (avantageusement de 1'eau) qui s'en évapore va se condenser et la solution concentrée (le concentrat de bromure de lithium) ainsi que le solvant chaud qui en résulte seront ensuite recueillis séparément et seront dirigés vers un mélangeur 34 au travers d'échangeurs statiques 36, lesquels réchauffent à leur tour la solution diluée introduite à contre-courant dans ces échangeurs. Le mélangeur 34 qui fait fonction d'évaporateur-absorbeur reçoit d'une part le solvant pur qui va subir une évaporation sous 1'effet de la circulation d'un fluide caloporteur froid traversant le système de climatisation 40 et d'autre part la solution concentrée qui va se diluer au contact du solvant provenant de cette évaporation. Le mélangeur est en outre parcouru par le fluide caloporteur chaud qui provient directement de l'aéro-réfrigérant 38 et y retourne après avoir acquis également un niveau thermique supérieur (de 35*C à 40'C comme indiqué précédemment).

Il doit tre noté que 1'ensemble séparateur-mélangeur-échangeurs qui forme le corps de la frigopompe 30 est parfois séparé de la chambre de combustion 26. Il en est ainsi notamment pour les frigopompes de forte puissance (à partir de 100 kW) objet de l'invention où l'apport de chaleur (au point a) peut notamment résulter d'un réseau de production externe. Lorsque le chauffage du séparateur est effectué au moyen de vapeur d'eau surchauffée, il se crée un phénomène de condensation sur la paroi externe du désorber (dit le deuxième effet dans le cas d'une frigopompe à deux effets) et il est alors possible de collecter le liquide de condensation qui en résulte pour le diriger éventuellement vers un des échangeurs 36.

En supposant que que la chute de température à travers les parois du séparateur est de 5*C et en adoptant un titre de bromure de lithium de xc = 0.62 dans le concentrat et de xd = 0.58 dans le diluat, on peut montrer que la température de la paroi du désorber de deuxième effet chauffée directement par la chambre de combustion atteint avec ce type de frigopompe de l'art antérieur une valeur de 140-C-155*C. Cette température maximale admissible limitant sérieusement les performances de la frigopompe, on comprendra que son utilisateur n'avait d'autre recours,

jusqu'au dépôt de la présente demande, que de la remplacer par une frigopompe du type de celle décrit dans la demande du titulaire n*96 12388 précitée s'il souhaitait obtenir des performances supérieures (notamment en matière de bilans thermiques).

Avec l'invention, il est proposé à tout utilisateur de frigopompes existantes, sous réserve qu'elle soit du type à source de chaleur séparée, de lui permettre d'en augmenter les performances (et aussi de lui adjoindre des fonctionnalités nouvelles) sans avoir à s'en dessaisir et donc sans lui imposer l'achat d'une nouvelle frigopompe.

La figure 2 montre un exemple de réalisation d'un dispositif 42 de production simultanée de chaleur et de froid selon l'invention couplé avec une frigopompe à deux effets existante et destiné à en augmenter les performances. Bien entendu, la mise en oeuvre de ce dispositif n'est pas limitée aux seules frigopompes à deux effets (dans la mesure où elles comportent évidemment une chaudière séparée), et il peut très bien tre couplé à des frigopompes à un ou trois effets (plus généralement à n effets).

On reconnait bien évidemment la structure de la frigopompe existante, à laquelle est maintenant couplé le dispositif selon l'invention, avec son corps 30 comportant le séparateur 32, le mélangeur 34 et les échangeurs 36, son aéro-réfrigérant 38 et le climatiseur 40. Seule la chaudière 26 qui était reliée, au point au corps de la frigopompe 30 et assurait le chauffage du séparateur fait maintenant défaut. Selon le type de chauffage adopté pour le séparateur (par flamme directe, par vapeur surchauffée, par circulation de liquide chaud) la frigopompe existante comporte ou non un dispositif collecteur de liquide de condensation au niveau de la paroi externe de ce séparateur (au point e en sortie d'un condenseur 52).

Selon l'invention, le dispositif 42 comporte une chaudière-séparateur 44 qui peut se présenter comme une chaudière classique de production d'eau chaude à partir d'un combustible 46, avec une chambre de combustion 48 et un désorber 50 (connu aussi sous le nom de concentrateur) servant à régénérer un fluide frigorigène qui est introduit initialement sous une forme diluée (le diluat) au niveau d'une entrée diluat 50a (par exemple située dans une partie supérieure de ce désorber) et ressort sous une forme concentrée au niveau d'une sortie concentrat 50b du désorber (par exemple située dans sa partie inférieure). Cette chaudière-séparateur est reliée au corps de la

frigopompe 30 au point a de liaison et assure par la vapeur d'eau surchauffée issue du désorber la fonction de chauffage initialement dévolue à la chambre de combustion 28.

Le dispositif 42 comporte en outre un mélangeur 54 identique au mélangeur 34 de la frigopompe existante et muni d'une cellule de vaporisation-absorption pouvant se présenter avantageusement sous la forme d'une enceinte recevant au niveau de son absorbeur le concentrat en provenance du désorber 50 et au niveau de son évaporateur un solvant chaud venant avantageusement de la condensation de la vapeur d'eau sur la paroi externe du désorber et matérialisé par le condenseur de chauffage 52 du séparateur 32 du corps de la frigopompe 30. L'évaporation du solvant va entraîner en sortie de l'absorbeur la reformation du diluat qui sera retourné au désorber 50. Le prélèvement du solvant (avantageusement de 1'eau de condensation à haute température issue de la vapeur d'eau servant à chauffer le désorber du deuxième effet du séparateur) est effectué sans difficulté au niveau de la frigopompe 30, en un point e, au moyen du dispositif collecteur.

L'enceinte 54 est parcourue, au niveau d'un premier élément d'échange (non représenté), par le fluide caloporteur froid (dit aussi fluide frigoporteur) traversant le système de climatisation (qui peut tre le climatiseur 40) et, au niveau d'un second élément d'échange (également non représenté), par un fluide caloporteur chaud traversant le mme ou un second aéro-réfrigérant.

Bien entendu, des échangeurs statiques 56 sont placés entre le désorber 50 et le mélangeur 54 pour réchauffer le diluat et à contre- courant pour refroidir le concentrat et le solvant. Ainsi, un premier échangeur 56a est relié entre la sortie diluat 54a de 1'enceinte du mélangeur 54 et l'entrée diluat 50a du désorber 50 de la chaudière 44 et un second échangeur 56b est relié entre l'entrée concentrat 54b de 1'enceinte du mélangeur 54 et la sortie concentrat 50b du désorber 50 de la chaudière 44.

Un troisième échangeur 56c relie l'entrée du mélangeur 54 (au niveau d'une entrée solvant 54c) à la sortie (au point e) du condenseur de chauffage du séparateur 32 de la frigopompe existante.

On aura noté que le système fonctionne en circuit fermé, le fluide frigorigène étant alternativement décomposé dans le désorber 50 et recomposé dans le mélangeur 54. Bien entendu, des pompes et des vannes (non représentées) seront prévues pour faciliter la circulation de ce fluide frigorigène entre les différents éléments du dispositif selon l'invention.

En supposant que la frigopompe existante soit du type à deux effets, on peut noter que 1'ensemble ainsi obtenu se comporte alors comme si l'on avait ajoute un effet supplémentaire, c'est à dire réalisé une frigopompe à trois effets. Ainsi, comme le montre la figure 3, si la frigopompe existante utilisée, par exemple pour la climatisation d'un bâtiment (refroidissement du fluide frigoporteur de 12-C à 7'C) en rejetant sa chaleur excédentaire à 40'C dans un environnement à 35*C, possède une température de paroi (au niveau du désorber de son second effet) de 165*C, alors il est possible, par l'adjonction du dispositif selon l'invention, de produire de la vapeur d'eau surchauffée à 230*C (qui remplacera la chambre de combustion initiale 28 et assurera donc le chauffage du désorber de second effet de la frigopompe existante) et d'apporter un supplément de refroidissement de 12*C à 7'C. On pourra choisir pour le désorber 50 une solution de bromure de lithium entrant à 59% et sortant à 62% en produisant cette vapeur sous 7 bar, l'évaporateur du mélangeur 54 produisant de la vapeur d'eau à 2'C sous 7 mbar. L'absorbeur de ce mélangeur étant alimenté en solution à 62% (qui bout à 45-C sous la pression de 7 mbar) et délivrant une solution à 59% (qui bout à 39'C sous cette mme pression).

Une structure possible de la chaudière-séparateur 44 mise en oeuvre dans l'invention est montrée sur la figure 4. Elle se présente sous la forme d'une enceinte cylindrique 100 dans l'axe longitudinal de laquelle est disposé un brûleur à gaz ou à fuel (du type à paroi poreuse 102) maintenu au centre de cette enceinte par un support 104 qui comporte également un orifice 106 de prélèvement des fumées issues de la combustion. Des enceintes concentriques sont disposées régulièrement autour du foyer de combustion entre le brûleur 102 et une paroi externe 114. Une première enceinte 108 est formée entre une première paroi 110, la plus proche de ce foyer, et une deuxième paroi 112. Le fluide frigorigène dilué, ou diluat, est introduit dans cette enceinte 108 par au moins un conduit distributeur 120 disposé à sa partie supérieure au niveau de cette première paroi 110. Sous 1'effet de la chaleur dégagée par le foyer de combustion, le constituant volatil contenu dans le diluat va se vaporiser entraînant la création d'une solution concentrée, le concentrat, d'une part et de vapeur d'eau d'autre part. Ces deux constituants sont alors recueillis à la partie inférieure de 1'enceinte 108 au niveau d'un conduit de collecte de vapeur 122 et d'au moins un conduit de collecte de concentrat 124, celui-ci étant de préférence au pied de la

première paroi 110. De mme, la paroi externe 114 forme avec la deuxième paroi 112 une deuxième enceinte 116 à l'intérieur de laquelle vont circuler les fumées prélevées au niveau de l'orifice 106 avant d'tre évacuées par des conduits d'exploitation 126 avantageusement disposés à la partie inférieure de cette enceinte 100.

L'enceinte 108 la plus proche de la chambre de combustion comporte de préférence une paroi intérieure 110 en graphite imprégné de résine. Il est ainsi possible d'obtenir des protections thermiques jusqu'à 400*C. Au besoin, la face de cette paroi en graphite en contact direct avec la flamme de combustion peut tre recouverte d'une mince feuille d'un métal réfractaire 130. Il peut tre noté qu'il est possible également de dissocier la chambre de combustion du désorber et de réaliser ce dernier dans un bloc unique de graphite pur comme ceux commercialisés par la société française CARBONE LORRAINE et connus sous le nom de"polyblocs". Cette structure de monobloc en graphite peut de préférence tre utilisée pour les échangeurs 56.

Le dispositif de production simultanée de chaleur et de froid est conçu comme un dispositif autonome comportant son propre mélangeur de sorte qu'une liaison à une frigopompe existante ne demande qu'une conduite pour la fourniture de la vapeur à haute température (par la liaison au point a) et une conduite pour le passage de 1'eau de condensation (par la liaison au point e). Dans les frigompompes à chauffage direct par flamme, une simple rigole disposée au pied de la paroi externe du désorber suffira à recueillir cette eau de condensation et ainsi à former un dispositif de collecte adéquat.

Ce dispositif ne nécessite donc pas de modification de la frigopompe existante à laquelle on aura seulement ôté la chambre de combustion initiale (ou supprimé le raccord au réseau de production externe de chaleur). On notera de plus que si le COP d'une frigopompe à deux effets est de 1,2, l'addition d'un troisième effet selon l'invention aura pour conséquence de porter celui-ci de 1, à 1,7.