Production de froid par un procédé thermochimique, pour la climatisation d'un bâtiment

La présente invention concerne un dispositif de production de froid par un procédé thermochimique, pour la climatisation d'un immeuble.

Un système constitué par un dipôle thermochimique met- tant en œuvre deux phénomènes thermochimiques renversables est un moyen connu pour produire du froid. Le dipôle thermochimique comprend un réacteur BT, un réacteur HT et des moyens pour échanger un gaz entre BT et HT. Les deux réacteurs sont le siège de phénomènes thermochimiques renver- sables choisis tels que, à une pression donnée dans le dipôle, la température d'équilibre dans BT est inférieure à la température d'équilibre dans HT. Le phénomène renversable dans le réacteur HT met en jeu un sorbant S et un gaz G et peut être une adsorption renversable de G par S ou une réaction chimique renversable de S et de G, selon le schéma

"Sorbant S" + "G" £> "sorbant S+G" .

Le phénomène renversable dans le réacteur BT met en jeu le même gaz G. Il peut être un changement de phase liquide / gaz du gaz G ou une adsorption renversable de G par un sor- bant S ¹ ou une réaction chimique renversable de S ¹ et de G, le sorbant S ¹ étant différent de S. L'étape de production de froid du dispositif correspond à l'étape de synthèse dans HT

"Sorbant S" + "G" → "sorbant S+G".

L'étape de régénération correspond à l'étape de décomposition dans HT

"Sorbant S+G" → "sorbant S" + "G".

La production de froid à une température Tf dans un dipôle (BT,HT) à partir d'une source de chaleur à la température Tc et d'un puits thermique à la température To, implique que le phénomène thermochimique dans BT et le phénomène thermochimique dans HT sont tels que : au cours de l'étape de production de froid par le dipôle, la consommation exothermique de gaz dans HT a lieu à une température proche de et supérieure à To, qui créé dans

le dipôle une pression telle que la température d'équilibre dans le réacteur BT est proche de et inférieure à Tf. au cours de l'étape de régénération du dipôle, la libération endothermique de gaz dans HT est effectuée par apport de chaleur à la température Tc, qui crée dans le dipôle une pression telle que la température à laquelle s'effectue la consommation exothermique de gaz dans BT est proche de et supérieure à To.

Le phénomène thermochimique dans un réacteur BT est généralement un changement de phase liquide/gaz de G. BT est alors un ensemble évaporateur/condenseur EC.

L'utilisation de dispositifs thermochimiques pour la climatisation de bâtiments est attrayante, dans la mesure où les dispositifs concernés sont silencieux et ne génèrent pas de vibrations. Généralement, ces dispositifs utilisent comme puits thermique le sous-sol, qui est de manière quasi-permanente à une température de 15°C dans les régions tempérées. En outre, la climatisation étant nécessaire principalement aux périodes de forte chaleur, il peut être envisagé d'utiliser l'énergie solaire qui est particulièrement abondante durant ces périodes. Cependant, la chaleur captée par les capteurs plans peu coûteux est à une température qui ne dépasse généralement pas 70 ⁰ C. Des températures nettement supérieures ne peuvent être obtenues qu'avec des capteurs solaires de haute technologie et particulièrement coûteux, tel que des capteurs sous vide, ou des capteurs à concentration parabolique ou cylindro-parabolique . En outre, l'énergie solaire subit des variations en intensité, d'une part au cours de l'année, et d'autre part au cours d'une journée. On connaît des phénomènes thermochimiques qui permettent de produire du froid à partir d'une source de chaleur à une température Tc de l'ordre de 70°, et un puits thermique à une température To de l'ordre de 15°C. Par exemple, on peut utiliser dans le réacteur BT du dipôle, un changement de phase L/G de l'ammoniac (NH ₃ ), de la méthylamine (NH ₂ CH ₃ ) ou de H ₂ O. Pour les réacteurs, on peut citer une sorption chimique renversable de NH ₃ par CaCl ₂ , par BaCl ₂ , par PbBr ₂ , par PbCl ₂ , par LiCl, par SnCl ₂ , par ZnSO ₄ ou par NH ₄ Br, ou de

NH ₂ CH ₃ par CaCJ- _{2 ;} ou une adsorption d'eau par de la zéolithe ou un silicagel ; ou l'adsorption de méthanol (MeOH) ou d'ammoniac dans du charbon actif ; ou l'absorption de NH ₃ dans une solution liquide d'ammoniaque (NH ₃ ,H ₂ θ) ou de H ₂ O par une solution saline de LiBr.

Le but de la présente invention est fournir un dispositif pour la climatisation d'un bâtiment, ledit dispositif étant constitué par plusieurs dipôles thermochimiques fonctionnant entre une source de chaleur à une température Tc liée à l'énergie solaire et un puits de chaleur à une température To de l'ordre de 15°C, notamment à l'aide de phénomènes thermochimiques connus utilisant comme gaz de travail l'ammoniac, la méthylamine ou l'eau.

La présente invention a pour objet un dispositif et un procédé thermochimiques pour la climatisation d'un bâtiment à partir de source d'une chaleur intermittente dont la température maximale Th est de l'ordre de 7O ⁰ C et d'un puits thermique à une température de l'ordre de 15°C.

Le dispositif selon l'invention comprend trois ou quatre dipôles thermochimiques comprenant chacun un ensemble évaporateur-condenseur EC et un réacteur R reliés par des moyens qui permettent la circulation d'un gaz G entre eux et des moyens qui permettent d'interrompre la circulation du gaz. Il est caractérisé en ce que : - les réacteurs sont le siège de phénomènes renversables entre le gaz G et un liquide ou un solide, et les évaporateurs-condenseurs sont le siège d'un changement de phase liquide-gaz de G ; les réacteurs R sont munis de moyens pour échanger de la chaleur entre eux et de moyens qui permettent le contrôle de 1 'échange de chaleur ; les phénomènes thermochimiques dans les différents dipôles peuvent être identiques ou différents ; le dispositif comprend une source de chaleur à température variable Tc, dont la température maximale Th est de l'ordre de 70 ⁰ C, et un puits thermique à une température To de l'ordre de 15°C.

Dans un tel dispositif, dans lequel l'ensemble EC de chaque dipôle est le siège d'un changement de phase liquide/ gaz du gaz de travail G, la température dans R est naturellement supérieure à la température dans EC, pour un dipôle donné.

Les phénomènes thermochimiques dans les différentes dipôles présentent de préférence des courbes d'équilibre proches pour limiter les pertes thermiques vers l'extérieur des réacteurs. On considère que deux courbes d'équilibre de deux phénomènes thermochimiques sont proches lorsque, à une pression d'équilibre donnée, les températures d'équilibre respectives diffèrent d'au plus 15°C. Il est particulièrement avantageux de choisir le même phénomène thermochimique dans tous les dipôles. Les dipôles du dispositif selon l'invention seront désignés ci-après par Da (constitué par 1 ' évaporateur- condenseur ECa et le réacteur Ra) , Db (constitué par ECb et Rb) , Dc (constitué par ECc et Rc) , et éventuellement Dd (constitué par ECd et Rd) . Au cours d'un cycle journalier de 24 heures comprenant les phases successives Ml, Hl, H2, M2, B, les capteurs solaires fournissent de la chaleur disponible à une température Tc variable suivant les phases du cycle. Au cours des phases Hl et H2 de plein ensoleillement, la chaleur fournie se situe près de la valeur Th de l'ordre de 70 ⁰ C. Durant la phase Ml qui précède ou la phase M2 qui suit le plein ensoleillement, la chaleur produite est à une température intermédiaire Tm comprise entre Th et To mais cependant utilisable comme source de chaleur. Au cours de la nuit ou en l'absence de soleil (phase B), la chaleur est à une température Tb proche de la température ambiante To, donc trop faible pour être utilisable comme source de chaleur.

Le procédé selon la présente invention est destiné à produire du froid par cycles de 24 heures qui comprennent chacun les phases successives Ml, Hl, H2, M2, B, à partir d'une source de chaleur dont la température est à une valeur Th de l'ordre de ou supérieure à 70 ⁰ C au cours des phases Hl et H2, à une valeur intermédiaire Tm au cours des phases Ml

et M2, et à une valeur Tb proche de la température ambiante au cours de la phase B. Il est caractérisé en ce qu'il consiste à faire fonctionner le dispositif selon l'invention, de manière à créer des sources de chaleur internes à une température supérieure à la température de la source externe, au cours des périodes où celle-ci est trop faible, notamment durant les phases Ml et M2.

Plus particulièrement, le procédé de production de froid selon l'invention consiste à faire fonctionner le dispositif selon l'invention dans les conditions suivantes : a) on provoque la régénération de chaque dipôle par apport au réacteur R dudit dipôle d'une quantité de chaleur fournie par le capteur solaire, l'apport étant fait soit directement au réacteur R du dipôle à régénérer lorsque la chaleur est fournie par la source de chaleur à une température élevée (phases Hl, H2), les réacteurs R de deux dipôles pouvant recevoir simultanément la chaleur à température élevée Th ; soit indirectement lorsque de la chaleur est fournie à une température intermédaire Tm (phases Ml, M2) , la chaleur étant alors fournie à l'évaporateur-con- denseur EC d'un dipôle régénéré pour y provoquer la phase de synthèse exothermique dans le réacteur R correspondant, ladite synthèse dégageant une quanti- té de chaleur à une température supérieure à Tm et proche de Th, qui est transmise au réacteur R d'un dipôle à régénérer. b) la chaleur est introduite dans le dispositif de telle sorte que : - deux dipôles sont régénérés simultanément (directement ou indirectement) au cours des phases Hl et H2, pendant qu'un dipôle produit du froid un ou deux dipôle (s) est (sont) régénéré (s) indirectement pendant chaque phase Ml et M2, l'un des autres dipôles produisant éventuellement du froid ; éventuellement, un dipôle produit du froid pendant la phase B.

Un dipôle donné est régénéré totalement ou partiellement à la fin d'un cycle complet, suivant la quantité de chaleur disponible lors de l'étape de régénération et la quantité de froid requise lors de l'étape de production de froid d'un cycle complet.

Dans un premier mode de réalisation, le procédé de l'invention est mis en œuvre dans un dispositif constitué par 3 dipôles Da, Db et Dc dans lesquels les phénomènes thermochimiques sont identiques, en vue de produire du froid pendant les phases Hl et H2 durant lesquelles la chaleur est disponible à la température la plus élevée Th, pendant la phase M2 durant laquelle la chaleur est disponible à une température intermédiaire Tm, le dispositif étant en régénération pendant la phase Ml et inactif en phase B. La figure 1 représente, sur un diagramme de Clapeyron, l'évolution des conditions de température et de pression dans le dispositif au cours de chacune des phases actives. Les courbes 2 correspondent à l'équilibre thermochimique dans chacun des réacteurs, et les courbes 1 correspondent à l'équilibre thermochimique dans chacun des évaporateurs- condenseurs. Les lettres a, b et c indiquent le dipôle concerné par l'évolution.

A la fin de la phase B, 1 'évaporateur-condenseur est isolé du réacteur dans chacun des dipôles, et les différents dipôles sont à l'état suivant :

Da à régénérer

Db à régénérer

Dc partiellement régénéré.

Au début de la phase Ml, on ouvre la liaison gazeuse entre ECa et Ra d'une part, et entre ECc et Rc d'autre part, et on apporte de la chaleur à la température Tm à ECc du dipôle Dc (point Dl) . Cet apport de chaleur provoque 1 'éva- poration du gaz G qui se transfère dans le réacteur Rc dans lequel se produit alors la phase de synthèse exothermique (point S2) . La chaleur libérée par cette synthèse est transférée dans Ra où elle provoque la libération du gaz G

(point D2) . Le gaz libéré dans Ra est transféré dans ECa où

il se condense en libérant de la chaleur (point Sl) . A la fin de la phase Ml, les dipôles sont à l'état suivant :

Da partiellement régénéré

Db à régénérer Dc à régénérer.

Au début de la phase Hl, on ouvre la liaison gazeuse entre ECb et Rb. Au cours de la phase Hl, on régénère les dipôles Db et Dc par apport direct de chaleur à la température Th dans Rb et Rc (points D2) Le gaz libéré dans Rb et Rc est transféré respectivement dans ECb et ECc où il se condense (points Sl) . Parallèlement, du froid est produit par le dipôle Da dans ECa par prélèvement de chaleur sur le milieu à refroidir (point Dl) . A la fin de la phase Hl, les dipôles sont à l'état suivant : Da à régénérer

Db partiellement régénéré

Dc totalement régénéré.

Durant la phase H2, on apporte de la chaleur à la température Th aux réacteurs Ra et Rb (points D2) pour continuer la régénération de Db et pour commencer la régénération de Da. Parallèlement, du froid se produit spontanément dans ECb (point Dl) . A la fin de la phase H2, les dipôles sont à l'état suivant :

Da partiellement régénéré Db totalement régénéré

Dc à régénérer

Durant la phase M2, on apporte de la chaleur à la température Tm à ECa (point Dl) pour provoquer la synthèse exothermique dans Ra dont la chaleur est transmise à Rc pour régénérer le dipôle Dc. Parallèlement, du froid se produit spontanément dans ECb. A la fin de la phase M2, les dipôles sont à l'état suivant :

Da à régénérer

Db à régénérer Dc partiellement régénéré.

A la fin de la phase M2, on ferme les liaisons gazeuses entre 1 'évaporateur-condenseur et le réacteur d'un même

dipôle et on laisse l'installation en l'état pendant la phase B, jusqu'au début de la phase Ml du cycle suivant.

Dans un deuxième mode de réalisation, le procédé est mis en œuvre dans un dispositif qui comprend trois dipôles Da, Db et Dc identiques, en vue de produire du froid pendant toutes les phases d'un cycle de 24 heures.

La figure 2 représente, sur un diagramme de Clapeyron, l'évolution des conditions de température et de pression dans le dispositif au cours de chacune des phases. Les cour- bes 2 correspondent à l'équilibre thermochimique dans chacun des réacteurs, et les courbes 1 correspondent à l'équilibre thermochimique dans chacun des évaporateurs-condenseurs . Les lettres a, b et c indiquent le dipôle concerné par 1' évolution. A la fin de la phase B, l'évaporateur-condenseur est isolé du réacteur dans chacun des dipôles, et les différents dipôles sont à l'état suivant :

Da partiellement déchargé

Db à régénérer Dc partiellement déchargé

Au début de la phase Ml, on apporte de la chaleur à la température Tm à ECc (point Dl/c) pour provoquer la synthèse exothermique dans Rc (point S2/c) dont la chaleur est transmise à Rb (point D2/b) pour régénérer le dipôle Db. Parallèlement, du froid se produit spontanément en ECa (point Dl/a) . A la fin de la phase Ml, les dipôles sont à l'état suivant :

Da partiellement déchargé

Db partiellement régénéré Dc à régénérer.

Au cours de la phase Hl, on régénère les dipôles Db et

Dc par apport direct de chaleur à la température Th dans Rb et Rc (points D2/b et D2/c) . Parallèlement, du froid continue de se produire en ECa (point Dl/a) . A la fin de la phase Hl, les dipôles sont à l'état suivant :

Da à régénérer

Db totalement régénéré

Dc partiellement régénéré.

Durant la phase H2, on apporte de la chaleur à la température Th aux enceintes Ra et Rc (points D2/a et D2/c) pour continuer la régénération de Dc et pour commencer la régénération de Da. Parallèlement, du froid se produit spontanément en ECb (point Dl/b) . A la fin de la phase H2, les dipôles sont à l'état suivant :

Da partiellement régénéré

Db partiellement déchargé

Dc totalement régénéré. Durant la phase M2, on apporte de la chaleur à la température Tm à ECc (point Dl/c) pour provoquer la synthèse exothermique dans Rc (point S2/c) dont la chaleur est transférée en Ra pour initier la régénération du dipôle Da. Parallèlement, du froid se produit spontanément en ECb (point E2/b) . A la fin de la phase M2, les dipôles sont à l'état suivant :

Da totalement régénéré

Db à régénérer

Dc partiellement déchargé. A la fin de la phase M2, on ferme les liaisons gazeuses entre ECb et Rb d'une part, et entre ECc et Rc d'autre part. Pendant la phase B, on maintient la liaison gazeuse dans le dipôle Da et il se produit du froid en ECa (point Dl/a) . A la fin de la phase M2, les dipôles sont à l'état suivant : Da partiellement déchargé

Db à régénérer

Dc partiellement déchargé.

Durant la phase B, le dispositif continue de produire du froid par le dipôle Da. Dans un troisième mode de réalisation, le procédé est mis en œuvre dans un dispositif qui comprend quatre dipôles Da, Db, Dc et Dd, en vue de produire du froid pendant les phases Hl, H2, M2 et B, le dispositif étant en régénération pendant la phase Ml. Les dipôles Da et Db sont couplés ther- miquement. Les dipôles Dc et Dd sont couplés thermiquement.

La figure 3 représente, sur un diagramme de Clapeyron, l'évolution des conditions de température et de pression dans le dispositif au cours de chacune des phases actives.

Les courbes 1 correspondent à l'équilibre thermochimique dans chacun des évaporateurs-condenseurs, les courbes 2 correspondent à l'équilibre thermochimique dans chacun des réacteurs Ra et Rc, et les courbes C correspondent à l'équilibre thermochimique dans les réacteurs Rb et Rd. Les lettres a, b, c et d indiquent le dipôle concerné par 1 'évolution.

Les réacteurs Ra et Rc des dipôles Da et Dc sont le siège du même phénomène thermochimique, et les réacteurs Rb et Rd des dipôles Db et Dd sont le siège du même phénomène, différent de celui qui a lieu dans les dipôles Da et Dc. En outre, tous les phénomènes chimiques mettent en œuvre le même gaz de travail G, de sorte que tous les évaporateurs- condenseurs sont le siège d'un changement de phase liquide- gaz du même gaz G. Ainsi, à une pression donnée régnant identiquement dans les 4 dipôles, les températures d'équilibre dans les différentes enceintes sont comme suit : t(ECa)=t(ECb)=t(ECc)=t(ECd) <t(Ra)=t(Rc)<t(Rb)=t(Rd) A la fin de la phase B, la liaison gazeuse entre EC et R de chaque dipôle est fermée et les différents dipôles sont à 1 'état suivant : Da régénéré Db à régénérer Dc régénéré Dd à régénérer.

Au cours de la phase Ml, on ouvre la liaison gazeuse entre ECa et Ra d'une part, et entre ECb et Rb d'autre part, on apporte de la chaleur à la température Tm à ECa (point El/a) du dipôle Da pour provoquer la synthèse exothermique dans Ra (point S2/a) dont la chaleur est transmise à Rb (point D3/b) pour régénérer le dipôle Db. A la fin de la phase Ml, les dipôles sont à l'état suivant : Da à régénérer Db régénéré Dc régénéré

Dd à régénérer.

Au début de la phase Hl, on ouvre la liaison gazeuse entre ECa et Ra d'une part, et entre Ecd et Rd d'autre part.

Au cours de la phase Hl, on apporte de la chaleur à la température Tm à ECc du dipôle Dc (point Dl/c) pour provoquer la synthèse exothermique dans Rc (point S2/c) dont la chaleur est transmise à Rd (point D3/D) pour régénérer le dipôle Dd. Parallèlement, du froid se produit spontanément en ECb (point El/b) , provoquant la synthèse exothermique dans Rb (point S3/b) dont la chaleur est transmise à Ra

(point D2/a) pour régénérer le dipôle Da. A la fin de la phase Hl, les dipôles sont à l'état suivant : Da régénéré

Db à régénérer

Dc à régénérer

Dd régénéré.

Durant la phase H2, on apporte de la chaleur à la température Tm à ECa (point El/a) du dipôle Da pour provoquer la synthèse exothermique dans Ra (point S2/a) dont la chaleur est transmise à Rb (point D3/b)pour régénérer le dipôle Db. Parallèlement, du froid se produit spontanément en ECd (point El/d) , provoquant la synthèse exothermique dans Rd (point S3/d) dont la chaleur est transmise à Rc

(point D2/c) pour régénérer le dipôle Dc. A la fin de la phase H2, les dipôles sont à l'état suivant :

Da à régénérer

Db régénéré Dc régénéré

Dd à régénérer.

Durant la phase M2, on apporte de la chaleur à la température Tm à ECc (point El/c) du dipôle Dc pour provoquer la synthèse exothermique dans Rc (point S2/c) dont la chaleur est transmise à Rd (point D3/d) pour régénérer le dipôle Dd. Parallèlement, du froid se produit spontanément en ECb (point El/b) , provoquant la synthèse exothermique dans Rb (point S3/b) dont la chaleur est transmise à Ra

(point D2/a) pour régénérer le dipôle Da. A la fin de la phase M2, les dipôles sont à l'état suivant :

Da régénéré

Db à régénérer

Dc à régénérer

Dd régénéré.

A la fin de la phase M2, on ferme les liaisons gazeuses entre ECa et Ra d'une part, et entre ECb et Rb d'autre part. Pendant la phase B, du froid se produit spontanément en Rd (point El/d) , provoquant la synthèse exothermique dans Rd (point S3/d) dont la chaleur est transmise à Rc (point D2/c) pour régénérer le dipôle Dc. A la fin de la phase B, les dipôles sont dans l'état suivant :

Da régénéré Db à régénérer

Dc régénéré

Dd à régénérer.

La présente invention est illustrée à l'aide des exemples suivants. Exemple 1

Cet exemple illustre une mise en œuvre du 2 ^eme mode de réalisation du procédé de l'invention.

L'évaporateur-condenseur de chacun des trois dipôles est le siège d'un changement de phase liquide/gaz de NH3. Le réacteur de chacun des dipôles est le siège d'une réaction chimique renversable entre NH ₃ et BaCl ₂ .

La figure 4 représente le diagramme de Clapeyron particulier pour les phase Ml et M2. Au cours de cette étape, du froid peut être produit à une température proche de 0 ⁰ C à partir d'une source de chaleur inférieure à 5O ⁰ C.

Exemple 2

Cet exemple illustre une mise en œuvre du 3 ^eme mode de réalisation du procédé de l'invention.

L'évaporateur-condenseur de chacun des quatre dipôles est le siège d'un changement de phase liquide/gaz de NH ₃ .

Le réacteur de chacun des dipôles Da et Dc est le siège d'une réaction chimique renversable entre NH ₃ et BaCl ₂ . Le réacteur du dipôle Db et Dd est le sigèe d'une réaction chimique renversable entre NH ₃ et ZnSO ₄ . La figure 4 représente le diagramme de Clapeyron particulier pour les phases Hl, H2 et M2. Au cours de cette

étape, du froid peut être produit à une température proche de 0 ⁰ C à partir d'une source de chaleur inférieure à 7O ⁰ C.