DESCRIPTION

L' invention se rapporte au domaine des réacteurs solide / gaz caloporteur et réactif, au sein desquels il est prévu une réaction chimique ou physique entre un solide et un gaz, comme par exemple une réaction thermochimique ou encore une réaction physique d' adsorption / de désorption. Dans ce type de réacteurs, le gaz provenant d'un circuit externe sert de caloporteur et de réactif, l'échange thermique s' opérant alors par convection lors de la réaction endothermique / exothermique.

Ce type de réacteur, relativement récent, a déjà fait l'objet de quelques développements. Néanmoins, la conception et les performances de ces réacteurs restent à optimiser.

Dans ce but, l'invention a pour objet un réacteur solide / gaz caloporteur et réactif, comprenant :

un conduit hélicoïdal présentant une entrée et une sortie, ledit conduit définissant une piste inférieure hélicoïdale sur laquelle un réactif solide est destiné à glisser de l'entrée vers la sortie dudit conduit hélicoïdal ;

- des moyens permettant d'amener le réactif solide à l'entrée dudit conduit hélicoïdal ; et - des moyens permettant de faire circuler un gaz caloporteur dans ledit conduit hélicoïdal, de la sortie vers l'entrée de ce conduit.

De plus, le réacteur intègre un réservoir de réactif solide sous ladite sortie du conduit hélicoïdale, ainsi qu'un convoyeur permettant d'acheminer le solide réactif d'un point bas du réservoir, vers lesdits moyens permettant d'amener le réactif solide à l'entrée dudit conduit hélicoïdal.

La nature hélicoïdale du conduit permet d'obtenir un temps de séjour important du gaz et du solide dans le réacteur, tout en conservant un encombrement limité. Cela permet de favoriser les échanges thermiques et le transfert de masse, encore renforcés par la circulation à contre-courant du gaz et du solide dans le réacteur.

Le gaz caloporteur étant destiné à circuler dans le conduit au-dessus du réactif solide glissant sur la piste inférieure, les pertes de charges sont relativement faibles. Cela augmente les performances du réacteur, et diminue la puissance nécessaire à la circulation du gaz caloporteur au sein du conduit hélicoïdal. De plus, cette configuration permet de faire face, lors du fonctionnement du réacteur, aux changements de volumes du solide réactif qui gonfle puis se rétracte lors des deux réactions réciproques.

La conception originale proposée par la présente invention permet de bénéficier d'une densité importante de solide réactif au sein du réacteur, et ne requiert que des besoins limités en filtration du gaz, ce qui évite l'encrassement et facilite la maintenance. En outre, avec la présence du réservoir, le réacteur peut avantageusement servir au stockage intersaisonnier de chaleur. En effet, en hiver, la vapeur d'eau qui entre dans le réservoir réagit avec le sel déshydraté pour former un sel hydraté et de la chaleur. A l'inverse, l'été, l'air chaud et sec réagit avec le sel précédemment hydraté pour le régénérer. Ainsi, le réservoir comprenant le solide réactif sert au stockage de ladite chaleur. Il est noté que le convoyeur peut prendre la forme d'une vis sans fin, ou de tout autre dispositif connu de l'homme du métier.

De préférence, ledit conduit hélicoïdal comporte une pluralité de passages chacun débouchant d'une part sur ladite piste inférieure hélicoïdale, au niveau d'une spire donnée dudit conduit, et d'autre part dans la spire directement inférieure de ce dernier .

Ces passages peuvent ainsi être empruntés par une partie du solide réactif glissant sur la piste inférieure, afin de rejoindre la spire directement inférieure. Dans ce cas, chaque partie du solide dérivée par l'un de ces passages impacte donc, en sortant de ce passage, le lit de solide réactif circulant dans la spire inférieure. Ces impacts assurent un fractionnement et une dé-stratification du lit de solide réactif, ce qui renforce encore davantage les échanges thermiques et le transfert de masse. Dans le même but, des déflecteurs peuvent être prévus sur la piste intérieure de glissement du solide.

De préférence, ledit conduit hélicoïdal est conçu de sorte que le solide réactif glisse par gravité sur ladite piste inférieure hélicoïdale. Une orientation verticale de l'axe du conduit est alors préférée, même si une inclinaison par rapport à cette direction verticale pourrait être retenue, sans sortir du cadre de l'invention. Cette solution à glissement gravitaire est intéressante car elle ne nécessite aucun apport d'énergie pour la mise en mouvement du solide réactif, et concourt donc à l'obtention des bonnes performances du réacteur.

Selon un autre mode de réalisation, le réacteur comprend des moyens permettant de faire vibrer ledit conduit hélicoïdal, afin de faire glisser le solide réactif sur ladite piste inférieure hélicoïdale. Il peut par exemple s'agir d'un pot vibrant, ou de moyens similaires.

Cette solution à système vibrant peut naturellement être combinée à la solution à glissement gravitaire exposée ci-dessus.

De préférence, le réacteur intègre un échangeur de chaleur alimenté par le gaz caloporteur provenant de l'entrée dudit conduit hélicoïdal. Cela permet d'obtenir un réacteur-échangeur d'encombrement réduit .

De préférence, ledit conduit hélicoïdal est réalisé par une hélice traversée par un cylindre intérieur et enveloppée par un cylindre extérieur.

Alternativement, il peut s'agir d'un premier tube conformé en hélice. Cette solution présente l'avantage d'être facilement réalisable, par exemple à l'aide d'un tube droit roulé à chaud afin de lui donner sa forme d'hélice, les spires pouvant être au contact les unes de autres, ou bien espacées. La forme particulière de ce conduit permet par ailleurs de simplifier les modélisations/simulations des écoulements et des échanges thermiques.

La section de ce tube est préférentiellement circulaire.

Alternativement, le réacteur comprend un second tube également conformé en hélice, dans lequel est inséré le premier tube de manière à définir entre eux deux un espace destiné à être traversé par un fluide caloporteur, permettant un échange thermique avec ledit gaz caloporteur circulant dans le premier tube. Les deux tubes du réacteur forment alors un échangeur thermique intégré, à encombrement très réduit.

L'invention a aussi pour objet un procédé de réaction solide / gaz caloporteur mis en œuvre à l'aide d'un réacteur tel que mentionné ci-dessus. Ce procédé consiste à faire glisser le solide réactif sur la piste inférieure hélicoïdale de l'entrée vers la sortie dudit conduit hélicoïdal, et à faire circuler le gaz caloporteur à contre-courant dans ledit conduit hélicoïdal, de la sortie vers l'entrée de ce conduit.

Enfin, il est noté que le réactif solide est une poudre, dont les grains présentent préférentiellement un diamètre moyen compris entre 0,1 et 2 mm .

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;

- la figure 1 représente une vue en coupe dans le plan médian d'un réacteur solide / gaz caloporteur selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention ;

- la figure 2 représente une vue agrandie de face d'une partie du réacteur montré sur la figure précédente ;

- la figure 3 est une vue en coupe du réacteur de la figure précédente, prise selon la ligne 111 - 111 ;

- la figure 4 représente une vue en coupe d'un réacteur solide / gaz caloporteur selon un second mode de réalisation préféré de la présente invention ;

- la figure 5 représente une vue en coupe d'un réacteur solide / gaz caloporteur selon un troisième mode de réalisation préféré de la présente invention ;

- la figure 6 représente une vue en perspective d'une partie du tube du réacteur montré sur la figure précédente, selon une alternative de réalisation ;

la figure 7 représente une vue en perspective montrant un passage entre deux spires du conduit hélicoïdal du réacteur montré sur la figure 5 ;

la figure 8 représente une vue en perspective d'un réacteur solide / gaz caloporteur selon un quatrième mode de réalisation préféré de la présente invention ; et - la figure 9 représente une vue agrandie d'une partie du réacteur montré sur la figure précédente .

En référence tout d' abord aux figures 1 à 3, il est représenté un réacteur 1 solide / gaz caloporteur, selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention.

Sur la figure 1, il est montré le réacteur 1 orienté à la verticale, dans une position telle qu'adoptée en fonctionnement. De bas en haut selon cette direction verticale et en position de fonctionnement du réacteur, ce dernier comprend un réservoir 2 de réactif solide 4, le corps du réacteur 6, puis un échangeur de chaleur air/liquide 7, le liquide étant préférentiellement de l'eau. De plus, un convoyeur vertical 8 chemine verticalement entre le bas du réservoir et le haut du corps de réacteur.

Le réservoir 2 prend une forme globalement cylindrique, de section circulaire. Il peut être réalisé à l'aide d'une tôle latérale 10 en acier inoxydable, par exemple de l'ordre de 1,5 mm d'épaisseur, qui est roulée de façon à présenter un diamètre de l'ordre de 800 mm. Certaines matières plastiques peuvent également être envisagées à la place de l'acier inoxydable.

La partie haute du réservoir est ouverte sur la partie basse du corps de réacteur 6, tandis que sa partie basse présente une pente 14 permettant d'amener le solide par gravité vers un point bas 16 du réservoir, à partir duquel s'étend le convoyeur vertical 8 en forme de vis sans fin, ou de dispositif remplissant une fonction similaire.

En référence plus spécifiquement aux figures 2 et 3, le corps 6 du réacteur se présente sous la forme d'un conduit hélicoïdal 20, d'axe vertical 22. Pour réaliser ce conduit, il est tout d'abord prévu une hélice 24 formant plusieurs spires 24a-24c autour de l'axe 22. Chaque spire d'hélice s'étend sur une révolution complète, c'est-à-dire sur 360°, et est formée par exemple à l'aide d'une couronne fendue en acier inoxydable, dont les extrémités sont décalées verticalement l'une de l'autre. La longueur de ce décalage est fonction de la pente recherchée pour l'hélice 24, qui est ici préférentiellement de l'ordre de 10° par rapport à tout plan horizontal.

Les couronnes assemblées bout-à-bout forment l'hélice 24, dont la surface supérieure forme une piste inférieure hélicoïdale 26 du conduit, sur laquelle le solide réactif est destiné à glisser par gravité entre une entrée 28 et une sortie 30 de ce conduit. D'ailleurs, cette piste 26 présente un revêtement à faible coefficient de frottement pour favoriser le glissement gravitaire, ce revêtement pouvant être en chrome dur.

L'une des particularités de la présente invention réside dans la présence de passages 40 à travers l'hélice 24, ces passages étant préférentiellement verticaux. Chaque passage 40 est donc traversant, à savoir qu'il débouche d'une part sur la piste inférieure hélicoïdale 26 au niveau d'une spire 20a-20c du conduit, et débouche d'autre part dans la spire de conduit directement inférieure. En d'autres termes, une partie du solide réactif glissant sur l'une des spires d'hélice 24a-24c est amenée à emprunter l'un des passages 40, par lequel elle rejoint la spire d'hélice directement inférieure sans effectuer de mouvement de révolution sur la piste 26 qu'elle à quittée, mais en tombant simplement par gravité à travers le passage 40 concerné. Les impacts provoqués par ces bifurcations d'une partie du solide réactif assurent un fractionnement et une dé-stratification du lit de solide réactif glissant sur ladite spire d'hélice directement inférieure, ce qui procure des avantages conséquents en termes d'échanges thermiques et le transfert de masse. Dans le même but, des déflecteurs pourraient être prévus sur la piste intérieure de glissement 26.

Les passages 40 présentent une forme cylindrique, de diamètre compris entre 0,5 et 8 mm. Ils sont préférentiellement repartis selon des lignes orthogonales à la direction hélicoïdale du flux de solide glissant sur la piste 26. Comme cela est montré sur la figure 3, il peut être prévu 4 lignes par spire d'hélice 24a-24c, et 1 à 6 passages par ligne.

Par ailleurs, l'hélice 24 est traversée intérieurement par un cylindre intérieur 32, par exemple de 240 mm de diamètre, et enveloppée par un cylindre extérieur 34, correspondant à la continuité de la tôle latérale 10 du réservoir. D'ailleurs, ces deux éléments 34, 10 forment préférentiellement un seul et unique cylindre, réalisé d'une seule pièce. Le chant intérieur de l'hélice 24 épouse le cylindre intérieur 32 sur lequel il est préférentiellement soudé, de même que le chant extérieur de cette hélice épouse le cylindre extérieur 34 sur lequel il est aussi préférentiellement soudé.

La sortie 30 du corps de réacteur 6 débouche au-dessus du réservoir 2, de sorte que le solide réactif tombe automatiquement par gravité dans ce dernier, après avoir glissé sur toute la piste hélicoïdale 26. L'entrée 28 est recouverte par un filtre 42, qui peut être formé par une toile métallique ou en polymère, tendue par un cadre rigide. Au-dessus du filtre 42, se trouve l'échangeur 7 air/liquide, dont la sortie 44 de gaz caloporteur, de préférence de l'air sec, est de section circulaire d'environ 200 mm de diamètre. De plus, une autre sortie de cet échangeur 7 permet d'alimenter un système de chauffage 46.

En outre, le réacteur comprend des moyens permettant d'amener le réactif solide 4 à l'entrée 28 du conduit hélicoïdal 20, ces moyens prenant ici la forme d'une simple ouverture 50 au niveau de l'extrémité supérieure du fourreau 52 logeant le convoyeur 8. En sortie de ce convoyeur, le solide 4 est donc projeté directement dans l'entrée 28, en passant par l'ouverture 50. Une pièce de liaison pourrait néanmoins être utilisée entre l'ouverture 50 et l'entrée 28, sans sortir du cadre de l'invention.

Enfin, le réacteur 1 comprend des moyens 54 permettant de faire circuler un gaz caloporteur dans le conduit hélicoïdal 20, de la sortie 30 vers l'entrée 28 de ce conduit, au-dessus du solide réactif glissant à contre-courant. Ces moyens 54 sont conventionnels, et connus de l'homme du métier. Il peut s'agir par exemple d'une pompe, d'un ventilateur ou similaire.

En fonctionnement, le solide réactif 4 est placé dans le réservoir 2, puis transite en continu par le convoyeur vertical 8 pour pénétrer dans le corps du réacteur, via l'entrée 28 du conduit 20. Il glisse ensuite sur la piste 26, et suis donc un mouvement hélicoïdal au cours duquel il épouse le gaz caloporteur injecté à contre-courant depuis la sortie 30. C'est lors de cette circulation à contre-courant que les réactions chimiques / physiques se produisent, en permettant au gaz, par exemple de l'air humide à pression atmosphérique, d'être réchauffé ou refroidi. Le gaz caloporteur sortant par l'entrée 28 du conduit 20 rejoint ensuite l'échangeur 7 en passant par le filtre 42, cet échangeur pouvant alimenter le circuit de chauffage 46 et délivrer de l'air sec et chaud par sa sortie 44, selon l'un des modes de fonctionnement envisagés.

Ce fonctionnement s'opère en continu, le solide réactif étant destiné à transiter plusieurs fois par le corps du réacteur 6. D'ailleurs, le solide réactif 4, sous forme de poudre dont la taille des grains peut être comprise entre 0,1 et 2 mm de diamètre, peut être réalisé dans les matériaux suivants : Bromure de Strontium SrBr ₂ , Métasilicate de sodium a2Si03, Alun d'ammonium NH ₄ A1(S04)2, Alun de potassium KA1(S04)2, ou tout autre solide réactif réputé favorable pour les réactions thermochimiques solide / gaz caloporteur. A titre d'exemple indicatif, le solide réactif est introduit avec un débit d'environ 4,5 kg/h, tandis que le gaz caloporteur et réactif est injecté avec un débit de l'ordre de 400 kg/h.

En référence à la figure 4, il est représenté un réacteur 1 selon un second mode de réalisation préféré de la présente invention. Ce second mode de réalisation est similaire au précédent. A cet égard, il est noté que sur toutes les figures, les éléments portant les mêmes références numériques correspondent à des éléments identiques ou similaires.

Ainsi, on peut apercevoir que ce second mode de réalisation diffère du précédent par l'intégration d'un pot vibrant 56 accouplé au conduit hélicoïdal 20. Ce pot 56 est capable de créer une accélération rotative selon l'axe 22, afin d'engendrer une vibration asymétrique. En effet, il est prévu une accélération plus forte dans un sens de rotation que dans l'autre, afin que le solide réactif 4 glisse alors qu'il est emporté par le mouvement dans le sens inverse, de sorte que ce solide réactif se déplace dans une seule direction sur la piste 26. Cette particularité permet de diminuer la pente de l'hélice 24, qui peut ainsi être abaissée à une valeur de l'ordre de 3°, qui confère néanmoins, simultanément, un faible glissement gravitaire. Il en découle un encombrement vertical réduit du réacteur.

Pour ce faire, le pot vibrant 56 est partiellement intégré dans le cylindre intérieur 32 auquel il est fixé. Par ailleurs, une autre partie de ce pot est fixée sur le dessus du cylindre extérieur 34, par des longerons 58. En revanche, le chant extérieur de l'hélice 24 n'est plus soudé à ce cylindre extérieur 34, afin de permettre la vibration de cette hélice. Un joint élastique (non référencé) est de préférence prévu entre ces deux éléments 24, 34, pour permettre les vibrations souhaitées tout en permettant une étanchéité aéraulique.

En référence à présent aux figures 5 à 7, il est représenté un réacteur 1 selon un troisième mode de réalisation préféré de la présente invention. Ce troisième mode de réalisation intègre un pot vibrant 56 comme le précédent, mais pourrait alternativement être basé sur une solution à glissement gravitaire du solide réactif, sans sortir du cadre de l'invention.

La différence essentielle avec les modes de réalisation précédents réside dans la conception du conduit hélicoïdal 20, qui prend ici la forme d'un simple tube conformé en hélice. Le tube est par exemple réalisé en matière plastique ou en inox chromé.

Le tube 20, de section circulaire, est par exemple obtenu simplement à l'aide d'un tube droit roulé à chaud au tour d'un cylindre afin de lui donner sa forme d'hélice. Dans le mode de réalisation représenté, les spires de conduit 20a-20c sont au contact les unes de autres, ce qui confère une compacité maximale. De plus, dans ce mode de réalisation préféré, la piste inférieure hélicoïdale 26 sur laquelle glisse le solide 4 est réalisée par les fonds 24a-24c des spires de conduit 20a-20c.

Une pièce intermédiaire 60 relie ici l'entrée 28 du conduit 20 et l'ouverture 50 pratiquée à l'extrémité du fourreau 52 du convoyeur 8. La pièce 60 fait ainsi partie intégrante desdits moyens permettant d'amener le réactif solide 4 à l'entrée 28 du conduit hélicoïdal 20. De même, une pièce 62 prolonge la sortie 30 du conduit 20, de manière à déverser le solide réactif au centre du réservoir 2.

Sur la figure 6, la piste hélicoïdale 26 est équipée de déflecteurs 64 permettant de générer des déstratifications dans le lit granulaire de solide réactif 4 glissant sur cette piste. Les déflecteurs 64, en aluminium, en acier inoxydable ou en matière plastique, peuvent prendre toute forme et toute dimension réputée appropriée pour l'homme du métier. Il s'agit par exemple d'une forme en V ou de chevron, avec la pointe orientée vers l'amont par rapport au sens du flux hélicoïdal du solide réactif 4. L'angle de ces déflecteurs peut être compris entre 15 et 20°.

Sur la figure 7, il a été représenté l'un des passages 40 reliant la spire de conduit 20a à la spire de conduit inférieure 20b. Ce passage est réalisé par traversée de la paroi inférieure de la spire de conduit 20a, et par traversée de la paroi supérieure de la spire de conduit 20b, les deux orifices étant alors alignés et dans la continuité l'un de l'autre. Dans le cas où les spires de conduit 20a-20c sont espacées les unes des autres, des canaux reliant les deux orifices peuvent être assemblés.

Enfin, en référence aux figures 8 et 9, il est représenté le corps de réacteur 6 d'un réacteur 1 selon un quatrième mode de réalisation préféré de la présente invention. Ce quatrième mode de réalisation, intégrant ou non un pot vibrant, présente toujours le tube 20 formant le conduit hélicoïdal.

La particularité réside ici dans la présence d'un second tube 70 de diamètre plus important, également conformé en hélice, dans lequel est inséré le premier tube 20.

Les deux tubes 20, 70 insérés l'un dans l'autre définissent entre eux un espace annulaire 72 destiné à être traversé par un fluide caloporteur, permettant un échange thermique avec le gaz caloporteur circulant dans le premier tube. Les deux tubes 20, 70 forment alors un échangeur thermique intégré, à encombrement très réduit. Pour favoriser les échanges thermiques, le premier tube 20 est de préférence réalisé en acier inoxydable, et équipé d'ailettes intérieures de conduction thermique 74, réalisée par de fines feuilles d'aluminium. Ces ailettes, de préférence orientées radialement, sont situées dans la partie supérieure du conduit 20, là où circule le gaz caloporteur, de préférence dans le même sens de circulation que celui du fluide dans l'espace annulaire 72, dont l'épaisseur peut être de l'ordre de 1 à 2 mm.

Le second tube 70 peut être de section circulaire ou autre, par exemple cannelé, avec des cannelures intérieures hélicoïdales permettant d' intensifier les échanges de chaleur avec le gaz caloporteur, par turbulences.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.