Titre : Réacteur pour stocker de 1’ammoniac sous une forme solide, notamment utilisable dans une machine thermique.

La présente invention porte sur un réacteur utilisant une matrice de réactif pour la sorption et désorption d’un gaz.

Ce réacteur peut être utilisé seul comme réservoir d’ammoniac sous forme solide. Ce réacteur peut également être utilisé dans une machine thermique pour la sorption d’un gaz de refroidissement produit par l’évaporation d’un fluide réfrigérant.

Une telle machine de production de froid comprend un évaporateur et un réacteur disposés dans un circuit fermé. Elle utilise un fluide réfrigérant (le réfrigérant) qui est évaporé dans l’ évaporateur et dont les vapeurs sont adsorbées par une matière sorbante (le sorbant), dans le réacteur.

Une phase de production de froid correspond à l'évaporation endothermique du réfrigérant dans l'évaporateur à basse pression et à la sorption chimique des vapeurs produites grâce à la réaction exothermique de synthèse ayant lieu dans le réacteur. La chaleur de réaction produite doit être évacuée de manière à maintenir la réaction hors équilibre et permettre ainsi que la production de froid se poursuive. L'écart à l'équilibre est directement lié à la vitesse de transformation et donc à la puissance thermique mise en jeu. Atteindre les conditions d'équilibre entraine l'arrêt de la réaction et donc de la sorption du gaz réfrigérant par le sorbant.

Cette phase se termine lorsqu'il ne reste plus de fluide réfrigérant à évaporer. Une phase de régénération correspond à la régénération du système à haute pression. En apportant de la chaleur au réacteur, à une température supérieure à sa température d'équilibre, la vapeur est désorbée par le réactif et se condense au condenseur ; la chaleur latente de condensation est évacuée dans le milieu environnant.

Le réacteur doit être conçu pour permettre une adsorption rapide et complète du fluide, ainsi qu’une régénération rapide du sorbant, lors de la désorption.

Un but de l'invention est de proposer un réacteur qui permette d’optimiser à la fois la puissance et la capacité de stockage d’un tel réacteur.

Selon l’invention, un réacteur pour la sorption/désorption d’un fluide par un réactif comprend une enceinte et au moins un diffuseur pour ledit fluide en phase gazeuse ou liquide qui s’étend selon un axe longitudinal dans un passage formé dans ledit réactif.

Il comprend avantageusement des moyens pour admettre le fluide dans l’enceinte, ces moyens d’admission comprenant, à l’extérieur de l’enceinte, un raccord prévu pour y fixer une conduite de la machine, et, à l’intérieur de l’enceinte, un injecteur tubulaire. Le raccord est de préférence un raccord mâle de type BSPP. Avantageusement, l’injecteur pénètre axialement dans le diffuseur de préférence sur une longueur qui représente au moins trois fois un diamètre intérieur du diffuseur et/ou au moins un vingtième de la longueur du diffuseur.

L’enceinte du réacteur peut comprendre un cylindre longitudinal et des capots qui ferment les extrémités longitudinales dudit cylindre, au moins un desdits capots amont portant les moyens d’admission, chaque capot étant assemblé de façon étanche, de préférence soudé, à une extrémité respective dudit cylindre. Avantageusement, le réacteur comprend deux flasques pour maintenir le réactif axialement serré entre eux, les flasques ayant une forme de disque percé d’un orifice pour le passage du diffuseur.

Selon un deuxième objet de l’invention, un diffuseur pour un réacteur selon l’invention comprend un collecteur et une enveloppe filtrante disposée autour du collecteur, ce collecteur assurant une rigidité du diffuseur et l’enveloppe étant prévue pour empêcher que des particules de réactif ne s’introduisent dans le collecteur, le collecteur ayant une forme de tube percé de trous répartis sur sa longueur. Le collecteur peut être formé d’une tôle perforée mise en forme de sorte que la forme de tube du collecteur a une section transversale circulaire ou triangulaire ou polylobée. Cette tôle est de préférence du type 10/10 R1T2. Le collecteur est de préférence fermé à chacune de ses extrémités longitudinales par un bouchon respectif, un bouchon amont étant, le cas échéant, percé d’un orifice prévu pour être ajusté autour de l’injecteur, une longueur de pénétration de l’injecteur à l’intérieur du diffuseur étant mesurée au-delà du bouchon.

L’enveloppe peut être une toile d’acier, de préférence une toile reps. Elle est avantageusement prévue pour retenir des particules de dimensions supérieures à cinquante microns.

Des modes de réalisation et des variantes seront décrits ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : [Fig- 1] est une vue schématique en perspective d’une machine thermique intégrant un réacteur selon l’invention ;

[Fig. 2] est une vue schématique illustrant le fonctionnement d’un réacteur selon l’invention ;

[Fig. 3] est une vue schématique en coupe axiale d’une galette réactive pour un réacteur selon l’invention ;

[Fig. 4] est une vue schématique en coupe axiale d’un réacteur selon l’invention, intégrant des galettes telles que celle illustrée à la figure 3 ; [Fig. 5] est une vue schématique de détail, en coupe axiale, des extrémités axiales du réacteur de la figure 4 ;

[Fig. 6] est une vue schématique de détail, en coupe axiale, d’un capot muni d’un dispositif d’injection pour une extrémité axiale amont du réacteur de la figure 4 ;

[Fig. 7] est une vue en perspective d’un flasque pour le réacteur de la figure 4 ; [Fig. 8] est une vue longitudinale d’un diffuseur pour le réacteur de la figure 4 ; [Fig. 9] est une vue en perspective d’une extrémité d’une structure interne du diffuseur de la figure 8 ; et,

[Fig. 10] est une vue en perspective d’une extrémité d’une enveloppe externe du diffuseur de la figure 8.

La figure 1 illustre schématiquement une machine thermique 1 selon l’invention. Elle forme un circuit fermé 2-5 qui comprend notamment un réacteur 2 selon l’invention, un condenseur 3 et un évaporateur 4, reliés entre eux par une conduite 5. Le circuit contient un fluide caloporteur 6. La machine peut être utilisée pour produire du froid dans un conteneur, non représenté, dans lequel est disposé l’évaporateur. Comme illustré à la figure 1, à une première extrémité, l’évaporateur comprend du fluide 6 en phase liquide 6L ; en s’évaporant, le fluide 6 « produit » du froid F. À une autre extrémité du circuit, le réacteur 2 contient un sorbant 7, qui absorbe le fluide 6 lorsqu’il pénètre dans le réacteur, en phase gazeuse 6G, produisant de la chaleur C ; ainsi, le fluide peut être stocké dans le réacteur, sous forme solide, combiné au sorbant. Le fluide peut être désorbé pour venir remplir l’évaporateur, après avoir changé de phase dans le condenseur 3. Une vanne 8 permet de réguler le débit du fluide, entre l’évaporateur et le réacteur. Par convention, on appelle extrémité amont 2M du réacteur, l’extrémité par laquelle le fluide y est introduit et d’où il en est extrait ; on appelle extrémité aval 2V, l’extrémité qui est longitudinalement, donc axialement, opposée selon un axe longitudinal X (voir figure 2) du réacteur. Le réacteur 2 est sensiblement de révolution autour de l’axe longitudinal X. La figure 2 illustre, en sa partie haute un état A, correspondant à la désorption du fluide ; en partie basse, la figure 2 illustre un état B, correspondant à l’absorption du fluide. L’état B correspond à l’état de la figure 1.

Dans cet exemple, le réacteur 2 a la forme d’un cylindre axialement allongé. Il comprend une enceinte périphérique 9 qui contient le réactif 7. Le réactif forme un passage axial 10 et occupe un espace entre ce passage et l’enceinte 9.

Dans l’état A, lors de la désorption, le fluide sous forme gazeuse 6G est désorbé et drainé selon Fl au travers du sorbant, jusque dans le passage 10 d’où il est extrait selon F2.

Dans l’état B, lors de l’absorption, le fluide sous forme gazeuse 6G est introduit dans le passage 10 selon F3 et percole selon F4 au travers du sorbant 7.

Dans un mode de réalisation préféré, le sorbant est mélangé avec un graphite naturel expansé, pour former une matrice réactive. Cette matrice est comprimée en forme de galette 11. Une coupe axiale d’une telle galette est illustrée à la figure 3. Cette galette est annulaire, c’est-à-dire qu’elle a une forme extérieure cylindrique dont le diamètre DU est adaptée pour s’ajuster, avec un jeu Jl l faible et régulier, dans l’enceinte du réacteur, de diamètre intérieur DI 3N ; elle a en outre une forme intérieure, elle aussi cylindrique, formant un tronçon du passage 10, de diamètre D10 sensiblement constant.

Comme illustré aux figures 4 et 5, le réacteur 2 est rempli de plusieurs galettes 11 juxtaposées. Elles sont maintenues axialement comprimées entre elles par deux flasques 12, l’un à l’amont M, l’autre à l’aval V du réacteur. Les deux flasques sont identiques entre eux. L’ enceinte 9 du réacteur des figure 4 et 5 comprend un cylindre longitudinal 13, fermé à ses extrémités longitudinales d’une part par un capot aval 14 et d’autre part par un capot amont 16. Chaque capot 14, 16 est soudé de façon étanche à une extrémité respective V, M du cylindre 13. Le capot aval 14 est totalement étanche en lui-même ; le capot amont 16 porte des moyens d’admission 17 pour le fluide 6G dans l’enceinte. Le réacteur 2 comprend en outre un diffuseur 20, notamment prévu pour répartir le fluide 6G le long du passage 10, lors de la phase d’absorption.

La figure 6 illustre isolément le capot amont 16 et les moyens d’admission 17. Il est sensiblement de révolution autour de l’axe longitudinal X du réacteur. Il a la forme d’une calotte, bombée, concave du côté intérieur N au réacteur et convexe du côté extérieur E. Il est sensiblement identique au capot aval 14, sauf en ce qu’il est percé d’un orifice axial 21, dans lequel sont montés les moyens d’admission 17. Les moyens d’admission sont soudés de façon étanche avec le capot 16, à la périphérie de l’orifice 21, contre le côté intérieur du capot 16.

Les moyens d’admission 17 comprennent, à l’extérieur E de l’enceinte, un raccord 22 prévu pour y fixer de façon étanche une conduite 5 de la machine 1. Ils comprennent aussi, à l’intérieur N de l’enceinte, un injecteur tubulaire 23. Dans l’exemple illustré, le raccord 22 est un raccord mâle de type BSPP.

L’injecteur 23 a la forme d’un tube cylindrique rectiligne, emmanché ajusté dans l’alésage du raccord 22. Il y est fixé de façon étanche par soudure. Le tube s’étend axialement depuis le raccord à l’intérieur N du réacteur 2, en direction du capot aval 14. Dans l’exemple illustré, il pénètre dans le diffuseur sur une longueur de pénétration L23.

La figure 7 est une vue en perspective qui illustre un flasque 12. Dans l’exemple illustré, le flasque comprend un disque 26 et une nervure annulaire 27 formée sur une face libre 28. Le flasque comprend en outre une face d’appui 29, opposée à la face libre 28, masquée à la figure 7. Comme illustré à la figure 5, la face d’appui 29 est prévue pour venir en appui contre une galette 11. Le disque est axialement percé d’un orifice 25 dont le diamètre D25 est sensiblement égal au diamètre D10 du passage 10, il permet que le diffuseur 20 puisse le traverser. Le disque a un diamètre extérieur D26 inférieur au diamètre extérieur DU des galettes. La nervure à un diamètre D27 et une hauteur H27 tels que, lorsque le réacteur est rempli, comme illustré aux figures 4 et 5, la nervure sert d’appui pour le flasque aval contre le capot aval 14, sans que le disque 26 touche les parois de l’enceinte. Ains, la nervure permet un calage longitudinal du solvant 7 dans le réacteur.

On va maintenant décrire le diffuseur 20, en référence aux figures 8 à 10.

Le diffuseur 20 comprend deux pièces principales : un collecteur 31 et une enveloppe filtrante 32.

Le collecteur 31 assure une rigidité au diffuseur. Il permet la distribution et la collecte du fluide gazeux le long du conduit 10. Dans l’exemple illustré, le collecteur 31 est réalisé à partir d’une tôle perforée pliée trois fois longitudinalement, de façon à lui donner une section transversale sensiblement triangulaire et inscrite dans un cercle D31 d’environ quatorze millimètres. La tôle utilisée a une épaisseur E31 d’un millimètre, percée de trous 33 dont le diamètre est voisin de cinq millimètres. Afin d’assurer une diffusion latérale à travers les trous 31, le collecteur 31 est bouché en amont et en aval. Le bouchon aval 34 présente une surface complètement étanche, le bouchon amont 36 est percé d’un orifice ajusté autour de l’injecteur 23. L’injecteur 23 pénètre dans le collecteur 31, au-delà du bouchon amont 36 sur une longueur L23, ce qui assure une bonne diffusion du fluide gazeux dans le collecteur 31.

L’enveloppe 32 est formée d’une toile d’acier permettant une filtration de particules ayant un diamètre supérieur à cinquante micromètres. Elle évite que des particules issues de la matrice réactive 7 viennent encombrer le circuit 5 et en gêner le fonctionnement thermodynamique ainsi que le fonctionnement dynamique de ses éléments mécaniques, notamment de la vanne 8. Dans l’exemple illustré, l’enveloppe est une toile REPS 50pm soudée sur elle-même autour du collecteur 31.

Dans un autre mode de réalisation, le collecteur peut être réalisé à partir d’une tôle de type 10/10 R1T2, c’est-à-dire ayant une épaisseur R31 d’un millimètre, et percée de trous 33 disposés en quinconces dont le diamètre D33 est d’un millimètre et l’entraxe entre deux trous voisins est de deux millimètres. Cette tôle est roulée de façon à lui donner une forme sensiblement cylindrique de diamètre extérieur D31 de quatorze millimètres ou moins.

Dans l’exemple illustré, le réacteur a les dimensions suivantes :

- D10, diamètre du passage 10 : 20 millimètres, environ ;

- DU, diamètre extérieur d’une galette 11 : 107 millimètres, environ ;

- L23, longueur de pénétration du diffuseur 23 : 30 millimètres, environ ;

- D13N, diamètre interne de l’enceinte 9 : 109 millimètres, environ ;

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Au contraire, l'invention est définie par les revendications qui suivent.

Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Bien que la description ait été faite en référence à une machine thermique, le réacteur décrit est essentiellement un moyen pour stocker de l’ammoniac sous une forme stabilisée. Ce stockage peut être utilisé quelle que soit l’utilisation qui est faite de l’ammoniac une fois désorbé, c’est-à-dire une fois déstocké. Aussi, notamment, mais non exclusivement, les dimensions des différents éléments du réacteur peuvent varier, notamment en fonction de la puissance ou de la quantité d’ammoniac souhaitée.

Le collecteur, au lieu d’avoir une section circulaire ou triangulaire, peut aussi avoir une section polylobée ou polyédrique. Une section non circulaire permet une bonne circulation du fluide entre le collecteur et son enveloppe filtrante, donc une bonne répartition du fluide dans le passage, et ainsi, une absorption plus rapide et plus homogène du fluide par le réactif.

La forme cylindrique de l’enceinte du réacteur est particulièrement adaptée à des pressions élevées du fluide gazeux. Bien entendu, selon les applications, une pression moins élevée peut être nécessaire et des formes différentes, notamment polyédriques, peuvent être adaptées à l’encombrement du réacteur dans la machine qui l’ héberge. Ainsi, un réacteur placé sous un plancher aura avantageusement une section rectangulaire ou hexagonale, afin d’augmenter la capacité de stockage du réacteur.

Si le réactif a une forme et/ou une épaisseur qui le nécessite, il peut être avantageux d’utiliser plusieurs diffuseurs pour un même réacteur ; chaque diffuseur peut être relié à son propre capot et/ou ses propres moyens d’admission.