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SYSTEME FRIGORIFIQUE A ABSORPTION ET MELANGE DE TRAVAIL POUR CE SYSTEME
L'invention concerne un système frigorifique à
absorption et un couple de travail solvant-frigorigène
destiné à ètre utilisé dans un système frigorifique à
absorption.
Actuellement, trois types de système frigorifique
à absorption sont connus . le système à absorption â
simple effet de séparation, le système à absorption à
simple effet de séparation et recompression, et le
système-absorption à double effet de séparation.
Parmi ces trois systèmes, le système à absorption
à double effet de séparation est celui qui permet
d'obtenir le coefficient de performance frigorifique
(COP), défini comme le rapport de la quantité de chaleur
absorbée à la source froide à la quantité d'ënergie
calorifique .absorbée à la source de chaleur motrice, le
plus élevé.
Ce coefficient de performance frigorifique ou COP
est ainsi représentatif du rendement du système
frigorifique. Cependant, mème avec le système
frigorifique à absorption à double effet de séparation,
le COP ne dépasse pas la valéur de 1 alors qu'en
théorie, ce COP peut atteindre la valeur de 1, 3.
L'invention vise à pallier cet inconvénient.
A cet effet, elle propose un système frigorifique
â absorption du type à double effet de séparation
comprenant notamment . (a) un premier gënérateur à haute
pression et haute température, (b) un second générateur
qui est à une pression et une température inférieures à
celles du premier générateur et alimentant, par une
canalisation en vapeur de frigorigène un condenseur à la
même pression que le second générateur mais à une
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température inférieure à ce second générateur, (c) un
condenseur à la même pression que le second générateur
précité et à une température infêrieure à la température
de ce dernier ; (d) un évaporateur à une pression et une
température inférieures à celles du condenseur ; (e) un
absorbeur â la même pression que l'ëvaporateur et à la
méme température que le condenseur ; et (f) un moyen de
compression situé sur la canalisation qui alimente le
premier générateur en solution riche en frigorigène,
cette solution provenant de l'absorbeur, caractérisé en
ce que le condenseur précité est à une pression
supérieure à la pression du second générateur précité et
inférieure à la pression du premier générateur précité.
Selon une autre caractéristique du système
frigorifique de l'invention, la pression du condenseur
est obtenue par une compression des vapeurs de
frigorigène issues dudit second générateur par un moyen
de compression de ces vapeurs situé sur la canalisation
alimentant en vapeur de frigorigène ledit condenseur.
Selon encore une autre caractéristique du système
frigorifique de l'invention, ladite solution riche en
frigorigène est un couple de travail solvant-frigorigène
où le solvant est un composé choisi dans le groupe des
méthylphénols, pris individuellement ou en mélange.
Selon toujours une caractéristique du système
frigorifique de l'invention, lesdits méthylphénols sont
l'ortho-crésol, le méta-crésol et le para-crésol.
L'invention propose également un couple de travail
solvant-frigorigène destiné à étre utilisé dans un
système frigorifique à absorption caractérisé en ce que
le frigorigène est un composé choisi dans le groupe des
méthylphénols, pris individuellement ou en mélange, et
en ce que le solvant est du méthanol.
Selon une caractéristique du couple de travail de
l'invention, lesdits méthylphénols sont l'ortho-crësol,
le méta-crésol et le para-crésol.
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L'invention sera mieux comprise et d'autres buts,
caractéristiques, détails et avantages de celles-ci
apparaîtront plus clairement au cours de la description
explicative qui va suivre fait en référence aux figures
annexées dans lesquelles .
- la figure 1 représente schématiquement le
système frigorifique à absorption à double effet de
séparation, de l'art antérieur en relation avec les
conditions de fonctionnement de chaque élément en termes
de pression et de température, où la température est
portée en abscisse et la pression en ordonnée, et
- la figure 2 représente schématiquement le
système frigorifique de l'invention en relation avec les
conditions de fonctionnement de chaque élément en termes
de pression et de température, où la température est
portée en abscisse et la pression en ordonnëe.
Le principe de fonctionnement et les éléments
essentiels du système frigorifique â absorption à double
effet de séparation de l'art antérieur vont maintenant
ètre décrits en référence à la figure 1.
Ce système utilise l'affinité réciproque des
molécules, d'une part d'une substance volatile, le
frigorigène ou agent producteur de froid dans
l'évaporateur noté E dans la figure 1 et d'autre part
d'une substance demeurant liquide, l'absorbant. Cet
absorbant est également appelê solvant. Le couple
solvant-frigorigène est également appelé couple de
travail, le frigorigène ëtant le plus volatil des deux
substances présentes.
Dans ce type de système frigorifique, seul le
frigorigène doit parcourir la partie de circuit du
système où le froid est produit c'est-à-dire la partie
du circuit entre le condenseur noté K2 et l'absorbeur
noté A dans la figure 1, circuit 5.
En effet, le froid est produit à l'évaporateur ~
où le phénomène d'évaporation du frigorigène consomme de
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l'énergie calorifique, notée ~o dans la figure 1,
fournie en partie, par l'élément à refroidir et
refroidi.
Puisque seul le frigorigène doit parcourir cette
partie du circuit, une séparation aussi complète du
frigorigène et du solvant quand il le faut, est
importante.
Dans, le système montré en figure I, cette
séparation est obtenue en deux étapes successives, dans
le générateur noté G1 en figure 1 et dans le générateur
noté G2 en figure 1. Ainsi, comme montré en figure 1, la
solution riche en frigorigène (mélange solvant +
frigorigène), qui est issue de l'absorbeur A via un
éventuel stockage de la solution riche en frigorigène,
I5 qui est à la température notée 8 en figure 1 et à Ia
pression notée Po en figure 1, est amenée par la
canalisation notée 1 en figure 1 au générateur G1 qui
est à la température notée 8m en figure 1 et à la
pression notée Ph en figure 1 obtenue par le moyen de
compression noté P en figure 1, en traversant deux
échangeurs thermiques notës ET1 et ET2 en figure 1.
La solution riche en frigorigène est alors
chauffée à la température 6m dans G1.
Une premiëre séparation solvant-frigorigène est
effectuée dans ce générateur G1 produisant des vapeurs
de frigorigène.
Cette première séparation nécessite un apport
extérieur d'énergie calorifique de toute origine appelëe
énergie calorifique motrice et notée ~m dans la figure
1.
Les vapeurs du frigorigène issues de G1 sont alors
amenées, par la canalisation notée 2 en figure 1 au
second générateur G2. La solution appauvrie en
frigorigène contenue dans G1 est également envoyêe dans
G2 en passant par l'échangeur thermique ET2 en subissant
en amont ou en aval de ce dernier une chute de pression
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par un moyen quelconque approprié. Dans ET2, la solution
appauvrie en frigorigène, chaude, circulant dans la
canalisation 3, fournit de l'énergie thermique à la
solution riche en frigorigène qui provient de
l'absorbeur et qui circule dans la canalisation 1.
Dans le générateur G2 qui est à la température
notée 8i en figure 1 et à la pression notée Pk en
figure 1, avec 8 < 8i < 8m et Po < Pk < Ph, les vapeurs
de frigorigène issues de GI circulant dans la
canalisation 2 échauffent la solution appauvrie
provenant du générateur 1 et se condensent à la pression
Ph dans un condenseur noté K1 dans la figure 1.
I1 y a alors dans G2, une nouvelle séparation du
frigorigène de la solution appauvrie en frigorigène
provenant de G1, avec production de nouvelles vapeurs de
frigorigène.
C'est ce qu'on appelle le double effet de
séparation.
Ensuite, d'une part le frigorigène liquide sortant
de G2 (vapeurs de frigorigène provenant de G1 et
condensées dans K1) et, d'autre part les vapeurs de
frigorigène issues du générateur G2, sont envoyés au
condenseur noté K2 en figure 1 par les canalisations
notées 7 et 4, respectivement, en figure 1, alors que la
solution encore plus appauvrie en frigorigène est
renvoyée, par la canalisation notëe 8 en figure 1, à
l'absorbeur A en traversant l'échangeur thermique ET1 où
elle transfëre une partie de son énergie thermique à la
solution riche en frigorigène circulant dans la
canalisation 1.
Le condenseur K2 est à la méme pression Pk que le
générateur G2 et à la même température A que l'absorbeur
A.
Dans le condenseur K2, les vapeurs de frigorigène
issues du générateur G2 sont condensées. Le frigorigène
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liquide du courant ? subit une chute de pression par un
moyen quelconque approprié avant d'ètre admis dans K2.
I1 faut noter qu'à partir du générateur G2, et
jusqu'à l'absorbeur A, seul le frigorigène est en
circulation.
Donc seul, le frigorigène liquide est alors
transféré, par la canalisation notêe 5 en figure 1, avec
abaissement de la pression par un moyen quelconque
approprié, à l'évaporateur E.
L'évaporateur E est à la même pression Po que
l'absorbeur A et à la température notée 6o dans la
figure 1, température 6o qui est inférieure à la
température A de l'absorbeur.
Dans l'évaporateur E, le frigorigène est ëvaporé
i5 en consommant de l'énergie calorifique notée ~o en
figure 1 et qui est fournie par l'élément à refroidir.
Cet évaporateur E est la source froide du système.
Les vapeurs de frigorigène produites dans
l'ëvaporateur E sont alors envoyëes dans l'absorbeur A,
par la canalisation notée 6 en figure 1.
Enfin dans l'absorbeur A, les vapeurs de
frigorigène s'absorbent dans la solution appauvrie en
frigorigène provenant du générateur G2, après
abaissement de la pression de la solution, pour
reconstituer la solution riche en frigorigène qui sera à
nouveau envoyée au générateur G1, pour un nouveau cycle
de fonctionnement.
Comme on le voit en figure 1, dans ce système, le
condenseur K2 et le générateur G2 sont à la même
pression de travail.
L'homme de l'art comprendra aisêment que le
fonctionnement de ce système nécessite la présence
d'organes de chute de pression à chaque fois que
nécessaire. Ces organes et leurs emplacements sont
connus de l'homme de l'art et bien que non décrits ici
et que non représentés dans les figures 1 et 2, ces
r- ~,.~ ~.~ .......r..., ._. _.._ w ~. ..,. _ . ..
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organes font partie du système frigorifique â double
effet de séparation, auquel on se réfère ici.
L'invention consiste à dêcaler la pression de
travail du gënérateur G2 et du condenseur K2.
Cela est réalisé, comme montré en figure 2, dans
laquelle les mêmes signes de référence indiquent les
mêmes éléments que dans la figure 1, en introduisant une
compression des vapeurs de frigorigène sortant du
gënérateur G2. Ceci peut être mis en oeuvre en prévoyant
dans la canalisation notée 4 en figure 2, un moyen de
compression noté P2 en figure 2. Ce moyen de compression
peut être tout moyen de compression connu de l'homme de
l'art tel qu'un moyen de compression mécanique ou
électrique.
Le condenseur K2 est alors à une température 8'
pouvant être identique à la température 8 de l'art
antérieur ou différente, mais â la pression notée Pk2 en
figure 2 avec Pk < Pk2 < Ph.
I1 est à noter ici que le système frigorifique à
double effet de séparation de l'invention comprend
également, bien que non décrits et représentés en figure
2, les mêmes organes de chute de pression que le système
frigorifique à double effet de séparation de l'art
antërieur.
En augmentant la pression de travail de K2 par
rapport à la pression de travail de G2, on crée un état
d'équilibre thermodynamique dans G2 moins favorable au
frigorigène et donc la solution sortant de G2 est plus
appauvrie en frigorigène que ne le serait la même
solution dans le systëme frigorifique de l'art
antérieur.
Tout d'abord, cet appauvrissement conduit à une
diminution de la quantité de chaleur ~m à fournir au
générateur G1 par modification des besoins de
circulation de la solution pauvre en frigorigène à
puissance frigorifique recherchée fixée.
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Ensuite, il peut aussi permettre d'abaisser
significativement la température minimale 6m de travail
dans G1, ce qui permet également une réduction des
pertes par chaleur sensible. En d'autres termes,
l'énergie calorifique motrice ~m est mieux utilisée dans
le système de l'invention.
De plus, avec le système de l'invention, on peut
travailler, à une pression Ph inférieure (dans G1) à
celle utilisée dans un système à double effet de
sëparation classique.
Ceci signifie que l'énergie à fournir à la
solution (organe P en figures 1 et 2) pour obtenir cette
pression sera inférieure à celle nécessaire avec le
système classique.
Enfin, dans le système de l'invention, uniquement
la partie des vapeurs de frigorigène issues de G2 est
comprimée ce qui demande moins d'énergie que si on
voulait comprimer toutes les vapeurs de frigorigène,
c'est-à-dire celles issues de G1 et de G2 ou celles
circulant dans un système frigorifique à absorption à
simple effet de séparation.
En plus de cette diminution d'énergie, an aura
égaiement une diminution de la taille de l'équipement
nécessaire à la compression et à la condensation des
vapeurs issues de G2 par rapport à ia taille de
l'équipement nécessaire pour comprimer la totalité des
vapeurs issues de G1 et de G2. I1 peut également
résulter une diminution de la taille de tous les
ëquipements en raison de la réduction des débits de
circulation des soïutions, réduction induite par des
conditions opératoires pouvant étre plus favorables par
rapport à celles utilisées dans l'art antérieur.
Ainsi, avec le système de l'invention, on peut
maintenir la température minimale de fonctionnement 8m
du générateur GI identique à celle utilisée dans le
système de l'art antérieur mais la source d'énergie
._..~.~._ _......~.__ ...~...._~... .... _ . ...
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calorifique ~m sera mieux exploitée, la pression du
générateur G1 pourra, elle, être abaissée par rapport â
celle du système de l'art antérieur.
A titre d'exemple purement illustratif, pour un
même couple de travail solvant-frigorigène, et une même
température de travail 8m, la pression Ph du gënérateur
G1 dans le système frigorifique à double effet à
recompression de l'invention pourra étre de 2,2 à 2,5
bars en comparaison à une pression Ph du générateur GI
dans le système frigorifique à double effet de
séparation de l'art antérieur de 3 à 3,5 bars.
De la méme façon, le coefficient de performance ou
COP du système frigorifique de l'invention pourra être
accru en comparaison avec celui du système de l'art
antérieur.
Cependant, la performance du système frigorifique
à absorption de l'invention dépend dans l'application
pratique du couple de travail solvant-frigorigène
utilisé. Ce couple doit posséder â priori une déviation
négative par rapport à la loi de Raoult. Cependant, on a
montré que cette déviation ne doit pas être trop
importante. En effet, dans le cas où l'on utilise un
couple de travail solvant-frigorigène très favorable
donnant lieu à des taux de solution faibles, alors le
gain fourni par la compression n'est plus significatif
par rapport au surplus énergétique nêcessaire pour
assurer cette compression.
D'autres coupies de travail destinés à être
utilisés dans les systèmes frigorifiques à absorption
sont connus. Par exemple, le méthanol est souvent
utilisé en tant que frigorigène, associé à un absorbant
(solvant} tel que des sels du type bromure de lithium ou
bromure de zinc.
Également, des solvants organiques tels que le
tétraéthylène glycol diméthyléther et le glycérol ont
été utilisés comme solvants du méthanol.
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L'invention propose un nouveau couple de travail
solvant-frigorigène qui permet d'améliorer encore plus
le COP du systême frigorifique de l'invention.
Ce couple est constituê du méthanol en tant que
frigorigène, associé à un mëthylphénol ou à un mélange
de méthylphénols, produits aussi connus sous
l'appellation crésols ou par le nom acide crésilique
adopté souvent par les anglosaxons.
Les crésols ont pour formule chimique brute C~HgO.
Ce sont des alcools cycliques qui permettent une
absorption importante de méthanol en raison de la
possibilité de créer des liaisons hydrogènes fortes
entre le solvant et le soluté. De plus, ils possèdent
des températures d'ébullition élevées favorables à la
séparation dans les générateurs. Leur stabilité est liée
à l'absence dans le circuit de toute substance ou
matériau pouvant induire une réaction de gradation d'un
des composés du couple de travail ; l'air peut être cité
à titre d'exemple. Enfin leur coût est faible.
Les crêsols existent sous les formes ortho-crésol,
méta-crésol et para-crésol. Le couple crésols-méthanol
répond parfaitement aux exigences thermodynamiques du
cycle impliqué dans le système frigorifique de
l'invention. En effet, les déviations induites par
rapport â la loi de Raoult existent mais sont plus
faibles que dans le cas d'une association du méthanol
avec un ou plusieurs sels.
A titre d'exemple purement illustratif, alors que
le COP théorique obtenu, en utilisant le système à
absorption â double effet de séparation avec
recompression de l'invention avec un couple de travail
méthanol-solvant de l'art antérieur, est de 0,9, le COP
avec ce même système en utilisant le couple de travail
crésols-méthanol de l'invention peut atteindre des
valeurs de jusqu'à 1,3 et généralement non inférieures à
1,1.
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Comme cela apparaitra clairement à l'homme de
l'art, bien qu'ayant été décrit uniquement dans ce qui
précëde comme utilisé dans le système frigorifique à
absorption à double effet de l'invention, le couple de
travail crésols-méthanol de l'invention pourra également
être utilisé dans tous les systèmes frigorifiques à
absorption connus jusqu'à présent.
Par ailleurs, bien qu'an ait mentionné le fait que
le système frigorifique de l'invention ne permette pas
d'obtenir un gain significatif par rapport au surplus
énergétique nécessaire pour la recompression introduite
dans le système frigorifique de l'invention, lorsqu'on
utilise un couple de travail bromure de lithium-eau, le
système frigorifique de l'invention pourra être utilisé
avec un autre couple de travail que celui précisément
décrit dans l'invention.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée
aux modes de rëalisation décrits et illustrés qui n'ont
été donnés qu'à titre d'exemple.
Ainsi, le système frigorifique de l'invention
pourra être utilisé aussi bien pour produire du froid,
la source froide étant alors l'évaporateur E que pour
produire de la chaleur, la source chaude étant alors le
condensateur K2 ainsi que l'absorbeur A.
C'est dire que l'invention comprend tous les
équivalents techniques des moyéns décrits ainsi que
leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant
son esprit.
