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REACTEUR THERMOCHIMIQUE POUR APPAREIL DE REFRIGERATION ET/OU DE
CHAUFFAGE
La présente invention concerne un réacteur thermochimique pour
appareil de réfrigération et/ou de chauffage comprenant au moins
un bloc de réactif apte à absorber par combinaison chimique un
flux gazeux en provenance d'un réservoir et à désorber ce flux
gazeux par réaction chimique inverse, sous l'effet d'une
élévation de température, afin qu'il réintègre ledit réservoir,
ledit bloc de réactif étant disposé dans un contenant, relié
audit réservoir au travers d'une tubulure, et présentant des
parois, dont certaines au moins comprennent des moyens
diffuseurs autorisant la répartition du flux gazeux dans un sens
ou dans l'autre entre le bloc de réactif et le réservoir, ledit
bloc de réactif étant du type susceptible de s'expanser lors de
l'absorption du flux gazeux et de se rétracter lors de la
désorption du flux gazeux et étant relié à des moyens de
chauffage.
L'invention concerne également un appareil de réfrigération
et/ou de chauffage comprenant un tel réacteur thermochimique
ainsi qu'un dispositif isotherme lui-même équipé dudit appareil
de réfrigération et/ou de chauffage.
La présente invention concerne plus particulièrement le domaine
de la production de froid et/ou de chaleur à partir de systèmes
thermochimiques.
De manière connue, de tels systèmes sont fondés sur les échanges
de chaleur résultant de la réaction chimique entre un gaz, tel
que l'ammoniac, et des sels réactifs, tels que des chlorures de
calcium, contenus respectivement dans deux réservoirs séparés
par une vanne. A l'ouverture de cette dernière, une réaction
chimique a lieu, au cours de laquelle le gaz se vaporise pour
rejoindre les sels. Cette évaporation consomme de la chaleur, et
génère par conséquent une production de froid au niveau du
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réservoir contenant le gaz. Par ailleurs, la réaction chimique
entre le gaz et les sels est exothermique et provoque un
dégagement de chaleur au niveau du réservoir de sels.
Après évaporation totale du gaz, ou lorsque les sels sont
saturés, la réaction chimique s'arrête ainsi que la production
de froid et de chaleur. Il est alors possible de régénérer le
système, simplement en chauffant les sels réactifs, ce qui
provoque la séparation des sels et du gaz qui rejoint alors son
réservoir d'origine où il se condense à nouveau. Après
régénération des sels réactifs, un nouveau cycle de
réfrigération et/ou de chauffage peut être entrepris.
La mise en oeuvre progressive de ces systèmes thermochimiques
dans un environnement industriel a nécessité conjointement le
développement d'appareils adaptés, présentant des moyens aptes à
optimiser, parfaire et contrôler le déroulement des réactions
thermochimiques, et conçus à l'aide de matériaux fiables,
capables de résister à d'importantes contraintes, notamment de
pression et de température.
Dans ce contexte, de nombreux travaux ont été orientés vers la
mise au point du réacteur, c'est-à-dire l'ensemble constitué par
les sels réactifs, l'enveloppe dans laquelle ils sont contenus
et les différents moyens dont cette dernière est équipée, en
ayant pour objectif de proposer une solution dans laquelle le
réactif se trouve non seulement capable d'absorber et de
désorber une quantité maximale de gaz sans être entraîné par ce
gaz, mais également apte à subir des variations de volume dans
ladite enveloppe, sans la détériorer ni perdre ses qualités
réactives, voire éclater.
On connaît actuellement plusieurs documents consacrés à la
description des innovations réalisées dans ce domaine.
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Ainsi, le document FR 2 455 713, par exemple, fait référence à
un réacteur thermochimique pouvant être constitué de plusieurs
corps réactifs rendus autoportants par un liant et contenus de
façon serrée dans une enveloppe flexible présentant plusieurs
éléments d'enveloppe. Des passages établis entre des éléments
d'enveloppe adjacents définissent des canaux permettant la
circulation du flux gazeux entre les différents corps réactifs.
Le réacteur comprend également des structures de répartition
communiquant avec les canaux de circulation et conçus de manière
à s'adapter aux variations dimensionnelles d'un élément
d'enveloppe. Ces structures de répartition peuvent comporter des
éléments télescopiques qui peuvent être poussés les uns dans les
autres, pour conduire à des variations de la longueur desdites
structures de répartition.
Un tel réacteur thermochimique présente l'inconvénient d'une
structure complexe se caractérisant par une grande fragilité.
Le document US 2 649 700 décrit un réacteur thermochimique
comprenant plusieurs blocs élémentaires de réactif, de forme
annulaire, confinés entre une paroi interne et une paroi
périphérique. Des écrans poreux séparant les blocs élémentaires
les uns des autres distribuent le flux gazeux entre les surfaces
inférieure et supérieure de ces derniers et un conduit d'arrivée
et de départ. Les blocs élémentaires sont réalisés en métal
fritté et sont donc dimensionnellement stables, notamment à
l'égard des contraintes de pression et de température précitées.
Il s'est avéré à l'usage que ce mode de réalisation présentait
de nombreux inconvénients. En effet, la nature métallique des
blocs limite sérieusement la quantité de gaz pouvant être
absorbée et se caractérise en outre par une mauvaise rétention
des particules absorbantes. Ceci oblige à faire passer le flux
de gaz à travers des écrans servant de filtres lesquels
compliquent et alourdissent la structure de l'ensemble.
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On connaît également du document EP 0 206 875 un bloc réactif
constitué d'un mélange de chlorure et d'un dérivé expansé de
carbone, capable d'absorber de grandes quantités de gaz par
unité de volume, et répondant au problème du transfert de masse.
Ce bloc réactif solide présente cependant une tenue mécanique
réduite qui a tendance à se déformer rapidement sous l'action
des gradients de pression et des variations de volume subies, de
sorte que sa capacité de rétention de gaz tend progressivement à
diminuer au cours des cycles de réfrigération-régénération.
Finalement, les surfaces du réactif prévues pour les échanges de
masse peuvent être tellement déformées qu'elles deviennent
totalement inefficaces.
Dans la solution proposée par le document US 2 384 460, le
matériel réactif est confiné entre des parois de confinement,
dans un volume limité, et est traversé par des conduits de gaz
perforés remplis de laine de verre destinée à retenir ledit
matériel réactif. Du fait du confinement étroit, le matériel
réactif conserve le même volume et la même forme, non seulement
durant la phase de saturation, mais également durant les cycles
successifs d'absorption-désorption.
Un dispositif de réacteur thermochimique tout à fait similaire
est également proposé dans le document EP 0 692 086, qui décrit
notamment un réacteur thermochimique comprenant un bloc de
réactif solide confiné dans un contenant, entre des parois de
confinement dont certaines sont perméables aux échanges de
masse. La caractéristique de ce réacteur est définie par le fait
que le bloc réactif employé est susceptible de subir des
variations de volume en fonction de la quantité de gaz absorbée,
tandis que les parois de confinement sont capables d'assurer la
stabilité de forme du bloc à l'encontre de la tendance auxdites
variations de volume. Ainsi, il est proposé dans ce document
d'enfermer un bloc de réactif solide dans un contenant aux
dimensions strictement adaptées, de sorte que ce bloc de réactif
conserve ses dimensions au cours des différents cycles
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d'absorption-désorption, garde sa tenue mécanique initiale, et
évite son gonflement, voire sa détérioration par éclatement.
Il a pu être constaté que le fait de confiner le matériau
5 réactif à l'intérieur d'un espace limité, tel que décrit en
particulier dans les deux derniers documents cités, bien que
rendu nécessaire pour éviter la détérioration du système, en
particulier pour éviter l'éclatement du bloc réactif, représente
une entrave au déroulement optimal des réactions thermochimiques
attendues. En effet, le fait d'empêcher le gonflement du réactif
réduit notablement la quantité maximale de gaz pouvant être
successivement absorbée et désorbée, ce qui se répercute
notamment sur la durée d'autonomie du système.
Un autre dispositif similaire connu est décrit dans le document
FR 2 723 438 et tente de pallier le décollement du réactif
solide par rapport aux parois de l'enceinte, ce décollement se
traduisant par une perte de la puissance du réacteur au travers
d'une baisse du coefficient de transfert thermique. Pour ce
faire, un fluide est introduit entre le réactif et les parois de
l'enceinte, ledit fluide réalisant la liaison thermique entre le
réactif et l'enceinte. De plus, un dispositif de confinement du
fluide est ajouté à l'intérieur de l'enceinte pour limiter le
déplacement dudit fluide et l'empêcher de s'accumuler sur le
dessus du réactif.
Ce dispositif présente néanmoins l'inconvénient d'être complexe
de réalisation, faisant intervenir des moyens supplémentaires de
mise en uvre d'un fluide et de confinement de ce dernier.
L'objet de la présente invention est donc de proposer un nouveau
réacteur thermochimique dans lequel le gonflement du matériau
réactif n'est pas empêché, mais néanmoins contrôlé, de sorte que
ses capacités d'absorption-désorption soient pleinement mises à
contribution sans pour autant craindre sa détérioration par
éclatement.
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A cet effet, l'invention propose un réacteur thermochimique pour
appareil de réfrigération et/ou de chauffage comprenant au moins
un bloc de réactif apte à absorber par combinaison chimique un
flux gazeux en provenance d'un réservoir et à désorber ce flux
gazeux par réaction chimique inverse, sous l'effet d'une
élévation de température, afin qu'il réintègre ledit réservoir,
ledit bloc de réactif étant disposé dans un contenant relié
audit réservoir au travers d'une tubulure et présentant des
parois, dont certaines au moins comprennent des moyens
diffuseurs autorisant la répartition du flux gazeux dans un sens
ou dans l'autre entre le bloc de réactif et le réservoir, ledit
bloc de réactif étant du type susceptible de s'expanser lors de
l'absorption du flux gazeux et de se rétracter lors de la
désorption du flux gazeux et étant relié à des moyens de
chauffage, caractérisé en ce que certaines au moins desdites
parois consistent en des parois mobiles, aptes à accompagner le
mouvement longitudinal effectué par le bloc de réactif lors de
son expansion ou de sa rétractation à l'intérieur dudit
contenant, de sorte à autoriser les phénomènes successifs de
déformation par expansion et de retour à la forme initiale par
rétractation dudit bloc de réactif.
Selon un mode de réalisation préférentiel, l'invention se
caractérise également en ce que ledit contenant est défini par
un tube dont chacune des extrémités est prolongée par une demi-
sphère et dont le diamètre est tel qu'il permet une introduction
sensiblement sans jeu du bloc de réactif, lui-même de forme
cylindrique et pris en sandwich entre deux disques aptes à
coulisser longitudinalement, le cas échéant en direction de
chaque demi-sphère sous l'effet de l'expansion du bloc de
réactif, ou, le cas échéant en direction de la zone centrale du
tube sous l'effet de la rétractation du bloc de réactif.
Par ailleurs, selon une caractéristique avantageuse, la présente
invention prévoit également que les moyens diffuseurs,
autorisant la répartition du flux gazeux dans un sens ou dans
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7
l'autre entre le bloc de réactif et le réservoir, sont définis
par un ensemble de plusieurs parois imbriquées entre elles,
délimitant centralement un canal, réalisées chacune à partir de
matériaux aptes à permettre le passage du flux gazeux, ledit
ensemble étant apte à être inséré au travers d'orifices réalisés
à cet effet sur ledit bloc de réactif et lesdites parois
mobiles, et ledit ensemble communiquant au niveau d'une de ses
extrémités avec la tubulure reliant entre eux le contenant et le
réservoir.
Selon une forme de réalisation conforme à l'invention, le
réacteur thermochimique est équipé de moyens de chauffage
définis par un ensemble de colliers ou rubans chauffants
positionnés à l'extérieur du contenant dans lequel est disposé
le bloc de réactif.
D'autre part le présent document se rapporte également à un
appareil de réfrigération et/ou de chauffage comprenant un
réacteur thermochimique conforme à l'invention, relié à un
réservoir de fluide gazeux au moyen d'une tubulure équipée d'une
vanne, ainsi qu'à un dispositif isotherme équipé d'un tel
appareil de réfrigération et/ou de chauffage.
La présente invention concerne également les caractéristiques
qui ressortiront au cours de la description qui va suivre, et
qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs
combinaisons possibles.
Un aspect de invention concerne un réacteur thermochimique
pour appareil de réfrigération et/ou de chauffage comprenant:
un réservoir pour contenir un gaz,
au moins un bloc de réactif apte à absorber, par
combinaison chimique, un flux gazeux en provenance du
réservoir et à désorber le flux gazeux par réaction chimique
inverse, sous l'effet d'une élévation da température, afin que
le flux gazeux réintègre ledit réservoir,
un contenant relié audit réservoir au travers d'une
tubulure, le bloc de réactif étant disposé dans le contenant,
le contenant présentant des parois, dont certaines au moins
comprennent des moyens diffuseurs configurés pour autoriser
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7a
la répartition du flux gazeux dans un sens ou dans l'autre
entre le bloc de réactif et le réservoir,
moyens de chauffage auquel le bloc de réactif est relié,
dans lequel ledit bloc de réactif est constitué d'un
matériel qui s'expanse lors de l'absorption du flux gazeux et
se rétracte lors de la désorption du flux gazeux,
dans lequel les parois du contenant comportent
(i) un tube dans lequel le bloc de réactif est introduit
sans jeu radial dans une direction radiale du tube, une
surface radiale externe du bloc de réactif étant en contact
étroit avec une surface radiale interne du tube dans une
direction radiale du tube, de sorte que le bloc de réactif
effectue des mouvements dans la direction longitudinale du
tube lors de son expansion et de sa rétractation à l'intérieur
du contenant, et
(ii) des parois mobiles entre lesquelles le bloc de
réactif est pris en sandwich, les parois mobiles étant
appliquées contre et solidaire avec des faces d'extrémités
opposées respectives du bloc de réactif dans une direction
longitudinale du tube, de sorte que les parois mobiles se
déplacent dans la direction longitudinale du tube accompagnant
les mouvements effectués par le bloc de réactif dans la
direction longitudinale du tube lors de son expansion et de sa
rétractation à l'intérieur dudit contenant,
de sorte à autoriser les phénomènes successifs de
déformation par expansion et de retour à la forme initiale par
rétractation dudit bloc de réactif.
Un autre aspect de l'invention concerne un appareil de
réfrigération et/ou de chauffage comprenant un réacteur
thermochimique défini tel que décrit ci-dessus relié à un
réservoir de fluide gazeux au moyen d'une tubulure équipée
d'une vanne.
Un autre aspect de l'invention concerne un dispositif
isotherme équipé d'un appareil de réfrigération et/ou de
chauffage défini tel que décrit ci-dessus.
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7b
Cette description se rapportant à des exemples de réalisation,
donnés à titre indicatif et non limitatif, fera mieux comprendre
comment l'invention peut être réalisée, en référence aux dessins
annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique, en perspective et
en éclaté, d'un mode de réalisation d'un réacteur thermochimique
selon la présente invention,
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- la figure 2 représente une vue schématique en perspective d'un
appareil de réfrigération et/ou de chauffage selon l'invention,
- les figures 3 et 4 représentent des vues schématiques en coupe
longitudinale d'un réacteur thermochimique selon l'invention,
respectivement avant et après l'absorption du gaz,
- la figure 5 représente une vue schématique en perspective d'un
dispositif équipé de l'appareil de réfrigération et/ou de
chauffage de la figure 2.
Le réacteur thermochimique 1 visible sur la figure 1, relatif à
un mode de réalisation particulier de l'invention, est constitué
d'un bloc solide de réactif 2, présenté sous la forme d'au moins
quatre galettes cylindriques introduites dans un contenant 3
défini par un tube, lequel est réalisé de préférence en acier
inoxydable et présente un diamètre adapté pour garantir un
contact étroit entre ses parois internes 30 et la surface
externe 20 du bloc de réactif 2 après leur assemblage. Par
ailleurs, tel que visible sur la figure 3, le bloc de réactif 2
est glissé à l'intérieur du tube définissant le contenant 3 de
manière centrée, en prévoyant à chaque extrémité 34, 35 dudit
tube un certain débattement 32.
Chacune des extrémités 34, 35 du tube définissant le contenant 3
est par ailleurs fermée grâce à des moyens d'obturation 31
présentant la forme d'une demi-sphère ou d'une calotte (dont
une seule est schématisée sur la figure 1), que l'on vient y
fixer par soudure, lors de la fabrication du réacteur 1.
Le contenant 3 est relié au moyen d'une tubulure 4 munie d'une
vanne 40, et d'un clapet et/ou vanne anti-retour 41, à un
réservoir 5, visible sur la figure 2, destiné à contenir un gaz
sous pression, par exemple de l'ammoniac.
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Préférentiellement, la nature du bloc de réactif 2 employé dans
un réacteur thermochimique selon l'invention est basée sur
l'association de deux constituants, à savoir du Graphite Naturel
Expansé (GNE) qui demeure inerte au cours de la réaction
thermochimique, et un sel réactif, tels que des sels alcalins,
alcalino-terreux, ou métalliques. Il a pu être mis en évidence
qu'une telle structure, incluant du GNE, permettait d'améliorer
les performances thermochimiques du procédé.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, le
bloc de réactif 2 est perforé de trois orifices, non visibles,
dont un orifice central et deux orifices situés de part et
d'autre de celui-ci, respectivement destinés à permettre le
passage de moyens diffuseurs 7, destinés à autoriser la
répartition du flux gazeux, dans un sens ou dans l'autre, entre
le bloc de réactif 2 et le réservoir 5, et d'un fourreau 6
destiné à accueillir des moyens de chauffage tels qu'une
résistance chauffante.
On peut noter à ce propos que selon une autre forme de
réalisation, un réacteur thermochimique conforme à l'invention,
pourrait également être pourvu de moyens de chauffage définis
non par une résistance chauffante insérée dans le bloc de
réactif 2, mais par un ensemble de colliers ou rubans chauffants
positionnés à l'extérieur dudit contenant 3.
Le fourreau 6 de la résistance chauffante se présente
classiquement sous la forme d'un tube en acier inoxydable qui
traverse le contenant 3 de part en part, et est fixé au niveau
de ses deux extrémités sur les fonds des moyens d'obturation 31
sous la forme de demi-sphères, tandis que les moyens diffuseurs
7 dont la structure, représentant une autre spécificité de la
présente invention, se présente sous la forme d'un assemblage de
plusieurs parois perméables.
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Ainsi, ces moyens diffuseurs 7 sont plus particulièrement
définis par un ensemble de plusieurs parois imbriquées entre
elles, délimitant centralement un canal, réalisées chacune à
partir de matériaux aptes à permettre le passage du flux gazeux,
5 ledit ensemble étant apte à être inséré au travers des orifices
précédemment évoqués, réalisés à cet effet sur ledit bloc de
réactif 2. Ledit ensemble de parois communique au niveau d'une
de ses extrémités avec la tubulure 4 reliant entre eux le
contenant 3 et le réservoir 5 et acheminant le flux gazeux entre
10 ces deux éléments.
En fait, l'ensemble formant les moyens diffuseurs 7 comprend
notamment une paroi interne définie par un profilé de section
triangulaire fabriqué après pliage en deux points d'une tôle
perforée , par exemple de type R2T4, ainsi qu'une paroi médiane
constituée par une toile en acier inoxydable dont la dimension
des mailles est de préférence comprise entre 10 microns et 100
microns, enroulée autour de la tôle perforée. Finalement,
l'ensemble comprend encore une paroi externe, définie par un
tube poreux en métal étiré, dont la dimension des pores est de
préférence comprise entre 100 microns et 800 microns.
D'autre part, selon l'invention, cet ensemble de plusieurs
parois comprenant les moyens diffuseurs 7 présente une longueur
sensiblement identique à celle du tube formant le contenant 3,
de sorte que chacune de ses extrémités arrive en contact avec le
fond de chacune des demi-sphères des moyens d'obturation 31.
De manière connue, le rôle des moyens diffuseurs 7 est
primordial dans le déroulement et la reproductibilité dans le
temps de la réaction thermochimique. La structure conférée aux
moyens diffuseurs 7 dans le cadre de la présente invention
présente, à cet effet, de multiples avantages. En effet, la tôle
perforée empêche les orifices diffuseurs réalisés sur le bloc de
réactif 2 de se boucher, tandis que la toile en acier inoxydable
sert de filtre apte à retenir dans le bloc de réactif 2
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d'éventuels grains de sels aspirés dans le circuit lors de
l'ouverture de la vanne 40. En outre, le tube en métal étiré
empêche les contraintes dues à l'expansion du bloc de réactif 2
de percer la toile en acier inoxydable à travers les trous de la
tôle perforée.
Du fait d'une telle structure du réacteur thermochimique 1, la
matière constituant le bloc de réactif 2 est donc confinée de
manière radiale entre la paroi interne 30 du contenant 3, la
paroi du fourreau 6 et la paroi externe de l'ensemble de parois
comprenant les moyens diffuseurs 7.
Avantageusement, selon l'invention, le bloc de réactif 2 est par
ailleurs pris en sandwich entre deux disques 8, pourvus
d'orifices 80, 81, 82 pour le passage respectivement du fourreau
6 et des moyens diffuseurs 7, ces orifices 80, 81, 82 étant
situés en face des orifices réalisés pour les mêmes raisons sur
le bloc de réactif 2.
Selon l'invention, ces disques 8 définissent avantageusement des
parois mobiles aptes à coulisser longitudinalement, et
accompagner le mouvement du bloc de réactif 2, le cas échéant
vers les moyens d'obturation 31, le long du débattement 32, sous
l'effet d'une expansion du bloc de réactif 2 lors de la
production de froid, ou vers la zone centrale 33 du contenant 3
sous l'effet d'une rétractation du bloc de réactif 2, lors de sa
régénération.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les disques 8 sont
appliqués respectivement sur une des faces inférieure 21 ou
supérieure 22 du bloc de réactif dont ils sont rendus solidaires
au travers de moyens de solidarisation appropriés.
Classiquement, lors de l'ouverture de la vanne 40, le gaz
maintenu sous pression à l'état liquide au sein du réservoir 5,
s'évapore et est diffusé au travers des moyens diffuseurs 7 vers
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les sels du bloc réactif 2 qui le fixent, tout en étant aptes,
conformément à l'invention, à s'expanser longitudinalement, tel
que visible en référence aux figures 3 et 4. L'évaporation du
gaz entraîne la production de froid au niveau du réservoir 5,
alors que la réaction entre le gaz et les sels, exothermique,
conduit simultanément à un dégagement de chaleur au niveau du
contenant 3. Lorsque les sels du bloc réactif 2 sont totalement
saturés, la résistance chauffante est branchée sur le secteur,
pour provoquer un apport de chaleur et la désorption du gaz qui
retourne, via le clapet anti-retour 41, vers le réservoir 5 où
il se recondense, tandis que le bloc de réactif 2 se rétracte
pour reprendre son volume intial.
Le fait de laisser respirer et s'expanser longitudinalement le
bloc de réactif 2 le long des débattements 32 permet
avantageusement d'éviter les problèmes de détérioration du
réacteur redoutés avec les dispositifs classiques, en
particulier car cela permet d'éviter les fortes contraintes de
pression subies par les moyens diffuseurs 7, jouant
classiquement également le rôle de parois de confinement.
D'autre part, selon une autre caractéristique de l'invention,
les disques 8 présentent un diamètre sensiblement identique au
diamètre interne du tube définissant le contenant 3, et sont
ainsi aptes à venir chacun en butée sur la paroi interne dudit
tube au niveau de chacun des moyens d'obturation 31, du fait du
rétrécissement du diamètre du tube à cet endroit, pour stopper
le mouvement effectué par le bloc de réactif 2 au cours de son
expansion et l'empêcher d'entrer en contact avec le fond de
chacune des moyens d'obturation 31.
Ainsi, la présence des disques 8 empêche avantageusement les
extrémités des moyens diffuseurs 7 de se boucher lors de
l'expansion du bloc de réactif 2.
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L'invention concerne également un appareil de réfrigération
et/ou de chauffage 10 tel que par exemple celui schématisé sur
la figure 2, lequel comprend deux réacteurs thermochimiques 1
présentant les caractéristiques précédemment décrites, chacun
d'entre eux étant relié à un réservoir 5 de fluide gazeux au
moyen d'une tubulure 4 elle-même équipée d'une vanne 40 et d'un
clapet anti-retour 41.
En référence à la figure 5, un tel appareil de réfrigération
et/ou de chauffage 10 peut être adapté sur un dispositif
isotherme 100, présentant un caisson 101 destiné à recevoir les
produits à maintenir à température et vers l'intérieur duquel
ledit réservoir 5 produisant le froid est orienté.
