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ENCEINTE REFRIGEREE PAR UN SYSTEME DE REFRIGERATION HYBRIDE A
COMPRESSION /ABSORPTION
La présente invention concerne une enceinte, notamment
constituée d'un conteneur isotherme du type notamment
disposée sur un véhicule, et qui est destinée au transport
de marchandises, cette enceinte étant maintenue au froid
tout au long de celui-ci par des moyens de réfrigération de
type hybride.
On sait que certains conteneurs réfrigérés isothermes
sont équipés d'un dispositif de refroidissement de type à
compresseur, dit groupe frigorifique, dans lequel le froid
est produit par évaporation d'un liquide frigorigène dans
un évaporateur disposé dans l'enceinte du conteneur à
refroidir, le gaz étant ensuite comprimé dans le
compresseur pour se condenser dans un condenseur disposé à
l'extérieur de ladite enceinte.
Si de tels dispositifs présentent l'avantage de
permettre une production de froid en continu, ils
présentent cependant de notables inconvénients.
Une première série d'inconvénients tient au fait que
ces dispositifs doivent obligatoirement être connectés en
permanence à une alimentation en énergie, notamment en
énergie électrique, nécessaire au fonctionnement du
compresseur, cette dernière étant généralement constituée
d'un alternateur entraîné soit par un moteur thermique
associé au conteneur soit par le réseau électrique
classique.
Or, de par leur constitution, de tels dispositifs
présentent l'inconvénient notable de constituer une source
permanente de pollution qui se manifeste tant à la fois sur
le plan sonore que sur le plan environnemental. Il en
résulte que de tels moyens de production de froid se
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révèlent inopérants dès lors que, soit le véhicule
transporteur de l'enceinte réfrigérée se trouve dans une
zone où les moteurs thermiques sont interdits de
fonctionnement soit, plus simplement, lorsque pour diverses
raisons, la source d'énergie se révèle inutilisable.
Une seconde série d'inconvénients de ces systèmes de
réfrigération est d'une part leur poids et leur
encombrement et d'autre part le niveau de leur prix et de
leur entretien.
Par ailleurs on sait que, pour des raisons notamment de
sécurité, il est habituel de mettre en oeuvre sur les
véhicules de transport des systèmes de réfrigération dont
la capacité est supérieure à celle qui leur serait
rigoureusement nécessaire, de façon que, dans l'hypothèse
où pour certaines raisons spécifiques et ponctuelles, un
surcroît d'énergie s'avérerait nécessaire, les systèmes
soient, en mesure d'assurer leur fonction. Or on sait que ce
surcroît d'énergie potentielle qui se trouve en quelque
sorte en réserve, représente en surcoûts de matériel et
d'entretien une part importante de l'investissement de
réfrigération global.
On connaît également par ailleurs, notamment par les
demandes de brevet FR10.04120 et FR11.03209 au nom de la
demanderesse, des systèmes thermochimiques de production de
froid qui sont essentiellement composés de deux éléments à
savoir, un évaporateur contenant un gaz sous phase liquide
et un réacteur contenant des sels réactifs. Un tel système
thermochimique fonctionne en deux phases distinctes, à
savoir une phase de production de froid et une phase de
régénération.
Lors de la phase de production de froid, ou phase basse
pression, l'ammoniac emmagasiné dans l'évaporateur
s'évapore ce qui génère la production de froid souhaitée,
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et cet ammoniac sous phase gazeuse vient se fixer, au cours
d'une réaction thermochimique exothermique, sur des sels
réactifs contenus dans le réacteur.
On comprend que dans un tel système, une fois la
réserve d'ammoniac liquide contenue dans l'évaporateur
épuisée, la phase de production de froid est terminée et le
système doit alors être réactivé au cours de la phase dite
de régénération.
Au départ de la phase de régénération, ou phase haute
pression, le réacteur contient un produit de réaction
résultant de la combinaison du gaz avec le sel réactif.
L'opération de régénération consiste à libérer ce gaz par
chauffage du produit de réaction contenu dans le réacteur
et, une fois libéré, ce gaz vient se condenser dans un
condenseur. Dès lors, le système thermochimique se trouve
de nouveau disponible pour un nouveau cycle de production
de froid.
Les systèmes thermochimiques de production de froid de
ce type présentent l'avantage d'être en mesure de générer
du froid de façon quasi instantanée, par la simple
libération dans le réacteur du gaz contenu dans
l'évaporateur.
De tels systèmes sont également particulièrement
intéressants dans la mesure où ils permettent de stocker
sous forme potentielle une importante quantité de frigories
déterminée.
On sait cependant que l'inconvénient majeur des
systèmes thermochimiques de production de froid est leur
incapacité à fonctionner de façon totalement continue
puisque leur phase de production de froid doit
impérativement être suivie d'une phase de régénération. De
plus, cette phase de régénération se déroulant sous haute
pression et à haute température cela génère des contraintes
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mécaniques élevées à l'ensemble du système thermochimique
ce qui se répercute au niveau du poids et au niveau du coût
de celui-ci.
On connaît par la demande de brevet DE 10 2005 004397
un système de réfrigération et de maintien en température
de la cabine d'un véhicule dans lequel le circuit de
refroidissement du moteur comporte un radiateur dont on
utilise la chaleur produite en cours de fonctionnement pour
régénérer le système de refroidissement de celle-ci.
La présente invention a pour but de proposer une
enceinte comportant un système de production et de maintien
de froid qui combine les avantages des deux techniques de
production de froid précitées. La présente invention a
également pour but de diminuer la pression lors de la phase
de régénération, de façon à réduire les contraintes
mécaniques auxquelles sont soumis les éléments du système
thermochimique. La présente invention a également pour but
de proposer des moyens permettant de compléter les
dispositifs de réfrigération de type à compresseur
permettant de satisfaire à des besoins de surpuissance
ponctuelle de ces derniers sans qu'il soit nécessaire pour
autant de les surdimensionner sur le plan technique.
La présente invention a ainsi pour objet une enceinte
réfrigérée et maintenue à une température de consigne
déterminée renfermant l'évaporateur d'un
groupe
frigorifique, caractérisée en ce que :
- elle comporte un système thermochimique dont le
circuit est indépendant de celui du groupe frigorifique et
qui est du type comprenant un réacteur contenant un produit
réactif apte à absorber un gaz, un condenseur et un
évaporateur disposés dans ladite enceinte, le produit
réactif et le gaz étant tels que, lorsqu'ils sont mis en
présence l'un de l'autre, ils sont l'objet d'une réaction
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ayant pour effet l'absorption du gaz par le produit réactif
et, à l'inverse, ils sont l'objet d'une réaction de
désorption du gaz absorbé par le produit réactif sous
l'effet d'un chauffage appliqué à celui-ci lorsqu'il a
absorbé du gaz, le système thermochimique possédant deux
phases de fonctionnement, à savoir une phase de production
de froid et une phase de régénération,
- elle comporte des moyens de mesure et de commande qui
n'autorisent l'entrée dans la phase de régénération du
système thermochimique qu'à la condition que si la
température du condenseur de celui-ci se situe au-dessous
d'une température de seuil déterminée.
Préférentiellement l'enceinte réfrigérée suivant
l'invention comportera des moyens de commande qui
bloqueront le passage du système thermochimique vers sa
phase de production de froid tant que le fonctionnement du
groupe frigorifique ne sera pas interrompu. Le blocage du
système thermochimique pourra être obtenu en maintenant en
fonctionnement des moyens de chauffage du réacteur après la
phase de régénération de celui-ci. Préférentiellement les
moyens de chauffage du réacteur seront les mêmes que ceux
utilisés lors de la phase de régénération du système
thermochimique.
Le système thermochimique mis en uvre dans l'enceinte
réfrigérée suivant l'invention pourra avantageusement faire
appel à du gaz ammoniac et à un produit réactif constitué
de chlorure de manganèse. Dans un tel mode de mise en
oeuvre la température de seuil pourra être de l'ordre de
5 C.
Par ailleurs l'enceinte suivant l'invention pourra
comporter des moyens de commande aptes à activer le système
thermochimique lorsque sa température s'élèvera au-dessus
d'un certain seuil déterminé.
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La présente invention a également pour objet un procédé
de réfrigération et de maintien à une température de
consigne déterminée d'une enceinte au moyen d'un groupe
frigorifique et d'un système thermochimique, dont les
circuits sont indépendants l'un de l'autre, du type
comportant un réacteur contenant un produit réactif apte à
absorber un gaz, un condenseur et un évaporateur disposés
dans ladite enceinte, le produit réactif et le gaz étant
tels que, lorsqu'ils sont mis en présence l'un de l'autre,
ils sont l'objet d'une réaction ayant pour effet
l'absorption du gaz par le produit réactif et, à l'inverse,
ils sont l'objet d'une réaction de désorption du gaz
absorbé par le produit réactif sous l'effet d'un chauffage
appliqué à celui-ci lorsqu'il a absorbé du gaz, le système
thermochimique possédant deux phases de fonctionnement, à
savoir une phase de production de froid et une phase de
régénération, caractérisé en ce que l'on autorise l'entrée
dans la phase de régénération du système thermochimique à
la condition que la température du condenseur de celui-ci
se situe au-dessous d'une température de seuil déterminée.
Suivant l'invention on pourra bloquer le passage du
système thermochimique vers sa phase de production de froid
tant que le fonctionnement du groupe frigorifique ne sera
pas interrompu.
On pourra également suivant l'invention commander le
fonctionnement simultané du groupe frigorifique et du
système thermochimique, notamment afin de soulager ce
dernier de la puissance de refroidissement qui lui est
demandée.
On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif,
une forme d'exécution de la présente invention, en
référence au dessin annexé sur lequel :
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- la figure 1 est une vue schématique d'un véhicule
équipé d'un système de réfrigération et de maintien en
température suivant l'invention,
- la figure 2 est une vue de détail du système
thermochimique mis en oeuvre dans le système suivant
l'invention,
- les figures 3a et 3b sont des diagrammes représentant
le cycle de fonctionnement d'un système thermochimique
respectivement suivant l'état antérieur de la technique et
suivant la présente invention.
On a représenté sur la figure 1 un camion de livraison
1 qui est pourvu d'un conteneur isotherme réfrigéré 3. Le
camion 1 est pourvu d'un groupe frigorifique 5 à
compresseur de type classique dont le compresseur et le
condenseur sont disposés sur le toit du véhicule et qui
comporte un évaporateur 7 disposé à l'intérieur du
conteneur réfrigéré 3.
Le véhicule 1 est également pourvu d'un système
thermochimique 9 qui comprend, ainsi que représenté
également sur la figure 2, un réacteur 11 disposé à
l'extérieur du conteneur 3, un réservoir 13, ainsi qu'un
évaporateur 15 et un condenseur 17 qui sont disposés à
l'intérieur de ce dernier.
Suivant l'invention, les circuits du groupe
frigorifique 5 et du système thermochimique 9 sont
totalement indépendants l'un de l'autre, c'est-à-dire
qu'ils ne sont reliés entre eux par aucune connexion.
De façon connue, le réacteur 1 contient un produit
réactif, par exemple en l'espèce du chlorure de manganèse
en mesure d'absorber un gaz spécifique contenu dans le
réservoir 13, en l'espèce de l'ammoniac. A la mise en
marche du système thermochimique, (phase de production de
froid) c'est-à-dire à l'ouverture du réservoir 13, le gaz
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contenu dans celui-ci s'évapore dans l'évaporateur 15, ce
qui génère la production de froid souhaitée, et vient se
combiner avec le produit réactif du réacteur suivant une
réaction thermochimique exothermique. Une fois la réserve
de gaz épuisée on passe à la phase de régénération au cours
de laquelle on chauffe le produit de réaction formé dans le
réservoir 13 qui, par une réaction thermochimique inverse,
libère le gaz sous phase gazeuse et celui-ci vient se
condenser dans le condenseur 17 et est récupéré dans le
réservoir 13. Le cycle de fonctionnement est alors terminé.
L'enceinte suivant l'invention comporte par ailleurs
des moyens de gestion 19 qui sont pilotés, notamment au
moyen d'un microcontrôleur, et qui sont aptes à contrôler
les diverses étapes de fonctionnement du groupe
frigorifique 5 et du système thermochimique 9.
Suivant l'invention, au départ, c'est-à-dire lorsque le
conteneur 3 se trouve à une température voisine de la
température extérieure, les moyens de gestion 19 activent
le fonctionnement du groupe frigorifique 5 jusqu'à ce que
la température à l'intérieur de l'enceinte 3 atteigne la
température de réfrigération de consigne souhaitée.
Ensuite, au cours par exemple d'opérations de
livraison, ou pour toute autre raison, par exemple afin
d'éviter une pollution sonore ou environnementale, le
fonctionnement du groupe frigorifique 5 peut se voir
interrompu et, dès lors, les moyens de gestion 19 activent
le fonctionnement du système thermochimique 9 qui prend le
relais du groupe frigorifique et assure le maintien à la
température de consigne Te de l'enceinte réfrigérée 3.
Le système thermochimique peut également être utilisé
simultanément au groupe frigorifique ce qui permet soit, à
puissance de réfrigération égale, de faire appel à un
compresseur de moindre puissance et donc d'un coût très
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inférieur soit, à constitution identique du compresseur, de
disposer d'une puissance frigorifique améliorée.
Lorsque la phase de production de froid, ou phase basse
pression, du système thermochimique se termine, les moyens
de gestion 19 commandent, sous certaines conditions ainsi
qu'il sera expliqué ci-après, le passage de celui-ci en
phase de régénération. Et pour ce faire on chauffe le
réacteur 11 au moyen par exemple d'un manchon chauffant 12
contrôlé en température.
De façon particulièrement intéressante et suivant
l'invention, cette phase de régénération s'effectue alors"'
que le condenseur 17 du système thermochimique 9 se trouve
à une température Tc voisine de celle de l'enceinte
réfrigérée 3, c'est-à-dire à une température relativement
basse par rapport à la température extérieure, température
à laquelle s'effectue habituellement la régénération
suivant l'état antérieur de la technique. En effet, le
condenseur 17 étant situé à l'intérieur du conteneur
réfrigéré, la température de celui-ci, qui est par exemple
de l'ordre de 5 C, est très inférieure à celle à laquelle
s'effectue habituellement la condensation.
On a représenté sur les figures 3a et 3b des cycles de
fonctionnement respectifs de deux systèmes thermochimiques
de même constitution, à savoir même gaz (ammoniac) et même
produit réactif (chlorure de manganèse), dans lesquels la
condensation au cours de la phase de régénération
s'effectue, suivant l'état antérieur de la technique, d'une
part à une température de condensation proche de la
température ambiante, à savoir par exemple une température
pouvant, dans certaines conditions de fonctionnement, se
situer aux environs de 64 C et, d'autre part suivant
l'invention, à une température voisine de celle existant
dans l'enceinte 3, à savoir 5 C.
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On constate sur ces courbes que la pression existant
dans le système thermochimique lors de la phase de
régénération, ou phase haute pression, a une valeur PHp de
l'ordre 30 hPa suivant l'état antérieur de la technique
alors que, suivant l'invention, cette pression P'Hp est de
l'ordre de 5 hPa.
On constate par ailleurs sur ces mêmes courbes que la
température TH à laquelle le réacteur du système
thermochimique doit être soumis pour assurer la phase, de .
régénération existant dans le système thermochimique lors
de cette phase haute pression, est de l'ordre de 180 C
suivant l'état antérieur de la technique alors que cette
température T'H est de l'ordre de 118 C suivant
l'invention.
La présente invention permet donc de réaliser la phase
de régénération du système thermochimique à une température
et sous une pression qui sont très inférieures à ce
qu'elles sont suivant l'état antérieur de la technique.
Elle permet ainsi de réaliser des systèmes thermochimiques
dont les qualités de résistance mécanique sont inférieures
à ce qu'elles sont habituellement, permettant ainsi de
faire appel pour réaliser ces derniers à des matériaux dont
les caractéristiques mécaniques sont moins élevées, et/ou à
des constituants de moindre épaisseur, ce qui permet de
diminuer les coûts de production de ces appareils.
Il devient ainsi possible par exemple de réaliser des
réacteurs et/ou des évaporateurs/condenseurs constitués
notamment de matériaux de synthèse en remplacement de
l'acier inoxydable particulièrement lourd et coûteux
utilisé habituellement. Elle permet de plus de faire appel
à des sels réactifs moins performants que ceux utilisés
suivant la technique connue.
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Pour ce faire les moyens de gestion 19 du système de
réfrigération et de maintien en température suivant
l'invention sont associés à des moyens aptes à mesurer la
température Tc du condenseur 17 du système thermochimique,
tels que notamment une sonde de mesure 14. Ainsi, avant de
passer à la phase de régénération de celui-ci, les moyens
de gestion 19 vérifient si la température Tc du condenseur
17 se trouve bien en dessous d'une valeur de seuil T,
déterminée (par exemple 5 C dans l'exemple illustré par la
figure 3b) et, si tel n'est pas le cas, il bloquent la ,
mise en uvre de la phase de régénération en bloquant
l'activation du manchon chauffant 12, ce qui permet
d'éviter que la pression et la température dépassent les
valeurs à partir desquelles la résistance mécanique des
éléments du système thermochimique ont été conçus.
Ainsi, par exemple, si ces éléments mécaniques ont été
conçus pour résister à une pression de 5 hPa (point A
figure 3b) et une température de 118 C (point B figure 3b)
les moyens de gestion 19 du système suivant l'invention
n'autorisent la phase de régénération qu'à la condition que
la température du condenseur 17 soit inférieure à la valeur
Tm soit 5 C dans le présent exemple (point C figure 3b).
Le système suivant l'invention est particulièrement
intéressant en tant que moyen d'apport complémentaire de
frigories. Ainsi que mentionné précédemment les groupes
frigorifiques embarqués sur les véhicules sont la plupart
du temps surdimensionnés en capacité de réfrigération de
façon à être en mesure de faire face à une demande
d'énergie frigorifique supplémentaire ponctuelle et
imprévue. Suivant l'invention les moyens de gestion 19 qui
assurent la commande de fonctionnement du groupe
frigorifique 5 et du système thermochimique embarqué 9
peuvent, dans un programme spécifique, commander la mise en
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route de ce dernier simultanément au groupe frigorifique
lorsque la température à l'intérieur de l'enceinte 3
s'élève au-dessus de la valeur de consigne Te déterminée,
et commander l'arrêt de celui-ci lorsque la température de
consigne est de nouveau atteinte dans l'enceinte.
Un tel mode de mise en oeuvre de la présente invention
est particulièrement intéressant en ce qu'il permet
d'éviter le surdimensionnement des groupes frigorifiques,
ce qui représente un gain au niveau de l'encombrement et du
poids de ces dispositifs et en conséquence de leur prix de
revient.
La présente invention est également particulièrement
intéressante en ce qu'elle permet, dans un mode de mise en
uvre de l'invention, d'éliminer les pièces mécaniques
formant les vannes manuelles ou électriques qui commandent
le passage du réacteur du système thermochimique de sa
position en phase de régénération à sa position en phase de
production de froid et inversement.
Ainsi, pour empêcher le système thermochimique de
passer en phase de production de froid, on laissera après
la phase de régénération au cours de laquelle on chauffe le
réacteur 11 au moyen du collier chauffant 12, notamment à
une température de 118 C dans le présent exemple (point B
figure 3b), en position de chauffage, bloquant ainsi sa
position d'équilibre au point D de la courbe 3b.
Ainsi, tant que le courant électrique alimente le
groupe frigorifique et donc les moyens de chauffage du
réacteur du système thermochimique, le passage de ce
dernier en phase de production de froid est bloqué. Par
contre, dès que le courant électrique vient à être
interrompu, le chauffage du réacteur s'interrompt du même
coup et le point d'équilibre D se déplace vers le point
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d'équilibre E. Lorsque celui-ci est atteint, le système
thermochimique passe en phase de production de froid.
On comprend ainsi que la présente invention permet,
sans faire appel à des dispositifs de commutation
mécanique, dont la fragilité ainsi que le coût est reconnu,
de passer de la phase de régénération à la phase de
production de froid de façon fiable.
