FR2468085A1

FR2468085A1 - Appareil frigorifique a sorption, procede pour la mise en service de cet appareil et utilisation de ce dernier

Info

Publication number: FR2468085A1
Application number: FR8022818A
Authority: FR
Inventors: Siegfried Schilling
Original assignee: OERTLI AG
Current assignee: OERTLI AG
Priority date: 1979-10-25
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1981-04-30
Also published as: JPH0113023B2; DE3049967C1; WO1981001193A1; FR2468085B1; JPS56501495A; IT1212399B; CA1124094A; ES8207330A1; ES496680A0; US4470268A; IT8012694A0; DE3049967D2

Abstract

L'invention concerne un appareil frigorifique à sorption, un procédé pour la mise en service de cet appareil et l'utilisation de ce dernier. Un récipient d'échange de chaleur 2 est divisé en un compartiment d'expulsion 4 et un compartiment d'absorption 5 par une cloison hygroscopique 1. Aux deux extrémités de cette cloison 1, sont prévus des éléments 10 étanchéifiant cette cloison 1 vis-à-vis du récipient 2 dont la surface extérieure active est agrandie au moyen d'ailettes 3. A la suite de ce récipient 2, est monté un condensateur 6 destiné à liquéfier l'agent réfrigérant. L'appareil de l'invention est utilisé dans des appareils de climatisation et notamment dans des pompes à chaleur, pour le refroidissement et le chauffage au moyen de la chaleur solaire et pour le refroidissement des gaz de fumée dans les chaudières de chauffage au gaz.

Description

2468005f

La présente invention concerne un appareil fri-

gorifique à sorption pouvant fonctionner en continu et comportant un élément d'expulsion, un condenseur, un

organe d'étranglement, un évaporateur, ainsi qu'un élé-

ment d'absorption ou de résorption; l'invention con- cerne également un procédé pour la mise en service de

cet appareil, de même que l'utilisation de ce dernier.

De nombreuses formes de réalisation de machines

frigorifiques à sorption tant pour installations indus-

trielles que pour des appareils ménagers sont connues

depuis longtemps et ont fait l'objet de perfectionne-

ments techniques (voir Rudolf Plank, "Handbuch der Kâltetechnik", volume VII et "Die Kâltemaschine" de

R. Plank et J. Kuprianoff).

Ces derniers temps, on a travaillé à l'élabo-

ration de machines frigorifiques à sorption en vue de les appliquer comme pompes à chaleur, ainsi qu'on lia décrit, par exemple, dans les récents développements publiés de la "DFVLR". ("Deutsche Forschungs- und

Versuchsanstalt fuir Luft- und Raumfahrt.") - voir "Qel-

und Gasfeuerung", fascicule 12/1978 -.

En l'occurrence, il s'agit d'une machine frigo-

rifique classique à absorption fonctionnant avec des couples de produits liquides, l'élément d'expulsion (bouilleur) étant chauffé directement par un brûleur à gaz ou à mazout, tandis que la chaleur résiduelle des gaz d'échappement et la chaleur du milieu ambiant peuvent être acheminées et, partant, exploitées comme

énergie secondaire pour l'évaporateur.

En outre, on connaft des machines frigorifi-

ques à sorption fonctionnant périodiquement avec des agents de sorption solides tels que, par exemple, le

chlorure de fer ou le chlorure de calcium et l'ammo-

niac ou la méthylamine comme produit de sorption, ces machines pouvant également fonctionner dans le circuit

des pompes à chaleur.

Lors de la réalisation technique des systèmes

précités de pompes à chaleur, on rencontre des difficul-

tés pratiques résultant, par exemple, des frais d'appa-

reillage élevés et de la réalisation difficile, ainsi que des propriétés des systèmes de matières, par exemple, la mauvaise conductibilité thermique, les domaines de

tension de vapeur défavorables, le gonflement impor-

tant et les pressions de gonflement y associées.

Un autre inconvénient déterminant réside dans les possibilités défavorables d'une fabrication en

série d'unités de puissance dans le domaine des kilo-

watts. C'est ainsi que, pour éviter ces inconvénients, on a proposé des éléments devant permettre efficacement une accumulation de chaleur et fonctionnant selon le principe des machines frigorifiques à sorption (brevet

suisse 609.140). Dans ce cas, il s'agit dléléments ac-

cumulateurs pour un système accumulateur de chaleur à sorption contenant une substance solide comme agent de sorption et un collecteur pour le produit de sorption expulsé de cet agent de sorption. L'agent de sorption

et le collecteur sont disposés dans un logement tubu-

laire fermé et ils sont séparés l'un de l'autre par un

compartiment intermédiaire.

Des éléments de ce type présentent un avantage du fait que, en étant de petites unités de production,

ils peuvent parfaitement faire l'objet d'une fabrica-

tion rationnelle en série et que, selon les nécessités, ils peuvent être rassemblés en plus grandes unités de puissance. Lorsqu'ils sont montés et mis en service

comme pompes à chaleur à sorption, des éléments accu-

mulateurs de ce type présentent un inconvénient du fait

qu'ils ne peuvent fonctionner qu'en discontinu.

La présente invention a pour objet de fournir un appareil frigorifique à sorption pouvant fonctionner en continu, ne présentant pas l'inconvénient précité d'un mode de fonctionnement en discontinu et constituant un groupe frigorifique d'une construction aussi simple que possible présentant tous les avantages d'une machine

frigorifique statique.

Suivant l'invention, on réalise cet objet du fait

que le compartiment d'expulsion est séparé du comparti-

ment d'absorption ou de résorption par une cloison hygro-

scopique.

Par l'expression 11hygroscopique", on entend tou-

tes les substances ou systèmes de substances assurant une

sorption d'un produit de sorption inorganique ou organi-

que, la tension de vapeur d'une substance ou d'un système de substancesde ce type étant nettement différente de la tension de vapeur saturée du produit de sorption (voir, à cet égard, 0. Krischer, "Trocknungstechnik" 1978, page 54).

L'appareil frigorique à sorption suivant l'inven-

tion, ainsi que son utilisation seront décrits ci-après à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale purement

schématique d'un module de pompe à chaleur à sorption com-

portant le récipient d'expulsion/absorption; la figure 2 illustre une partie de la cloison hygroscopique séparant le compartiment d'expulsion du compartiment d'absorption en illustrant également un capillaire; les figures 3 et 4 représentent schématiquement,

par des coupes longitudinales, deux formes de réalisa-

tion de cloisons hygroscopiques dans un module de pompe à chaleur à sorption; la figure 5 est une coupe longitudinale d'une

forme de réalisation particulière d'une cloison hygros-

copique;

la figure 6 est une coupe longitudinale illus-

trant schématiquement une forme de réalisation du montage d'un module de pompe à chaleur à sorption;

les figures 7, 8 et 9 sont des coupes prises sui-

vant les lignes VII, VIII et IX de la figure 6; la figure 10 est une illustration simplifiée de la figure 6 avec indication des mouvements thermiques (browniens) ayant lieu dans un module;

la figure 11 illustre, par un diagramme1 la pres-

sion du.système en fonction de la température absolue à l'échelle logarithmique et à l'échelle 1/T; la figure 12 est un diagramme analogue à celui de la figure 11 pour un processus de résorption;

les figures 13 et 14 illustrent un exemple d'ap-

plication de modules de pompes à chaleur à sorption dans

un appareil de climatisation solaire par une vue schéma-

tique en perspective (figure 13), ainsi que (figure 14) trois circuits du côté d'évaporation suivant la ligne V-V ou des vues analogues du côté d'absorption suivant la ligne A-A de la figure 13; les figures 15 et 16 représentent une chaudière zo de chauffage avec montage de modules de pompes à chaleur à sorption par une coupe longitudinale et suivant la ligne XVI-XVI de la figure 15; les figures 17, 18, 19 et 20 représentent une coupe longitudinale (figure 17) d'un module de pompes à chaleur à résorption (illustré schématiquement) avec des coupes transversales (figures 18, 19 et 20) prises suivant les lignes XVIII-XVIII, XIX-XIX et XX-XX de la figure 17;

la figure 21 est une vue de face d'un tube échan-

geur de chaleur enfichable destiné à transférer la cha-

leur de l'élément d'expulsion ou de l'évaporateur; la figure 22 est une vue en coupe longitudinale d'une lance de guidage de l'élément chauffant; la figure 23 représente un élément d'expulsion à deux étages analogue à celui représenté en figure 6; la figure 24 est un diagramme LgP-l/T; la figure 25 est une vue en coupe d'un système de cloison à cinq couches; la figure 26 est une vue partielle d'un système de cloison à deux couches; la figure 27 est un diagramme %T avec les iso-

bares pour H20-LiBr.

Un récipient d'échange de chaleur 2 à section transversale circulaire ou angulaire est subdivisé dans son sens longitudinal en un compartiment d'expulsion 4 et en un compartiment d'absorption 5 par une cloison hygroscopique 1 comportant une surface Il du côté de

l'expulsion et une surface 12 du côté de l'absorption.

Aux deux extrémités de la cloison 1, sont prévus des

éléments 10 étanchéifiant la cloison 1 vis-à-vis du ré-

cipient 2. Afin d'agrandir la surface extérieure acti-

ve du récipient 2, on prévoit des ailettes 3. Comme le montre la figure 1, dans le sens de l'écoulement, à la suite du récipient 2, est monté un condenseur 6 destiné à liquéfier l'agent réfrigérant. Vient ensuite un point d'étranglement sous forme d'un organe d'étranglement 8

servant à étrangler, c'est-à-dire détendre l'agent ré-

frigérant. Vient ensuite un évaporateur 7 dont la sor-

tie revient dans le compartiment d'absorption 5 du réci-

pient 2. Des tubes 9 relient le récipient 2, d'une part, au condenseur 6 et, d'autre part, à l'évaporateur 7. Une pompe à chaleur à sorption de ce type fonctionne de la manière suivante: La surface Il (qui, en soiest humide) de la cloison 1 est chauffée par apport de la chaleur Q1 via

la paroi du récipient 2 comportant les ailettes 3, don-

nant ainsi lieu à l'évaporation de l'agent réfrigérant qui se trouve dans le liquide provoquant la formation d'humidité et présent dans cette cloison 1. Du côté de l'expulsion, c'est-à-dire la partie à haute pression, la pression s'élève dans le compartiment d'expulsion 4

à mesure que l'évaporation de l'agent réfrigérant aug-

mente. De la sorte, l'agent réfrigérant parvient, via les tubes 9, dans le condenseur 6 dans lequel a lieu une dissipation de chaleur Q2. En conséquence, l'agent

réfrigérant s'y liquéfie et est refroidi à une tempéra-

ture inférieure à son point d'ébullition. Via l'organe

d'étranglement 8, le condensat subissant une forte pres-

sion est alors détendu. Il arrive sous forme d'un liqui-

de dans l'évaporateur 7 o il s'évapore complètement avec

apport de chaleur Q3 (vapeur saturée, légèrement sur-

chauffée). Cette vapeur froide s'écoule alors, via les tubes 9, dans le compartiment d'absorption 5 o il est absorbé par la cloison hygroscopique humide 1 sur la

surface 12 de celle-ci. Dans ce cas, la chaleur d'ab-

sorption libérée Q4 doit être évacuée. La chaleur d'é-

vaporation de l'agent réfrigérant est prépondérante à

cet égard. De la surface 12 et via le système capil-

laire que forme la cloison 1, l'agent réfrigérant arrive alors sur la surface opposée 11 de la cloison 1. En l'occurrence, la force de propulsion nécessaire pour le

transport de l'agent réfrigérant est appliquée par l'at-

traction capillaire des ménisques formés sur le côté

d'expulsion de la cloison hygroscopique 1.

Les processus se déroulant sur et dans la cloi-

son poreuse et hygroscopique 1 sont d'une importance déterminante pour le fonctionnement global du module de pompes à chaleur à sorption suivant l'invention. En l'occurrence, par l'expression "module", on entend une l unité de montage normalisée. Conjointement avec le

récipient 2, la cloison 1 forme la commande dite ther-

mique de cette machine frigorifique. La tension de vapeur du produit de sorption (agent réfrigérant) sur la surface 11 est supérieure à celle exercée sur la surface 12. De ce fait, lors d'une mise en service sans gaz auxiliaire (sans égalisation de pression), il s'établit une différence de pression de travail entre

le compartiment d'expulsion 4 et le compartiment d'ab-

sorption 5. L'effet exercé par la liaison entre les deux compartiments 4 et 5 est déterminé par les forces de capillarité résultant de la structure capillaire de

la cloison 1. La conception et le calcul des dimen-

sions des capillaires (diamètre et longueur des capil-

laires) revêtent, ipso facto, une importance détermi-

nante pour le fonctionnement de la manière décrite.

La figure 2 illustre l'agrandissement des pores ou des capillaires idéalisés 13 de la cloison 1. Dans les pores 13, se trouve un liquide capillaire 14 avec ses composants 15 et 16 jouant un rôle triple, à savoir:

le blocage de la vapeur (liquide de blocage), le trans-

port de l'agent réfrigérant et la réduction de la ten-

sion de vapeur. Sur la paroi des pores, il se produit

une humidification donnant lieu à la formation des mé-

nisques 17 et 18.

Suivant 0. Hummel, le rayon des pores étant dé-

signé par r et les rayons de courbure des ménisques étant désignés par R1 et R4 pour le degré de formation de ces

ménisques, les angles mouillants 31 et P4 peuvent stins-

crire comme suit cos R R1 r cos 4 R4

4

Lors de l'apport de chaleur Q1, la vapeur de solvant ou d'agent réfrigérant 19 ou plutôt m1 s'écoule de la surface du ménisque 17 tandis que, en revanche, la surface du ménisque 18 capte la vapeur de l'agent réfrigérant 20 ou plutôt m4 par absorption. Dans des conditions d'équilibre, on a Il = m4 Par suite de l'évacuation et de l'acheminement du solvant sur les ménisques, ces derniers prennent des courbures différentes. En conséquence, on obtient un

écoulement d'égalisation en direction du ménisque pré-

sentant la plus forte courbure ou exerçant la plus forte

attraction, c'est-à-dire en direction de la surface 11.

Cette attraction est en équilibre avec les forces exté-

rieures telles que la pression et la friction. Pour les pressionsde capillarité, on peut écrire: 2 cos p1 Pkl r pour le ménisque 17 2- cos pour 2kr cos 4 pour le ménisque 18 La différence de pression est alors Pk = (cos p1 - cos P4) Si la force de capillarité maximale du ménisque 17 est en équilibre avec la somme de toutes les forces extérieures, ce ménisque est alors utilisé pleinement et l'on a: R =r etavec 1 I R 4 Dès lors, pour la pression capillaire maximale, on peut écrire: 2e Pk =r Lorsqu'on utilise une solution de LiBr comme liquide capillaire et de l'eau comme agent réfrigérant, et lorsque la température de liquéfaction T2 = 30 C et

que la température d'évaporation T3 = 10 C, les capil-

laires devraient résister à une contre-pression de

3.126 pa. (l pa AN2 = 10-5 bar). Si l'on a un capil-

laire de rayon r =m 10 5m et si le liquide capillaire

a une tension superficielle de O = 0,073 Nm 1- on pour-

rait appliquer une contre-pression maximale Pk = 14.500 pa. Suivant la loi de Hagen-Poiseuille, en égalisant les pressions et en résolvant suivant le courant de

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masse pour le mouvement du liquide capillaire, on peut écrire: r4 r '[APk(P4 - Pl)] kg L.. [ S.Pore Cette mise en équation conduit à des courants

de masse relativement importants.

Etant donné que le reflux du composant dissous (par exemple, LiBr) de la surface 11 à la surface 12 a

lieu par diffusion, malgré l'important mouvement du li-

quide capillaire, le transport de masse est contr81é par diffusion. Afin d'évaluer l'ordre de grandeur de ce courant

de masse, suivant la première loi de Fick, on peut écri-

re: m= P.D L [ 2] m S Avec = 055 concentration sur la surface 12 4 = 0,35 concentration sur la surface 11 L = 0,005 m épaisseur de la cloison P = 0, 1700 mi densité de la solution m3 2 D = 2,88 10-9 m- constante de diffusion, m S

En supposant que l'on ait une capacité frigorifi-

que de Q3 = 0,1 kW, il faudrait alors, par exemple, un courant de masse de l'agent frigorifique H20 de m = Q = 4,04.10-5 kg. Avec ce courant de masse et à "i s la densité de ce dernier, par diffusion, la surface de

passage requise devient A = 0,206 m2.

Cette grandeur superficielle peut être contrôlée

du point de vue construction, par exemple, par une réa-

lisation en lamelles.

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Suivant Dalton ou suivant la loi de Raoult, en cas d'équilibre dynamique, les tensions de vapeur de l'agent réfrigérant dissous sur les surfaces Il et 12 sont inférieures à celles du produit de sorption pur (pressions partielles des composants de la solution).

Comme on le sait, les tensions de vapeur sont détermi-

nées par les concentrations correspondantes de la solu-

tion (dans le cas présent, sur les deux surfaces 11 et

12), ainsi que par les températures existantes, les te-

neurs en humidité étant formées à partir de solutions

comportant deux composants ou plus ayant des concentra-

tions différentes. C'est ainsi que, par exemple, une solution aqueuse de bromure de lithium contenant 35% en

poids de H20 se trouve sur la surface 11 du comparti-

ment d'expulsion 4, tandis qu'une solution plus diluée

(vis-à-vis de la solution de bromure de lithium) conte-

nant 55% en poids d'eau se trouve sur la surface 12 du

compartiment d'absorption 5. En l'occurrence, il con-

vient de retenir que, dans ce cas, l'eau constitue non seulement le solvant, mais également en même temps l'agent réfrigérant. La chute de concentration de l'agent réfrigérant, à savoir l'eau, du compartiment

d'absorption 5 au compartiment d'expulsion 4 est produi-

te par expulsion sur la surface 11 et par absorption du produit de sorjtion (eau) sur la surface 12. Un système

de transport pour le solvant est maintenu dans la cloi-

son 1 suite au mouvement du liquide par capillarité, par circulation en raison des différences de densité,

ainsi que par diffusion sous leurs formes les plus di-

verses.

Tant dans le compartiment d'expulsion 4 que dans le compartiment d'absorption 5, les tensions de vapeur et les températures correspondantes de vapeur saturée sont déterminées par le couple de substances de travail, ainsi que par la structure de la matière dont

est constituée la cloison 1.

Dans la littérature concernée (par exemple, Rudolf Plank, "SorptionsKâltemaschinen"), on indique

une série de couples de substances avec leurs caracté-

ristiques thermodynamiques: chlorure de lithium + H20 (LiCl + H20), lessive de soude + H20 (NaOH + H20), les- sive de potasse + H20 (KOH + H20), chlorure de calcium + H20 (CaCl2 + H20), chlorure de lithium + méthanol (LiCl + CH3OH) (méthanol comme agent réfrigérant), LiBr + CH 3OH, pétrole + F-21 (Fréon) (agent réfrigérant

classique).

Par suite du processus d'expulsion décrit ci-

dessus et entretenu par l'apport de chaleur Q1., la surface 11 du côté de l'expulsion est tout d'abord appauvrieen agent réfrigérant et, suivant le couple de substances, elle s'enrichit de solvant ou de substance

dissoute qui constitue le liquide capillaire. En revan-

che, étant donné qu'un nouvel agent réfrigérant parvient toujours dans le compartiment d'absorption 5 et, partant, sur la surface 12 du côté d'absorption, la concentration en agent réfrigérant de la solution se trouvant à cet endroit devient plus riche (plus d'eau), tandis que, par conséquent, la concentration en eau de la substance dissoute (dans le cas présent: solution de bromure de lithium) s'appauvrit. Cette chute de concentration en agent réfrigérant dans la solution des pores entre le compartiment 5 et le compartiment 4 tend à créer une égalisation de masse suivant les lois de la diffusion, le mouvement du liquide par capillarité, résultant des forces capillaires, agissant à l'encontre d'un courant

de diffusion du produit devant être soumis à la sorp-

tion. Bien entendu, les courants de diffusion sont beaucoup plus lents que les processus d'écoulement dans

les capillaires. Toutefois, étant donné que, pour main-

tenir le processus d'absorption décrit sur le côté d'ab-

sorption, il est nécessaire d'avoir une faible concen-

tration en agent réfrigérant ou en solvant, suivant la présente invention, la surface du système capillaire se trouvant en régime d'échange à travers les pores 13 est agrandie d'un multiple par une structure à lamelles ou

une structure superficielle en forme de touffes.

Une construction de ce type est représentée en figure 3 qui, par une vue fragmentaire et fortement

agrandie, illustre une partie de la cloison hygroscopi-

que 1 avec les deux surfaces Il et 12 du compartiment d'expulsion 4 et du compartiment d'absorption 5. La cloison 1 comporte des touffes 23 s'engageant l'une dans l'autre afin d'agrandir les surfaces d'échange. Comme le sait l'homme de métier, ce sont non seulement la chute de concentration donnant lieu à un mouvement par

diffusion, mais également, quoique dans une mesure moin-

dre, la chute de température qui provoquent ce que l'on

appelle la thermodiffusion. En outre, on sait que, con-

jointement avec des solutions aqueuses, la plupart des

structures capillaires possèdent une capacité d'absorp-

tion sélective pour des composants déterminés. Par

exemple, l'eau d'une solution aqueuse de bromure de li-

thium est absorbée, de préférence, par du papier fil-

trant. Dans ce cas, la concentration diminue en fonc-

tion du degré d'absorption, ce phénomène étant appliqué

lors du procédé de séparation par chromatographie.

La figure 4 illustre une variante de la figure 3.

Dans ce cas, afin d'assurer un meilleur apport de cha-

leur ou une meilleure dissipation de la chaleur, la cloison comporte des lamelles conductrices de chaleur 24 et 25 traversant la cloison 1 de part et d'autre et fixées aux parois de fermeture correspondantes formant

les surfaces 11 et 12.

On obtiendrait un équilibrage de concentration plus rapide avec un système capillaire à deux couches dans lequel une solution circulerait par différence de

densité entre les deux couches capillaires. Cette éga-

lisation accélérée entraînerait néanmoins un inconvé-

nient du fait que le transport de chaleur entre le côté d'expulsion et le côté d'absorption serait renforcé, provoquant ainsi de plus fortes déperditions de chaleur

et, partant, une altération du rapport thermique (Q3/Q1).

Toutefois, en installant des chicanes possédant des pro- priétés anisotropes de conductibilité thermique, on pourrait transférer la chaleur de la solution riche à la solution pauvre par conduction de chaleur. Ce concept

est illustré dans la forme de réalisation de la figure 5.

Cette figure montre la nature d'une cloison hygroscopi-

que du type désigné, par exemple, par le chiffre de réfé-

rence 1 en figure 1. La cloison 30 illustrée en figure sépare à nouveau le compartiment d'expulsion 4 du com- partiment d'absorption 5. La fermeture supérieure et la

fermeture inférieure sont assurées chacune par un élé-

ment d'étanchéité 10. Au lieu de la structure homogène de la cloison hygroscopique 1 illustrée en figure 1, cette cloison 30 comporte, en son centre, une tôle 32 formant chicane. Comme représenté dans le dessin, cette chicane est isolée en partie au moyen d'une isolation 31. La solution riche en eau 33 se déplace

vers la solution pauvre en eau 34 en décrivant un mouve-

ment circulaire autour de ce noyau 31, 32. En l'occur-

rence, cet écoulement interne résulte, en particulier, de différences de densité ( P11)p4 = 1,4). La chicane 32 constituée d'une tôle métallique possède un haut indice de conductibilité thermique >. En conséquence,

dans ce système, la conduction de chaleur transversale-

ment au parcours d'écoulement est nettement inférieure

à la conduction de chaleur le long du parcours dtécoule-

ment de la solution riche vers la solution pauvre, car cette dernière conduction est assurée directement par la conduction métallique de la tôle formant la chicane 32.

Un système de cloison du type représenté en fi-

gure 25 offre des avantages importants.

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Dans ce cas, la cloison (désignée par le chiffre de référence 1 en figure 2) est constituée de cinq (il

doit y en avoir deux ou plus) couches 130 qui sont écar-

tées l'une de l'autre, des éléments d'écartement indivi-

duels 132 étant disposés dans les espaces intermédiaires 131. La matière dont sont constitués les éléments d'écartement 132,ne peut être imprégnée ou ne peut être que légèrement imprégnée par le liquide capillaire 14, ainsi que par l'agent réfrigérant liquide 15. De la sorte, on empêche un transport d'humidité dans la phase

soumise à la sorption sur la surface des éléments d'écar-

tement 132, réduisant ainsi considérablement une polari-

sation de concentration des composants dissous 16 sur la surface Il en cas de transport hydrodynamique excessif

du liquide capillaire sous l'effet des forces capillai-

res décrites.

Le transport requis de l'agent réfrigérant a lieu à l'intérieur des couches 130,ainsi qu'on l'a déjà décrit. Toutefois, ce transport a lieu d'une couche 130

à l'autre par changement de phases: évaporation-conden-

sation aux pressions correspondantes régnant chaque fois

dans les espaces intermédiaires 131.

La chaleur d'évaporation est principalement

fournie par conduction de chaleur via les éléments d'é-

cartement 132 à l'encontre du courant de masse de vapeur

*sur les surfaces correspondantes.

Les concentrations de solution n dans les pores des différentes cloisons sont différentes en fonction

des pressions et des températures régnant sur les parois.

Avec le système de cloison décrit, suivant le

nombre de couches, on peut augmenter la différence tota-

le de pression de travail (P1 - P4) entre le comparti-

ment d'expulsion 4 et le compartiment d'absorption 5 (figure 1) au multiple correspondant des différentes

pressions capillaires car, sur chaque couche, il se for-

me des ménisques dans les pores à l'encontre de la vapeur

de l'agent réfrigérant.

La figure 26 est une vue fragmentaire dtun sys-

tème à deux couches. Dans cette figure: qX indique la densité du flux de chaleur (W/m s) m désigne la densité du courant de masse (kg/m s)

TO indique les températures des parois (OC).

La figure 25 reprend également le diagramme de pression d'un système à cinq couches sur l'épaisseur

totale L, Pk indiquant les différentes pressions capil-

laires.

La figure 27 donne un diagramme zT pour le li-

quide capillaire LiBr-H20 avec un isobare de la pression

de saturation P de H20.

Ce diagramme reprend les concentrations d'équi-

libre, de m8me que les températures d'équilibre TW 1 et

T (4 pour deux couches.

Bien entendu, lors du processus d'expulsion à la surface 11, la concentration change d'une valeur A é1 tandis que, lors de l'absorption, la concentration de la

solution sur la surface 12 change de la mAeme valeur Atç4.

Les deux changements de concentration se déroulent à l'encontre l'un de l'autre en déclenchant, du côté de l'expulsion, une surfusion d'une valeur (T.J* - TU.1) et, du côté de l'absorption, une surchauffe d'une valeur

(T (J - TCJ*).

L'expression "TCJ*" désigne les températures d'équilibre apparentes ou les nouvelles températures

d'équilibre. Suite à cette déviation par rapport à l'é-

tat d'équilibre et en raison du processus, il se produit

un courant de masse de vapeur dans la direction envisa-

gée vers la surface d'expulsion 11.

La figure 6 illustre schématiquement, par une coupe longitudinale, l'ensemble d'un module de pompe à chaleur à sorption suivant l'invention. En l'occurrence,

il s'agit fondamentalement de la forme de réalisation il-

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lustrée schématiquement en figure 1, cette figure 6 re- présentant cependant plus de détails de réalisation.

C'est ainsi que l'on peut observer la cloison hygrosco-

pique 1 qui divise le récipient 2 en deux chambres ou compartiments séparés, à savoir le compartiment d'expul- sion 4 et le compartiment d'absorption 5. En outre, on peut observer la façon dont le condenseur 6 est relié

non seulement au récipient 2, mais également à l'évapo--

rateur 7 monté à la suite de ce dernier, l'organe d'é-

tranglement (également représenté en figure 1) réalisé

sous forme d'un corps d'étranglement 38 étant situé en-

tre le condenseur 6 et l'évaporateur 7.

De préférence, le récipient 2 qui doit évidem-

ment être étanche aux gaz, est cylindrique, avec une section

transversale circulaire ou ovale. Toutefois, en prin-

cipe, il peut également être réalisé sous forme d'une plaque ou d'un parallélépipède. Ce récipient 2 comporte

des ailettes ou des lamelles 3 en vue d'agrandir les sur-

faces d'échange de chaleur. Cette application d'ailet-

tes ou de lamelles 3 est particulièrement nécessaire

lorsque la chaleur de condensation, d'absorption et d'é-

vaporation doit être dissipée ou acheminée par l'inter-

médiaire d'un gaz, par exemple, l'air.

Lors d'un échange de chaleur avec des milieux

liquides, ces lamelles ou ailettes 3 peuvent être sup-

primées. Comme représenté en figure 6, la cloison hy-

groscopique 1 comporte une cavité intérieure en forme de cuvette dans laquelle s'étend la paroi 21 formant un prolongement de la paroi du récipient. L'évaporateur 7

comporte une paroi analogue 22. Ces parois 21 et 22 ser-

vent, en particulier, à guider le milieu chauffant dans

l'élément d'expulsion ou à guider le milieu dans l'élé-

ment d'évaporation.

Le condenseur 6 est constitué essentiellement d'une charge d'une matière à gros pores 36 d'une bonne

conductibilité thermique, par exemple, du nitrure de si-

licium poreux. L'utilisation de cette matière offre lta-

vantage d'assurer un bon traitement, ainsi qu'une haute résistance à la corrosion par les milieux agressifs. Tout

comme la cloison poreuse 1, cette charge 36 entre en con-

tact avec la paroi du récipient 2.

Les figures 7, 8 et 9.qui sont des vues en cou-

pe prises respectivement suivant les lignes VII-VII, VIII-VIII et IX-IX de la figure 6, illustrent la nature des contacts des éléments précités, ainsi que de leur interruption par des canaux longitudinaux 9 ou 28. Ces

canaux longitudinaux 9 et 28 servent à transporter la va-

peur de l'agent réfrigérant du compartiment d'expulsion 4 au compartiment d'absorption 5 via le condenseur 6 et

l'évaporateur 7,comme indiqué par les flèches de la figu-

re 10.

L'évaporateur 7 comporte également une charge 37 d'une matière poreuse. Cette charge sert à recevoir l'agent réfrigérant liquide. Cette matière, par exemple,

le nitrure de silicium, possède également une bonne con-

ductibilité thermique.

Afin d'empêcher autant que possible un flux thermique axial du condenseur 6 à l'évaporateur 7, entre la charge 36 et la charge 37, est prévu un corps poreux 39 ayant une mauvaise propriété de conduction de chaleur, c'est-à-dire un corps d'isolation thermique, par exemple, le papier, le bois, des lamelles de matière céramique ou analogues, ce corps étant conçu de telle sorte qu'il s'y produise un transport de liquide sous l'effet des forces capillaires. La détente de l'agent réfrigérant lors de son passage de la partie haute pression à la partie basse pression, c'est- à-dire du compartiment d'expulsion 4 au compartiment d'absorption 5 du module de pompe à chaleur,

s'effectue par le corps d'étranglement 38.

La figure 10, qui est une illustration simpli-

fiée de la figure 6, représente les quantités de chaleur Q acheminées au système et évacuées de ce dernier, de x

même que les parcours d'écoulement (indiqués par des flè-

ches) de l'agent réfrigérant.

Chacune des figures Il et 12 illustre, par un diagramme de tension de vapeur d'un couple de substances

de travail, par exemple, les solutions aqueuses de bro-

mure de lithium, le processus de travail thermodynamique

d'un module de pompe à chaleur à sorption. Les tempéra-

tures à l'échelle 1/T sont portées en abscisse, tandis

que les pressions p à l'échelle logarithmique sont por-

tées en ordonnée. Ces figures expriment ce qui suit Le processus de travail thermodynamique d'un module de pompe à chaleur sera le mieux expliqué par un diagramme habituel LgP- T pour un couple de substances

de travail, par exemple, les solutions aqueuses de bromu-

re de lithium. Pour un solvant pur (eau, agent réfrigé-

rant), on a % = 1.

Les lignes en trait plein illustrent les modi-

fications d'état du liquide réfrigérant, de même que les

modifications d'état des solutions et leurs concentra-

tions. Le parcours de l'agent réfrigérant à l'état de vapeur (vapeur d'eau, vapeur saturée) est indiqué par

des lignes en traits discontinus. L'apport de la quan-

tité de chaleur Q1 sur la surface humide 11 de la paroi 1 suivant la figure 1 a lieu à l'état de solution du

point 1 du diagramme de la figure 11.

Cet apport de chaleur provoque une évaporation

de l'agent réfrigérant à la température T1 et à la pres-

sion pl.

La vapeur de ltagent réfrigérant s'écoule vers le condenseur 6 et elle est condensée à la température

T2 et à la pression p1 = P2 au point d'état 2 avec dis-

sipation de chaleur Q2.

Le condensat est porté à la pression p3 au moy-

en de l'organe d'étranglement 8 et il s'évapore à la tem-

pérature T3 avec apport de la quantité de chaleur Q3 dans

l'évaporateur 7, ce qui correspond au point.détat 3.

Dans cet état, la vapeur de l'agent réfrigé-

rant s'écoule vers la surface d'absorption 12 qui se trouve dans l'état conforme au point 4. A la température T4et à la pression p4 la vapeur de l'agent réfrigérant est absorbée avec évacuation de la quantité de chaleur Q4

Les concentrations des solutions sur les surfa-

ces l1-et 12 (suivant les points 1 et 4) sont différen-

tes et tendent vers un équilibre par une diffusion ren-

forcée par des phénomènes de surfaces de séparation tels

que la capacité d'absorption sélective de l'eau de solu-

tions aqueuses dans des structures capillaires.

La chute de concentration qui se produit entre

les surfaces 11 et 12 et qui, dans la technique classi-

que du froid par absorption est désignée par l'expres-

sion "largeur de dégazage", est produite et maintenue

par le mouvement du liquide capillaire venant se super-

poser aux processus de diffusion.

La chute de température requise (T1 - T4) est déterminée notamment par le choix de la matière de la

structure capillaire, par la réalisation et les dimen-

sions de la cloison, ainsi que par la pression de base

régnant dans le système.

La différence de pression de travail (p1-p4) que doit supporter la cloison, est déterminée notamment par les dimensions des capillaires, ainsi que par le

choix du liquide capillaire.

De même, le processus de travail thermodynami-

que d'un module de pompe à chaleur à résorption sera le mieux expliqué en se référant au diagramme de tension de

vapeur de la figure 12.

L'apport de chaleur Q1 sur la surface humide Il a lieu à l'état de solution du point p1 en provoquant une évaporation de l'agent réfrigérant à la température

T1 et à la pression p1. Il s'agit d'une vapeur humide.

La vapeur de l'agent réfrigérant s'écoule alors dans le compartiment dit de résorption qui correspond au compartiment d'absorption 5. Cette vapeur est résorbée

sur la surface correspondant à la surface 12 à la tempé-

rature T2 et à la pression p1 = P2 au point d'état 2

avec dissipation de chaleur Q2.

La solution enrichie en eau (agent réfrigérant) est amenée à la surface 11 par attraction capillaire. A la température T, l'agent réfrigérant est à nouveau expulsé avec apport de la quantité de chaleur Q3, ce qui

correspond au point d'état 3.

La vapeur de l'agent réfrigérant s'écoule vers la surface d'absorption 12 qui se trouve au point d'état

4. A la température T4 et à la pression p3 = p4, la va-

peur de ltagent réfrigérant est absorbée avec évacuation

de la quantité de chaleur Q4.

Comme on peut le constater en figure 12, la ré-

sorption, de même que l'expulsion ont lieu à l'intérieur d'un champ de solution et non sur la courbe de tension de vapeur de l'agent réfrigérant, comme c'est le cas lors

de la condensation.

D'après la figure 12, on peut également consta-

ter qu'à la même pression p1 - P2, la température de ré-

sorption T2 est supérieure à la température de condensa-

tion T2 lors de la condensation de l'agent réfrigérant

(figure 11).

Dès lors, l'adoption d'un module de pompe à

chaleur à résorption offre l'avantage d'élargir les pos-

sibilités d'adaptation aux conditions opératoires.

Le module de pompe à chaleur suivant l'invention peut être fabriqué en grande série sous forme d'une pompe à chaleur complète de faible puissance. Grâce à leur simplicité, suivant le rendement final requis, plusieurs modules de ce type peuvent être assemblés très aisément

en plus grandes unités de puissance modulaires. En ou-

tre, les différents modules ou groupes de modules peuvent

9tre montés en appareils frigorifiques à sorption à plu-

sieurs étages. L'idée d'installations frigorifiques à sorption à plusieurs étages a déjà été proposée depuis bientôt plus de 50 ans par E. Altenkirch, mais elle n'a pu s'imposer dans le domaine des faibles puissances par

suite des frais d'appareillage élevés.

Le type de module de pompe à chaleur à deux éta-

ges illustré à titre d'exemple en figure 23 offre une

autre possibilité de réalisation d'un appareil frigori-

fique à sorption à deux étages ou plus.

En l'occurrence, le compartiment d'expulsion 4 (figure 6) est divisé, par des éléments d'étanchéité iQa (figure 23), en deux compartiments d'expulsion 4 et 4a

séparés l'un de l'autre de manière étanche aux gaz.

Dans les compartiments d'expulsion 4 et 4a, rè-

gnent les pressions P1 et P1' suivant leurs températures

T2 et T21.

L'agent réfrigérant évaporé de la surface 11 dans le compartiment d'expulsion 4 se condense sur la paroi 21a. La chaleur de condensation sert à assurer le

deuxième processus d'expulsion sur la surface lia.

Le condensat formé est détendu à la pression P1' par le corps d'étranglement 38a et, conjointement avec le condensat de l'agent réfrigérant évaporé de la surface lia, il est acheminé à l'évaporateur 37 (figure 6)

via le condenseur 36 et le corps d'étranglement 38 (figu-

re 6).

Ainsi qu'on l'a déjà décrit à propos de la forme

de réalisation à un seul étage, l'agent réfrigérant éva-

poré arrive alors, via les canaux de raccordement 9 (figure 6), sur les surfaces d'absorption 12a et 12

(figure 23) o la vapeur froide est absorbée avec dissi-

pation de chaleur, tandis que l'agent réfrigérant liquide est recyclé aux surfaces 11 et lia à travers la cloison

ainsi qu'on l'a déjà également décrit.

Grâce à la forme de réalisation illustrée du mo-

dule de pompe à chaleur, avec la puissance d'expulsion

fournie, on peut obtenir un rendement frigorifique équi-

valent presque doublé, améliorant ainsi en conséquence le rapport thermique Q3/Q1. La figure 24 illustre, de manière simplifiée et

par un diagramme LgP-1/T, le processus de travail thermo-

dynamique de l'appareil frigorifique à sorption à deux étages décrit cidessus, de la même manière que pour le

diagramme de la figure 11 et la description y afférente.

Les figures 13 et 14 illustrent un exemple d'ap-

plication dtun module à 300 watts pour un appareil dit de climatisation. En l'occurrence, la figure 13 illustre,

par une vue schématique en perspective, le système fonda-

mental d'un appareil de climatisation de ce type, tandis que la figure 14 illustre, par des vues en coupe prises suivant les lignes V-V et A-A, le côté d'évaporation et

le côté d'absorption dans différentes positions des cla-

pets de guidage d'air suivant que le local doit être

chauffé ou refroidi avec l'air en circulation et sans ad-

mission d'air ou qu'il doit être chauffé avec admission d'air et

avec l'air en circulation.

Cet appareil de climatisation est essentielle-

ment constitué des éléments de montage connus tels qu'-

une soufflerie à courant transversal 40, des clapets de guidage d'air 41 et un logement 42. Dans cet exemple d'application suivant l'invention, comme échangeurs de

chaleur, on utilise six modules 43 ayant chacun un rende-

ment calorifique de 300 watts tels que ceux décrits ci-

dessus. La chaleur nécessaire du côté de l'expulsion

est acheminée aux modules 43 sous forme d'eau à 800 ve-

nant d'un capteur d'énergie solaire (non représenté) ou d'une chaudière d'une pompe à chaleur (premier étage de

la pompe à chaleur, non représenté). La chaleur secon-

daire est prélevée de l'air extérieur 44 à l'évaporateur 45. L'air ambiant 46 s'échauffe en circulant dans le

condenseur 47 et ltabsorbeur 48. Lors d'un fonctionne-

ment avec admission d'air et avec circulation d'air, l'air

d'évacuation 49 est guidé par l'évaporateur 45, dissi-

pant ainsi la chaleur de ce dernier jusqu'à la tempéra-

ture extérieure (récupération de chaleur). En figure 14,

les lettres TR désignent les températures de l'air am-

biant, tandis que les lettres TA désignent les tempéra-

tures de l'air extérieur. Les indices (t) et (") dési-

gnent respectivement l'entrée et la sortie, tandis que

l'air entrant et l'air sortant sont désignés par "T".

Lors d'un fonctionnement en refroidissement,

l'air ambiant 46 (TR') est guidé à travers l'évapora-

teur 45 et il est refroidi à la température TR". L'air extérieur 44 (TA') s'écoule à travers le condenseur 47 et l'absorbeur 48 et il cède sa chaleur vers l'extérieur (TA"). Comme chaleur du côté de l'expulsion, on peut

également utiliser la chaleur d'un capteur solaire.

La figure 15 illustre un exemple d'application

de modules de pompes à chaleur à sorption dans une chau-

dière de chauffage d'une pompe à chaleur à sorption. En l'occurrence, la figure 15 est une coupe longitudinale d'une chaudière de chauffage, tandis que la figure 16

est une coupe prise suivant la ligne XVI-XVI de la figu-

re 15. Dans cette chaudière de chauffage, sont montés des modules de pompes à chaleur 51. Ces modules sont

équipés d'éléments d'expulsion à ailettes 52 et d'élé-

ments d'évaporation analogues 53. De l'eau de chauffage

circule dans l'élément d'absorption et l'élément de con-

densation désignés tous deux par le chiffre de référence 54 et réalisés sans ailettes. En outre, on représente un brûleur à gaz 55 ou un brûleur au méthanol brûlant dans une chambre de combustion 56. A la suite de cette chambre de combustion, est monté un convecteur 57 suivi d'un canal 58 pour les gaz d'échappement. En outre, de l'air frais peut être acheminé par un canal 59 pour en

dissiper la chaleur. En outre, on prévoit un accumula-

teur de condensat de gaz de fumée 60. Une soufflerie 61 prévue pour les gaz d'échappement ou l'évacuation d'air

chasse les gaz dans un canal 62 prévu pour ces gaz d'é-

chappement ou cette évacuation d'air. A la chaudière, sont adaptées une conduite de retour 63 et une conduite d'aller 64 d'un circuit de chauffage. L'eau 65 de la chaudière se trouve dans des chemises sur lesquelles

circulent les gaz de fumée. Cette chaudière est proté-

gée contre la chaleur par une isolation 66. En outre,

dans le système de combustion de la chaudière, on repré-

sente la flamme 67 du brûleur 55, de même que le parcours 68 des gaz d'échappement et celui de l'air frais 69. Le condensat formé est évacué par la décharge 71. L'aller 73 et le retour 72 du circuit de chauffage sont également

représentés. D'une manière tout à fait générale, le fonc-

tionnement de la chaudière est évident et ressort des fi-

gures 15 et 16. Etant donné que les gaz de fumée sont refroidis jusqu'à la température ambiante, du point de vue de la technique de chauffage, on obtient ainsi un degré d'efficacité de 100%. Ce refroidissement des gaz de fumée à basse température offre un avantage du fait que l'on peut travailler à de faibles valeurs en C02,

assurant ainsi une combustion plus fiable et sans forma-

tion de suie avec des valeurs extrêmement faibles en NOX. En outre, de la chaleur est retirée de l'apport d'air ou de l'air frais 69 par l'élément d'évaporation 53, cette chaleur étant ensuite acheminée à l'eau 65 de

la chaudière.

En l'occurrence, les modules de pompes à cha-

leur à sorption fonctionnent de la manière suivante: Le côté d'expulsion 52 du module illustré en

figure 15 est sollicité par les gaz d'échappement sor-

* tant du convecteur 57 de la chaudière, la température de ces gaz d'échappement à l'extrémité du convecteur

ayant été portée à la température de travail ou d'expul-

sion requise du module.

La chaleur absorbée à l'extrémité de l'élément d'expulsion 52 est guidée, via un dispositif, par exemple,

un tube d'échange de chaleur à ailettes du type représen-

té en figure 21, sur la surface humide Il (figure 1) de la cloison 1. De la sorte, la vapeur de l'agent réfrigé- rant est libérée et elle est condensée dans l'élément de condensation 54 sur la surface 52 de ce dernier qui,

suivant la figure 15, est située dans l'eau de la chau-

dière.. La chaleur de condensation Q2 est cédée à l'eau de la chaudière. Ainsi qu'on l'a décrit, le condensat est détendu et acheminé à l'élément d'évaporation 53

(figure 15). Cet évaporateur est sollicité de l'exté-

rieur par les gaz d'échappement, ainsi que par l'air 69

aspiré du milieu ambiant de la chaudière de chauffage.

En l'occurrence, les gaz d'échappement et l'air ambiant sont refroidis jusqu'à une température inférieure à la température ambiante. Le condensat formé provenant des gaz d'échappement et de l'air ambiant est recueilli dans

le collecteur 60 et il est évacué par la décharge 71.

Dans le cas d'une combustion au gaz ou au méthanol, le

condensat est guidé directement dans la canalisation.

En revanche, lors de la combustion de combustibles sul-

furés, le condensat devrait être neutralisé.

Dans le module de pompe à chaleur, la vapeur de l'agent réfrigérant sort de l'évaporateur pour parvenir dans le compartiment d'absorption 5 (figure 1) o elle

est absorbée par la surface humide 12. La chaleur d'ab-

sorption Q4 est cédée à l'eau de la chaudière ou du cir-

cuit de chauffage par la surface du récipient 2 (figure 1) qui, en figure 15, se trouve également dans l'eau de

la chaudière.

Dès lors, en adoptant le module de pompe à cha-

leur à sorption suivant la figure 15, on peut exploiter l'enthalpie résiduelle des gaz d'échappement et l'n peut également récupérer la chaleur dégagée par la surface

extérieure de la chaudière de chauffage.

2468085'

Bien entendu, on peut également choisir une structure dans laquelle la combustion sert uniquement à

faire fonctionner l'élément d'expulsion, la chaleur se-

condaire pouvant être prélevée du milieu ambiant et/ou de sources secondaires de chaleur connues, par exemple, le sol, les capteurs solaires, ltair extérieur, etc.

La figure 17 illustre, par une coupe longitudi-

nale et trois coupes transversales prises suivant les lignes XVIII-XVIII, XIX-XIX et XX-XX, un module de pompe

à chaleur à résorption. Ce module se différencie fonda-

mentalement du module de pompe à chaleur à sorption il-

lustré en figure 1, ainsi qu'on l'a exposé à propos de

la description du diagramme de la figure 12.

Ce module comprend une cloison hygroscopique 81 séparant l'élément d'expulsion de l'élément d'absorption, cette cloison séparant ces deux compartiments l'un de

l'autre d'une manière étanche aux gaz en venant s'appli-

quer hermétiquement sur la paroi intérieure d'un réci-

pieAt 82. A l'extérieur de ce récipient 82, sont adap-

tées des lamelles ou des ailettes 83. Tout comme dans la forme de réalisation illustrée dans les figures 6 et

, la paroi intérieure 84 du récipient passe à ltinté-

rieur de la cloison 81. Un joint étanche 85 ferme l'élé-

ment d'expulsion vers l'extérieur. Dans l'élément de

résorption, est prévue une cloison hygroscopique 86 cor-

respondant à la cloison 81 et séparant l'élément d'expul-

sion de l'élément de résorption. Dans ce cas également,

la paroi intérieure 87 du récipient est montée dans l'é-

lément de résorption du récipient 82. Une plaque de sé-

paration 89 comportant des canaux de trop-plein dans l'élément d'expulsion situé à gauche en figure 17 passe dans l'élément de résorption, tandis qu'une plaque de

séparation 90 comportant des canaux de trop-plein sor-

tant de l'élément de résorption est prévue dans l'élé-

ment d'expulsion. Une bague d'étanchéité 91 ferme alter-

nativement les canaux de trop-plein 106 et 107. De la sorte, on obtient un système de canaux de trop-plein. En outre, comme le montre la vue en coupe prise suivant la

ligne XX-XX, on prévoit des canaux de trop-plein 92 s'é-

tendant radialement, de même que des canaux longitudinaux de trop-plein 93 et 94.

Dans le compartiment d'expulsion 96, ltagent ré-

frigérant, c'est-à-dire le produit de sorption, est éva-

poré de la surface 95 de la cloison hygroscopique 81. Il

s'écoule via les canaux 92, 93 et 94 dans le comparti-

ment de résorption 98 o la vapeur de cet agent réfrigé-

rant est condensée ou résorbée sur la surface 100 de la

cloison hygroscopique 86. Via les pores de cette cloi-

son 86, le liquide capillaire dilué (le solvant contient moins de matière dissoute) arrive dans le compartiment d'évaporation 102 dans lequel l'agent réfrigérant est

évaporé de la surface 103 de la cloison 86 sous une pres-

sion et à une température inférieures. Cette vapeur froide s'écoule via les canaux 105, 106 et 107 dans le compartiment d'absorption 109 de l'élément d'expulsion 97, cette vapeur froide étant absorbée sur la surface 110

de la cloison hygroscopique 81.

L'élément d'absorption/expulsion 97 de ce module fonctionne dans des conditions analogues à celles régnant dans un module de pompe à chaleur à sorption, par exemple, du type illustré en figure 1. La différence dans le mode

de fonctionnement du module à résorption réside simple-

ment dans le fait que, ainsi qu'on l'a exposé en détail

à propos de la description des figures Il et 12, la va-

peur de l'agent réfrigérant n'est pas condensée à sa

tension de vapeur dans l'élément de résorption (compar-

timent 98), mais est résorbée sous une pression partielle suivant sa concentration. En conséquence, dans le cas présent, le condenseur 6 et l'évaporateur 7 du module à

sorption (figure 1) sont remplacés par un élément d'ab-

sorption/expulsion (compartiments 109 et 96). L'avantage de ce module de pompe à chaleur à résorption réside dans le fait que la condensation ou la résorption se déroule à une température plus élevée que la condensation de l'agent réfrigérant pur, comme le démontrent clairement

les diagrammes des figures 11 et 12.

La figure 21 est une vue de face d'un tube d'é- change de chaleur enfichable 115 destiné à transférer la

chaleur de l'élément d'expulsion ou de l'élément d'évapo-

ration. Cette figure illustre un tube échangeur de cha-

leur classique 115 comportant une tige d'enfichage 116 pourvue d'ailettes 117. Cette tige 116 vient s'enficher dans un évaporateur 37 ou un élément d'expulsion 4 du module de pompe à chaleur à sorption (figure 6). Le tube d'échange de chaleur 115 absorbe, via sa surface, c'est-à-dire les ailettes 117, la chaleur d'un courant

gazeux pour la diriger, avec une faible chute de tempé-

rature, dans la tige 116 de son élément de condensation, cédant ainsi sa chaleur aux parois intérieures 21, 22 du

module de pompe à chaleur.

La figure 22 illustre une lance de guidage d'un

élément chauffant, cette lance comportant un tube exté-

rieur 121, un tube intérieur 122, un conduit d'admission 123 pour l'élément chauffant et un conduit d'évacuation

124 pour cet élément. Cette lance est utilisée pour as-

surer l'apport et l'évacuation de la chaleur dans un module de pompe à chaleur de la manière illustrée. Cette lance est enfichable et elle entre convenablement en contact avec les parois intérieures 21, 22 du module de

pompe à chaleur.

Comme autre forme de réalisation d'une lance,

on pourrait envisager une structure dans laquelle le tu-

be extérieur 121 serait supprimé. Dans cette forme de réalisation, la paroi intérieure constituée par le tube

intérieur 122 serait sollicitée directement par l'élé-

ment chauffant ou l'agent réfrigérant. Bien entendu,

cette lance peut être réalisée de telle sorte que l'élé-

ment chauffant ou l'agent réfrigérant décrive un par-

cours hélicoïdal dans l'espace annulaire concentrique

formé par les ailettes ou les ondulations.

Enfin, on décrira, sur la base de calculs, un

exemple d'une pompe à chaleur de ce type.

Le mode de fonctionnement de la chaudière de pompe à chaleur décrite sera expliqué clairement sur la

base d'un calcul du bilan thermique.

Les modules doivent fonctionner avec un couple de substances, par exemple, LiBr-H20 (H20 comme agent réfrigérant) aux températures suivantes: Expulsion à T1 = 1350 C - 190 mm de Hg point 1, figure 11 Condensation à T2 = 650 C - 190 mm de Hg point 2, figure 11 Evaporation à T3 = 10 C - 9 mm de Hg point 3, figure 11

Absorption à T4 = 650C - 9 mm de Hg point 4, figure 11.

Du côté des gaz ou du côté de l'eau de la chau-

dière, on a les températures suivantes: Expulsion à T1" = 1400 C gaz d'échappement figure 15 Condensation à T2" = 60OC eau de chaudière 65 C, figure 15 Evaporation à T3" = 15 C gaz d'échappement + admission d'air, figure 15

Absorption à T4" = 60OC eau de chaudière 650eC, figure 15.

A l'extrémité, c'est-à-dire à la sortie des

surfaces d'échange de chaleur, les élévations de tempé-

rature sont de 5 C, assurant ainsi une densité de flux

thermique suffisante.

1. Apport de chaleur par le brûleur 55, figure 15 ers= B Hu Débit ducombustible B = 1 kg 0,278. 10-3 g hÀ s Valeur de combustion inférieure H= 42636 kJ kg = 11,85 kW vers 2. Admission d'air par le brûleur 55, figure 15

35. S -11

VL = 100 m3h ^ 0,028 m3S L =n n Température de l'air: TL = 20 C kJ Chaleur spécifique: c = 1,3 mn.k n 3. Combustion et échauffement d'air dans le foyer 56, figure 15

La combustion se déroule avec un important ex-

cès d'air (A = 1,7). La majeure partie de l'air ne par-

ticipe pas à la combustion, cet air s'échauffant par mé-

lange avec les gaz d'échappement.

Dtaprès l'enthalpie du mélange gazeux, on ob-

tient la température du foyer, à savoir: TF = 344oC 4. Flux thermique dans le foyer et le convecteur 57, figure 15 QF (T - T). c.V Cp. avec T' = 300 C V = 0,028 m3 kJ n c = 1,3.K on a F = 1600 k QF = 1,.60 k 5. Flux thermique à l'élément d'expulsion 52, figure 15

T' = 300 C

T" = 1400C

1 = (T{ - Tt).Cp.V Q1 = 5,824 kW

Des calculs spécifiques effectués au tube à ai-

lettes lors de l'évaporation sur la face intérieure don-

nent des rendements de transmission de chaleur de: 4 = 2000 W/Lfm

En conséquence, l'élément d'expulsion est cons-

titué d'un tube à ailettes de 2,912 m ou de 12 modules

de 0,24 m de long.

6. Flux thermique dans le canal 8, figure

T = 140 C

T' = 900C

?k =(Tl - T')c.V 1 3 p Qk = 1.820 kW 7. Flux thermique dans l'évaporateur 53, i (chaleur des gaz d'échappement) Tl = 90 C

T" = 15 C

10.3 (TI - T) cp.V ?3 3 3 p Q3 = 2730 kW 8. Flux thermique dans l'évaporateur 53, (chaleur de l'air d'admission) T3 = 20oC 3L

T" = 15 C

3L 3

VL = 0,33 mn.S 3SL = (T3L - T3L)Cp'.V Q3L = 2.145 kW Le bilan des flux thermiques dans de chauffage d'une pompe à chaleur suivant E': E'. s'établit comme suit: Apport de chaleur par le brûleur 55, figure 15: vers Flux thermique dans le foyer 67 directement à l'eau de la chaudière<: QF =

Flux thermique à l'élément d'expul-

sion 52 indirectement à l'eau de la chaudière:Q Flux thermique dans le canal 8 directement à l'eau de la chaudière: Qk = Flux thermique dans l'évaporateur 53 provenant de la chaleur des gaz d'échappement:Q3 Flux thermique dans l'évaporateur 53 provenant de l'admission d'air: 3L igure 15 igure 15 la chaudière la figure 15 = 11.850 kW 1,600 kW ,824 kW 1,820 kW 2,730 kW 2,145 kW Somme de tous les flux thermiques à l'eau de la chaudière:de = 14,120 kW Degré d'efficacité fl F =de110 = 1 19 vers Rapporté à l'utilisation d'énergie primaire pour la production d'énergie électrique, ce degré d'efficacité correspond au chiffre de rendement: Eéq d9e= 0,35

d'une pompe à chaleur à compresseur.

Le rapport thermique à.=80 = 0,84 est Qi

parfaitement réaliste et peut être atteint.

En évitant les flux thermiques aF et Qk dans le

circuit amélioré d'une pompe à chaleur, le degré dteffi-

cacité serait de: a F = -43= _1 Dans un circuit simple d'une pompe à chaleur, on peut atteindre des chiffres de rendement de "P C é úq =51

Dans la présente description, toutes les formes

de réalisation sont essentielles pour l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil frigorifique à sorption pouvant

fonctionner en continu et comportant un élément d'expul-

sion, un condenseur, un organe d'étranglement, un évapo-

rateur et un élément d'absorption ou de résorption, ca-

ractérisé en ce que le compartiment d'expulsion est sé-

paré du compartiment d'absorption ou de résorption par

une cloison hygroscopique (1).

2. Appareil suivant la revendication 1, carac-

térisé en ce qu'il est réalisé sous forme d'une plaque.

3. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément

d'expulsion (4) et l'élément d'absorption (5) sont réa-

lisés en une unité de montage.

4. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cloison (1)

comporte des lamelles (24, 25) ou des touffes (23).

5. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 4, caractérisé en ce que des couches en feuilles en une matière à haute conductibilité thermique

sont disposées entre les lamelles (24, 25).

6. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 5, caractérisé en ce que des structu-

res capillaires (36) sont montées dans une douille métal-

lique (21) entrant en contact métallique avec la paroi

d'un récipient (2) (figures 6-9).

7. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 6, caractérisé en ce que, pour assurer le transport de la vapeur de l'agent réfrigérant, on prévoit des canaux longitudinaux (26) sur la surface de

la douille métallique (21).

8. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 7, caractérisé en ce que la cloison hygroscopique est constituée de deux couches (11, 12)

écartées l'une de l'autre, le liquide capillaire pou-

vant circuler dans l'espace intermédiaire en raison des

différences de densité (figure 5).

9. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 8, caractérisé en ce que, dans l'espace intermédiaire, on prévoit une chicane (32) qui, par suite de sa haute conductibilité thermique, conduit et cède la chaleur de la solution riche (33) à la solution pauvre

(34) (figure 5).

10. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'organe

d'étranglement (8) est constitué d'un corps poreux.

11. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 10, caractérisé en ce que la cloison (1) comporte au moins une cavité en forme de cuvette

constituant un prolongement de la paroi du récipient.

12. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 11, caractérisé en ce que le condenseur (6) et/ou l'évaporateur (7) contient ou contiennent une charge essentiellement à gros pores (36, 37) d'une bonne conductibilité thermique, de préférence, du nitrure de

silicium poreux.

13. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte des canaux longitudinaux (9, 28) assurant le transport de l'agent réfrigérant du compartiment d'expulsion (4) vers le compartiment d'absorption (5) via le condenseur

(6) et l'évaporateur (7).

14. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 13, caractérisé en ce que, entre les

deux charges (36, 37), on prévoit un corps poreux iso-

lant (39), par exemple, en papier, en bois ou en matière céramique.

15. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 14, caractérisé en ce que la cloison hygroscopique (1) comporte un ou plusieurs corps ayant

une structure capillaire et que l'on imprègne d'un li-

quide capillaire (14) ayant des propriétés hygroscopi-

ques (figures 1 et 2).

16. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'élément

d'expulsion (4), le condenseur (6), l'organe d'étrangle-

ment (38), l'évaporateur (7), ainsi que l'élément d'ab-

sorption et de résorption (5) sont disposés dans un ré-

cipient commun, de préférence, un récipient tubulaire

(2) (figure 6).

17. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'on prévoit plu-

sieurs éléments d'expulsion séparés l'un de l'autre de

manière étanche aux gaz ou en ce que cet élément d'ex-

pulsion est divisé transversalement plusieurs fois de manière étanche aux gaz afin de former plusieurs étages

(figures 23 et 24).

18. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 17, caractérisé en ce que la cloison comporte au moins deux couches (130) écartées l'une de l'autre, des éléments d'écartement réalisés, par exemple,

en une matière pratiquement non imprégnable, étant dis-

posés dans les espaces intermédiaires (131) (figure 25).

19. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 18, caractérisé en ce que la cloison

est constituée de plusieurs douilles concentriques.

20. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 19, caractérisé en ce que les espaces intermédiaires (131) sont remplis d'une matière à gros pores et conductrice de chaleur (132) en vue de former

des ponts thermiques.

21. Appareil suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 20, caractérisé en ce que les éléments

d'écartement des couches (130) sont enduits d'une ma-

tière pratiquement non imprégnable, par exemple, le poly-

tétrafluoréthylène.

22. Procédé pour la mise en service d'un appa-

reil frigorifique à sorption suivant l'une quelconque

des revendications 1 à 21, caractérisé en ce qu'on choi-

sit la pression de travail de l'élément d'expulsion et celle de l'élément d'absorption de telle sorte que les forces capillaires s'exerçant dans la cloison soient supérieures à la différence des deux pressions de travail.

23. Procédé suivant la revendication 22, ca-

ractérisé en ce qu'on chauffe directement l'appareil frigorifique du côté de l'expulsion, on met le côté

d'absorption et de condensation dans le circuit de chauf-

fage et on sollicite le côté d'évaporation par les gaz d'échappement.

24. Utilisation d'un appareil frigorifique à

sorption suivant l'une quelconque des revendications 1

à 21 dans des appareils de climatisation en vue d'effec-

tuer un refroidissement et un chauffage au moyen de la

chaleur solaire en utilisant la chaleur à haute tempéra-

ture du capteur pour l'expulsion et la chaleur à basse

température du milieu ambiantpour l'évaporation.

25. Utilisation d'un appareil frigorifique à

sorption suivant l'une quelconque des revendications 1

à 21 pour le refroidissement des gaz de fumée dans les

chaudières de chauffage au gaz.