FR2484618A1

FR2484618A1 - Procede pour l'utilisation et l'accumulation de l'energie provenant de l'environnement

Info

Publication number: FR2484618A1
Application number: FR8111755A
Authority: FR
Inventors: Rudolf Sizmann
Original assignee: Didier Werke AG
Current assignee: Didier Werke AG
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1981-06-15
Publication date: 1981-12-18
Also published as: ES8207579A1; US4484617A; AT394200B; IT1137496B; ZA814021B; SU1200858A3; IT8122041A0; GB8413674D0; ATA265981A; CH651915A5; NL8102905A; BE889221A; FR2484618B1; GB2140152A; IL63095A; GB2083200B; ES503071A0; SE462686B; JPS5762395A; IL63095A0

Abstract

PROCEDE POUR L'UTILISATION ET L'ACCUMULATION DE L'ENERGIE PROVENANT DE L'ENVIRONNEMENT, EN UTILISANT UN MILIEU D'ACCUMULATION TRAVAILLANT AU MOYEN DE REACTIONS CHIMIQUES OU DE SORPTIONS, EN PARTICULIER UN GEL DE SILICE OU UNE ZEOLITE, GRACE A QUOI DANS CE MILIEU D'ACCUMULATION, PAR UNE CHARGE EN ENERGIE, DE L'EXERGIE EST ACCUMULEE DE FACON TRES DENSE DANS LE MILIEU D'ACCUMULATION PAR UN MILIEU DE SUPPORT INERTE, GAZEUX POUR L'EXERGIE ET L'ENERGIE ACCUMULEE EST EXTRAITE, SELON BESOIN, DE L'ACCUMULATEUR PAR UNE CHARGE AU MOYEN D'UN MILIEU DE SUPPORT EGALEMENT GAZEUX ET INERTE, POUR LA TRANSFORMATION EN CHALEUR OU EN FROID D'UN NIVEAU DESIRE; LE PROCEDE ETANT MIS EN OEUVRE DE TELLE SORTE QUE: A.POUR UNE CHARGE EN ENERGIE, L'EXERGIE DE TRES PETITS ETATS DE DESEQUILIBRE DE L'ENVIRONNEMENT S'ACCUMULE, ETOU B.POUR UNE DECHARGE DE L'ENERGIE, L'EXERGIE RESIDUELLE CONTENUE DANS LE MILIEU DE SUPPORT GAZEUX, INERTE, SORTANT, EST UTILISEE POUR CHARGER EN ENERGIE UN AUTRE MILIEU D'ACCUMULATION DANS LEQUEL IL N'Y A PAS OU SEULEMENT TRES PEU D'EXERGIE ACCUMULEE.

Description

La présente invention concerne un procédé pour l'utilisation et

l'accumulation de l'énergie provenant de

l'environnement en utilisant un milieu d'accumulation tra-

vaillant au moyen de réactions chimiques ou de sorptions, dans lequel par une charge d'énergie on emmagasine de façon dense dans le milieu d'accumulation de l'exergie par un milieu de support gazeux,inerte,pour cette exergie,et on extrait

l'exergie accumulée,selon besoin,par décharge de l'accumula-

teur au moyen d'un milieu de support également gazeux et inerte,pour la transformation en chaleur ou en froid au niveau souhaité.

On a déjà proposé d'exploiter l'énergie prove-

nant de l'environnement et en particulier le rayonnement solai-

re en utilisant un milieu d'accumulation travaillant au moyen de réactions chimiques ou de sorptions. C'est ainsi que,par exemple, l'accumulation de l'énergie solaire dans un dispositif

spécial est décrite dans Solar Energy 23 (1979),pages 489-

495,en utilisant dans ce cas la chaleur d'adsorption de l'hu-

midité sur des tamis moléculaires de zéolite.Mais on indique comme inconvénient le fait que des températures relativement

très élevées sont nécessaires pour utiliser la capacité d'ac-

cumulation maximale du matériau de zéolite utilisé,par exem-

ple 250 C,cependant on indique ici qu'une accumulation de l'énergie dans la zéolite est avantageuse par rapport à une accumulation dans l'eau,des roches ou dans des réservoirs de

chaleur latente. D'autres systèmes de réaction pour l'accu-

mulation de la chaleur et la transformation de la chaleur

sont décrits dans VDI-Berichte n 288(1977),pages 111-114.

Comme exemples de ces systèmes,on peut citer: Systèmes avec utilisation d'ammoniac: LiCI.4NH3tsolid} bCl(solide)+ 4 NH3(gaz) CaCl2.8NH3(solide). ' CaCl2.2NH3(solide) + 6 NH3(gaz) H20.rNH3(liquide) ' H20.(r-n) NH3(liquide) + n NH3(gaz) Systèmes avec utilisation d'eau: LiCl. 3H20(solide), LiCl(solide) + 3 H20(gaz) H2S04.rH20(liquide) _ H2S04. (r-n) H20(liquide) + nH20(gaz) Agent de sorption.H20(solide)- Agent de sorption(solide) + H20 (gaz)

Les agents de sorption sont par exemple des tamis moléculai-

res tels que des zéolites naturelles ou synthétiques,du gel

de silice et CaCl2.

D'autres systèmes utilisent le méthanol comme consti-

tuant sorbable. Ces réactions ou sorptions répondent de façon générale à l'équation suivante: AB + chaleur - -- A + B o A correspond au milieu d'accumulation dans un état chargé en énergie par rapport au constituant B.,c'est-à-dire que de la chaleur est libérée lors de la réaction ou de la sorption du constituant B. Un autre mode de travail pour l'exploitation de l'énergie provenant de l'environnement est représenté par les systèmes dits de pompes à chaleur. Dans ces systèmes,cependant, on

transforme par exemple un courant électrique ou de la cha-

- leur à haute température en chaleur utile en utilisant l'ef-

fet de la pompe à chaleur,de sorte que par comparaison avec une transformation directe de cette énergie en chaleur,on peut obtenir une "multiplication" de la chaleur atteignant un

facteur d'un ordre de grandeur de 3.

L'utilisation de l'énergie solaire au moyen de capteurs solaires tels qu'ils sont utilisés jusqu'à présent,présente cependant de grands inconvénients,car au moins pour les

degrés de latitude en Europe un rayonnement solaire suffi-

samment puissant n'existe qu'en été,de sorte qu'il est né-

cessaire d'accumuler l'énergie collectée par les capteurs

solaires. Cette accumulation représente cependant des pro-

blèmes essentiels,car,ou bien seule est possible une accumu-

lation à court terme,par exemple dans des accumulateurs d'eau suffisamment importants avec une isolation forcément

coûteuse,ou bien il faut utiliser des capteurs solaires spé-

ciaux et par conséquent techniquement coûteux si on souhaite

une accumulation à long terme,par exemple dans des accumula-

teurs de zéolite,étant donné qu'ici les températures élevées

déjà mentionnées auparavant sont considérées comme néces-

saires pour une régénération totale de l'accumulateur. De plus,une régénération d'un tel accumulateur à long terme n'est pratiquement possible que dans les mois d'été avec une irradiation solaire puissante et directede telle sorte que l'accumulateurau cas o il représente une source unique de

chaleurgdoit montrer une capacité pour tous les mois d'hiver.

La présente invention a pour objet d'utiliser l'énergie provenant de l'environnementen sDéloignant des possibilités de solution appliquées jusqu'à présent et en s'engageant

dans une nouvelle voie pour l'exploitation de l'énergie pro-

venant de l'environnement.

Le procédé d'exploitation ou d'utilisation de l'énergie provenant de l'environnementselon l'inventiondu type décrit ci-dessus,se caractérise en ce que a) lors d'une charge d'énergie,l'exergie de très petits états de déséquilibre de l'environnement est accumuléeet/ou b) lors d'une décharge d'énergieon utilise l'exergie résiduelle contenue dans le milieu de support inertegazeuxgutilisé,pour une charge d'énergie d'un autre milieu d'accumulation dans lequel il n'y

a pas ou seulement très peu d'exergie accumulée.

Les caractéristiques ci-après prises isolément ou en combinaison illustrent à titre non limitatif la présente invention:

-pour une accumulation d'exergie dans le milieu d'accumu-

lation au stade a) un constituant volatilîfixé par sorption sur un milieu d'accumulationest désorbé par un milieu de support gazeux,inerteauquel cas ce milieu de support n'a

qu'une très faible teneur ou même une teneur nulle en cons-

tituant sorbablevolatilet, en traversant le milieu d'accu-

mulationabsorbe le constituant fixe, et pour extraire l'exer-

gie du milieu d'accumulation totalement ou partiellement

désorbé au stade b) avec production de chaleuron intro-

duit un courant de gaz inerte chargé avec un constituant sorbable en une concentration supérieure à celle du stade de désorption, -le milieu de support gazeux,inerteavec une faible

teneur en constituant sorbable,volatilavant son introduc-

tion dans le milieu d'accumulation au stade a),est

d'abord entraîné par un milieu de travail exempt de consti-

tuant sorbable pour une élimination la plus totale possible du constituant sorbable, et on utilise un courant partiel du milieu de support débazassé du constituant sorbable pour charger en énergie le milieu de travail,et le courant partiel résiduel de ce milieu de support pour la désorption du milieu d'accumulation, -au milieu de support gazeux, inerte,débarrasséle plus totalement possible de constituant sorbable ou au milieu de support gazeux inerte,avant son passage par le milieu de travail,on ajoute de la chaleur,en particulier au moyen d'un capteur solaire travaillant avec une faible augmentation de la température même pour un faible rayonnement solaire ou également de sources de chaleur d'un faible niveau de température, -on utilise de la chaleur avec une température inférieure

à la température à laquelle on exploite la chaleur par ex-

traction de l'exergie sous forme de chaleur à partir du milieu d'accumulation,éventuellement en utilisant l'effet chimique de la pompe à chaleur, -pour la décharge d'énergie au stade b),on entraîne le milieu de support inerte,débairasse du constituant sorbable,

provenant du milieu d'accumulation,vers un milieu d'accumula-

tion chargé en constituant sorbable,pour une désorption tota-

le ou partielle du constituant, -comme milieu d'accumulation,on utilise une substance hygroscopique,comme constituant volatil,sorbable,on utilise l'eau et comme milieu de supporton utilise l'air, -comme milieu d'accumulation,on utilise un gel de silice, -comme milieu d'accumulation on utilise une zéolite,

-comme milieu d'accumulation on utilise l'acide sulfuri-

que, -comme milieu de travail,on utilise une zéolite, -comme milieu de travail,on utilise l'acide sulfurique, -on effectue l'accumulation de l'exergie dans le milieu

d'accumulation et/ou l'extraction d'exergie du milieu d'ac-

cumulation et/ou l'élimination du constituant sorbable du milieu de support dans le milieu de travail,ainsi que la

régénération du milieu de support par un procédé à contre-

courant, -lorsqu'on utilise un milieu d'accumulation solide

et/ou un milieu de travail solide,on l'introduit en discon-

tinu, -on utilise le milieu d'accumulation solide sous la

forme de plusieurs colonnes remplies avec ce milieu d'accumu-

lation. L'invention concerne également l'application d'un tel procédé pour couvrir la demande de chaleur et/ou de froid des bâtiments ou des véhicules ou des éléments de véhicules pour une production d'eau chaude ou pour couvrir la demande

de chaleur pour le préchauffage des moteurs à combustion.

Le procédé selon l'invention est utilisable en particu-

lier dans un faible domaine de températurec'est-à-dire à des

températures de et au-dessous de 1000 C.

L'expression "exergie" utilisée dans la description pro-

vient de la thermodynamique et désigne l'enthalpie libre ou l'aptitude technique au travail d'un système,par rapport à l'état de l'environnement régnant. Par "exergiel,on entend

des énergies transformables en d'autres formes d'énergie.

L'expression "anergie" qui provient également de la thermo-

dynamique,désigne des énergies non-transformablespar exemple l'énergie calorifique de l'environnement;pour les définitions,voir Lueger '"Lexikon des TechnikgVerfahrenstechnik,

tome l,pages 128/129(1972).

Lors de l'emploi connu d'accumulateurs en zéolite ou d'autres accumulateurs par sorption,on a considéré comme - nécessaire lors de la charge en énergie de l'accumulateur,de

les faire fonctionner à des températures élevées.

De façon surprenante,on a maintenant trouvé qu'il est également possible de régénérer des accumulateurs par sorption a des températures bien plus basses que celles

considérées comme nécessaires jusqu'à présent.Une régénéra-

tion d'un tel accumulateur par sorption est par exemple également possible à des températures ambiantes ou même à des températures inférieures à la température ambiante,tel que décrit en détail ci-après. On a également trouvé qu'il est possible de régénérer ces accumulateurs, dans la mesure o ils fonctionnent avec de l'eau comme constituant volatil, du fait qu'on utilise un gaz inerte avec un déficit

en humidité.

Par l'expression utilisée dans la description "exergie

de très faibles états de déséquilibre de l'environnement", on doit donc entendre des états pour lesquels il n'y a pas de grandes différences de températures,tels que par exemple une chaleur à distance,une chaleur perdue,une chaleur de combustion,une chaleur de fermentation,dont le niveau de température peut être relativement faible,par exemple inférieur à 50 C et même inférieur à 40 C. La disposition de ces sources de chaleur mentionnées n'a pas besoin,en raison de l'accumulation d'énergie extensible dans le temps et disjonctable à volonté dans le temps,dans un milieu d'accumulation,d'être adaptée à une demande de pointe possible dans le temps,mais à une valeur moyenne annuelle de la demande de chaleur. Par "très petits états de déséquilibre de l'environnement",on entend donc des états de déséquilibre qui n'ont pas été utilisés jusqu'à maintenant dans l'accumulation à long terme,par exemple uniquement à l'aide de pompes à chaleur,c'est-à-dire que des

renforcements à un niveau de température plus élevé pour-

raient être utilisés. C'est ainsi qu'avec,par exemple, de faibles rayonnements solaires tels qu'en hiver,pendant des périodes de mauvais temps ou tôt le matin ou tard le soir,la charge de l'accumulateur peut se poursuivre,alors que dans un capteur solaire seule est produite une chaleur, à un si faible niveau de température qui n'aurait pas été utilisable jusqu'à présent pour une distribution directe de chaleur. Cette propriété d'utiliser de la chaleur à une température inférieure à la température à laquelle elle est utilisable lors d'extraction d'exergie pour la transformation en chaleur à partir du milieu d'accumulation,grâce à quoi ici on exploite l'effet de pompe à chaleur,chimique,connu en soi procure l'autre avantage de pouvoir diminuer le volume

des accumulateurs annuels à long terme pour l'énergie solai-

re, qui sont utilisés par exemple pour le chauffage.

Le deuxième grand avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait qu'au stade b) l'exergie résiduelle est utilisée,permettant une multiplication très importante de l'utilisation de l'énergie provenant de lVenvironnement ou de l'entourage,de sorte qu'entre autre le volume du milieu d'ac- cumulation peut être considérablement réduit,étant donné qu'un milieu d'accumulation déchargé pendant l'extraction de l'exergie est rechargé en même temps et est alors disponible

pour une autre extraction d'exergie.

Ce stade b) du procédé selon l'invention peut évidemment être également utilisé même si on a procédé de façon classique pour la charge d'énergiepar exemple un milieu d'accumulation tel que la zéolite a été régénéré avec de l'air à 250 Co

Le procédé selon l'invention est appliqué de façon parti-

culièrement avantageuse dans un fonctionnement en colonne et

en utilisant un milieu d'accumulation solide même en discon-

tinu,étant donné qu'alors le degré d'efficacité est particu-

lièrement bon et qu'il est en outre possible de maintenir

à un faible niveau l'énergie étrangère nécessaire pour lap-

plication du procédé pour le PrÈpompage du milieu de support inerte, gazeux. En utilisant un milieu d'accumulation solide, la hauteur d'une colonne pour la minimisation des pertes de pression survenant lors du transport du milieu de support devrait atteindre des valeurs comprises entre 0,5 et 2 m et avantageusement entre 0,75 et 1,5 m. De façon très générale, on peut cependant dire que cette énergie étrangère ou énergie parasitaire pour le transport du milieu de support et de même l'énergie étrangère pour le repormpage d'un milieu de travail liquide et également d'un milieu d'accumulationest

faible par rapport à l'énergie accumulable et n'atteint seu-

lement qu'un ordre de grandeur de quelques % de cette

énergie accumulable.

Il est particulièrement avantageux d'utiliser l'eau comme substance sorbable,car sa source est illimitée et le

procédé peut alors être appliqué à découvert dans l'atmoQs-

phère. En utilisant d'autres substances sorbables telles que l'ammoniac ou le méthanolil est naturellement nécessaire d'exploiter le procédé selon l'invention dans un système en

circuit fermé par rapport à l'atmosphère,mais qui ne nécessi-

te cependant que l'adjonction supplémentaire d'échangeurs

de chaleur correspondants. Le fonctionnement d'un système fer-

mé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention n'est cependant avantageux qu'en utilisant l'exergie de petits

états de déséquilibre sous forme de différences de températu-

res Lorsque, selon le procédé de l'invention,l'exergie doit âtre produite par transformation à froid à partir du milieu d'accumulation,ce froid est pris sous la forme de froid dû

à l'évaporation qui se forme lorsque des constituants sorba-

bles liquides sont absorbés par le milieu d'accumulation chargé. Pour cela, il suffit de mettre un récipient avec un

constituant sorbable,liquide,en un contact gazeux avec un mi-

lieu d'accumulation régénéré.

L'invention est expliquée en détail à l'aide des dessins

et de la description suivante,o sont indiqués ici quelques

résultats obtenus expérimentalement. Les figures des dessins annexés représentent respectivement: Fig.1 est un schéma illustrant le milieu d'accumulation dans deux états différents; Fig.2 est un schéma du mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention,dans lequel on utilise un milieu de travail; Fig.3 est un schéma du mode de mise en oeuvre du procédé

selon l'invention dans lequel en utilisant un milieu de.

travail,on apporte une énergie supplémentaire par un capteur solaire; Fig. 4 est un schéma du mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, qui explique la production de chaleur utile selon le stade b) dans un circuit fermé et dans un circuit ouvert; Fig.5 est un schéma d'une installation de chauffage de

bâtiments,travaillant selon le procédé de l'invention.

Le processus du chargement d'exergie dans un milieu d'ac-

cumulation est expliqué en détail ci-après en utilisant pour cela un système zéolite-eau. Dans le milieu d'accumulation I représenté sur la figure l,se trouve une zéolite chargée de vapeur d'eau,c'est-à-dire énergétiquement déchargée. Par cette colonne,on envoit d'en#as de l'air ambiant le plus sec possible, avec l'humidité relative K.et la température Tu.La colonne I

sert en même temps de réservoir.

Tel qu'on l'a déjà décrit,la vapeur d'eau est désorbée de la zéolite même à la température ambiante à laquelle se trouve le milieu d'accumulation I, par exemple 20 C,et est entraînée par le courant d'air. La chaleur de désorption est extraite du courant gazeux,pour une conduite adiabatique du processus,c'est-à-dire la colonne isolée I,ou doit être entraînée continuellement comme chaleur environnante (anergie) pour une conduite isothermique du processus de la colonne I. Il s'établit finalement un équilibre entre la charge d'eau n de la zéolite et la pression partielle de la vapeur d'eau Pw du courant d'air venant de l'extérieur.n

est d'autant plus faible que Pw est faible et que la tempéra-

ture ambiante Tu est élevée,la relation quantitative dépendant alors du type de zéolite utilisé. Pour une zéolite de type X, on suppose par exemple qu'à Tu=25 C,on obtient une diminution de la charge en eau de 27%, c'est-à-dire de 0,29g d'eau/g de zéolite pour t = 100%, à 0,21 g d'eau/g de zéolite pour ku10%. Un tel air ambiant sec se trouve cependant toujours dans des situations atmosphériques particulières et dans des

zones arides,déterminées.

Par suite de l'évolution de la chaleur d'adsorption intégrale de ce type de zéolite,ceci correspond à une charge

énergétique de 21% de la capacité totale d'accumulation.

Faisant suite au "séchage" du milieu d'accumulation I

dans la colonne I,celui-ci se présente comme milieu d'accumu-

lation II dans la colonne II,tel que représenté à droite sur la figure 1. En introduisant de l'air ambiant avec une

humidité relative de 100%,l'énergie emmagasinée dans le mi-

lieu d'accumulation II devient utilisable par la chaleur de

condensation et d'adsorption de la vapeur d'eau sur la zéoli-

te lors de l'augmentation de la température de l'air de T u à T0. L'air à 100% d'humidité peut être obtenu d'une manière connue par humidification de l'air ambiant,par exemple par un simple passage d'air au-dessus ou dans de l'eau,auquel cas la chaleur d'évaporation de l'eau,nécessaire,est prélevée dans l'environnement à la température Tu,c'est-à-dire

comme anergie.

Bien évidemment,il est encore également possible d'amener à l'air ambiant introduit dans le milieu d'accumulation,avec un déficit en humidité,un supplément de chaleur avec un fai- ble niveau de température,iar exemple à partir d'un capteur solaire ou dans un échange de chaleur à partir d'eau chaude échangée provenant de foyers domestiques ou d'autres sources, auquel cas le degré d'efficacité de la charge énergétique de

l'accumulateur peut encore être augmenté.

Sur la figure 2,on a représenté un schéma d'un mode de mise en oeuvre selon l'invention,avec utilisation d'un milieu de travail. Comme milieu d'accumulation,on utilise également de nouveau ici la zéolite comme milieu d'accumulation, solide,absorbant l'eau,préféré,à partir duquel se sépare par

un courant d'air sec une eau fixée par adsorption. La désorp-

tion de l'eau entraîne une charge énergétique du milieu d'ac-

cumulation en relation avec la réaction inverse de l'adsorp-

tion de vapeur d'eau. Le courant d'air sec nécessaire à la charge énergétique du milieu d'accumulation est obtenu à l'aide d'un milieu de travail qui,dans le cas présent,doit être également une zéolite,à partir de la différence

d'exergie entre de l'air ambiant non totalement saturé en va-

peur d'eau avec une humidité relative IL < 100% et une température ambiante Tu,et de l'air ambiant totalement saturé en vapeur d'eau avec une humidité relative t = 100% et une température ambiante Tu. L'air à 100% d'humidité peut être obtenu de la manière décrite ci-dessus par humidification

de l'air ambiant en couvrant la demande en chaleur d'évapora-

tion à partir de l'anergie de l'environnement. Dans la colon-

ne 1 (figure 2),se trouve au début de l'opération une zéolite sèche. Par introduction d'air saturé de vapeur d'eau,il se forme un air sec et chaud à la température T.On a trouvé dans les essais qu'avec un air à Tu= 20 C, il est possible d'obtenir une température de To= 85 C pour l'air sortant du

milieu d'accumulation 1. La chaleur est engendrée par l'ad-

sorption de la vapeur d'eau sur la zéolite et le front s 1 1 d'adsorption dans ce processus progresse d'une façon plus

ou moins prononcée du bas vers le haut dans le milieu dUac-

cumulation 1,c2est-à-dire qu'il s'agit d'un principe quasi contrecouranto La colonne est isolée thermiquement. Par une soupape à trois voies réglable en continu D11un courant partiel de l'air chaudîsec, est envoyé dans une deuxième colonne 2 avec un milieu d'accumulation 2. Cette colonne contient également une zéolite qui a été amenée auparavant à une faible charge en eau par introduction d'air ambiant le plus sec possible avec une humidité relative A < 100%,ce qui

peut être effectué à l'aide de la colonne 3 de la figure 2.

C'est pourquoi un courant d'air partiel qui dans ce cas représente le milieu de support gazeuxinerte,suffit à partir de la colonne 1 pour la désorption d'eau de la colonne 2 et le courant résiduel de cet air sec de la colonne 1 peut être utilisé comme courant utile pour une charge énergétique du milieu d'accumulation. Le rapport de distribution courant utile/courant total en air sec est d'autant plus avantageux que la charge en eau de la colonne 2 est f-aiblec'est-à dire que l'air ambiant utilisable est seco Lorsque le front d'adsorption dans la colonne 1 progresse

comme indiqué ci-dessus,avec un rapport de distribution conve-

nablement rëglé,la zéolite dans la colonne 2 doit être juste libérée de sa charge en eau. La colonne 2 est alors mise en service à la place de la colonne lla colonne 3 à la place de la colonne 2 et la colonne 1 à la place de la colonne 3o De

cette façonun fonctionnement presque continu devient possible.

En raison des processus de pertes et des irréversibilités ainsi que pour garantir une manière d'opérer avantageuse et économique du point de vue de la dépense en énergie étrangère pour la circulation d'air,par rapport à l'énergie obtenue, accumulée,1thumidité relative tL de l'air ambiant devrait pour cette manière d'opérer être la plus faible possible et

par exemple ne pas dépasser 55%.

Etant donné qu'à tout moment une interruption de l'accumula-

tion d'exergie est possible,le procédé peut être exploité

pour faire en sorte que pour des valeurs de P > 55%,1ins-

tallation soit mise hors circuit au moyen de dispositifs de

commande automatiques,appropriés et qu'elle ne soit de nou-

veau remise en route que lorsque t dans l'air ambiant est

inférieur à 55%.

Sur la figure 3,on a représenté un mode de travail utilisant une zéolite comme milieu de travail avec de l'eau comme constituant liquide,sorbable, et de l'air comme milieu de support pour la production de l'air riche en exergie,sec et chaud;convenant pour la charge d'énergie du milieu

d'accumulation,celui-ci pouvant être une zéolite ou de l'aci-

de sulfurique ou une autre substance hygroscopique.

Les colonnes 1 et 2 sont remplies avec le milieu de travail,la zéolite. L'air ambiant qui doit avoir une teneur en eau la plus faible possible, est introduit par la colonne 1 qui contient la zéolite sèche. Il est alors libéré de la vapeur d'eau et,par la chaleur de condensation et d'adsorption provenant de ce processus de sorption,il est amené de la température d'entrée T à la température supérieure To.Puis, u sa température est de nouveau augmentée à T2 dans un capteur solaire. L'air chaud,sec,traver% alors la colonne 2 qui contient de la zéolite chargée de vapeur d'eau. L'air chargé finalement de vapeur d'eau quitte la colonne 2. Mais il est décisif qu'en raison de la différence de température T2 To,l'eau adsorbée sur la zéolite dans la colonne 2

en soit plus rapidement séparée que la colonne 1 n'est humi-

difiée par la teneur en eau de l'air ambiant aspiré avec l'humidité relative "L. Il est donc possible dans un mode de travail de n'introduire qu'un courant partiel dans la colonne 2,lequel courant doit être mesuré par une technique de réglage par le robinet à trois voies D2 pour faire en sorte que la colonne 2 soit sèche lorsque la colonne 1 est

juste totalement chargée par adsorption d'eau.Une permuta-

tion ultérieure des colonnes 1 et 2 quant à la trajectoire du courant permet alors un fonctionnement constant du séchage de l'air et du réchauffement de l'air,c'est-à-dire une admission d'exergie dans le milieu de support. La partie

résiduelle d'air sec et chaud qui est extraite par la soupa-

pe à trois voies D2 sur le conduit b, est disponible comme courant utile pour le transfert d'exergie sur l'accumulateur

proprement dit avec le milieu d'accumulation.

Dans un autre mode de mise en oeuvre pour l'obtention d'air sec et chaud, on peut au début envoyer la totalité du courant d'air dans la colonne 2 jusqu'à une désorption rapide et totale de l'eau du milieu de travail, puis disposer alors du courant total comme courant utile pour le milieu d'accumulation jusqu'à ce que la colonne 1 soit totalement chargée en eau. Les colonnes 1 et 2 sont alors permutées et le cycle se renouvelle. Pour un couplage de chaleur,on peut également insérer le capteur solaire S dans la position E sur la figure 3. Pour une faible humidité absolue de l'air extérieur et/ou un rayonnement solaire puissant ou pour un préséchage initial du milieu d'accumulation,il peut s'avérer utile et techniquement avantageux de dériver totalement ou partiellement la colonne 1 par le robinet à

trois voies D1.

Au lieu d'un fonctionnement en discontinu avec la permuta-

tion périodique des colonnes 1 et 2 qui travaillent en quasi-

contre-courant,l'emploi d'un milieu de travail liquide, hygroscopique, permet un fonctionnement à contre-courant réel au moyen duquel le milieu de travail liquidepar exemple

l'acide sulfurique,est repompé en continu.

La dépense en énergie extérieure pour la circulation du milieu de support d'air en relation avec la charge énergétique de l'accumulateur alors obtenue est d'autant plus faible que l'humidité relative hX de l'aird'arrivée est faible et que la température T2 est élevée. Pour diminuer les pertes de chaleur et les pertes provenant des résistances des courants,

tel que décrit précédemment,on utilise avantageusement un mi-

lieu d'accumulation solide sous la forme de plusieurs colon-

nes dont aucune ne montre une hauteur de remplissage trop élevée, de sorte qu'il ne se produit aucune perte de pression, les colonnes étant alors utilisées successivement dans le temps

pour le chargement ou le déchargement.

Selon les modes de mise en oeuvre correspondants aux

figures 1, 2 et 3,des exemples ont montré qu'il était possi-

ble de charger en énergie le milieu d'accumulation à partir de petits états de déséquilibre de l'environnement,tels que

des températures inférieures à 1000C,qui peuvent être ré-

duites jusqu'à 60 ou 40C,ou à partir de rayonnements solai-

res de faible puissance. Dans les exemples, à l'aide d'un courant de gaz inerte,sec et/ou chaud comme milieu de

support,qu'on peut obtenir de diverses manières,on a intro-

duit ou accumulé de l'exergie dans un milieu d'accumulation hygroscop4e par désorption de vapeur d'eau. Ce mode de mise en oeuvre peut être décrit comme un transfert continu d'exergie à partir du gaz de support en circulation sur le milieu d'accumulation et donc comme une accumulation continue d'exergie dans le milieu d'accumulation. De l'air avec une

humidité relative It <55% représente un autre état de désé-

quilibre. Dans le procédé décrit ci-après pour la production de chaleur utile à température très élevée,en particulier pour couvrir la demande de chauffage des bâtiments ou des véhicules ou des parties de véhicules ou pour l'obtention d'eau chaude ou pour couvrir la demande de chaleur pour le préchauffage des moteurs à combustion,à partir de la teneur en exergie du milieu d'accumulation,peu importe la source environnante à partir de laquelle l'exergie fournie par le gaz de support a été accumulée dans le milieu d'accumulation. Les modes de mise en oeuvre décrits permettent donc de produire,

à partir de l'accumulateur,une chaleur utile à des températu-

res plus élevées, telles que par exemple d'un ordre de gran-

deur de 1000Calors que cela était possible lors de la

charge de l'accumulateur.

C'est ainsi que par exemple avec de faibles rayonnements solaires d'hiver ou des rayonnements solaires par temps couvert,la charge de l'accumulateur peut être de nouveau mise en action par des capteurs solaires,bien que dans le capteur solaire,la chaleur accumulée est à un si faible niveau de température qu'il ne serait pas possible de l'utiliser pour une distribution directe de chaleur ou une utilisation

directe de chaleur.

On explique maintenant en détail le stade b) du procédé selon l'invention. Pour produire de la chaleur utile au moyen de l'exergie accumulée dans le milieu d'accumulationon utilise un circuit du milieu de supportsoit fermé,soit ouvert,en particulier avec des milieux d'accumulation hygroscopiques. Les modes de mise en oeuvre sont indiqués par exemple à l'aide de la figure 4o De l'air ambiant avec une humidité relative de 100%, tel qu'on peut le préparer de manière connue en soi par humidification et absorption de la chaleur d'évaporation du milieu ambiant à une température ambiante (utilisation de làanergie)r est introduit en A dans la colonne I qui contient un milieu d'accumulation hygroscopique sec, c'est-à-dire énergêtiquement chargé,et en particulier de la zéolite ou de l'acide sulfurique. La vapeur d'eau est

absorbée dans un front pratiquement rapide quiavec un ap-

port d'air continuprogresse de bas en haut dans la colonne d'accumulationgauquel cas lors de l'utilisation d'un milieu

d'accumulation solide il s'agit de nouveau d'un fonctionne-

ment à quasi contre-courantsou peut être maintenu stationnai-

re par un repompage en utilisant un milieu de support liqui-

de, hygroscopique.tel que l'acide sulfuriqueygrâce à quoi il s'agit ici d'un principe à contre-courant dans des systèmes

liquides-gazeux. Lorsque dans le cas d'un milieu d'accumula-

tion solidele front d'adsorption a atteint l'extrémité supérieure de la colonne I et que l'exergie est totalement extraite de la colonne Igle courant d'air est commuté sur une colonne voisine,exergétiquement chargée, etco L'air qui s'écoule a une température Tf supérieure à sa température d'entrée TAbcar la totalité de la chaleur de condensation et d'adsorption de sa teneur originale en vapeur d'eau doit être entraînée par lui. La chaleur utile QN est dissipée dans un échangeur de chaleur ultérieurpar exemple dans un but de chauffageyle courant d'air Tf étant alors refroidi à TNoTN est ici la température la plus faible à

laquelle la chaleur utile peut être utilisée,dans des applica-

tions dans un but de chauffage,cette valeur est par exemple de 30 C.Le courant d'air restant a, en relation avec la

température d'entrée TA qui correspond au moins à la tempéra-

ture ambiante (froide),encore une énergie calorifique qui

peut être récupérée dans un échangeur de chaleur par entraîne-

P ment par le conduit B. La température d'entrée Ti de l'air d'arrivée pour la colonne I augmente donc, ce qui a pour conséquence que Tf augmente également. Dans ce mode de réalisation la différence de température,positive, Tf - Ti dépend du niveau de température librement sélectionnable TN de la chaleur utile, exception faite des

pertes de température dans l'échangeur de chaleur inférieur.

Par exemple, dans un essai utilisant une zéolite comme milieu d'accumulation avec T = 10 C et TN = 30 C,on a AN trouvé pour Tf une valeur de 65 C, à une température de départ de TA = O0 C avec TN = 30 C, on a obtenu Tf =47 C et avec

TA = - 5 C et TN = 30 C on a obtenu Tf= 41 C.

L'air sortant par le conduit B,obtenu par ce mode de réalisation,est séché après la sortie de l'échangeur de chaleur inférieur et contient donc encore de l'exergiç en relation avec la sorption de vapeur d'eau sur des milieux d'accumulation hygroscopiques. Cette exergie résiduelle du milieu de support peut être de nouveau accumulée,en l'entraînant par exemple dans une colonne II avec un milieu d'accumulation,laquelle colonne est déjà chargée en vapeur d'eau,c'est-à-dire déjà énergétiquement déchargée. L'air s'écoulant de cette colonne entraîne avec lui de la vapeur d'eau,grâce à quoi de l'exergie s'accumule dans la colonne II. Pour une colonne

isolée thermiquement,avec une zéolite comme milieu d'accumula-

tion,on a trouvé par exemple que pour une température d'en-

trée de 10 C de-l'air sec provenant de l'échangeur de chaleur inférieur dans la colonne II,la température de l'air restant dans la colonne II était proche de 0 C et que cet air avait une pression partielle en vapeur d'eauP II d'environ

5.10 Pa.

Dans ce mode de réalisation,pour la même production de chaleur utile,on obtient donc en moyenne une moindre charge en eau du milieu d'accumulation hygroscopique dans le rapport: f = (PI - PII)/PI o PI représente la pression partielle en vapeur d'eau de l'air d'arrivée en A. Pour PI = 12,3.102 Pa,c'est-à-dire à la pression de saturation de vapeur pour une eau à 10 C, et une valeur de pii=5.102 Pa, on obtient la valeur f = 0,6, ce qui correspond à une augmentation effective de la

capacité d'accumulation d'un facteur de 1,67.

Ceci signifie pour les valeurs numériques indiquées que pour un volume de l'accumulateur utilisé pour la décharge

d'exergie, 0,6 partie en volume d'un autre milieu d'accumula-

tion est de nouveau chargée en exergie,c'est-à-dire mise en

plus à disposition dans le cycle.

Pour un fonctionnement isotherme de la colonne II,on peut atteindre des facteurs d'augmentation de la capacité

d'accumulation encore plus importants.

* Par C-D sur la figure 4,on a représenté un autre circuit fermé du milieu de support. La chaleur QN est alors obtenue exclusivement à partir de l'énergie accumulée dans le milieu de la colonne I. L'avantage du circuit ouvert,tel qu'il est représenté par la trajectoire A-B sur la figure 4, repose sur le fait qu'avec la vapeur d'eau qui pénètre dans la colonne I avec l'air d'arrivée,sa chaleur d'évaporation latente,élevée, fournie par l'environnement,est fournie en plus comme chaleur utile, c'est-à-dire qu'on utilise un effet chimique de pompe

à chaleur.

Pour une zéolite du type X,les chaleurs utiles

susceptibles d'être obtenues par litre de milieu d'accumula-

tion de zéolite sont les suivantes: 1. Pour un circuit fermé interne selon C-D de la figure 4: QN = 0,12 kWh/litre de zéolite 2.en utilisant de l'air d'arrivée humide dans un circuit ouvert selon A-B sur la figure 4: QN = 0,26 kWh/litre de zéolite 3.dans le mode de réalisation par la trajectoire A-B

comme dans le deuxième cas,mais en utilisant l'exergie rési-

duelle de l'air évacué sec pour la colonne adiabatique II

QN = 0,42 kWh/litre de zéolite.

Tel que décrit ci-dessus,dans des essais conduits à l'échelle du laboratoire,on a utilisé des colonnes ayant un diamètre interne de 3,0 cm pour le milieu d'accumulation avec un remplissage de zéolite d'un mètre de hauteur, mais pour le milieu de travail on a utilise ces mêmes

colonnes avec un remplissage de zéolite de 60 cm de hauteur.

En utilisant l'acide sulfurique comme milieu d'accumulation ou comme milieu de travail,on a travaillé dans des colonnes de 3,0 cm de diamètre interne,remplies d'anneaux de Raschig

comme garnissage.

Sur la figure 5,on a représenté schématiquement la construction et le montage d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé,avec possibilité d'utilisation de la

chaleur utile dans un but de chauffage.

Par "EN",on introduit dans l'installation de l'air ambiant

le plus sec possible.

"ST" représente le ventilateur pour la circulation du mi-

lieu de support, c'est-à-dire l'air. D est un humidificateur

à eau pour la saturation en vapeur d'eau. SOR signifie sortie.

W1 correspond à l'échangeur de chaleur inférieur de la i figure 4, I, II et III sont des colonnes d'accumulation garnies de zéolite, 1 et 2 sont des colonnes pour le milieu de travail,également remplies de zéolite dans le cas présent,S est un capteur solaire et W2 est l'échangeur de chaleur pour

l'extraction de l'énergie utile. L'avantage de cette installa-

tion avec plusieurs accumulateurs de zéolite réside dans le fait que grâce à un montage correspondant des soupapes à trois voies,un accumulateur,par exemple la colonne I,peut fonctionner comme accumulateur fournissant de la chaleur,que dans la colonne II l'exergie présente dans l'air provenant de la colonne I est encore de nouveau utilisée et que la colonne III est chargée énergétiquement par un rayonnement solaire correspondant et le fonctionnement du système de séchage a

lieu avec les colonnes 1 et 2 avec le milieu de travail.

Comme valeurs pour le dimensionnement d'un système tra-

vaillant selon le procédé de l'invention,on doit encore indiquer qu'en Europe le rayonnement solaire au 50ème degré de -2 -1 latitude atteint environ 1100 kWh m a. Le rapport entre le rayonnement moyen en Juillet et en Janvier atteint environ 8:1.Une maison classique pour une famille avec une protection thermique totale consomme environ 25 000 kWh a-1 pour lesquels il faudrait une surface de captage de 75 m environ. Un accumulateur annuel d'eau chaude aurait une grandeur irréelle d'environ 400 m3 pour un nombre de cycle annuel supposé de 1,5. L'équivalent (pratique)en huile de 3 =1 chauffage pour un tel accumulateur serait d'environ 3 m a o En appliquant le procédé selon l'inventionen utilisant un accumulateur travaillant avec une zéoliteselon la manière d'opérer A-B sur la figure 4 avec exploitation de l'exergie résiduelle de l'air sortant secon en déduit une capacité d'accumulation de 20 m3 pour un nombre de cycle annuel de 1,5. Il en ressort qu'en utilisant le rayonnement solaire dans les mois de transition avant et après l'hiver et

en hiver même, un nombre de cycle supérieur à 2 est réalisa-

ble en réduisant la quantité d'accumulation de zéolite selon m.Une telle quantité de zéolite serait naturellement avantageusement répartie en un plus grand nombre de colonnes

d'accumulation.par exemple jusqu'à 20 colonnes d'accumulation.

Grace au procédé selon l'inventiongil est donc possible d'utiliser également des matériaux de sorption tels que des zéolites pour le chauffage de maisons individuelles,étant

donné que d'une part on peut utiliser des sources de tempéra-

ture inférieure pour la charge de l'accumulateur de zéolite et que d'autre part lors de la décharge de l'accumulateur de zéolitegrâce à l'utilisation de l'exergie résiduelleil est possible d'obtenir un rendement énergétique d'environ 70%

plus élevé sous forme de chaleur.

De plus, l'emploi de gel de silice et en particulier de gel de silice à pores étroits comme milieux d'accumulation et

de travail s'est révélé spécialement avantageux.

Avec le procédé selon l'invention d'apr s la figure 1, on a introduit dans une colonne I de l'air avec une humidité relative de%= 3,2 % et une température Tu= 75 Co Dans la colonne i se trouvait un gel de silice à pores étroitschargé en vapeur d'eauc'est-à-dire énergétiquement déchargé, dont la teneur en eau atteignait 39 parties en poids d'eau pour parties en poids de gel de silice sec. Par introduction de l'air,ce gel de silice dans la colonne I séchait jusqu'à une teneur en vapeur d'eau de 2,7 parties en poids pour 100 parties en poids de gel de silice sec. L'air à une température Tu= 75 C et C,. = 3,2% était obtenu à partir d'un air ambiant de 20 C et avec une humidité relative de AL = 52,6%

cet air ambiant était réchauffé à 75 C dans un capteur solaire.

Un tel air ambiant est -disponible sans difficulté en été pour un fort rayonnement solaire grâce auquel l'augmentation de la température souhaitée à 75 C est également possible dans un

capteur solaire.

Un gel de silice séché de cette façon à une teneur en eau de 2,7 parties en poids,c'est-à-dire énergétiquement charge, peut être conservé aussi longtemps que l'on veut,et lorsqu'il est utilisé selon la figure 1 comme colonne II avec de l'air ambiant à T = 10 C et X = 100%,il fournit u une température supérieure To à la sortie de la colonne II d'environ 40 C. Ceci suffit lorsqu'on envisage un chauffage,

par exemple pour des bâtiments pendant la saison froide.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour l'utilisation et l'accumulation

de l'énergie provenant de l'environnements en utilisant un mi-

lieu d'accumulation travaillant au moyen de réactions chimi-

ques ou de sorptions, dans lequel par une charge d'énergie on emmagasine de façon dense dans le milieu d'accumulation de l'énergie par un milieu de support gazeux, inerte, pour cette exergie, et on extrait l'exergie accumulée} selon besoin, par

décharge de l'accumulateur au moyen d'un milieu de support é-

galement gazeux et inerte, pour la transformation en chaleur ou en froid au niveau souhaité, caractérisé en ce que: a) par une charge d'énergie, l'exergie de très

faibles états de déséquilibre de l'environ-

nement est accumulée, et/ou

b) par une décharge d'énergie, l'exergie rési-

duelle contenue dans le milieu de support sor-

tant, gazeux, inerte, est utilisée pour char-

ger en énergie un autre milieu d'accumulation dans lequel il n'y a pas ou très peu d'exergie

accumulée.

2. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que pour une accumulation d'exergie dans le milieu d'accumulation au stade a), un constituant volatil, fixé par

sorption sur un milieu d'accumulation, est désorbé par un mi-

lieu de support gazeux, inerte, auquel cas ce milieu de sup-

port n'a qu'une très faible teneur ou même une teneur nulle en constituant sorbable, volatil, et/en traversant le milieu d'accumulation, absorbe le constituant fixé, et en ce que pour extraire l'exergie du milieu d'accumulation totalement

ou partiellement désorbé au stade b) avec production de cha-

leur, on introduit un courant de gaz inerte chargé avec un constituant sorbable en une concentration supérieure à celle

du stade de désorption.

3. Procédé selon la revendication 2, caractéri-

sé en ce que le milieu de support gazeux, inerte, avec une faible teneur en constituant sorbable, volatil, avant son introduction dans le milieu d'accumulation au stade a), est

d'abord entraîné par un milieu de travail exempt de consti-

tuant sorbable pour une élimination la plus totale possible du constituant sorbable, et en ce qu'on utilise un courant

partiel du milieu de support débarassé du constituant sorba-

ble pour charger en énergie le milieu de travail, et le cou-

rant partiel résiduel de ce milieu de support pour la désorp-

tion du milieu d'accumulation.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé inerte

en ce qu'au milieu de support gazeux> débar-aPSé le plus to-

talement possible de constituant sorbable ou au milieu de support gazeux inerte, avant son passage par le milieu de travail, on ajoute de la chaleur, en particulier au moyen d'un capteur solaire travaillant avec une faible augmentation de la température même pour un faible rayonnement solaire

ou également de sources de chaleur d'un faible niveau de tem-

pérature. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé

en ce qu'on utilise de la chaleur avec une température infé-

rieure à la température à laquelle on exploite la chaleur par extraction de l'exergie sous forme de chaleur à partir du milieu d'accumulation, éventuellement en utilisant l'effet

chimique de la pompe à chaleur.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que, pour la décharge d'énergie au stade b), on entra;-

ne le milieu de support inerte, débairass'édu constituant sor-

bable, provenant du milieu d'accumulation, vers un milieu

d'accumulation chargé en constituant sorbable, pour une dé-

sorption totale ou partielle du constituant.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 6, caractérisé en ce que comme milieu d'accumula-

tion, on utilise une substance hygroscopique, comme consti-

tuant volatil, sorbable, onutilise l'eaux et comme milieu de

support on utilise l'air.

8. Procédé selon la revendication 7, caractéri-

sé en ce que comme milieu d'accumulation, on utilise un gel

de silice.

9. Procédé selon la revendication 7, caractéri-

sé en ce que comme milieu d'accumulation on utilise une zéolite.

10. Procédé selon la revendication 7, caracté-

risé en ce que comme milieu d'accumulation on utilise l'aci-

de sulfurique.

l.o Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 3 à 5, caractérisé en ce que, comme milieu de tra-

vail, on utilise une zéolite.

12. Procédé selon l'une quelconque des reven-

dications 3 à 5, caractérisé en çe que comme milieu de tra-

vail, on utilise l'acide sulfurique.

13, Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 129 caractérisé en cequ'on effectue lgaccumula-

tion de l'exergie dans le milieu dgaccumulation et/ou l'ex-

traction d'exergie du milieu d'accumulation et/ou l'élimina-

tion du constituant sorbable du milieu de support dans le milieu de traveilt ainsi que la régénération du milieu de support par un procédé à contre=couranto

14o Procédé selon la revendication 13, caracté-

risé en ce que, lorsqu'on utilise un milieu d'accumulation solide et/ou un milieu de travail solide, on l'introduit en

discontinu.

Procédé selon la reyendication 149 caracté-

risé en ce qu'on utilise le milieu d'accumulation solide sous la forme de plusieurs colonnes remplies avec ce milieu d'accumulationo

16. Application du procédé selon l'une quel-

conques des revendications 1 à 15 pour couvrir la demande

de chaleur et/ou de froid des bâtiments ou des véhicules, ou pour produire de l'eau chaude ou pour couvrir la demande

de chaleur pour le préchauffage des moteurs à combustion.