FR2966571A1 - Systeme thermochimique a chauffage radial - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un système thermochimique du type comportant un réacteur (1) , ou enceinte de stockage d'un produit réactif apte à absorber un gaz, qui est admis dans le réacteur par un diffuseur (17) disposé suivant l'axe longitudinal (xx') de celui-ci, le produit réactif (2) et le gaz étant tels que, lorsqu'ils sont mis en présence l'un de l'autre ils sont l'objet d'une réaction ayant pour effet l'absorption du gaz par le produit réactif (2) et, à l'inverse, ils sont l'objet d'une réaction de désorption du gaz absorbé par le produit réactif (2) sous l'effet d'un chauffage appliqué à ce dernier lorsqu'il a absorbé du ga. Ce système est caractérisé en ce que le chauffage du produit réactif est assuré à partir du diffuseur (17) et/ou à partir de la périphérie du réacteur (1) (Figure 2a)

Description

La présente invention concerne des perfectionnements aux systèmes thermochimiques du type destinés à être notamment utilisés dans des appareils de réfrigération et/ou de chauffage, ainsi que dans des systèmes de stockage de gaz sous forme de sels. On connaît de tels systèmes qui exploitent les propriétés d'une réaction thermochimique réversible et fortement exothermique au cours de laquelle un produit réactif, tel que des sels et notamment du chlorure de calcium ou du chlorure de baryum, absorbe un gaz approprié, tel que notamment de l'ammoniac. Le caractère réversible de cette réaction permet, une fois celle-ci terminée, de récupérer le gaz initial par chauffage des sels, de sorte que le cycle peut se répéter.

Cette propriété, ainsi qu'exposé dans le brevet FR 2 873 793, a été exploitée dans des systèmes de production de froid dans lesquels le système thermochimique est mis en communication contrôlée avec un réservoir contenant le gaz sous phase liquide. Lorsque les deux enceintes sont mises en communication, le gaz liquide contenu dans le réservoir se vaporise, ce qui absorbe une certaine quantité de chaleur, si bien que le réservoir se refroidit, et ce gaz est absorbé par le produit réactif générant ainsi la susdite réaction chimique, si bien que le réacteur est la source d'un dégagement de chaleur. Une fois la réaction terminée, si l'on réchauffe le produit contenu dans le réacteur, on libère le gaz absorbé dans le produit réactif et celui-ci se condense alors dans le réservoir. On peut également utiliser le présent système pour assurer le stockage du gaz mis en oeuvre dans la susdite réaction thermochimique. On sait que, sur le plan pratique, les systèmes thermochimiques comprennent un réacteur qui contient le produit réactif au sein duquel on amène le gaz au moyen d'un élément, appelé ci-après diffuseur, qui est destiné à assurer deux fonctions, à savoir de première part réaliser une diffusion homogène du gaz dans la masse du produit réactif et, de seconde part, empêcher que, lors de la mise en communication du réacteur avec le réservoir, de petites particules de produit réactif ne soient aspirées et viennent obturer le circuit de commande. On a proposé de réaliser un tel diffuseur à partir d'un profilé de section triangulaire obtenu par pliage d'une tôle perforée, qui est ensuite glissé dans une toile filtre en acier inoxydable. On comprend que la réalisation des diffuseurs utilisés dans de tels systèmes thermochimiques soit complexe et en conséquence onéreuse.

Par ailleurs, lorsque l'on souhaite chauffer le produit réactif afin d'activer la réaction thermochimique inverse, on est contraint d'assurer son chauffage à partir de plusieurs éléments chauffants décentrés qui sont disposés dans la masse du produit réactif autour de la position centrale du diffuseur. Or on a constaté que le chauffage du produit réactif était plus homogène lorsque les lignes de courant du chauffage étaient radiales, c'est-à-dire lorsqu'elles allaient du centre vers la périphérie du réacteur ou inversement. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de la technique précitée en proposant un système thermochimique qui permette de simplifier la fabrication et ainsi de diminuer le prix de fabrication du réacteur et qui, de plus, améliore l'homogénéité du chauffage du produit réactif et en conséquence l'efficacité de celui-ci. La présente invention a ainsi pour objet un système thermochimique du type comportant un réacteur, ou enceinte de stockage d'un produit réactif apte à absorber un gaz, qui est admis dans le réacteur par un diffuseur disposé suivant l'axe longitudinal de celui-ci, le produit réactif et le gaz étant tels que, lorsqu'ils sont mis en présence l'un de l'autre ils sont l'objet d'une réaction ayant pour effet l'absorption du gaz par le produit réactif et, à l'inverse, ils sont l'objet d'une réaction de désorption du gaz absorbé par le produit réactif sous l'effet d'un chauffage appliqué à ce dernier lorsqu'il a absorbé du gaz.

Ce système thermochimique est caractérisé en ce que le chauffage du produit réactif est assuré à partir du diffuseur et/ou à partir de la périphérie du réacteur. Préférentiellement le diffuseur traversera de part en part le produit réactif et sera alimenté en gaz par l'une de ses extrémités. Les moyens de chauffage pourront avantageusement être disposés au moins en partie sur le diffuseur ce qui aura pour avantage de simplifier la fabrication et le montage. Ils pourront être constitués d'au moins une résistance, qui sera notamment enroulée de façon sensiblement hélicoïdale sur ce diffuseur. Les moyens de chauffage pourront même être constitués du diffuseur lui-même. Ils pourront ainsi être constitués d'un élément filaire rigide chauffant spiralé, notamment en acier inoxydable, qui sera alimenté en gaz à l'une de ses extrémités par une tubulure. L'extrémité alimentée en gaz du diffuseur pourra être solidarisée de la tubulure d'alimentation en gaz, notamment par soudure ou par un emmanchement à force. De façon à préserver le diffuseur et à éviter les risques de bouchage du système il pourra être recouvert d'au moins une toile filtre, notamment en acier inoxydable. La taille des mailles de celle-ci sera préférentiellement comprise entre 10 et 100 micromètres. L'une des toiles filtre pourra avoir des mailles dont la taille sera comprise entre 100 et 800 micromètres. Suivant l'invention les moyens de chauffage pourront être disposés à l'extérieur du réacteur et pourront être notamment constitués d'un manchon chauffant apte à recevoir ce dernier. Il pourra être monté sur le réacteur de façon amovible. Suivant l'invention l'enveloppe du réacteur pourra être métallique, ou être également constituée de matériaux composites.

Notamment dans un tel mode de construction, la surface interne de l'enveloppe pourra être doublée d'une seconde enceinte, ou « liner », contenant le produit réactif. Suivant l'invention les moyens de chauffage pourront être disposés entre l'enveloppe et le liner. Ils pourront également être disposés sur la surface externe de ce dernier. Les moyens de chauffage pourront être constitués d'au moins une résistance électrique enroulée de façon sensiblement hélicoïdale sur la surface externe du liner.

Le système thermochimique suivant l'invention pourra être utilisé dans des applications de type dit fermé et comportera à cet effet des moyens de mise en communication contrôlée du réacteur avec un réservoir, contenant ledit gaz sous forme liquéfiée.

On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue schématique avec coupe partielle du réacteur, illustrant le principe de fonctionnement d'un système thermochimique suivant l'invention dans une application de type dit « ouvert », - la figure 2a est une vue en coupe longitudinale et diamétrale d'un premier mode de réalisation d'un réacteur mis en oeuvre dans le système thermochimique suivant l'invention, - la figure 2b est une vue partielle agrandie du diffuseur représenté sur la figure 2a, - la figure 3 est une vue partielle agrandie d'une variante de mise en oeuvre du diffuseur représenté sur la figure 2a, - la figure 4 est une vue schématique avec coupe partielle du réacteur, illustrant le principe de fonctionnement d'un système thermochimique suivant l'invention dans une application de type dit « fermé », - la figure 5 est une vue schématique illustrant un mode de fabrication d'une variante d'un réacteur mis en oeuvre dans un système thermochimique suivant l'invention, - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale et diamétrale d'un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le chauffage du réacteur est effectué à partir de la périphérie de celui-ci, - la figure 7 est une vue en coupe transversale du réacteur représenté sur la figure 6 suivant la ligne yy' de celle-ci, - la figure 8 est une vue schématique en coupe transversale illustrant une variante de chauffage d'un réacteur à partir de la périphérie de celui-ci, - la figure 9 est une vue schématique en perspective et coupe partielle, avant mise en place d'un diffuseur, illustrant un mode de chauffage d'un réacteur mis en oeuvre dans le système thermochimique suivant l'invention, - la figure 10 est une vue partielle en coupe radiale et longitudinale d'un mode de réalisation d'un diffuseur disposé dans un réacteur appartenant à un système thermochimique suivant l'invention. Dans un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, le système thermochimique qui est représenté de façon schématique sur la figure 1, comprend essentiellement un réacteur 1 qui contient un produit réactif 2 et qui est en communication sous le contrôle d'une vanne de commande 5 par une conduite 6 avec des moyens d'utilisation extérieurs 7. Ainsi qu'expliqué ci-après et de façon connue, le produit réactif et le gaz spécifique sont tels que le produit réactif est apte, par une réaction thermochimique exothermique, à absorber le gaz et à le restituer ensuite, par une réaction thermochimique inverse, lorsque l'on chauffe le produit réactif 2. Dans le présent mode de mise en oeuvre de l'invention qui est représenté sur les figures 2a et 2b, le réacteur 1 comprend une enveloppe externe cylindrique 9 qui se termine préférentiellement à chacune de ses extrémités par une partie sensiblement hémisphérique. De façon connue le produit réactif 2 qui est contenu dans le réacteur 1 est, par exemple, du chlorure de calcium qui a été préférentiellement mélangé à des granulats inertes, par exemple constitués de graphite naturel expansé (GNE) de façon à augmenter la perméabilité du produit réactif et favoriser ainsi la diffusion du gaz au sein de celui-ci. Une fois le mélange effectué, il est compacté préférentiellement dans le sens longitudinal xx' du réacteur 1.

L'une des extrémités du réacteur 1 est percée d'un orifice destiné à laisser passer, au travers d'une embase 13, une tubulure 15 destinée à permettre l'admission du gaz dans le réacteur 1 nécessaire à la réalisation de la réaction thermochimique directe et la sortie du gaz de celui-ci lors de la réaction thermochimique inverse activée par le chauffage du produit réactif 2 Cette tubulure 15 se prolonge, au coeur du produit réactif 2 par une partie 15a formant diffuseur. Ce dernier a pour première fonction de favoriser une diffusion régulière du gaz sur toute la longueur et dans la masse du produit réactif 2. Le diffuseur 15a a également une seconde fonction qui est d'assurer la diffusion du gaz dans le produit réactif suivant un trajet radial. On a constaté en effet que la perméabilité du produit réactif 2 était optimale dans une telle direction, dans la mesure où celle-ci est perpendiculaire à la direction du compactage xx'. Dans le présent mode de mise en oeuvre de l'invention le diffuseur 15a assure de plus une fonction de chauffage. A cet effet la partie 15a de la tubulure 15 interne au réacteur qui constitue le diffuseur est perforée de façon à avoir une porosité qui est comprise entre 10 et 90%. Un fil chauffant 17a, préférentiellement en acier inoxydable, est enroulé sur la partie perforée de la tubulure 15 et l'ensemble est glissé dans un premier cylindre 17b formé de toile d'acier inoxydable dont le diamètre des mailles est compris entre 10 et 100 micromètres. Cet ensemble est lui-même glissé dans un second cylindre 17c réalisé en mailles tressées d'acier inoxydable de plus grande porosité et dont les dimensions des mailles sont comprises entre 100 et 800 micromètres, de façon à constituer un ensemble diffuseur 17. On pourrait également, ainsi que représenté sur la figure 3, disposer le fil chauffant 17a à l'extérieur de l'ensemble diffuseur 17, à savoir sur le second cylindre en toile d'acier inoxydable 17c. Le système thermochimique suivant l'invention, qui est représenté sur la figure 1 peut être utilisé pour assurer plusieurs fonctions débouchant sur des applications techniques diverses. Ainsi, lorsque les moyens d'utilisation 7 sont constitués d'une source de gaz, on peut utiliser le système thermochimique pour assurer le stockage de celui-ci. Une telle fonction ouvre sur plusieurs applications.

On peut en effet utiliser le réacteur pour absorber un gaz que l'on souhaite éliminer, notamment un gaz nocif, que, dans un premier temps, on stocke dans le réacteur afin, dans un deuxième temps, de venir le capter avec des moyens appropriés. On peut également utiliser le réacteur pour stocker un gaz dont on souhaite assurer la distribution pour une application déterminée. Une application particulièrement intéressante est celle dans laquelle le système thermochimique est utilisé pour la production de chaleur et de froid. Dans cette application, connue en elle-même, qui est représentée de façon schématique sur la figure 4, les moyens d'utilisation extérieurs 7 sont constitués d'un réservoir 4 qui contient un gaz liquide apte à réagir avec le produit réactif et qui est stocké en phase liquide. De façon connue, le fonctionnement du système s'établit ainsi que décrit ci-après. A l'ouverture de la vanne de commande 5 le gaz stocké sous phase liquide dans le réservoir 4 se vaporise, absorbant ainsi de la chaleur, si bien que le réservoir 4 se refroidit, et le gaz généré est distribué par l'ensemble diffuseur 17 au sein du produit réactif 2 qui le capte suivant la réaction thermochimique spécifique fonction du produit réactif et du gaz utilisé ; cette réaction étant exothermique, si bien que le réacteur 1 s'échauffe. La réaction se poursuit tant qu'il reste du gaz dans le réservoir 4 et que le produit réactif n'est pas saturé. Si par la suite on effectue un apport de chaleur au réacteur 1 à l'aide de moyens de chauffage notamment constitués par le fil chauffant 17a, le produit réactif désorbe le gaz qui retourne au réservoir 4 où il se condense.

A titre d'exemple, dans le cas d'un produit réactif constitué de chlorure de calcium et d'un gaz constitué d'ammoniac, cette réaction thermochimique est la suivante : Ça (NH3) 6C12<->Ca (NH3) 2C12+4 (NH3) -MR On comprend qu'un tel système est particulièrement intéressant dans la mesure où il permet de stocker de façon potentielle à la fois de la chaleur (échauffement du réacteur 1) et du froid (refroidissement du réservoir 4) et ceci avec un poids et sous un encombrement faible.

L'enveloppe 9 du réacteur 1 peut être constituée d'un autre matériau que l'acier ou l'acier inoxydable. Dans le cadre de la présente invention cette enveloppe peut être également constituée d'un matériau composite notamment formé d'un réseau tissé de fibres de carbone, de fibres de verre ou d'une matière de synthèse telle que notamment le kevlar etc qui est noyé dans une résine thermodurcissable ou thermoplastique telle que, par exemple, une résine époxy, une résine polyester ou polyamide.

Dans un tel mode de mise en oeuvre, qui est représenté sur les figures 6 et 7, la face interne de l'enveloppe 9 du réacteur 1 est en contact avec une seconde enveloppe 11, dite « liner », qui présente la caractéristique d'être étanche.

Cette enveloppe peut être métallique et être constituée d'acier, d'acier inoxydable, d'aluminium ou d'une matière de synthèse telle que du polyéthylène du polyamide etc ... Lorsque cette enveloppe est métallique elle aura alors une faible épaisseur, inférieure à 1 mm. Sa qualité et sa fonction essentielle seront d'assurer une étanchéité parfaite du réacteur 1 aussi bien à l'égard des gaz qu'à l'égard des liquides utilisés. La fonction de l'enveloppe composite externe 9 est quant à elle de conférer au réacteur 1 une bonne résistance mécanique et, à cet effet, l'homme du métier saura choisir la nature des fibres et celle de la résine à utiliser ainsi que l'épaisseur à donner aux parois de l'enveloppe. Dans un mode de mise en oeuvre d'une telle réalisation, représentée de façon schématique sur la figure 5, on pourra utiliser le liner 11 en tant que mandrin pour la réalisation de l'enveloppe externe 9. Ainsi on pourra venir dérouler les fibres de carbone sur la surface externe du liner 11 mis en rotation, de façon à tisser sur celui-ci une sorte d'écheveau qui sera ensuite, ou simultanément au déroulement, noyé dans la résine. Un tel réacteur pourra, ainsi que représenté sur les figures 6 et 7, être pourvu de moyens de chauffage à effet radial qui agissent à partir de la périphérie du réacteur 1. Ces moyens de chauffage sont constitués d'un manchon 19 dans lequel l'enveloppe 9 vient prendre place. Lorsque l'enveloppe du réacteur fait appel à un liner 11, les moyens de chauffage peuvent être constitués, ainsi que représenté sur la figure 8, par un tissu chauffant 25 qui est enroulé sur le liner 11 et qui est intercalé entre celui-ci et la face interne de l'enveloppe 9. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention qui est représenté sur la figure 9, le liner 11 est constitué d'un matériau de synthèse et sa surface périphérique externe est creusée d'une rainure hélicoïdale dans laquelle on dispose une résistance électrique 27 qui permet, ainsi qu'exposé précédemment, d'activer la réaction thermochimique inverse. On peut également, ainsi que représenté sur la figure 10, réaliser un diffuseur constitué d'un fil chauffant spiralé 29, notamment en acier inoxydable, et dont la rigidité est telle qu'elle lui permet de s'emmancher à force sur la tubulure 15 d'arrivée/sortie de gaz et de traverser le produit réactif 2 de part en part sur toute la longueur de celui-ci. Avantageusement le fil chauffant spiralé rigide 29 est recouvert d'une toile filtre 17b, notamment en acier inoxydable, dont la porosité est comprise entre 10 et 100 micromètres qui est fixée, par exemple par une soudure par point, sur celui-ci. Eventuellement l'ensemble est recouvert d'une seconde toile filtre de plus grande porosité, dont la valeur est comprise entre 100 et 800 micromètres. On constitue ainsi un ensemble diffuseur 17'.

Pour la mise en place la tubulure 15 peut comporter une embase cylindrique 13' dont le diamètre est supérieur à celui du diffuseur 29 et de ses toiles filtre et qui vient se loger dans un orifice correspondant prévu en extrémité de l'enveloppe 9 du réacteur, cette embase 13' étant fixée, par exemple par soudage, sur celle-ci. Dans le présent mode de mise en oeuvre de l'invention la porosité, qui sera préférentiellement comprise entre 10 et 90%, sera formée de l'espace compris entre les spires du fil chauffant 29, si bien que pour ajuster celle-ci il suffira de faire varier le pas de l'enroulement de ce dernier en étirant plus ou moins le fil spiralé rigide.25

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1.- Système thermochimique du type comportant un réacteur (1), ou enceinte de stockage d'un produit réactif apte à absorber un gaz, qui est admis dans le réacteur par un diffuseur (15a,29) disposé suivant l'axe longitudinal (xx') de celui-ci, le produit réactif (2) et le gaz étant tels que, lorsqu'ils sont mis en présence l'un de l'autre ils sont l'objet d'une réaction ayant pour effet l'absorption du gaz par le produit réactif (2) et, à l'inverse, ils sont l'objet d'une réaction de désorption du gaz absorbé par le produit réactif (2) sous l'effet d'un chauffage appliqué à ce dernier lorsqu'il a absorbé du gaz, caractérisé en ce que le chauffage du produit réactif est assuré à partir du diffuseur (15a,29) et/ou à partir de la périphérie du réacteur (1).

   2.- Système thermochimique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le diffuseur (15a,29) traverse de part en part le produit réactif (2).

   3.- Système thermochimique suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le diffuseur (15a,29) est alimenté en gaz par l'une de ses extrémités.

   4.- Système thermochimique suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les moyens de chauffage (17a,19,25,27,29) sont disposés au moins en partie sur le diffuseur (15a,29).

   5.- Système thermochimique suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués par le diffuseur (29).

   6.- Système thermochimique suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le diffuseur formant moyens de chauffage est constitué d'un élément filaire rigide chauffant spiralé (29), notamment en acier inoxydable quiest alimenté en gaz à l'une de ses extrémités par une tubulure (15).

   7.- Système thermochimique suivant la revendication 6 caractérisé en ce que l'extrémité alimentée en gaz de diffuseur (29) est solidarisée de la tubulure (15) d'alimentation en gaz, notamment par soudure ou par un emmanchement à force.

   8.- Système thermochimique suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués d'au moins une résistance (17a,27), notamment enroulée de façon sensiblement hélicoïdale sur le diffuseur (17).

   9.- Système thermochimique suivant l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le diffuseur (15a,29) est recouvert d'au moins une toile filtre (17b,17c), notamment en acier inoxydable.

   10.- Système thermochimique suivant la revendication 9 caractérisé en ce que la résistance (17a) est disposée sur ladite toile filtre (17b,17c).

   11.- Système thermochimique suivant l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce que la taille des mailles d'au moins l'une des toiles filtre (17b,17c) est comprise entre 10 et 100 micromètres.

   12.- Système thermochimique suivant l'une des revendications 9 à 11 caractérisé en ce que la taille des mailles d'au moins l'une des toiles filtre est comprise entre 100 et 800 micromètres.

   13.- Système thermochimique suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de chauffage (19) sont disposés à l'extérieur du réacteur (1)-

   14.- Système thermochimique suivant la revendication 13 caractérisé en ce que les moyens de chauffage sontconstitués d'un manchon chauffant (19) apte à recevoir le réacteur (1).

   15.- Système thermochimique suivant la revendication 14 caractérisé en ce que le manchon chauffant (19) est monté sur le réacteur (1) de façon amovible.

   16.- Système thermochimique suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'enveloppe (9) est constituée de matériaux composites.

   17.- Système thermochimique suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la surface interne de l'enveloppe (9) est doublée d'une seconde enceinte, ou « liner » (11), contenant le produit réactif (2).

   18.- Système thermochimique suivant la revendications 17 caractérisé en ce que les moyens de chauffage (25) sont disposés entre l'enveloppe (9) et le liner (11).

   19.- Système thermochimique suivant la revendication 18 caractérisé en ce que les moyens de chauffage (27) sont disposés sur la surface externe du liner (11).

   20.- Système thermochimique suivant la revendication 19 caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués d'au moins une résistance électrique (27) enroulée de façon sensiblement hélicoïdale sur la surface externe du liner (11).

   21.- Système thermochimique suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mise en communication contrôlée (5) du réacteur (1) avec un réservoir (4), contenant ledit gaz sous forme liquéfiée.30