WO1998023906A1 - Thermo-frigopompe - Google Patents

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WO1998023906A1
WO1998023906A1 PCT/FR1997/002134 FR9702134W WO9823906A1 WO 1998023906 A1 WO1998023906 A1 WO 1998023906A1 FR 9702134 W FR9702134 W FR 9702134W WO 9823906 A1 WO9823906 A1 WO 9823906A1
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WO
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separator
refrigerant
desorber
mixer
heat
Prior art date
Application number
PCT/FR1997/002134
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English (en)
Inventor
Pierre Le Goff
Jérôme Dornier
Isabelle Soide
Original Assignee
Gaz De France
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B15/00—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type
    • F25B15/02—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type without inert gas
    • F25B15/06—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type without inert gas the refrigerant being water vapour evaporated from a salt solution, e.g. lithium bromide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B15/00—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type
    • F25B15/006—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type with cascade operation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
    • F25B29/006—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the sorption type system
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems

Definitions

  • the present invention relates to absorption liquid coolers also called refrigeration pumps intended to lower the temperature of a refrigerant fluid supplying an air conditioning system for domestic use (individual house or collective building) or industrial
  • the operation of such a frigopompe is based on two separate operations.
  • the first consists in separating (by a separator 12) the two constituents of the refrigerant mixture 10 constituted by a dilute solution of lithium bromide in order to obtain on the one hand a concentrated solution (the concentrate 14) of lithium bromide and on the other hand water (a pure solvent 16), this separation being achieved by the degradation of a heat flow between a high temperature source 18 (for example a combustion flame at more than 1000 ° C.) and a well heat 20 (constituted for example by an ambient environment at 30 ° C.).
  • a high temperature source 18 for example a combustion flame at more than 1000 ° C.
  • a well heat 20 constituted for example by an ambient environment at 30 ° C.
  • the second operation then consists in remixing the separate constituents (in a mixer 22) to reform the initial refrigerant mixture 10 (the dilute), starting from the re-evaporation of the solvent by pumping heat from a refrigerant fluid (constituted for example brine or any other liquid with a low freezing point) of an air conditioning system 24 and of the condensation then of the mixture of the vapor thus obtained with the concentrated solution 14, this mixture releasing a heat of condensation-absorption at a thermal level higher than that of the ambient environment 20.
  • a refrigerant fluid constituted for example brine or any other liquid with a low freezing point
  • the lithium water bromide frigopumps currently on the market almost all have, at the level of the separator, two stages of desorption-condensation (hence their designation of two-effect frigopumps) performing each one a thermal vaporization-condensation operation and admitting a maximum temperature of approximately 150 ° C. This maximum value is explained by the fact that, beyond this temperature, all metals corrode in the presence of such an aqueous bromide solution. lithium.
  • the Applicant has shown in his French patent application No. 9612388 it is possible to improve the performance of these frigopompes notably by adding, in a particular structure, a third or a fourth effect.
  • the high-temperature source necessary for the dissociation of the constituents of the refrigerant is generally separated from the separator and mixer which form the body of the frigopump. well said. It can be an independent boiler producing a hot fluid such as superheated steam or even more simply a direct connection with an external heat production network.
  • the ABSC model marketed by the company TRANE is an illustration of this type of frigopompe.
  • the present invention proposes, by adding to the existing frigopumps with a separate heat source, a device for the simultaneous production of heat and cold (which the inventors have called thermo-frigopompe) to improve the technical possibilities of current frigopompes and in particular increase their COP coefficient of performance (ratio of the cooling power of the air conditioning system to the heating combustion power).
  • Another object of the invention is to allow the complex assembly thus created to produce, in addition to the air conditioning cold source and simultaneously, a heat source usable by the user.
  • a device for the simultaneous production of heat and cold intended to be coupled to a cool pump for cooling a coolant supplying an air conditioning system of a building and comprising on the one hand a separator intended to separate by evaporation and condensation the two constituents, one of which is volatile, of a first refrigerant and on the other hand a mixer intended to reform this first refrigerant by evaporation and absorption, characterized in that said device comprises on the one hand a separator boiler comprising a combustion chamber intended to be connected to the frigopompe to heat the first refrigerant for the separation of its constituents and a desorber, or concentrator, for separate under the effect of the heat released by the combustion chamber the two constituents, one of which is volatile, of a second refrigerant and on the other hand a mixer for reforming, by absorption of the volatile constituent from a condenser for heating the separator of the refrigerant pump, this second refrigerant.
  • the mixer may include an enclosure provided on the one hand with a first circulation circuit connected to the air conditioning system for circulating the coolant and on the other hand with a second circulation circuit connected to a cooling device to circulate a hot heat transfer fluid.
  • the separator boiler desorber comprises an inlet duct for the second diluted refrigerant connected to an outlet duct for the mixer through a first exchanger and an outlet duct for the second concentrated refrigerant connected to an inlet duct of the mixer through a second exchanger.
  • the mixer comprises another inlet conduit connected to an outlet of the heating condenser of the separator of the frigopompe delivering said volatile component through a third exchanger.
  • These exchangers thus provide better control of the temperature of the refrigerant entering the desorber and the mixer.
  • the first and second refrigerants are mixtures of water and lithium bromide and the refrigerant is a liquid with a low freezing threshold such as glycol water.
  • the separator boiler includes a burner combustion chamber surrounded by a first enclosure acting as a desorber and receiving the second diluted refrigerant and delivering on the one hand the second concentrated refrigerant and on the other hand superheated steam.
  • the wall of the first enclosure separating the desorber from the combustion chamber of the separator boiler is formed by a graphite wall impregnated with resin.
  • this graphite wall in direct contact with the combustion flame, is covered with a thin sheet of metal refractory. It is thus possible to obtain in the separator-boiler steam production at very high temperatures (greater than 250 ° C) without risking deterioration thereof. This maximum temperature can be further increased by using a monobloc graphite structure for the desorber of the boiler.
  • the invention also relates to the assembly formed by the device for the simultaneous production of heat and cold coupled to a refrigerant pump of the existing type with one or two effects.
  • - Figure 1 shows a block diagram of a frigopompe
  • - Figure 2 is an embodiment of a device for the simultaneous production of heat and cold according to the invention coupled to an existing frigopompe
  • FIG. 5 is an embodiment of a separate boiler frigopump of the prior art.
  • FIG. 5 illustrates in a functional manner a structure of a two-stage desorption-condensation frigopump, said to have two effects, of the prior art in accordance with the operating principle stated in the preamble.
  • the boiler 26 is presented with its combustion chamber 28 as a conventional boiler for producing superheated hot water or steam for a building central heating network. It is connected to a separator 32 comprising two desorption-condensation stages and traversed by a cooling water (having a role of hot heat-transfer fluid) which comes directly from an air cooler 38 and returns there after having acquired a higher thermal level (for example from 35 "C to 40 * C).
  • the two desorption-condensation stages serve to regenerate a dilute solution of a refrigerant (the dilute) of the same concentration introduced in parallel into each of these two stages.
  • This regeneration is carried out by vaporization of the diluent under the effect of the heat emitted by the combustion chamber 28.
  • the pure solvent advantageousously water which evaporates therefrom will condense and the concentrated solution (the bromide concentrate lithium) as well as the hot solvent which results therefrom will then be collected separately and will be sent to a mixer 34 through static exchangers 36, which in turn heat the dilute solution introduced against the current in these exchangers.
  • the mixer 34 which functions as an evaporator-absorber receives on the one hand the pure solvent which will undergo evaporation under the effect of the circulation of a cold heat-transfer fluid passing through the air conditioning system 40 and on the other hand the solution concentrate which will dilute on contact with the solvent from this evaporation.
  • the mixer is further traversed by the hot coolant which comes directly from the air cooler 38 and returns after having acquired also an upper temperature level (from 35 * C to 40 * C as indicated above).
  • the separator-mixer-exchangers assembly which forms the body of the frigopompe 30 is sometimes separated from the combustion chamber 26. This is particularly the case for high power frigopumps (from 100 kW) object of the invention where the supply of heat (in point a) can in particular result from an external production network.
  • the separator is heated by means of superheated steam, a condensation phenomenon is created on the external wall of the desorber (said to be the second effect in the case of a two-effect frigopump) and it is then possible to collect the resulting condensing liquid to optionally direct it to one of the exchangers 36.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a device 42 for the simultaneous production of heat and cold according to the invention coupled with an existing two-effect frigopompe and intended to increase its performance.
  • this device is not limited to only two-effect frigopumps (insofar as they obviously have a separate boiler), and it can very well be coupled to frigopumps with one or three effects ( more generally with n effects).
  • the structure of the existing frigopump is recognized, to which the device according to the invention is now coupled, with its body 30 comprising the separator 32, the mixer 34 and the exchangers 36, its air cooler 38 and the air conditioner 40. Only the boiler 26 which was connected, at point a ⁇ to the body of the frigopompe 30 and which provided heating for the separator is now lacking.
  • the existing frigopump may or may not have a device for collecting condensate liquid at the level of the external wall of this separator (at point e at the outlet of a condenser 52).
  • the device 42 comprises a boiler-separator 44 which can be presented as a conventional boiler for producing hot water from a fuel 46, with a combustion chamber 48 and a desorber 50 (also known as the name of concentrator) used to regenerate a refrigerant which is initially introduced in a diluted form (the dilute) at the level of a dilute inlet 50a (for example located in an upper part of this desorber) and comes out in a concentrated form at level of a concentrate outlet 50b of the desorber (for example located in its lower part).
  • This separator boiler is connected to the body of the frigopompe 30 at point a of connection and ensures by the superheated water vapor coming from the desorber the heating function initially devolved to the combustion chamber 28.
  • the device 42 further comprises a mixer 54 identical to the mixer 34 of the existing frigopompe and provided with a vaporization-absorption cell which can advantageously be in the form of an enclosure receiving at the level of its absorber the concentrate coming from the desorber 50 and at its evaporator a hot solvent advantageously coming from the condensation of water vapor on the external wall of the desorber and materialized by the heating condenser 52 of the separator 32 of the body of the frigopompe 30.
  • the evaporation of the solvent will cause at the outlet of the absorber the reformation of the dilute which will be returned to the desorber 50.
  • the removal of the solvent is carried out without difficulty at the level of the frigopompe 30, at a point e, by means of the collecting device.
  • the enclosure 54 is traversed, at a first exchange element (not shown), by the cold heat transfer fluid (also called coolant) passing through the air conditioning system (which can be the air conditioner 40) and, at the level a second exchange element (also not shown), by a hot heat transfer fluid passing through the same or a second air cooler.
  • static exchangers 56 are placed between the desorber 50 and the mixer 54 to heat the dilute and countercurrently to cool the concentrate and the solvent.
  • a first exchanger 56a is connected between the dilute outlet 54a of the enclosure of the mixer 54 and the dilute inlet 50a of the desorber 50 of the boiler 44 and a second exchanger 56b is connected between the concentrate inlet 54b of the enclosure from the mixer 54 and the concentrate outlet 50b from the desorber 50 from the boiler 44.
  • a third exchanger 56c connects the inlet of the mixer 54 (at a solvent inlet 54c) to the outlet (at point e) of the heating condenser of the separator 32 of the existing frigopompe.
  • the system operates in a closed circuit, the refrigerant being alternately decomposed in the desorber 50 and recomposed in the mixer 54.
  • pumps and valves (not shown) will be provided to facilitate the circulation of this refrigerant between the different elements of the device according to the invention.
  • the desorber 50 a lithium bromide solution entering at 59% and 62% in producing the outgoing steam at 7 bar, the evaporator of the mixer 54 producing steam at 2 ° C under 7 mbar. the absorber this mixer being supplied with a 62% solution (which boils at 45 * C under pressure of 7 mbar) and supplying a 59% solution (which boils at 39 ° C under the same pressure).
  • FIG. 4 A possible structure of the boiler-separator 44 implemented in the invention is shown in Figure 4. It is in the form of a cylindrical enclosure 100 in the longitudinal axis of which is disposed a gas or gas burner fuel oil (of the porous wall type 102) held in the center of this enclosure by a support 104 which also includes an orifice 106 for sampling the fumes from combustion. Concentric chambers are regularly arranged around the combustion hearth between the burner 102 and an external wall 114. A first chamber 108 is formed between a first wall 110, the closest to this hearth, and a second wall 112. The diluted refrigerant , or dilute, is introduced into this enclosure 108 by at least one distributor duct 120 disposed at its upper part at the level of this first wall 110.
  • the volatile constituent contained in the dilute will vaporize resulting in the creation of a concentrated solution, the concentrate on the one hand and water vapor on the other.
  • These two constituents are then collected at the bottom of the enclosure 108 at the level of a vapor collection conduit 122 and at least one concentrate collection conduit 124, the latter preferably being at the foot of the first wall 110.
  • the external wall 114 forms, with the second wall 112, a second enclosure 116 inside which the fumes collected at the orifice 106 will circulate before being evacuated by operating conduits 126 advantageously arranged at the bottom of this enclosure 100.
  • the enclosure 108 closest to the combustion chamber preferably has an interior wall 110 of graphite impregnated with resin. It is thus possible to obtain thermal protection up to 400 ° C. If necessary, the face of this wall graphite in direct contact with the combustion flame may be covered with a thin foil of a refractory metal 130. It may be noted that it is also possible to dissociate the combustion chamber from the desorber and to produce the latter in a single block of pure graphite like those sold by the French company CARBONE LORRAINE and known under the name of "polyblocks". This one-piece graphite structure can preferably be used for exchangers 56.
  • the device for the simultaneous production of heat and cold is designed as a stand-alone device with its own mixer so that a connection to an existing frigopompe requires only a pipe for the supply of steam at high temperature (by the connection to the point a) and a pipe for the passage of condensed water (via the connection at point e).
  • a simple channel placed at the foot of the external wall of the desorber will suffice to collect this condensation water and thus to form an adequate collection device.
  • This device therefore does not require modification of the existing frigopompe to which only the initial combustion chamber has been removed (or the connection to the external heat production network removed).
  • the COP of a two-effect frigopump is 1.2, the addition of a third effect according to the invention will have the consequence of increasing it from 1.5 to 1.7.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de production simultanée de chaleur et de froid destiné à être couplé à une frigopompe (30) de refroidissement d'un fluide frigoporteur alimentant un système de climatisation d'un bâtiment (40) et comportant d'une part un séparateur (32) destiné à séparer par évaporation et condensation les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un premier fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur (34) destiné à reformer par évaporation et absorption ce premier fluide frigorigène, ce dispositif comportant d'une part une chaudière-séparateur (44) comportant une chambre de combustion (48) destinée à être reliée à la frigopompe (30) pour chauffer le premier fluide frigorigène en vue de la séparation de ses constituants et un désorbeur (50), ou concentrateur, pour séparer sous l'effet de la chaleur dégagée par la chambre de combustion (48) les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un second fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur (54) pour reformer, par absorption d'un constituant volatil issu d'un condenseur (52) de chauffage du séparateur (32) de la frigopompe (30), ce second fluide frigorigène. Elle concerne également l'ensemble formé d'une frigopompe existante couplée avec un dispositif de production simultané de chaleur et de froid.

Description

THERMO-FRIGOPOMPE
Domaine de la technique
La présente invention se rapporte aux refroidisseurs de liquide à absorption dits aussi frigopompes destinés à abaisser la température d'un fluide frigoporteur alimentant un système de climatisation à usage domestique (maison individuelle ou immeuble collectif) ou industriel
(bureau ou usine).
Art antérieur
Le schéma de principe d'une frigopompe utilisant comme frigorigène un mélange eau-bromure de lithium est donné à la figure 1.
Le fonctionnement d'une telle frigopompe repose sur deux opérations distinctes. La première consiste à séparer (par un séparateur 12) les deux constituants du mélange frigorigène 10 constitué par une solution diluée de bromure de lithium pour obtenir d'une part une solution concentrée (le concentrât 14) de bromure de lithium et d'autre part de l'eau (un solvant pur 16), cette séparation étant réalisée grâce à la dégradation d'un flux de chaleur entre une source à haute température 18 (par exemple une flamme de combustion à plus de 1000°C) et un puits de chaleur 20 (constitué par exemple par un environnement ambiant à 30°C). La seconde opération consiste ensuite à remélanger les constituants séparés (dans un mélangeur 22) pour reformer le mélange frigorigène initial 10 (le diluât), à partir de la ré-évaporation du solvant par pompage de chaleur d'un fluide frigoporteur (constitué par exemple d'eau glycolée ou tout autre liquide à bas point de congélation) d'un système de climatisation 24 et de la condensation puis du mélange de la vapeur ainsi obtenue à la solution concentrée 14, ce mélange libérant une chaleur de condensation-absorption à un niveau thermique supérieur à celui de l'environnement ambiant 20. Les frigopompes à eau-bromure de lithium commercialisées actuellement comportent presque toutes, au niveau du séparateur, deux étages de désorption-condensation (d'où leur appellation de frigopompes à deux effets) effectuant chacun une opération de vaporisation-condensation thermique et admettant une température maximale d'environ 150°C. Cette valeur maximale s'explique par le fait, qu'au delà de cette température, tous les métaux se corrodent en présence d'une telle solution aqueuse de bromure de lithium. La demanderesse a montré dans sa demande de brevet français n*9612388 qu'il est possible d'améliorer les performances de ces frigopompes notamment par l'adjonction, selon une structure particulière, d'un troisième ou d'un quatrième effet. Dans les frigopompes de fortes puissances, c'est à dire de quelques centaines à quelques milliers de kW, la source à haute température nécessaire à la dissociation des constituants du fluide frigorigène est en général séparée des séparateur et mélangeur qui forment le corps de la frigopompe proprement dit. Il peut s'agir d'une chaudière indépendante produisant un fluide chaud comme de la vapeur d'eau surchauffée ou encore plus simplement d'une liaison directe avec un réseau externe de production de chaleur. A titre d'exemple, le modèle ABSC commercialisé par la société TRANE est une illustration de ce type de frigopompe.
Définition et objet de l'invention
La présente invention se propose par l'adjonction aux frigopompes existantes à source de chaleur séparée d'un dispositif de production simultanée de chaleur et de froid (que les inventeurs ont dénommé thermo- frigopompe) d'améliorer les possibilités techniques des frigopompes actuelles et notamment d'augmenter leur coefficient de performance COP (rapport de la puissance réfrigérante du système de climatisation à la puissance chauffante de combustion). Un autre but de l'invention est de permettre à l'ensemble complexe ainsi créé de produire, en complément de la source de froid de climatisation et simultanément, une source de chaleur exploitable par l'utilisateur.
Ces buts sont atteints par un dispositif de production simultanée de chaleur et de froid destiné à être couplé à une frigopompe de refroidissement d'un fluide frigoporteur alimentant un système de climatisation d'un bâtiment et comportant d'une part un séparateur destiné à séparer par evaporation et condensation les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un premier fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur destiné à reformer par evaporation et absorption ce premier fluide frigorigène, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte d'une part une chaudière-séparateur comportant une chambre de combustion destinée à être reliée à la frigopompe pour chauffer le premier fluide frigorigène en vue de la séparation de ses constituants et un désorbeur, ou concentrateur, pour séparer sous l'effet de la chaleur dégagée par la la chambre de combustion les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un second fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur pour reformer, par absorption du constituant volatil issu d'un condenseur de chauffage du séparateur de la frigopompe, ce second fluide frigorigène.
Ainsi, par ce dispositif il devient possible, sans les remplacer, d'améliorer les performances de tous les types de frigopompe actuels. Il est seulement exigé de celles-ci qu'elles disposent d'une source de chaleur séparée. Plus particulièrement, le mélangeur peut comporter une enceinte munie d'une part d'un premier circuit de circulation relié au système de climatisation pour faire circuler le fluide frigoporteur et d'autre part d'un second circuit de circulation relié à un dispositif de refroidissement pour faire circuler un fluide caloporteur chaud. Le désorbeur de la chaudière-séparateur comporte un conduit d'entrée du second fluide frigorigène dilué relié à un conduit de sortie du mélangeur au travers d'un premier échangeur et un conduit de sortie du second fluide frigorigène concentré relié à un conduit d'entrée du mélangeur au travers d'un second échangeur. De même, le mélangeur comporte un autre conduit d'entrée relié à une sortie du condenseur de chauffage du séparateur de la frigopompe délivrant ledit constituant volatil au travers d'un troisième échangeur. Il est ainsi assuré par ces échangeurs un meilleur contrôle de la température du fluide frigorigène entré dans le désorbeur et le mélangeur. Avantageusement, les premier et second fluides frigorigènes sont des mélanges d'eau et de bromure de lithium et le fluide frigoporteur est un liquide à bas seuil de congélation tel que de l'eau glycolée.
Dans un mode de réalisation particulier, la chaudière-séparateur comporte une chambre de combustion à brûleur entourée par une première enceinte faisant fonction de désorbeur et recevant le second fluide frigorigène dilué et délivrant d'une part le second fluide frigorigène concentré et d'autre part de la vapeur d'eau surchauffée. La paroi de la première enceinte séparant le désorbeur de la chambre de combustion de la chaudière-séparateur est formée par une paroi en graphite imprégné de résine. De préférence, cette paroi en graphite, en contact direct avec la flamme de combustion, est recouverte d'une mince feuille d'un métal réfractaire. Il est ainsi possible d'obtenir dans la chaudière-séparateur une production de vapeur à très haute température (supérieure à 250*C) sans risquer une détérioration de celle-ci. Cette température maximale peut encore être augmentée en recourant pour le désorbeur de la chaudière à une structure monobloc en graphite.
L'invention concerne également l'ensemble formé par le dispositif de production simultanée de chaleur et de froid couplé à une frigopompe du type existant à un ou deux effets.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1 montre un schéma de principe d'une frigopompe, - la figure 2 est un exemple de réalisation d'un dispositif de production simultané de chaleur et de froid selon l'invention couplé à une frigopompe existante,
- la figure 3 visualise les différents échanges thermiques existant au sein de l'ensemble de la figure 2, - la figure 4 montre la structure de la chaudière-séparateur du dispositif de la figure 2, et
- la figure 5 est un exemple de réalisation d'une frigopompe à chaudière séparée de l'art antérieur.
Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel
Il est fait tout d'abord référence à la figure 5 qui illustre de façon fonctionnelle une structure de frigopompe à deux étages de désorption- condensation, dite à deux effets, de l'art antérieur conforme au principe de fonctionnement énoncé en préambule. La chaudière 26 se présente avec sa chambre de combustion 28 comme une chaudière classique de production d'eau chaude surchauffée ou de vapeur pour un réseau de chauffage central de bâtiment. Elle est reliée à un séparateur 32 comportant deux étages de désorption-condensation et parcouru par une eau de réfrigération (ayant un rôle de fluide caloporteur chaud) qui provient directement d'un aéro-réfrigérant 38 et y retourne après avoir acquis un niveau thermique supérieur (par exemple de 35"C à 40*C). Les deux étages de désorption-condensation servent à régénérer une solution diluée d'un fluide frigorigène (le diluât) de même concentration introduite en parallèle dans chacun de ces deux étages. Cette régénération est réalisée par vaporisation du diluât sous l'effet de la chaleur émise par la chambre de combustion 28. Le solvant pur (avantageusement de l'eau) qui s'en évapore va se condenser et la solution concentrée (le concentrât de bromure de lithium) ainsi que le solvant chaud qui en résulte seront ensuite recueillis séparément et seront dirigés vers un mélangeur 34 au travers d'échangeurs statiques 36, lesquels réchauffent à leur tour la solution diluée introduite à contre-courant dans ces echangeurs. Le mélangeur 34 qui fait fonction d'évaporateur-absorbeur reçoit d'une part le solvant pur qui va subir une evaporation sous l'effet de la circulation d'un fluide caloporteur froid traversant le système de climatisation 40 et d'autre part la solution concentrée qui va se diluer au contact du solvant provenant de cette evaporation. Le mélangeur est en outre parcouru par le fluide caloporteur chaud qui provient directement de l'aéro-réfrigérant 38 et y retourne après avoir acquis également un niveau thermique supérieur (de 35*C à 40*C comme indiqué précédemment).
Il doit être noté que l'ensemble séparateur-mélangeur-échangeurs qui forme le corps de la frigopompe 30 est parfois séparé de la chambre de combustion 26. Il en est ainsi notamment pour les frigopompes de forte puissance (à partir de 100 kW) objet de l'invention où l'apport de chaleur (au point a) peut notamment résulter d'un réseau de production externe. Lorsque le chauffage du séparateur est effectué au moyen de vapeur d'eau surchauffée, il se crée un phénomène de condensation sur la paroi externe du désorbeur (dit le deuxième effet dans le cas d'une frigopompe à deux effets) et il est alors possible de collecter le liquide de condensation qui en résulte pour le diriger éventuellement vers un des echangeurs 36.
En supposant que que la chute de température à travers les parois du séparateur est de 5*C et en adoptant un titre de bromure de lithium de xc = 0.62 dans le concentrât et de xd = 0.58 dans le diluât, on peut montrer que la température de la paroi du désorbeur de deuxième effet chauffée directement par la chambre de combustion atteint avec ce type de frigopompe de l'art antérieur une valeur de 140*C- 155'C. Cette température maximale admissible limitant sérieusement les performances de la frigopompe, on comprendra que son utilisateur n'avait d'autre recours, jusqu'au dépôt de la présente demande, que de la remplacer par une frigopompe du type de celle décrit dans la demande du titulaire n'96 12388 précitée s'il souhaitait obtenir des performances supérieures (notamment en matière de bilans thermiques). Avec l'invention, il est proposé à tout utilisateur de frigopompes existantes, sous réserve qu'elle soit du type à source de chaleur séparée, de lui permettre d'en augmenter les performances (et aussi de lui adjoindre des fonctionnalités nouvelles) sans avoir à s'en dessaisir et donc sans lui imposer l'achat d'une nouvelle frigopompe. La figure 2 montre un exemple de réalisation d'un dispositif 42 de production simultanée de chaleur et de froid selon l'invention couplé avec une frigopompe à deux effets existante et destiné à en augmenter les performances. Bien entendu, la mise en oeuvre de ce dispositif n'est pas limitée aux seules frigopompes à deux effets (dans la mesure où elles comportent évidemment une chaudière séparée), et il peut très bien être couplé à des frigopompes à un ou trois effets (plus généralement à n effets).
On reconnait bien évidemment la structure de la frigopompe existante, à laquelle est maintenant couplé le dispositif selon l'invention, avec son corps 30 comportant le séparateur 32, le mélangeur 34 et les echangeurs 36, son aéro-réfrigérant 38 et le climatiseur 40. Seule la chaudière 26 qui était reliée, au point a^ au corps de la frigopompe 30 et assurait le chauffage du séparateur fait maintenant défaut. Selon le type de chauffage adopté pour le séparateur (par flamme directe, par vapeur surchauffée, par circulation de liquide chaud) la frigopompe existante comporte ou non un dispositif collecteur de liquide de condensation au niveau de la paroi externe de ce séparateur (au point e en sortie d'un condenseur 52).
Selon l'invention, le dispositif 42 comporte une chaudière-séparateur 44 qui peut se présenter comme une chaudière classique de production d'eau chaude à partir d'un combustible 46, avec une chambre de combustion 48 et un désorbeur 50 (connu aussi sous le nom de concentrateur) servant à régénérer un fluide frigorigène qui est introduit initialement sous une forme diluée (le diluât) au niveau d'une entrée diluât 50a (par exemple située dans une partie supérieure de ce désorbeur) et ressort sous une forme concentrée au niveau d'une sortie concentrât 50b du désorbeur (par exemple située dans sa partie inférieure). Cette chaudière-séparateur est reliée au corps de la frigopompe 30 au point a de liaison et assure par la vapeur d'eau surchauffée issue du désorbeur la fonction de chauffage initialement dévolue à la chambre de combustion 28.
Le dispositif 42 comporte en outre un mélangeur 54 identique au mélangeur 34 de la frigopompe existante et muni d'une cellule de vaporisation-absorption pouvant se présenter avantageusement sous la forme d'une enceinte recevant au niveau de son absorbeur le concentrât en provenance du désorbeur 50 et au niveau de son évaporateur un solvant chaud venant avantageusement de la condensation de la vapeur d'eau sur la paroi externe du désorbeur et matérialisé par le condenseur de chauffage 52 du séparateur 32 du corps de la frigopompe 30. L'évaporation du solvant va entraîner en sortie de l'absorbeur la reformation du diluât qui sera retourné au désorbeur 50. Le prélèvement du solvant (avantageusement de l'eau de condensation à haute température issue de la vapeur d'eau servant à chauffer le désorbeur du deuxième effet du séparateur) est effectué sans difficulté au niveau de la frigopompe 30, en un point e, au moyen du dispositif collecteur. L'enceinte 54 est parcourue, au niveau d'un premier élément d'échange (non représenté), par le fluide caloporteur froid (dit aussi fluide frigoporteur) traversant le système de climatisation (qui peut être le climatiseur 40) et, au niveau d'un second élément d'échange (également non représenté), par un fluide caloporteur chaud traversant le même ou un second aéro-réfrigérant.
Bien entendu, des echangeurs statiques 56 sont placés entre le désorbeur 50 et le mélangeur 54 pour réchauffer le diluât et à contre- courant pour refroidir le concentrât et le solvant. Ainsi, un premier échangeur 56a est relié entre la sortie diluât 54a de l'enceinte du mélangeur 54 et l'entrée diluât 50a du désorbeur 50 de la chaudière 44 et un second échangeur 56b est relié entre l'entrée concentrât 54b de l'enceinte du mélangeur 54 et la sortie concentrât 50b du désorbeur 50 de la chaudière 44. Un troisième échangeur 56c relie l'entrée du mélangeur 54 (au niveau d'une entrée solvant 54c) à la sortie (au point e) du condenseur de chauffage du séparateur 32 de la frigopompe existante.
On aura noté que le système fonctionne en circuit fermé, le fluide frigorigène étant alternativement décomposé dans le désorbeur 50 et recomposé dans le mélangeur 54. Bien entendu, des pompes et des vannes (non représentées) seront prévues pour faciliter la circulation de ce fluide frigorigène entre les différents éléments du dispositif selon l'invention. En supposant que la frigopompe existante soit du type à deux effets, on peut noter que l'ensemble ainsi obtenu se comporte alors comme si l'on avait ajouté un effet supplémentaire, c'est à dire réalisé une frigopompe à trois effets. Ainsi, comme le montre la figure 3, si la frigopompe existante utilisée, par exemple pour la climatisation d'un bâtiment (refroidissement du fluide frigoporteur de 12βC à 7#C) en rejetant sa chaleur excédentaire à 40*C dans un environnement à 35*C, possède une température de paroi (au niveau du désorbeur de son second effet) de 165*C, alors il est possible, par l'adjonction du dispositif selon l'invention, de produire de la vapeur d'eau surchauffée à 230'C (qui remplacera la chambre de combustion initiale 28 et assurera donc le chauffage du désorbeur de second effet de la frigopompe existante) et d'apporter un supplément de refroidissement de 12*C à 7"C. On pourra choisir pour le désorbeur 50 une solution de bromure de lithium entrant à 59% et sortant à 62% en produisant cette vapeur sous 7 bar, l'évaporateur du mélangeur 54 produisant de la vapeur d'eau à 2*C sous 7 mbar. L'absorbeur de ce mélangeur étant alimenté en solution à 62% (qui bout à 45*C sous la pression de 7 mbar) et délivrant une solution à 59% (qui bout à 39*C sous cette même pression).
Une structure possible de la chaudière-séparateur 44 mise en oeuvre dans l'invention est montrée sur la figure 4. Elle se présente sous la forme d'une enceinte cylindrique 100 dans l'axe longitudinal de laquelle est disposé un brûleur à gaz ou à fuel (du type à paroi poreuse 102) maintenu au centre de cette enceinte par un support 104 qui comporte également un orifice 106 de prélèvement des fumées issues de la combustion. Des enceintes concentriques sont disposées régulièrement autour du foyer de combustion entre le brûleur 102 et une paroi externe 114. Une première enceinte 108 est formée entre une première paroi 110, la plus proche de ce foyer, et une deuxième paroi 112. Le fluide frigorigène dilué, ou diluât, est introduit dans cette enceinte 108 par au moins un conduit distributeur 120 disposé à sa partie supérieure au niveau de cette première paroi 110. Sous l'effet de la chaleur dégagée par le foyer de combustion, le constituant volatil contenu dans le diluât va se vaporiser entraînant la création d'une solution concentrée, le concentrât, d'une part et de vapeur d'eau d'autre part. Ces deux constituants sont alors recueillis à la partie inférieure de l'enceinte 108 au niveau d'un conduit de collecte de vapeur 122 et d'au moins un conduit de collecte de concentrât 124, celui-ci étant de préférence au pied de la première paroi 110. De même, la paroi externe 114 forme avec la deuxième paroi 112 une deuxième enceinte 116 à l'intérieur de laquelle vont circuler les fumées prélevées au niveau de l'orifice 106 avant d'être évacuées par des conduits d'exploitation 126 avantageusement disposés à la partie inférieure de cette enceinte 100.
L'enceinte 108 la plus proche de la chambre de combustion comporte de préférence une paroi intérieure 110 en graphite imprégné de résine. Il est ainsi possible d'obtenir des protections thermiques jusqu'à 400*C. Au besoin, la face de cette paroi en graphite en contact direct avec la flamme de combustion peut être recouverte d'une mince feuille d'un métal réfractaire 130. Il peut être noté qu'il est possible également de dissocier la chambre de combustion du désorbeur et de réaliser ce dernier dans un bloc unique de graphite pur comme ceux commercialisés par la société française CARBONE LORRAINE et connus sous le nom de "polyblocs". Cette structure de monobloc en graphite peut de préférence être utilisée pour les echangeurs 56.
Le dispositif de production simultanée de chaleur et de froid est conçu comme un dispositif autonome comportant son propre mélangeur de sorte qu'une liaison à une frigopompe existante ne demande qu'une conduite pour la fourniture de la vapeur à haute température (par la liaison au point a) et une conduite pour le passage de l'eau de condensation (par la liaison au point e). Dans les frigompompes à chauffage direct par flamme, une simple rigole disposée au pied de la paroi externe du désorbeur suffira à recueillir cette eau de condensation et ainsi à former un dispositif de collecte adéquat. Ce dispositif ne nécessite donc pas de modification de la frigopompe existante à laquelle on aura seulement ôté la chambre de combustion initiale (ou supprimé le raccord au réseau de production externe de chaleur). On notera de plus que si le COP d'une frigopompe à deux effets est de 1,2, l'addition d'un troisième effet selon l'invention aura pour conséquence de porter celui-ci de 1,5 à 1,7.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de production simultanée de chaleur et de froid destiné à être couplé à une frigopompe (30) de refroidissement d'un fluide frigoporteur alimentant un système de climatisation d'un bâtiment (40) et comportant d'une part un séparateur (32) destiné à séparer par evaporation et condensation les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un premier fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur (34) destiné à reformer par evaporation et absorption ce premier fluide frigorigène, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte d'une part une chaudière-séparateur (44) comportant une chambre de combustion (48) destinée à être reliée à la frigopompe (30) pour chauffer le premier fluide frigorigène en vue de la séparation de ses constituants et un désorbeur (50), ou concentrateur, pour séparer sous l'effet de la chaleur dégagée par la chambre de combustion (48) les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un second fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur (54) pour reformer, par absorption d'un constituant volatil issu d'un condenseur (52) de chauffage du séparateur (32) de la frigopompe (30), ce second fluide frigorigène.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mélangeur (54) comporte une enceinte munie d'une part d'un premier circuit de circulation relié au système de climatisation (40) pour faire circuler le fluide frigoporteur et d'autre part d'un second circuit de circulation relié à un dispositif de refroidissement (38) pour faire circuler un fluide caloporteur chaud.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit désorbeur (50) de la chaudière-séparateur (44) comporte un conduit d'entrée du second fluide frigorigène dilué (50a) relié à un conduit de sortie (54a) du mélangeur (54) au travers d'un premier échangeur (56a).
4. Dispositif selon la revendication 1 et la revendication 3, caractérisée en ce que ledit désorbeur (50) de la chaudière-séparateur (44) comporte un conduit de sortie du second fluide frigorigène concentré (50b) relié à un conduit d'entrée (54b) du mélangeur (54) au travers d'un second échangeur (56b).
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit mélangeur (54) comporte en outre un conduit d'entrée (54c) relié à une sortie du condenseur (52) de chauffage du séparateur (32) de la frigopompe (30) délivrant ledit constituant volatil au travers d'un troisième échangeur (56c).
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premier et second fluides frigorigènes sont des mélanges d'eau et de bromure de lithium.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide frigoporteur est un liquide à bas seuil de congélation tel que de l'eau glycolée.
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite chaudière-séparateur comporte une chambre de combustion à brûleur (102) entourée par une première enceinte (108) faisant fonction de désorbeur et recevant le second fluide frigorigène dilué et délivrant d'une part le second fluide frigorigène concentré et d'autre part de la vapeur d'eau surchauffée.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisée en ce que la paroi (110) de la première enceinte (108) séparant le désorbeur (50) de la chambre de combustion (48) de la chaudière-séparateur est formée par une paroi en graphite imprégné de résine.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite paroi en graphite en contact direct avec la flamme de combustion est recouverte d'une mince feuille d'un métal réfractaire (130).
11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que le désorbeur (50) est formé d'une structure monobloc en graphite.
12. Frigopompe de refroidissement d'un fluide frigoporteur alimentant un système de climatisation d'un bâtiment (40) et comportant d'une part un séparateur (32) destiné à séparer par evaporation et condensation les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un premier fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur (34) destiné à reformer par evaporation et absorption ce premier fluide frigorigène, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre de façon indépendante un dispositif de production simultanée de chaleur et de froid comportant d'une part une chaudière- séparateur (44) munie d'une chambre de combustion (48) destinée à être reliée au séparateur (32) pour chauffer le premier fluide frigorigène en vue de la séparation de ses constituants et un désorbeur (50), ou concentrateur, pour séparer sous l'effet de la chaleur dégagée par la chambre de combustion (48) les deux constituants, dont l'un est volatil, d'un second fluide frigorigène et d'autre part un mélangeur (54) pour reformer, par absorption d'un constituant volatil issu du séparateur (32) de la frigopompe (30), ce second fluide frigorigène.
13. Frigopompe selon la revendication 12, caractérisée en ce que le chauffage du premier fluide frigorigène est réalisé à partir de la vapeur produite par le désorbeur (50) de la chaudière-séparateur (44) et venant se condenser sur une paroi externe du désorbeur du séparateur (32).
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