WO1994014018A1 - Dispositif a haute performance de production simultanee de chaleur et de froid utiles - Google Patents

Dispositif a haute performance de production simultanee de chaleur et de froid utiles Download PDF

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WO1994014018A1
WO1994014018A1 PCT/FR1993/001222 FR9301222W WO9414018A1 WO 1994014018 A1 WO1994014018 A1 WO 1994014018A1 FR 9301222 W FR9301222 W FR 9301222W WO 9414018 A1 WO9414018 A1 WO 9414018A1
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condenser
assembly
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Pierre Le Goff
Abdelhaq Ramadane
Pascal-Marie Ranger
Jalel Labidi
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    • 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
    • F25B15/12—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type with resorber
    • 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
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    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
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    • 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 a high performance device for the simultaneous production of useful heat and cold using a working fluid consisting of a mixture of at least two pure, miscible bodies, of different volatilities and brought into play in gas-liquid two-phase form.
  • Each column has a boiler-evaporator at one end and a condenser at the other end.
  • Each column consists, according to the inventor, of a set of cells which he calls “heat transfer elements” put in series on the liquid and vapor flow rates, and connected from one column to the other by a set of "adventitious flows" passing through at least three counter-current exchangers.
  • thermo induction machine This absorption heat pump which the inventor calls "thermal induction machine” has the property of operating in an almost reversible manner thanks to the set of heat exchangers which produce a thermal coupling of the homologous zones of each column and by a recirculation of several material flows between the two columns.
  • the object of the present invention is to allow the production of a high performance device and simpler implementation for the simultaneous production of useful heat and cold in a closed loop using two two-phase contact columns, a first working in distillation and at a first pressure and temperature value and a second working in reverse distillation at lower pressure and temperature.
  • the high performance device for the simultaneous production of useful heat and cold using a working fluid consisting of a mixture of at least two pure, miscible bodies, of different volatilities and brought into play in two-phase form comprising
  • a first assembly comprising a first column with two-phase gas-liquid contact against the current operating at a first pressure and temperature value and having the function of separating the mixture, on the one hand into a phase rich in volatile matter and, on the other hand in a phase poor in this same volatile body;
  • a second assembly comprising a second column with two-phase gas-liquid contact against the current, the second column working at a second pressure value lower than the first value and a temperature value lower than the first value and having the function of remixing the rich and poor phases and thus reconstitute the initial mixture, is characterized in that: •
  • the first assembly successively comprises in the direction of gas flow a boiler or desorber, the separation column and a condenser;
  • the second set successively comprises in the direction of gas flow an evaporator, the mixing column and a condenser; the phase rich in volatile compound leaving the head of the separation column of the first set is cooled in a counter current streamer then injected into the evaporator of the second set;
  • phase lean in volatile compound leaving the bottom of the column of the first set is cooled in a second countercurrent exchanger and injected at the head of the column of the second set;
  • the first and second columns are "diabatic" (we also say “non-adiabatic”) in the sense that the separation and mixing columns are no longer thermally insulated but on the contrary heated or cooled by incorporated exchangers , the first counter-current exchanger is incorporated in the column of the second assembly, the second counter-current exchanger is incorporated in the column of the first assembly.
  • the boiler of the first set is heated by a high temperature heat transfer fluid which cools little, in particular by less than 10 ⁇ C, by passing through the heating coil.
  • the fluid enters at 240 "C and leaves at 230 ° C.
  • Another object of the invention is to propose a use of the device.
  • this object is achieved by the fact that the two condensers are cooled by a heat transfer fluid which undergoes only a slight rise in temperature (in particular less than 10 ° C.) when passing through them, this fluid being intended to transfer this heat to a user device and returning to the condensers by closed-loop circulation.
  • this heat transfer fluid goes from 80 ° C to 85 ° C.
  • the process fluid in the condensers is at a slightly higher temperature, for example 90 ° C.
  • the evaporator of the second set is heated by a coolant which undergoes only a slight lowering of temperature (in particular less than 10 ° C.) while passing through it, this fluid being intended to cool an external device, amounts to closed loop circulation evaporator.
  • this refrigerant fluid goes from 0 ° C to - 5 ° C.
  • the rich fluid in the evaporator is at a slightly lower temperature, for example - 10 ° C.
  • this device produces useful heat at 80 ° -85C and coldness at - 5 ° C - 0 ° C.
  • Another object of the invention is to propose another high performance device allowing the simultaneous production of heat and cold useful for use in an open loop.
  • the high performance device for the simultaneous production of useful heat and cold using a working fluid consisting of a mixture of at least two pure, miscible bodies, of different volatilities , and brought into play in gas-liquid two-phase form comprising a first assembly composed of a first column with two-phase contact operating at a first pressure, temperature and separation value and a second assembly composed of a second column with two-phase contact liquid gas, the second column working at a second pressure and temperature value lower than the first value and in a mixer
  • the first assembly successively comprises in the direction of gas flow a boiler, the separation column and a condenser, the boiler being integrated in the lower part of the column, a second exchanger integrated in the column cooling the phase lean in volatile compound leaving the bottom of the column and a condenser integrated in the upper part of the column;
  • the second assembly successively comprising in the direction of gas flow an evaporator integrated in the lower part of the mixing column and a condenser integrated in the upper part of
  • the two condensers heat the coolant from 20 ° C to 85 ° C
  • the evaporator cools the coolant from 12 ° C to 7 ° C
  • the boiler cools the heating vapor from 220 to 85 ° C .
  • the two condensers produce useful heat from free heat taken from the environment, thus the heat transfer fluid passes from ambient temperature (for example 20 ° C.) to a temperature of the order of 60 " C at 100 ° C (for example 85 ° C) simultaneously the boiler heating fluid goes from a high temperature (for example greater than 200 ° C) to this same intermediate temperature, of the order of 60 ° C to 100 ° C (for example 85 ° C).
  • the heating steam is supplied by the city water circulating in a coil arranged in a fuel combustion chamber.
  • the mixture used in the two-phase contact columns is water and glycol.
  • the mixture used in the two-phase contact columns is composed of a volatile body whose boiling temperature under a bar is between - 35 ° C and + 80 ° C and preferably between - 20 ° C and + 20 ° C, and a volatile body whose boiling temperature under a bar is greater than or equal to 100 ° C.
  • the machine will operate with the water and ammonia pair, the separation column operating at a pressure of 20 bar and the mixing column at 0.7 bar.
  • the volatile substance is an amine (mono-, di- or tri-methylamine) or an ether (dimethyl ether, diethyl ether, methyl ethyl ether) an alcohol (methanol, ethanol) acetone.
  • the low volatility body is water, a glycol, glycols, (monethylene, glycol, di-ethylene glycol, propylene glycol, etc.), glycerol.
  • the evaporator will be able to cool the coolant to - 20 ° C and - 30 ° C and the condensers will produce useful heat up to 100 "C and 120 ⁇ C.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device for the simultaneous production of heat and cold in a closed circuit according to the invention with adiabatic columns;
  • FIG. 2 shows a second embodiment of such a closed circuit device with diabatic columns;
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a device with diabatic columns and open circuit
  • FIG. 4 shows a third embodiment of a device with diabatic columns and open circuit.
  • the first embodiment of the invention represented in FIG. 1, comprises a first set of heat transfer elements, associating in the direction of circulation of the steam indicated by the arrow V, a boiler or desorber (3) supplied in heat transfer fluid at 240 "C to heat the two-phase mixture to 220 ° C, the heat transfer fluid emerging at 230 ° C from the boiler (3).
  • This boiler (3) supplies in series a separation column (1) with two-phase gas contact - liquid operating at a pressure of 20 bar and at a temperature between 220 ° C. at its base and 90 ° C. at the top.
  • the top of the column (1) is connected in series to a condenser (5) receiving the two-phase mixture at 90 ° C. to heat a heat transfer liquid from 80 ° C. to 85 ° C., this liquid serving as a heat source.
  • the phase rich in volatile compound (R) taken off at the top of the separation column (1) below the condenser. (5) is sent to the evaporator tor (6) of a second set after passing through a heat exchanger (7) against the current.
  • the phase poor in volatile compound (P) taken from the bottom of the first set in the boiler (3) is sent to the top of the urea column (2) belonging to a second set after having passed through a second counter-current heat exchanger ( 8).
  • the second set consists of the association in series and in the direction of circulation of the vapors indicated by arrow V of an evaporator (6) of a mixing column (2) and of a condenser (4).
  • the evaporator (6) receives a coolant at 0 ° C and refrigerates it at - 5 ° C.
  • This evaporator (6) uses to evaporate the refrigerant fluid the evaporation of the rich phase (R) which is injected at - 10 ° at the bottom of the evaporator (6).
  • the mixing column (2) works at a pressure of 0.7 bar, lower than the pressure of the first column and in a temperature range varying from - 10 ° C to 90 ° C, lower than the temperature range of the first column.
  • the top of the column is connected in series to a condenser (4) which receives the heat transfer fluid at 80 ° C and raises it to 85 ° C.
  • This condenser (4) receives the mixing vapor from the mixing column (2) two-phase at 90 ° C.
  • the lean phase (P) cooled from 220 ° C to 90 ° C after passing through the heat exchanger is injected at the top of the column under the condenser (4) while the upper mixture (U) leaving the head of the column of the second set at 90 ° C, serves as a counter-current to cool the lean phase (P), this upper mixture heating from 90 ° C to 220 ° C.
  • the lower mixture (B) leaving the bottom of the column of the second set at -10 ° C serves as a counter-current to the first exchanger (7) and heats up from -10 ° C to 90 ° C while the rich phase (R) cools from 90 ° C to -10 ° C in the exchanger (7).
  • the second column of the second set operates in reverse rectification.
  • the second variant shown in Figure 2 allows, as for the first variant, to provide heat and cold operating in a closed circuit and essentially distinguishes from the first variant in that the heat exchangers (7, 8) are now incorporated in the columns (1, 2) which become diabatic columns.
  • the rich phase (R) cools from 90 ° C to -10 ° C by flowing from top to bottom in a coil (71) incorporated in the mixing column and the lower mixture (B) heats up from - 10 ° C to 90 ° C in a second coil (70) incorporated in this same mixing column (2) and will feed the top of the separation column (1).
  • the lean phase (P) recovered at the bottom of the separator column (1) cools from 220 to 90 ° by flowing from bottom to top in a coil (81) incorporated in the separation column (1) which thus becomes diabetic.
  • the upper mixture (U) on the one hand feeds the mixing column (2) and, on the other hand heats up from 90 ° C to 220 ° C in a second coil (80) incorporated in the diabatic separation column ( 1).
  • the advantage of the second embodiment of the diabatic column is to obtain an exergetic yield clearly greater than the yield obtained using adiabatic columns of the first mode.
  • FIG. 3 corresponds to an example of application, in particular in residential buildings, shopping centers where the fluid flows in an open circuit and where it is a question of producing water at 85 ° C. for sanitary use from urban water at 20 ° C.
  • the two condensers (50, 40) are integrated into the two columns (1, 2) of liquid gas contacts so that they heat the coolant from 20 ° C to 85 ° C.
  • the coil (30) of the separator column boiler (1) is also incorporated in this column so that the heating vapor which enters at 220 "C comes out in the form of liquid sub-cooled to 85 ° C.
  • a coil (81) for cooling the lean phase (P) in volatile compound is located opposite the coil (30) of the boiler and cools this lean phase (P) from 220 ° C to 85 ° C before reintroducing, through a distributor (82) this lean phase (P) into the medium of the column (2) below the coil (40) of the condenser and above the exchanger (70, 71) incorporated in the column.
  • the rich phase (R) recovered below the coil (50) of the condenser of the first separation column (1) is sent to a coil (71) arranged in the second reverse rectification column (2), the other end of which is returned by a distributor (72) above the coil (60) of the evaporator of the reverse rectification column (2).
  • a last variant of the invention is shown in Figure 4 and corresponds to a use in which the device of Figure 3 is used to heat city water from 20 ° C to 70 ° C and on the other hand to supply an air conditioning system operating between 12 ° C and 7 ° C.
  • the coil (30) of the boiler is supplied with steam at 220 ° C supplied by a coil (90) supplied with tap water at 20 ° C and circulating in a combustion chamber (9) supplied with fuel and raising this city water to 220 ° C.
  • the other elements are identical to the device in FIG. 3. Only the temperature ranges have been modified.
  • the device of the invention can be adapted to other temperature ranges provided that the torque of the bodies is changed miscible according to the desired temperature ranges.
  • a glycol mixture with one of the following three components, ethanol, methanol and acetone, or a mixture of water and ammonia or one of the three methylamines will be preferred.
  • glycerol When the column boiler must be at around 300 ° C to provide a hot source at + 120 ° C for sterilization, glycerol will be used with one of the following three components ethanol, methanol and acetone. Finally, if we want to go up to even higher temperatures for the boiler, we will choose a heavy oil such as a hydrocarbon boiling at more than 200 ° C under a bar, associated with a hydrocarbon boiling at a temperature below 100 ° C under a bar.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif à haute performance de production simultanée de chaleur et de froid utiles comportant un bouilleur désorbeur (3), une colonne de séparation (1), un condenseur (5); un évaporateur (6), une colonne de mélangeage (2) et un condenseur (4); la phase riche en composé volatil (R) étant refroidie dans un échangeur (71) puis injectée dans l'évaporateur (6); la phase pauvre en composé volatil (P) étant refroidie dans un deuxième échangeur (81) et injectée en tête de la colonne (2); le mélange supérieur (U) étant réchauffé dans un échangeur (80) et réinjecté dans le bouilleur (3); le mélange inférieur (B) étant réchauffé dans un échangeur (70) et réinjecté en tête de la colonne (1); les deux condenseurs produisant ainsi de la chaleur utile et l'évaporateur produisant du froid utile.

Description

DISPOSITIF A HAUTE PERFORMANCE DE PRODUCTION
SIMULTANEE DE CHALEUR ET DE FROID UTILES
La présente invention concerne un dispositif à haute performance de production simultanée de chaleur et de froid utiles à l'aide d'un fluide de travail constitué d'un mélange d'au moins deux corps purs, miscibles, de volatilités différentes et mis en jeu sous forme diphasique gaz-liquide.
Il est connu par la demande de brevet européen 0 147 770, intitulée "Machine à induction thermique" ayant pour inventeur Sterlini Jacques, plusieurs variantes de pompes à chaleur, formées d'une colonne de distillation fractionnée (appelée aussi rectification) et d'une colonne de distillation fractionnée inverse (ou rectification inverse) .
Chaque colonne comporte un bouilleur-évaporateur à une extrémité et un condenseur à l'autre extrémité. Chaque colonne est constituée, selon l'inventeur, d'un ensemble de cellules qu'il appelle "éléments de transfert thermique" mis en série sur les débits de liquide et de vapeur, et reliés d'une colonne à l'autre par un ensemble de "débits adventices" traversant au moins trois échangeurs à contre-courant.
Cette pompe à chaleur à absorption que l'inven- teur appelle "machine à induction thermique" a pour propriété de fonctionner de façon quasi réversible grâce à l'ensemble des échangeurs de chaleur qui produisent un couplage thermique des zones homologues de chaque colonne et par une recirculation de plusieurs flux de matière entre les deux colonnes. Toutefois, ceci aboutit à une réalisation complexe, ayant un rendement médiocre et ne permettant pas la production simultanée de froid utile.
Le but de la présente invention est de permettre la réalisation d'un dispositif à haute performance et de réalisation plus simple pour la production simultanée de chaleur et de froid utiles en boucle fermée à l'aide de deux colonnes à contact diphasique, une première travaillant en distillation et à une première valeur de pression et de température et une deuxième travaillant en distillation inverse à une pression et une température inférieures.
Ce but est atteint par le fait que le dispositif à haute performance de production simultanée de chaleur et de froid utiles à l'aide d'un fluide de travail constitué d'un mélange d'au moins deux corps purs, miscibles, de volatilités différentes et mis en jeu sous forme diphasique comportant
- un premier ensemble comportant une première colonne à contact diphasique gaz-liquide à contre-courant fonctionnant à une première valeur de pression et de température et ayant pour fonction de séparer le mélange, d'une part en une phase riche en corps volatil et, d'autre part en une phase pauvre en ce même corps volatil ;
- un deuxième ensemble comportant une deuxième colonne à contact diphasique gaz-liquide à contre- courant, la deuxième colonne travaillant à une seconde valeur de pression inférieure à la première valeur et une valeur de température inférieure à la première valeur et ayant pour fonction de remélanger les phases riche et pauvre et reconstituer ainsi le mélange initial, est caractérisé en ce que : •
- le premier ensemble comporte successivement dans le sens de circulation du gaz un bouilleur ou désorbeur, la colonne de séparation et un condenseur ;
- le deuxième ensemble comporte successivement dans le sens de circulation du gaz un evaporateur, la colonne de mélangeage et un condenseur ; - la phase riche en composé volatil sortant de la tête de la colonne de séparation du premier ensemble est refroidie dans un é .ingeur à contre courant puis injectée dans l'évaporateur du deuxième ensemble ;
- la phase pauvre en composé volatil sortant du pied de la colonne du premier ensemble est refroidie dans un deuxième échangeur à contre-courant et injectée en tête de la colonne du deuxième ensemble ;
- le mélange supérieur sortant de la tête de la colonne du deuxième ensemble servant de contre-courant au deuxième échangeur et est réinjectée au pied de la colonne du premier ensemble dans le bouilleur ;
- le mélange inférieur sortant du pied de la colonne du deuxième ensemble servant de contre-courant au premier échangeur et est réinjecté en tête de la colonne du premier ensemble. Selon une autre particularité, les colonnes sont adiabatiques.
Selon une autre particularité, les première et deuxième colonnes sont "diabatiques" (on dit aussi "non- adiabatiques") en ce sens que les colonnes de séparation et e melangeage ne sont plus isolées thermiquement mais au contraire chauffées ou refroidies par des échangeurs incorporés, le premier échangeur à contre-courant est incorporé dans la colonne du deuxième ensemble, le deuxième échangeur à contre-courant est incorporé dans la colonne du premier ensemble.
Selon une autre particularité, le bouilleur du premier ensemble est chauffé par un fluide caloporteur à haute température qui se refroidit peu, notamment de moins de 10βC, en traversant le serpentin de chauffage. Selon une autre particularité, dans le serpentin, le fluide entre à 240"C et sort à 230°C.
Un autre but de l'invention est de proposer une utilisation du dispositif.
Ce but est atteint par le fait que les deux condenseurs sont refroidis par un fluide caloporteur qui ne subit qu'une faible élévation de température (notamment inférieure à 10°C) en les traversant, ce fluide étant destiné à transférer cette chaleur à un appareil utilisateur et revenant aux condenseurs par circulation en boucle fermée. A titre d'exemple, ce fluide caloporteur passe de 80°C à 85°C. Dans ces conditions, le fluide du procédé, dans les condenseurs, est à une température légèrement supérieure, par exemple 90°C. Simultanément, l'évaporateur du deuxième ensemble est chauffé par un fluide frigoporteur qui ne subit qu'un faible abaissement de température (notamment inférieure à 10°C) en le traversant, ce fluide étant destiné à refroidir un appareil extérieur, revient à l'évaporateur par circulation en boucle fermée. A titre d'exemple, ce fluide frigoporteur passe de 0°C à - 5°C. Dans ces conditions, le fluide riche dans l'évaporateur est à une température légèrement inférieure, par exemple - 10°C.
En résumé, ce dispositif produit de la chaleur utile à 80°-85C et de la froideur à - 5°C - 0°C.
Un autre but de l'invention est de proposer un autre dispositif à haute performance permettant la production simultanée de chaleur et de froid utiles pour une utilisation en boucle ouverte.
Ce but est atteint par le fait que le dispositif à haute performance de production simultanée de chaleur et de froid utiles à l'aide d'un fluide de travail constitué d'un mélange d'au moins deux corps purs, miscibles, de volatilités différentes, et mis en jeu sous forme diphasique gaz-liquide comportant un premier ensemble composé d'une première colonne à contact diphasique fonctionnant à une première valeur de pression, de température et en séparation et un deuxième ensemble composé d'une deuxième colonne à contact diphasique gaz liquide, la deuxième colonne travaillant à une seconde valeur de pression et de température inférieure à la première valeur et en mélangeur est caractérisé en ce que le premier ensemble comporte successivement dans le sens de circulation du gaz un bouilleur, la colonne de séparation et un condenseur, le bouilleur étant int gré à la partie basse de la colonne, un second échangeur intégré dans la colonne refroidissant la phase pauvre en composé volatil sortant du pied de la colonne et un condenseur intégré dans la partie haute de la colonne ; le second ensemble comportant successivement dans le sens de circulation du gaz un evaporateur intégré dans la partie basse de la colonne de melangeage et un condenseur intégré dans la partie haute de la colonne ; la phase riche en composé volatil sortant de la colonne de séparation en dessous du condenseur étant refroidie dans un échangeur à contre-courant intégré dans la colonne de melangeage, le mélange inférieur sortant de la deuxième colonne au-dessus de l'évaporateur est réchauffé dans un second échangeur intégré à la deuxième colonne et se trouvant réinje- té dans la première colonne au dessous du condenseur et au-dessus du second échangeur de la première colonne ; la phase pauvre en composé volatil est refroidie en sortant de la première colonne et réinjectée dans la deuxième colonne en dessous du condenseur et au- dessus du double échangeur intégré.
Selon une autre particularité, les deux condenseurs échauffent le fluide caloporteur de 20° C à 85° C, l'évaporateur refroidit le fluide frigoporteur de 12° C à 7 ° C et le bouilleur refroidit la vapeur de chauffage de 220 à 85 °C.
Selon une autre particularité, les deux condenseurs produisent de la chaleur utile à partir de chaleur gratuite prélevée dans l'environnement, ainsi le fluide caloporteur passe de la température ambiante (par exemple 20°C) à une température de l'ordre de 60"C à 100°C (par exemple 85°C) simultanément le fluide de chauffage du bouilleur passe d'une haute température (par exemple supérieure à 200°C) à cette même température intermédiaire, de l'ordre de 60°C à 100°C (par exemple 85°C).
Selon une autre particularité, la vapeur de chauffage est fournie par l'eau de ville circulant dans un serpentin disposé dans une chambre de combustion de fuel.
Selon une autre particularité, le mélange utilisé dans les colonnes à contact diphasique est de l'eau et du glycol.
Selon une autre particularité de l'invention, le mélange utilisé dans les colonnes à contact diphasique est composé d'un corps volatil dont la température d'ébullition sous un bar est comprise entre - 35°C et + 80°C et de préférence entre - 20°C et + 20°C, et d'un corps volatil dont la température d'ébullition sous un bar est supérieure ou égale à 100°C.
A titre d'exemple, la machine opérera avec le couple eau, ammoniac, la colonne de séparation opérant sous une pression de 20 bar et la colonne de melangeage sous 0,7 bar.
A titre d'autres exemples, le corps volatil est une aminé (mono-, di- ou tri-méthylamine) ou un éther (diméthyléther, diéthyléther, méthyléthylether) un alcool (méthanol, éthanol) l'acétone.
Autres exemples, le corps peu volatil est l'eau, un glycol, les glycols, (monéthylène, glycol, di-éthylène glycol, propylène glycol, etc...), le glycérol.
En choisissant judicieusement les deux corps, l'évaporateur pourra refroidir le fluide frigoporteur jusqu'à - 20°C et - 30°C et les condenseurs produiront de la chaleur utile jusqu'à 100"C et 120βC.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique d'un dispositif de production simultanée de chaleur et de froid en circuit fermé selon l'invention avec des colonnes adiabatiques ; - la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation d'un tel dispositif à circuit fermé avec des colonnes diabatiques ;
- la figure 3 représente un troisième mode de réalisation d'un dispositif à colonnes diabatiques et à circuit ouvert ;
- la figure 4 représente un troisième mode de réalisation d'un dispositif à colonnes diabatiques et à circuit ouvert. Le premier mode de réalisation de l'invention, représenté à la figure 1, comprend un premier ensemble d'éléments de transfert thermique, associant dans la direction de circulation de la vapeur indiquée par la flèche V, un bouilleur ou désorbeur (3) alimenté en fluide caloporteur à 240 " C pour réchauffer le mélange diphasique à 220 ° C, le fluide caloporteur ressortant à 230 ° C du bouilleur (3) . Ce bouilleur (3) alimente en série une colonne (1) de séparation à contact diphasique gaz-liquide fonctionnant sous une pression de 20 bar et à une température comprise entre 220° C à sa base et 90 ° C au sommet. Le sommet de la colonne (1) est relié en série à un condenseur (5) recevant le mélange diphasique à 90 ° C pour échauffer un liquide caloporteur de 80° C à 85 °C, ce liquide servant de source de chaleur. La phase riche en composé volatil (R) prélevée en haut de la colonne de séparation (1) au dessous du condenseur (5) est envoyée sur l'évaporateur (6) d'un deuxième ensemble après être passée dans un échangeur thermique (7) à contre-courant. La phase pauvre en composé volatil (P) prélevée en bas du premier ensemble dans le bouilleur (3) est envoyée en haut d'ure colonne (2) appartenant à un deuxième ensemble après être passée dans un deuxième échangeur thermique à contre-courant (8) . Le deuxième ensemble est constitué par l'association en série et dans le sens de circulation des vapeurs indiquée par la flèche V d'un evaporateur (6) d'une colonne mélangeuse (2) et d'un condenseur (4) . L'évaporateur (6) reçoit un fluide frigoporteur à 0° C et le réfrigère à - 5° C. Cet evaporateur (6) utilise pour refroidir le fluide frigoporteur l'évaporation de la phase riche (R) qui est injectée à - 10° en bas de l'évaporateur (6) . La colonne mélangeuse (2) travaille à une pression de 0,7 bar, inférieure à la pression de la première colonne et dans une gamme de température variant de - 10° C à 90° C, inférieure à la gamme de températures de la première colonne.
Le sommet de la colonne est relié en série à un condenseur (4) qui reçoit le fluide caloporteur à 80° C et l'élève à 85° C. Ce condenseur (4) reçoit de la colonne mélangeuse (2) la vapeur de mélange diphasique à 90° C.
La phase pauvre (P) refroidie de 220° C à 90° C après le passage dans l'échangeur thermique est injectée en haut de la colonne sous le condenseur (4) tandis que le mélange supérieur (U) sortant de la tête de la colonne du deuxième ensemble à 90° C, sert de contre-courant pour refroidir la phase pauvre (P) , ce mélange supérieur s'échauffant de 90° C à 220° C. Le mélange inférieur (B) sortant du pied de la colonne du deuxième ensemble à -10° C sert de contre-courant au premier échangeur (7) et se réchauffe de -10° C à 90° C pendant que la phase riche (R) se refroidit de 90° C à -10° C dans l'échangeur (7). La deuxième colonne du deuxième ensemble fonctionne en rectification inverse. Ainsi, par l'association des deux ensembles et des échangeurs thermiques on obtient un dispositif à haute performance permettant de fournir simultanément de la chaleur et du froid en utilisant pour les gammes de températures indiquées un mélange eau-ammoniac.
Un dispositif simple et à haut rendement, fonctionnant en circuit fermé avec des colonnes adiabatiques est ainsi réalisé. La deuxième variante représentée à la figure 2 permet, comme pour la première variante, de fournir de la chaleur et du froid fonctionnant en circuit fermé et se distingue essentiellement de la première variante par le fait que les échangeurs de chaleur (7, 8) sont maintenant incorporés dans les colonnes (1, 2) qui deviennent des colonnes diabatiques. Ainsi, la phase riche (R) se refroidit de 90°C à -10°C en s'écoulant du haut en bas dans un serpentin (71) incorporé dans la colonne de melangeage et le mélange inférieur (B) se réchauffe de - 10°C à 90°C dans un deuxième serpentin (70) incorporé dans cette même colonne de melangeage (2) et va alimenter le haut de la colonne de séparation (1) . De même, la phase pauvre (P) récupérée en bas de la colonne séparateur (1) se refroidit de 220 à 90° en s'écoulant de bas en haut dans un serpentin (81) incorporé dans la colonne de séparation (1) qui devient ainsi diabatique. Le mélange supérieur (U) , d'une part alimente la colonne de melangeage (2) et, d'autre part se réchauffe de 90°C à 220°C dans un deuxième serpentin (80) incorporé dans la colonne de séparation diabatique (1) .
L'avantage du deuxième mode de réalisation de la colonne diabatique est d'obtenir un rendement exergétique nettement plus grand que le rendement obtenu à l'aide de colonnes adiabatiques du premier mode.
La variante de réalisation de la figure 3 correspond à un exemple d'application, notamment dans les immeubles résidentiels, les centres commerciaux où le fluide s'écoule en circuit ouvert et où il s'agit de produire de l'eau à 85°C pour usage sanitaire à partir de l'eau du réseau urbain à 20°C.
Dans cette variante, les deux condenseurs (50, 40) sont intégrés aux deux colonnes (1, 2) de contacts à gaz liquide de sorte qu'ils réchauffent le fluide caloporteur de 20°C à 85°C. Le serpentin (30) du bouilleur de la colonne de séparation (1) est également incorporé dans cette colonne de sorte que la vapeur de chauffage qui entre à 220"C en ressort sous forme de liquide sous-refroidi à 85°C. Un serpentin (81) de refroidissement de la phase pauvre (P) en composé volatil est situé en vis-à-vis du serpentin (30) du bouilleur et refroidit cette phase pauvre (P) de 220°C à 85°C avant de réintroduire, par un répartiteur (82) cette phase pauvre (P) dans le milieu de la colonne (2) en dessous du serpentin (40) du condenseur et au-dessus de l'échangeur (70, 71) incorporé à la colonne. La phase riche (R) récupérée en dessous du serpentin (50) du condenseur de la première colonne (1) de séparation est envoyée dans un serpentin (71) disposé dans la deuxième colonne (2) de rectification inverse dont l'autre extrémité est renvoyée par un répartiteur (72) au-dessus du serpentin (60) de l'évaporateur de la colonne (2) de rectification inverse. Un récupérateur (73) disposé en dessous du serpentin (71) de l'échangeur et au-dessus du répartiteur (72) récupère un mélange inférieur (B) qui est envoyé dans le serpentin (70) de l'échangeur pour le réchauffer de -10°C à 85°C avant d'injecter ce mélange inférieur (B) au-dessus du serpentin du bouilleur (30) de la colonne de séparation (1) par un répartiteur (74) . Une dernière variante de l'invention est représentée par la figure 4 et correspond à une utilisation dans laquelle le dispositif de la figure 3 est utilisé pour chauffer de l'eau de ville de 20°C à 70°C et d'autre part alimenter un système d'air conditionné fonctionnant entre 12°C et 7°C. Dans cette variante, le serpentin (30) du bouilleur est alimenté par de la vapeur à 220°C fournie par un serpentin (90) alimenté par de l'eau de ville à 20°C et circulant dans une chambre à combustion (9) alimentée en fuel et élevant cette eau de ville à 220°C. Les autres éléments sont identiques au dispositif de la figure 3. Seules les plages de température ont été modifiées.
On a ainsi décrit des dispositifs qui permettent à la fois de fournir de la chaleur et du froid utiles, tout en ayant de très hautes performances. Le dispositif de l'invention pourra être adapté à d'autres plages de température à condition de changer le couple des corps miscibles en fonction des plages de température souhaitées. On pourra utiliser un mélange eau + glycol pour les petits froids de + 5°C à + 15°C et les chaleurs de 60°C à 70°C. Par contre, pour les températures inférieures à 0° C, on préférera un mélange glycol avec l'un des trois composants suivants, éthanol, méthanol et acétone ou encore un mélange d'eau et d'ammoniac ou l'une des trois méthylamines. Lorsque le bouilleur de la colonne devra être à environ 300°C pour fournir une source chaude à + 120°C pour stérilisation, on utilisera le glycérol avec l'un des trois composants suivants éthanol, méthanol et acétone. Enfin, si l'on veut monter à des températures encore plus élevées pour le bouilleur, on choisira une huile lourde comme un hydrocarbure bouillant à plus de 200°C sous un bar, associé à un hydrocarbure bouillant à une température inférieure à 100°C sous un bar.
L'association de colonnes diabatiques, l'une fonctionnant en séparateur par distillation, l'autre en élangeur par distillation-inverse, associée au choix i'un couple de corps miscible adéquat en fonction des plages de températures, permet de réaliser un dispositif produisant une chaleur et un froid utile de réalisation simple et de très haute performance. D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif à haute performance de production simultanée de chaleur et de froid utiles à l'aide d'un fluide de travail constitué d'un mélange d'au moins deux corps purs, miscibles, de volatilités différentes et mis en jeu sous forme diphasique gaz-liquide comportant :
- un premier ensemble comportant une première colonne (1) à contact diphasique gaz-liquide à contre- courant fonctionnant à une première valeur de pression et de température et ayant pour fonction de séparer le mélange en, d'une part, une phase riche en corps volatil et, d'autre part, une phase pauvre en corps volatil ;
- un deuxième ensemble comportant une deuxième colonne (2) à contact diphasique gaz liquide à contre- courant, la deuxième colonne (2) travaillant à une seconde valeur de pression inférieure à la première valeur et une valeur de température inférieure à la première valeur et ayant pour fonction de remélanger les phases riche et pauvre , caractérisé en ce que le premier ensemble comporte successivement dans le sens de circulation du gaz un bouilleur (3) ou désorbeur, une colonne de séparation (1) et un condenseur (5) ;
- le deuxième ensemble comportant successivement dans le sens de circulation des vapeurs un evaporateur
(6) , la colonne de melangeage (2) et un condenseur (4) ;
- la phase riche en composé volatil (R) sortant de la tête de la colonne (1) de séparation du premier ensemble étant refroidie dans un échangeur (7) à contre courant puis injectée dans l'évaporateur (6) du deuxième ensemble ;
- la phase pauvre en composé volatil (P) sortant du pied de la colonne (1) du premier ensemble étant refroidie dans un deuxième échangeur (8) à contre-courant et injectée en tête de la colonne (2) du deuxième ensemble ; - le mélange supérieur (U) sortant de la tête de la colonne (2) du deuxième ensemble servant de contre- courant au deuxième échangeur (8) et étant réinjectée au pied de la colonne (1) du premier ensemble dans le bouilleur (3) ;
- le mélange inférieur (B) sortant du pied de la colonne (2) du deuxième ensemble servant de contre- courant au premier échangeur (7) et étant réinjecté en tête de la colonne (1) du premier ensemble. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les colonnes (1,
2) sont adiabatiques.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième colonne sont "diabatiques" ou "non-adiabatiques" en ce sens que les colonnes de séparation et de melangeage ne sont plus isolées thermiquement mais au contraire chauffées ou refroidies par des échangeurs,le premier échangeur (7) à contre-courant étant incorporé dans la colonne (2) du deuxième ensemble, le deuxième échangeur (8) à contre- courant étant incorporé dans la colonne (1) du premier ensemble.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bouilleur du premier ensemble est chauffé par un fluide caloporteur à haute température qui se refroidit peu, notamment de moins de 10°C, en traversant le serpentin de chauffage.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le serpentin, le fluide entre à 240°C et sort à 230°C.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux condenseurs, celui du premier ensemble et celui du second ensemble, sont refroidis par un fluide caloporteur qui ne subit qu'une faible élévation de température, notamment inférieure à 10°C, en traversant les serpentins de refroidissement.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, dans le serpentin de refroidissement, le fluide entre à 80"C et sort à 85°C.
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évaporateur du second ensemble est chauffé par un fluide frigoporteur qui ne subit qu'un faible abaissement de température, notamment inférieur à 10°C en traversant le serpentin de chauffage.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que, dans le serpentin de chauffage, le fluide entre à 0°C et sort à - 5°C.
10. Dispositif à haute performance de production simultanée de chaleur et de froid utiles à l'aide d'un fluide de travail constitué d'un mélange d'au moins deux corps purs, miscibles, de volatilités différentes et mis en jeu sous forme diphasique gaz-liquide comportant un premier ensemble comportant une première colonne (1) à contact diphasique fonctionnant à une première valeur de pression, de température et en séparation et un deuxième ensemble contenant une deuxième colonne (2) à contact diphasique gaz liquide, la deuxième colonne travaillant à une seconde valeur de pression et de température inférieure à la première valeur et en mélangeur, caractérisé en ce que le premier ensemble comporte successivement dans le sens de circulation du gaz un bouilleur, une colonne de séparation (1) et un condenseur (5) , le bouilleur (30) étant intégré à la partie basse de la colonne sous forme d'un échangeur (30) de chauffage de la colonne, la colonne étant également chauffée par un second échangeur (81) intégré dans la colonne et refroidissant la phase pauvre (P) en composé volatil sortant du pied de la colonne, la colonne étant refroidie par un condenseur (50) intégré dans la partie haute de la colonne (1) ; le second ensemble comportant successivement dans le sens de circulation des vapeurs un evaporateur (60) intégré dans la partie basse de la colonne de melangeage (2) et un condenseur (40) intégré dans la partie haute de la colonne (2) ; la phase riche (R) en composé volatil sortant de la colonne de séparation (1) en dessous du condenseur (50) étant refroidie dans un échangeur (71) intégré dans la colonne de melangeage (2) , avant d'être injectée (72) dans la colonne au-dessus de l'évaporateur, le mélange inférieur (B) sortant de la deuxième colonne (2) au-dessus de l'évaporateur (60) est réchauffé en traversant un second échangeur (70) intégré à la deuxième colonne (2) et se trouvant réinjecté dans la première colonne (1) au dessous du condenseur (50) et au-dessus du second échangeur (81) de la première colonne ; la phase pauvre (P) en composé volatil est refroidie en sortant de la première colonne (1) et réinjectée dans la deuxième colonne (2) en dessous du condenseur (40) et au-dessus des échangeurs (70, 71) .
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les deux condenseurs produisent de la chaleur utile à partir de chaleur gratuite prélevée dans l'environnement, ainsi le fluide caloporteur passe de la température ambiante (par exemple 20°C) à une température de l'ordre de 60"C à 100"C (par exemple 85°C) simultanément le fluide de chauffage du bouilleur passe d'une haute température (par exemple supérieure à 200°C) à cette même température intermédiaire, de l'ordre de 60°C à 100°C (par exemple 85°C) .
12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la vapeur de chauffage est fournie par evaporation de l'eau de ville circulant dans un serpentin disposé dans une chambre de combustion de fuel.
13. Dispositif selon la revendication 1 ou 10, caractérisé en ce que le corps volatil du mélange est un composé dont la température d'ébullition sous un bar est comprise entre - 35° C et + 80°C.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la température d'ébullition sous un bar est de préférence entre - 20°C et + 20° C.
15. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les principaux composés utilisables sont l'ammoniac, les méthylamines (mono- di- et tri-), les éthers (diméthyl, diéthyl, méthyl-éthyl) , les alcools (méthanol, éthanol) , l'acétone.
16. Dispositif selon la revendication 1 ou 10, caractérisé en ce que le corps peu volatil du mélange est un composé dont la température d'ébullition sous un bar est supérieure ou égale à 100"C.
17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les principaux composés utilisables sont l'eau, les glycols, (monéthylène, glycol, di- éthylène glycol, propylène glycol, etc...), le glycérol.
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