FR2993639A1

FR2993639A1 - Systeme de refrigeration hybride a compression/absorption

Info

Publication number: FR2993639A1
Application number: FR1202024A
Authority: FR
Inventors: Laurent Rigaud; Francis Kindbeiter
Original assignee: Coldway SA
Current assignee: Sofrigam Fr
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-01-24
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: CN104471329A; CA2878649A1; EP2875292A1; US9702593B2; WO2014013146A1; CN104471329B; US20150121916A1; JP2015522791A; FR2993639B1; BR112015001110A2; IN2014KN03006A

Abstract

La présente invention concerne un procédé et un système de réfrigération. Ce système est caractérisé en ce que : - il comporte un système thermochimique (9) du type comprenant un réacteur (1) contenant un produit réactif apte à absorber un gaz, le produit réactif et le gaz étant tels que, lorsqu'ils sont mis en présence l'un de l'autre, ils sont l'objet d'une réaction ayant pour effet l'absorption du gaz par le produit réactif et, à l'inverse, ils sont l'objet d'une réaction de désorption du gaz absorbé par le produit réactif sous l'effet d'un chauffage appliqué à celui-ci, le système thermochimique possédant deux phases de fonctionnement, à savoir une phase de production de froid et une phase de régénération, - il comporte des moyens de mesure (14) et de commande (19) de l'entrée dans la phase de régénération du système thermochimique (9).

Description

SYSTEME DE REFRIGERATION HYBRIDE A COMPRESSION/ABSORPTION La présente invention concerne un système de réfrigération et de maintien à basse température d'une enceinte, notamment constituée d'un conteneur isotherme, du type notamment disposée sur un véhicule destiné au transport de marchandises, cette enceinte nécessitant tout au long de celui-ci un maintien au froid.

On sait que certains conteneurs réfrigérés isothermes sont équipés d'un dispositif de refroidissement de type à compresseur, dit groupe frigorifique, dans lequel le froid est produit par évaporation d'un liquide frigorigène dans un évaporateur disposé dans l'enceinte du conteneur à refroidir, le gaz étant ensuite comprimé dans le compresseur pour se condenser dans un condenseur disposé à l'extérieur de ladite enceinte. Si de tels dispositifs présentent l'avantage de permettre une production de froid en continu, ils présentent cependant de notables inconvénients. Une première série d'inconvénients tient au fait que ces dispositifs doivent obligatoirement être connectés en permanence à une alimentation en énergie, notamment en énergie électrique, nécessaire au fonctionnement du compresseur, cette dernière étant généralement constituée d'un alternateur entraîné soit par un moteur thermique associé au conteneur soit par le réseau électrique classique. Or, de par leur constitution, de tels dispositifs présentent l'inconvénient notable de constituer une source permanente de pollution qui se manifeste tant à la fois sur le plan sonore que sur le plan environnemental. Il en résulte que de tels moyens de production de froid se révèlent inopérants dès lors que, soit le véhicule transporteur de l'enceinte réfrigérée se trouve dans une zone où les moteurs thermiques sont interdits de fonctionnement soit, plus simplement, lorsque pour diverses raisons la source d'énergie se révèle inutilisable. Une seconde série d'inconvénients de ces systèmes de réfrigération est d'une part leur poids et leur encombrement et d'autre part le niveau de leur prix et de leur entretien.

Par ailleurs on sait que, pour des raisons notamment de sécurité, il est habituel de mettre en oeuvre sur les véhicules de transport des systèmes de réfrigération dont la capacité est supérieure à celle qui leur serait rigoureusement nécessaire, de façon que, dans l'hypothèse où pour certaines raisons spécifiques et ponctuelles, un surcroît d'énergie s'avérerait nécessaire, les systèmes soient en mesure de délivrer celui-ci. Or on sait que ce surcroît d'énergie potentielle qui se trouve en quelque sorte en réserve, représente en surcoûts de matériel et d'entretien une part importante de l'investissement de réfrigération global. On connaît également par ailleurs, notamment par les demandes de brevet FR10.04120 et FR11.03209 au nom de la demanderesse, des systèmes thermochimiques de production de froid qui sont essentiellement composés de deux éléments à savoir, un évaporateur contenant un gaz sous phase liquide et un réacteur contenant des sels réactifs. Un tel système thermochimique fonctionne en deux phases distinctes, à savoir une phase de production de froid et une phase de régénération. Lors de la phase de production de froid, ou phase basse pression, l'ammoniac emmagasiné dans l'évaporateur s'évapore ce qui génère la production de froid souhaitée, et cet ammoniac sous phase gazeuse vient se fixer au cours d'une réaction thermochimique exothermique sur des sels réactifs contenus dans le réacteur. On comprend que dans un tel système, une fois la réserve d'ammoniac liquide contenue dans l'évaporateur épuisée, la phase de production de froid est terminée et le système doit alors être réactivé au cours de la phase dite de régénération. Au départ de la phase de régénération, ou phase haute pression, le réacteur contient un produit de réaction résultant de la combinaison du gaz avec le sel réactif. L'opération de régénération consiste à libérer ce gaz par chauffage du produit de réaction contenu dans le réacteur et, une fois libéré, ce gaz vient se condenser dans un condenseur. Dès lors, le système thermochimique se trouve de nouveau disponible pour un nouveau cycle de production de froid. Les systèmes thermochimiques de production de froid de ce type présentent l'avantage d'être en mesure de générer du froid de façon quasi instantanée, par la simple libération dans le réacteur du gaz contenu dans l'évaporateur. De tels systèmes sont également particulièrement intéressants dans la mesure où ils permettent de stocker sous forme potentielle une importante quantité de frigories déterminée. On sait cependant que l'inconvénient majeur des systèmes thermochimiques de production de froid est leur incapacité à fonctionner de façon totalement continue puisque leur phase de production de froid doit impérativement être suivie d'une phase de régénération. De plus, cette phase de régénération se déroulant sous haute pression et à haute température cela génère des contraintes mécaniques élevées à l'ensemble du système thermochimique ce qui se répercute au niveau du poids et au niveau du coût de celui-ci. La présente invention a pour but de proposer un système de production et de maintien de froid qui combine les avantages des deux techniques de production de froid précitées. La présente invention a également pour but de diminuer la pression lors de la phase de régénération, de façon à réduire les contraintes mécaniques auxquelles sont soumis les éléments du système thermochimique. La présente invention a également pour but de proposer des moyens permettant de compléter les dispositifs de réfrigération de type à compresseur permettant de satisfaire à des besoins de surpuissance ponctuelle de ces derniers sans qu'il soit nécessaire pour autant de les surdimensionner sur le plan technique. La présente invention a ainsi pour objet un système de réfrigération et de maintien à une température de consigne déterminée d'une enceinte renfermant l'évaporateur d'un groupe frigorifique, caractérisé en ce que : - il comporte un système thermochimique du type comprenant un réacteur contenant un produit réactif apte à absorber un gaz, un condenseur et un évaporateur disposés dans ladite enceinte, le produit réactif et le gaz étant tels que, lorsqu'ils sont mis en présence l'un de l'autre, ils sont l'objet d'une réaction ayant pour effet l'absorption du gaz par le produit réactif et, à l'inverse, ils sont l'objet d'une réaction de désorption du gaz absorbé par le produit réactif sous l'effet d'un chauffage appliqué à celui-ci lorsqu'il a absorbé du gaz, le système thermochimique possédant deux phases de fonctionnement, à savoir une phase de production de froid et une phase de régénération, - le système comporte des moyens de mesure et de commande aptes à n'autoriser l'entrée dans la phase de régénération du système thermochimique qu'à la condition que si la température du condenseur de celui-ci se situe au-dessous d'une température de seuil déterminée. Préférentiellement le système de réfrigération et de maintien en température suivant l'invention comportera des moyens de commande aptes à bloquer le passage du système thermochimique vers sa phase de production de froid tant que le fonctionnement du groupe frigorifique ne sera pas interrompu. Le blocage du système thermochimique pourra être obtenu en maintenant en fonctionnement des moyens de chauffage du réacteur après la phase de régénération de celui-ci. Préférentiellement les moyens de chauffage du réacteur seront les mêmes que ceux utilisés lors de la phase de régénération du système thermochimique. Le système thermochimique mis en oeuvre dans le système de production et de maintien de froid suivant l'invention pourra avantageusement faire appel à du gaz ammoniac et à un produit réactif constitué de chlorure de manganèse. Dans un tel mode de mise en oeuvre la température de seuil pourra être de l'ordre de 5°C. Par ailleurs le système suivant l'invention pourra comporter des moyens de commande aptes à activer le système thermochimique lorsque la température dans l'enceinte s'élèvera au-dessus d'un certain seuil déterminé. La présente invention a également pour objet un procédé de réfrigération et de maintien à une température de consigne déterminée d'une enceinte au moyen d'un groupe frigorifique et d'un système thermochimique du type comportant un réacteur contenant un produit réactif apte à absorber un gaz, un condenseur et un évaporateur disposés dans ladite enceinte, le produit réactif et le gaz étant tels que, lorsqu'ils sont mis en présence l'un de l'autre, ils sont l'objet d'une réaction ayant pour effet l'absorption du gaz par le produit réactif et, à l'inverse, ils sont l'objet d'une réaction de désorption du gaz absorbé par le produit réactif sous l'effet d'un chauffage appliqué à celui-ci lorsqu'il a absorbé du gaz, le système thermochimique possédant deux phases de fonctionnement, à savoir une phase de production de froid et une phase de régénération, caractérisé en ce que l'on autorise l'entrée dans la phase de régénération du système thermochimique à la condition que la température du condenseur de celui-ci se situe au-dessous d'une température de seuil déterminée. Suivant l'invention on pourra bloquer le passage du système thermochimique vers sa phase de production de froid tant que le fonctionnement du groupe frigorifique ne sera pas interrompu. On pourra également suivant l'invention commander le fonctionnement simultané du groupe frigorifique et du système thermochimique, notamment afin de soulager ce dernier de la puissance de refroidissement qui lui est demandée. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue schématique d'un véhicule équipé d'un système de réfrigération et de maintien en température suivant l'invention, - la figure 2 est une vue de détail du système thermochimique mis en oeuvre dans le système suivant l'invention, - les figures 3a et 3b sont des diagrammes représentant le cycle de fonctionnement d'un système thermochimique respectivement suivant l'état antérieur de la technique et suivant la présente invention. On a représenté sur la figure 1 un camion de livraison 1 qui est pourvu d'un conteneur isotherme réfrigéré 3. Le camion 1 est pourvu d'un groupe frigorifique 5 à compresseur de type classique dont le compresseur et le condenseur sont disposés sur le toit du véhicule et qui comporte un évaporateur 7 disposé à l'intérieur du conteneur réfrigéré 3.

Le véhicule 1 est également pourvu d'un système thermochimique 9 qui comprend, ainsi que représenté également sur la figure 2, un réacteur 11 disposé à l'extérieur du conteneur 3, un réservoir 13, ainsi qu'un évaporateur 15 et un condenseur 17 qui sont disposés à l'intérieur de ce dernier. De façon connue le réacteur 1 contient un produit réactif, par exemple en l'espèce du chlorure de manganèse en mesure d'absorber un gaz spécifique contenu dans le réservoir 13, en l'espèce de l'ammoniac. A la mise en marche du système thermochimique, (phase de production de froid) c'est-à-dire à l'ouverture du réservoir 13, le gaz contenu dans celui-ci s'évapore dans l'évaporateur 15, ce qui génère la production de froid souhaitée, et vient se combiner avec le produit réactif du réacteur suivant une réaction thermochimique exothermique. Une fois la réserve de gaz épuisée on passe à la phase de régénération au cours de laquelle on chauffe le produit de réaction qui, par une réaction thermochimique inverse, libère le gaz sous phase gazeuse et celui-ci vient se condenser dans le condenseur 17 et est récupéré dans le réservoir 13. Le cycle de fonctionnement est alors terminé. Le système suivant l'invention comporte par ailleurs des moyens de gestion 19 qui sont pilotés, notamment au moyen d'un microcontrôleur, et qui sont aptes à contrôler les diverses étapes de fonctionnement du groupe frigorifique 5 et du système thermochimique 9. Suivant l'invention, au départ, c'est-à-dire lorsque le conteneur 3 se trouve à une température voisine de la température extérieure, les moyens de gestion 19 activent le fonctionnement du groupe frigorifique 5 jusqu'à ce que la température à l'intérieur de l'enceinte 3 atteigne la température de réfrigération de consigne souhaitée.

Ensuite, au cours par exemple d'opérations de livraison, ou pour toute autre raison, par exemple afin d'éviter une pollution sonore ou environnementale, le fonctionnement du groupe frigorifique 5 peut se voir interrompu et, dès lors, les moyens de gestion 19 activent le fonctionnement du système thermochimique 9 qui prend le relais du groupe frigorifique et assure le maintien à la température de consigne Te de l'enceinte réfrigérée 3. Le système thermochimique peut également être utilisé simultanément au groupe frigorifique ce qui permet soit à puissance de réfrigération égale de faire appel à un compresseur de moindre puissance et donc d'un coût très inférieur, soit à constitution identique du compresseur de disposer d'une puissance frigorifique améliorée. Lorsque la phase de production de froid, ou phase basse pression, du système thermochimique se termine les moyens de gestion 19 commandent, sous certaines conditions ainsi qu'il sera expliqué ci-après, le passage de celui-ci en phase de régénération. Et pour ce faire on chauffe le réacteur 11 au moyen par exemple d'un manchon chauffant 12 contrôlé en température. De façon particulièrement intéressante et suivant l'invention, cette phase de régénération s'effectue alors que le condenseur 17 du système thermochimique 9 se trouve à une température Tc voisine de celle de l'enceinte réfrigérée 3, c'est-à-dire à une température relativement basse par rapport à la température extérieure, température à laquelle s'effectue habituellement la régénération suivant l'état antérieur de la technique. En effet, le condenseur 17 étant situé à l'intérieur du conteneur réfrigéré, la température de celui-ci, qui est par exemple de l'ordre de 5°C, est très inférieure à celle à laquelle s'effectue habituellement la condensation.

On a représenté sur les figures 3a et 3b des cycles de fonctionnement respectifs de deux systèmes thermochimiques de même constitution, à savoir même gaz (ammoniac) et même produit réactif (chlorure de manganèse), dans lesquels la condensation au cours de la phase de régénération s'effectue, suivant l'état antérieur de la technique, d'une part à une température de condensation proche de la température ambiante, à savoir par exemple une température pouvant dans certaines conditions de fonctionnement se situer aux environs de 64°C et, d'autre part suivant l'invention, à une température voisine de celle existant dans l'enceinte 3, à savoir 5°C. On constate sur ces courbes que la pression existant dans le système thermochimique lors de la phase de régénération, ou phase haute pression, a une valeur PHp de l'ordre 30 hPa suivant l'état antérieur de la technique alors que, suivant l'invention, cette pression P'Hp est de l'ordre de 5 hPa. On constate par ailleurs sur ces mêmes courbes que la température TH à laquelle le réacteur du système thermochimique doit être soumis pour assurer la phase de régénération existant dans le système thermochimique lors de cette phase haute pression, est de l'ordre de 180 °C suivant l'état antérieur de la technique alors que cette température T' H est de l'ordre de 118°C suivant l'invention. La présente invention permet donc de réaliser la phase de régénération du système thermochimique à une température et sous une pression qui sont très inférieures à ce qu'elles sont suivant l'état antérieur de la technique. Elle permet ainsi de réaliser des systèmes thermochimiques dont les qualités de résistance mécanique sont inférieures à ce qu'elles sont habituellement, permettant ainsi de faire appel pour réaliser ces derniers à des matériaux dont les caractéristiques mécaniques sont moins élevées, et/ou à des constituants de moindre épaisseur, ce qui permet de diminuer les coûts de production de ces appareils. Il devient ainsi possible par exemple de réaliser des réacteurs et/ou des évaporateurs/condenseurs constitués notamment de matériaux de synthèse en remplacement de l'acier inoxydable particulièrement lourd et coûteux utilisé habituellement. Elle permet de plus de faire appel à des sels réactifs moins performants que ceux utilisés suivant la technique connue. Pour ce faire les moyens de gestion 19 du système de réfrigération et de maintien en température suivant l'invention sont associés à des moyens aptes à mesurer la température Tc du condenseur 17 du système thermochimique, tels que notamment une sonde de mesure 14. Ainsi, avant de passer à la phase de régénération de celui-ci, les moyens de gestion 19 vérifient si la température Tc du condenseur 17 se trouve bien en dessous d'une valeur de seuil Ts déterminée (par exemple 5°C dans l'exemple illustré par la figure 3b) et, si tel n'est pas le cas, il bloquent la mise en oeuvre de la phase de régénération en bloquant l'activation du manchon chauffant 12, ce qui permet d'éviter que la pression et la température dépassent les valeurs à partir desquelles la résistance mécanique des éléments du système thermochimique ont été conçus. Ainsi, par exemple, si ces éléments mécaniques ont été conçus pour résister à une pression de 5 hPa (point A figure 3b) et une température de 118 °C (point B figure 3b) les moyens de gestion 19 du système suivant l'invention n'autorisent la phase de régénération qu'à la condition que la température du condenseur 17 soit inférieure à la valeur Tm soit 5 °C dans le présent exemple (point C figure 3b).

Le système suivant l'invention est particulièrement intéressant en tant que moyen d'apport complémentaire de frigories. Ainsi que mentionné précédemment les groupes frigorifiques embarqués sur les véhicules sont la plupart du temps surdimensionnés en capacité de réfrigération de façon à être en mesure de faire face à une demande d'énergie frigorifique supplémentaire ponctuelle et imprévue. Suivant l'invention les moyens de gestion 19 qui assurent la commande de fonctionnement du groupe frigorifique 5 et du système thermochimique embarqué 9 peuvent, dans un programme spécifique, commander la mise en route de ce dernier simultanément au groupe frigorifique lorsque la température à l'intérieur de l'enceinte 3 s'élève au-dessus de la valeur de consigne Te déterminée, et commander l'arrêt de celui-ci lorsque la température de consigne est de nouveau atteinte dans l'enceinte. Un tel mode de mise en oeuvre de la présente invention est particulièrement intéressant en ce qu'il permet d'éviter le surdimensionnement des groupes frigorifiques, ce qui représente un gain au niveau de l'encombrement et du poids de ces dispositifs et en conséquence de leur prix de revient. La présente invention est également particulièrement intéressante en ce qu'elle permet, dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, d'éliminer les pièces mécaniques formant les vannes manuelles ou électriques qui commandent le passage du réacteur du système thermochimique de sa position en phase de régénération à sa position en phase de production de froid et inversement. Ainsi, pour empêcher le système thermochimique de passer en phase de production de froid, on laissera après la phase de régénération au cours de laquelle on chauffe le réacteur 11 au moyen du collier chauffant 12, notamment à une température de 118 °C dans le présent exemple (point B figure 3b), en position de chauffage, bloquant ainsi sa position d'équilibre au point D de la courbe 3b. Ainsi, tant que le courant électrique alimente le groupe frigorifique et donc les moyens de chauffage du réacteur du système thermochimique, le passage de ce dernier en phase de production de froid est bloqué. Par contre, dès que le courant électrique vient à être interrompu, le chauffage du réacteur s'interrompt du même coup et le point d'équilibre D se déplace vers le point d'équilibre E. Lorsque celui-ci est atteint, le système thermochimique passe en phase de production de froid. On comprend ainsi que la présente invention permet, sans faire appel à des dispositifs de commutation mécanique, dont la fragilité ainsi que le coût est reconnu, de passer de la phase de régénération à la phase de production de froid de façon fiable.

Claims

REVENDICATIONS1.- Système de réfrigération et de maintien à une température de consigne déterminée (Te) d'une enceinte (3) renfermant l'évaporateur (7) d'un groupe frigorifique (5), caractérisé en ce que : - il comporte un système thermochimique (9) du type comprenant un réacteur (1) contenant un produit réactif apte à absorber un gaz, un condenseur et un évaporateur disposés dans ladite enceinte (3), le produit réactif et le gaz étant tels que, lorsqu'ils sont mis en présence l'un de l'autre, ils sont l'objet d'une réaction ayant pour effet l'absorption du gaz par le produit réactif et, à l'inverse, ils sont l'objet d'une réaction de désorption du gaz absorbé par le produit réactif sous l'effet d'un chauffage appliqué à celui-ci lorsqu'il a absorbé du gaz, le système thermochimique possédant deux phases de fonctionnement, à savoir une phase de production de froid et une phase de régénération, - le système comporte des moyens de mesure (14) et de commande (19) aptes à n'autoriser l'entrée dans la phase de régénération du système thermochimique (9) qu'à la condition que la température du condenseur (17) de celui-ci se situe au-dessous d'une température de seuil (Te) déterminée.
2.- Système de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte (3) suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande (19) aptes à bloquer le passage du système thermochimique vers sa phase de production de froid tant que le fonctionnement du groupe frigorifique (5) n'est pas interrompu.
3.- Système de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte (3) suivant la revendication 2 caractérisé en ce que le blocage du système thermochimique est obtenu en maintenant en fonctionnement des moyens de chauffage du réacteur (11) après la phase de régénération de celui-ci.
4.- Système de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte (3) suivant la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens de chauffage (12) du réacteur (11) sont les mêmes que ceux utilisés lors de la phase de régénération du système thermochimique.
5.- Système de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte (3) suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le groupe frigorifique (5) et le système thermochimique (9) sont en mesure de fonctionner simultanément.
6.- Système de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte (3) suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le système thermochimique (9) fait appel à du gaz ammoniac et à un produit réactif constitué de chlorure de manganèse.
7.- Système de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte (3) suivant la revendication 6 caractérisé en ce que la température de seuil (T5) est de l'ordre de 5°C.
8.- Système de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte (3) suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande (19) aptes à activer le système thermochimique (9) lorsque la température dans l'enceinte (3) s'élève au-dessus d'une valeur de consigne (Te) déterminée.
9.- Procédé de réfrigération et de maintien à une température de consigne déterminée (Te) d'une enceinte (3) au moyen d'un groupe frigorifique (5), et d'un système thermochimique (9) du type comportant un réacteur (11) contenant un produit réactif apte à absorber un gaz, un condenseur (17) et un évaporateur (15) disposés dans ladite enceinte (3), le produit réactif et le gaz étant tels que, lorsqu'ils sont mis en présence l'un de l'autre, ils sont l'objet d'une réaction ayant pour effet l'absorption du gaz par le produit réactif et, à l'inverse, ils sont l'objet d'une réaction de désorption du gaz absorbé par le produit réactif sous l'effet d'un chauffage appliqué à celui-ci lorsqu'il a absorbé du gaz, le système thermochimique (9) possédant deux phases de fonctionnement, à savoir une phase de production de froid et une phase de régénération, caractérisé en ce que l'on autorise l'entrée dans la phase de régénération du système thermochimique (9) à la condition que la température (Tc) du condenseur (17) de celuici se situe au-dessous d'une température de seuil (Te) déterminée.
10.- Procédé de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte (3) suivant la revendication 9 caractérisé en ce que l'on bloque le passage du système thermochimique (9) vers sa phase de production de froid tant que le fonctionnement du groupe frigorifique n'est pas interrompu.
11.- Procédé de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte (3) suivant la revendication 9 caractérisé en ce que l'on commande le fonctionnement simultané du groupe frigorifique (5) et du système thermochimique (9).