BE827031A - Procede de refrigeration ou d'echange de chaleur en circuit ferme - Google Patents

Description

  Procédé de réfrigération ou d'échange de chaleur en circuit fermé. 

  
 <EMI ID=1.1> 

  
Pans certaines industries (par exemple les industries du traitement ou du stockage de denrées alimentaires), de très basses températures de réfrigération (par exemple inférieures

  
 <EMI ID=2.1> 

  
accroître l'efficacité du traitement des aliments. Pour de petices installations industrielles, les systèmes de réfrigération

  
 <EMI ID=3.1> 

  
est par exemple l'azote ou l'anhydride carbonique, évaporé depuis un réservoir à réfrigérant de manière à entrer en contact

  
 <EMI ID=4.1>  <EMI ID=5.1> 

  
 <EMI ID=6.1> 

  
tant ainsi un recyclage et une nouvelle évaporation et diminuant fortement les pertes de réfrigérant. L'installation ci-dessus

  
 <EMI ID=7.1> 

  
fonctionner à des températures inférieures à -68[deg.]C, niveau qui rend particulièreaent; efficace le traitement des'denrées alimentaires.

  
Par contre, dans les systèmes "à air froid", le réfrigérant n'entre jamais en contact avec l'objet à refroidir ou à

  
 <EMI ID=8.1> 

  
refroidie par l'extrémité à basse pression ou d'évaporation du cycle fermé de réfrigération. Les réfrigérants les plus commune- <EMI ID=9.1> 

  
Toutefois, on a employé d'autres réfrigérâmes, parmi lesquels

  
 <EMI ID=10.1> 

  
rares tels que le néon ou l'hélium. Toutefois, des pressions

  
 <EMI ID=11.1> 

  
res quand on utilise ces réfrigérants à très bas point d'ébulli-

  
 <EMI ID=12.1> 

  
pression à cycle fermé dont le réfrigérant est l'anhydride carbo-

  
 <EMI ID=13.1> 

  
Les systèmes de réfrigération à plusieurs réfrigérants sont une création assez récente dans l'histoire de cette technique. On a trouvé que l'on peut obtenir une plus grande capacité de refroidissement avec des mélanges (habituellement binaires) de réfrigérants qui ont des points d'ébullition très différents et qui sont au moins partiellement miscibles en phase liquide. Une caractéristique des systèmes à plusieurs réfrigérants est généra-

  
 <EMI ID=14.1> 

  
condense partiellement le constituant à point d'ébullition le plus élevé à partir de vapeurs comprimées du mélange, en un premier stade de condensation, que l'on sépare la phase condensée et la phase vapeur ainsi obtenues, que l'on condense les vapeurs séparées du constituant à point d'ébullition inférieur en un deuxième stade de condensation, que l'on détend et que l'on évapore les constituants condensés pour obtenir la température de réfrigération désirée, que l'on mélange les vapeurs venant de l'évaporateur et qu'on les recycle vers le stade de compression. Ce type

  
de processus de réfrigération convient particulièrement bien à

  
des mélanges compatibles de réfrigérants, par exemple de "Fréons", ayabt des points d'ébullition très différents.

  
Il a été suggéré que des systèmes plus complexes à plusieurs réfrigérants pourraient réaliser des températures encore plus basses, par exemple si l'on opérait en "cascade", en utilisant  <EMI ID=15.1> 

  
sieurs réfrigérants ou compositions de réfrigérant qui ne sont pratiquement pas miscibles en phase liquide et qui sont capables de coopérer pour assurer les avantages d'un système binaire sans séparation de phases liquide et gazeuse avant la détente dans

  
 <EMI ID=16.1>  des pratiquement non miscibles et on les fait arriver rapidement

  
 <EMI ID=17.1> 

  
 <EMI ID=18.1> 

  
 <EMI ID=19.1> 

  
 <EMI ID=20.1> 

  
 <EMI ID=21.1> 

  
 <EMI ID=22.1> 

  
 <EMI ID=23.1>   <EMI ID=24.1> 

  
peut fonctionner à 20 atmosphères dans la partie à haute pres-

  
 <EMI ID=25.1> 

  
 <EMI ID=26.1> 

  
souplesse que les systèmes antérieurs en ce sens qu'il peut fonctionner sur un plus large intervalle de température sans nécessiter de cycles en cascade* En outre, le système permet l'utilisation de l'anhydride carbonique, l'un des réfrigérants les moins coûteux que l'on connaisse.

  
Le dessin représente schématiquement le cycle fondamental de réfrigération de l'invention.

  
Pour plus de commodité dans la description, on parle ici "d'ébullition" (par exemple dans "point d'ébullition', "réfrigérant à point d'ébullition élevé" etc...) en parlant du passage de l'état liquide à l'état gazeux dans des conditions convenablement choisies (par exemple à pression sur atmosphérique), où les phases considérées peuvent toutes prendre l'état liquide. A

  
 <EMI ID=27.1> 

  
l'entend ici) pourrait donc être une température de sublimation et le réfrigérant à "point d'ébullition plus élevé" pourrait

  
 <EMI ID=28.1> 

  
pérature de sublimation la plus élevée.

  
L'invention concerne généralement un système d'échange de chaleur à plusieurs réfrigérants dans lequel les constituants réfrigérants à point d'ébullition plus élevé et plus bas ne sont pratiquement pas miscibles et dans lequel on les liquéfie et on les mélange physiquement avant la détente dans la partie à basse pression du cycle d'échange de chaleur ou de réfrigération, mais

  
 <EMI ID=29.1> 

  
sur l'utilisation d'anhydride carbonique avec d'autres réfrigérants (de préférence à point d'ébullition plus élevé) qui ne sont pas miscibles à l'anhydride carbonique en phase liquide. On a utilisé l'anhydride carbonique dans divers types de systèmes à cycle fermé, mais antérieurement, l'intervalle de température  <EMI ID=30.1> 

  
sion supérieure à 5 atmosphères par exemple, l'anhydride carbonique peut être liquide. Son point de congélation à une pression

  
 <EMI ID=31.1> 

  
faction du gaz naturel, en vertu de sa chaleur de sublimation,

  
 <EMI ID=32.1> 

  
très efficace (voir brevet des Etats-Unis d'Amérique N[deg.] 3 400 545). Toutefois, la pression absolue d'aspiration à -15*C est de 23,3

  
 <EMI ID=33.1> 

  
Ces valeurs sont très supérieures aux valeurs correspondantes de l'ammoniac, de l'anhydride sulfureux et des "Fréons". Cependant,

  
 <EMI ID=34.1> 

  
l'état liquide, il est considéré comme non miscible au C02 liquide.

  
On considérera maintenant le dessin ; une charge appro-

  
 <EMI ID=35.1> 

  
 <EMI ID=36.1> 

  
 <EMI ID=37.1> 

  
 <EMI ID=38.1> 

  
autre halogénoalcane) approche de 95% en volume, le systèm e se comporte de plus en plus comme un système classique de conditionnement d'air et sa Capacité de refroidissement diminue de plus en plus. Le compresseur 11 comprime la charge à environ 20 atmosphères. Le mélange comprimé est refroidi dans le condenseur 12,  <EMI ID=39.1> 

  
non condensé refroidi arrivent au circuit extérieur de

  
 <EMI ID=40.1> 

  
 <EMI ID=41.1> 

  
 <EMI ID=42.1> 

  
 <EMI ID=43.1> 

  
16, étant des substances non miscibles par nature, et sont envoyés immédiatement par le détendeur 14-, à l'évaporateur 15 maintenu à une pression d'aspiration inférieure à 3 atmosphères.

  
 <EMI ID=44.1> 

  
 <EMI ID=45.1> 

  
mélange à une température très proche du point de saturation du

  
 <EMI ID=46.1> 

  
capacité du compresseur 11 (à une pression relative de 0,7 kg/cm ,

  
 <EMI ID=47.1> 

  
 <EMI ID=48.1> 

  
 <EMI ID=49.1> 

  
le tube intérieur de l'échangeur de chaleur à contre-courant 13.

  
 <EMI ID=50.1> 

  
d'abord le mélange du tube extérieur et se réchauffe jusqu'à la .saturation, puis s'évapore à la pression partielle qui règne assu- <EMI ID=51.1> 

  
de l'échangeur de chaleur à contre-courant et est renvoyé au com-

  
 <EMI ID=52.1> 

  
Une caractéristique facultative mais préférentielle du cycle fondamental représenté par le dessin utilise une dérivation de démarrage 18 comprenant un détendeur 17, tous deux représentés

  
 <EMI ID=53.1> 

  
avec les circuits intérieur et extérieur de l'échangeur de chaleur
13 (en évitant l'évaporateur 15 et en assurant une baisse rapide

  
 <EMI ID=54.1> 

  
système peut fonctionner à une moindre pression de tête. La valve
17 (donc la dérivation 18) est automatiquement exclue du système après le démarrage*

  
La description ci-dessus concerne un système de réfrigé-

  
 <EMI ID=55.1>  

  
 <EMI ID=56.1> 

  
de sa toxicité ; toutefois, il convient à d'autres points de vue

  
 <EMI ID=57.1> 

  
 <EMI ID=58.1> 

  
 <EMI ID=59.1> 

  
 <EMI ID=60.1> 

  
 <EMI ID=61.1> 

  
certains hydrocarbures insaturés comme l'éthylène peuvent être

  
 <EMI ID=62.1> 

  
 <EMI ID=63.1>   <EMI ID=64.1> 

  
réfrigérants de l'invention contient au moins un constituant

  
à point d'ébullition élevé et un constituant à bas point d'ébullitioa (le mot "ébullition" étant employé ici selon la définition donnée plus haut) et les points d'ébullition (ou de subli-

  
 <EMI ID=65.1> 

  
 <EMI ID=66.1> 

  
à 5 atmosphères, l'anhydride carbonique peut être liquide et bien entendu, il a encore un point d'ébullition relativement bas en comparaison du point d'ébullition (dans les mêmes conditions de pression sur atmosphérique) des halogénoalcanes communément utilisés comme réfrigérants.

  
Ainsi, comme dans le système du brevet des Etats-Unis

  
 <EMI ID=67.1> 

  
rent notablement par leur point d'ébullition. Toutefois, à la différence de ce système antérieur, l'anhydride carbonique et

  
les halogénoalcanes (ou les alcanes ou réfrigérants similaires qui n'ont pas d'interaction chimique avec l'anhydride carbonique) ne sont pratiquement pas miscibles. A l'état liquide, un réfrigérant de l'invention est en principe une dispersion d'un réfrigérant dans l'autre, par exemple une dispersion de gouttelettes d'anhydride carbonique dans une phase liquide continue d'halogénoalcane. Si on le désire, on peut prémélanger une charge destinée à un système de réfrigération selon l'invention et la stocker à la pression atmosphérique ou à une pression suratmosphérique. Etant donné que les constituants de réfrigérant tendent à se séparer, il faut prévoir des moyens pour rétablir la dispersion.

  
Ainsi qu'il est évident d'après la description ci-dessus, le procédé de l'invention convient particulièrement bien à la réfrigération, par exemple dans l'industrie du traitement des dentées alimentaires où la chambre à refroidir loge un système transporteur tel qu'un transporteur hélicoïdal* D'autres usages de ce système apparaîtront à l'homme de l'art, y compris le  <EMI ID=68.1> 

  
ment extrêmement dense est nécessaire) et d'autres processus de refroidissement ou d'échange de chaleur. De façon connue, le cycle de réfrigération de l'invention peut servir de "pompe de chaleur" avec chauffage de la zone qui entoure le condenseur.

  
Sous son aspect le plus large, le procédé de l'invention consiste à comprimer le mélange réfrigérant, à le faire passer par un stade de condensation pour condenser le constituant à point d'ébullition élevé, à faire passer le mélange partiellement condensé ainsi obtenu à travers une zone de refroidissement pour condenser le constituant à bas point d'ébullition (ce qui donne un liquide réfrigérant hétérogène à deux phases), à mélanger le liquide réfrigérant hétérogène dans une zone d'homogénéisation pour obtenir un mélange plus uniforme et à détendre le liquide réfrigérant homogénéisé. Dans l'évaporateur, au moins

  
la majorité du constituant à bas point d'ébullition s'évapore. Au moins une partie du constituant à point d'ébullition élevé ne s'évapore que lorsque le système réfrigérant détendu est sorti de l'évaporateur. L'évaporation qui se produit ensuite peut servir très avantageusement à refroidir le mélange comprimé amené

  
 <EMI ID=69.1> 

  
parvenir avec un échangeur de chaleur à contre-courant (par exemple l'échangeur 13 du dessin).

  
Il n'est pas nécessaire, dans l'invention, d'utiliser un appareil de réfrigération indépendant. Le compresseur (par exemple du type volumétrique) ou autre système de compression
(par exemple un système de compression chauffé au gaz) peut être généralement du type que l'on utilise dans les systèmes de conditionnement d'air. De préférence, le compresseur peut fournir une pression d'au moins 5 atmosphères mais il n'est pas nécessaire qu'il fournisse une pression absolue égale ou supérieure

  
à 49 kg/cm comme c'est le cas de la plupart des systèmes réfrigérants en circuit fermé utilisant l'anhydride carbonique. Par exemple, une pression de 30 atmosphères ou en-dessous est ordinairement suffisante. La pression d'aspiration dans l'évaporateur n'a pas besoin d'être voisine de la pression absolue de

  
 <EMI ID=70.1>  en circuit fermé à l'anhydride carbonique ; une pression de 5 atmosphères ou moins assure des températures très inférieures à -55[deg.]0 et par exemple inférieures à -65[deg.]C.

  
De façon similaire, les condenseurs, échangeurs de cha-

  
 <EMI ID=71.1> 

  
sants de l'appareil de réfrigération peuvent être classiques. On peut utiliser des condenseurs à refroidissement par air aussi bien que par eau. Bien que ce ne soit pas essentiel à la pratique de l'invention, on peut relier en cascade des systèmes de réfrigération supplémentaires à un système de l'invention, par exemple pour refroidir et condenser à l'état liquide le constituant à bas point d'ébullition du système réfrigérant (fonction qui est ordinairement assurée par l'échangeur de chaleur 13 du dessin).

  
Le condenseur 12 peut être du type classique comportant un collecteur de réfrigérant condensé. On obtient ainsi une légère

  
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et le réfrigérant à point d'ébullition élevé (par exemple le

  
 <EMI ID=73.1> 

  
l'échangeur de chaleur à contre-courant 13, à condenser l'anhydride carbonique ou réfrigérant à bas point d'ébullition. 

REVENDICATIONS

  
1) Procédé d'échange de chaleur en circuit fermé utilisant un mélange de réfrigérants et caractérisé par les étapes suivantes 

  
 <EMI ID=74.1> 

  
 <EMI ID=75.1> 

  
constituants sont pratiquement non miscibles lorsqu'ils sont

  
tous deux à l'état liquide et ont en Berne temps des points d'ébullition différents,
(b) on fait passer le mélange comprimé par un stade de condensation pour condenser celui des deux constituants qui a

  
le point d'ébullition le plus élevé,
(c) on fait passer le mélange partiellement condensé ainsi obtenu par une zona de refroidissement, pour condenser

  
celui des deux constituants qui a le point d'ébullition le plus. bas, de sorte que l'on obtient deux liquides non Miscibles,
(d) on mélange les deux liquides son miscibles dans une zone d'homogénéisation pour obtenir un mélange généralement uniforme,
(e) on détend et on convertit à l'état gazeux au moins le constituant à bas point d'ébullition, dans une zone d'évaporation fermée ;

  
 <EMI ID=76.1> 

  
vé de sorte que l'on obtient le mélange de constituants de l'étape (a), de manière à recycler ce mélange conformément au proceesus d'échange de chaleur en circuit fermé*

Claims (1)

1. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par

   le fait que la zone de refroidissement de l'étape (c) constitue

   une zone d'échange de chaleur, que le mélange partiellement condensé devient un premier courant dans la zone d'échange de chaleur et que le constituant à bas point; d'ébullition évaporé et

   le constituant à point d'ébullition élevé, venant de la zone d'évaporation, eont amenés à la zone d'échange de chaleur de manière à former un deuxième courant dans celle-ci, ce qui fait

   que, par suite de l'échange de chaleur qui en résulte, le constituant à point d'ébullition élevé du deuxième courant s'évapore et le constituant à bas point d'ébullition du mélange partiellement condensé du premier courant se refroidit.

   3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la compression appliquée dans l'étape de compression

   (a) est supérieure à 5 atmosphères mais inférieure à environ 21 kg/cm (pression absolue) et que la pression d'aspiration dans la zone d'évaporation est inférieure à 5 atmosphères. <EMI ID=77.1>

   <EMI ID=78.1>

   l'aspiration est inférieure à 3 atmosphères et que la température de réfrigération assurée par la zone d'évaporation est inférieure

   <EMI ID=79.1>

   5) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le mélange de réfrigérants comprend de l'anhydride carbonique.

   <EMI ID=80.1>

   <EMI ID=81.1>

   génoalcane contenant 1 ou 2 atomes de carbone et au moins un

   <EMI ID=82.1>

   point d'ébullition, à la pression atmosphérique, qui est supérieur

   <EMI ID=83.1>

   pression atmosphérique.

   7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la compression appliquée dans l'étape de compression <EMI ID=84.1>

   (pression absolue) et que la pression d'aspiration dans la zone d*évaporation est inférieure à 5 atmosphères*

   <EMI ID=85.1>

   <EMI ID=86.1>

   la pression d'aspiration est inférieure à 3 atmosphères"

   9) Procédé selon la revendication 6, caractérisé par

   le fait que le mélange de réfrigérants de la zone d'évaporation comprend des particules d'anhydride carbonique solide fluidisées par de l'halogénoalcane liquide et que la majeure partie des particules solides se subliment en formant de l'anhydride carboni- <EMI ID=87.1>

   rature de réfrigération inférieure à -55[deg.]C à l'extérieur de la zone d'évaporation.

   10) Procédé de réfrigération en circuit fermé utilisant un mélange-de constituants de réfrigérant à point d'ébullition différent, consistant à comprimer le mélange de constituants de réfrigérant en un stade de compression, à condenser en série les constituants à point d'ébullition élevé et bas du mélange, à détendre et à évaporer les constituants condensés et à recycler

   les gaz obtenus vers le stade de compression, procédé caractérisé par le fait que l'on mélange de l'anhydride carbonique comprimé et condensé à au moins un autre constituant réfrigérant à point d'ébullition plus élevé, comprimé et condensé, dans une zone d'homogénéisation, avant l'étape de détente, que l'on détend le

   <EMI ID=88.1>

   poration, pour obtenir une masse de particules solides discrètes

   <EMI ID=89.1>

   d'ébullition plus élevé, et que l'on sublime les particules d'anhydride carbonique pendant qu'elles sont fluidisées par le constituant à point d'ébullition plus élavé.

   11) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape (a) est une compression à un seul stade.

   12) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape de compression (a) s'effectue à une pression absolue inférieure à 21 kg/cm et que la détente, dans l'étape

   (e) assure au voisinage de la zone d'évaporation une température de réfrigération inférieure à -55[deg.]C.