EP4078045B1 - Système frigorifique à compression pour chambre frigorifique électrique - Google Patents

Système frigorifique à compression pour chambre frigorifique électrique Download PDF

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EP4078045B1 EP19821430.6A EP19821430A EP4078045B1 EP 4078045 B1 EP4078045 B1 EP 4078045B1 EP 19821430 A EP19821430 A EP 19821430A EP 4078045 B1 EP4078045 B1 EP 4078045B1
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Matthias Bader
Frank Bader
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    • F25B6/00—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/04—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in series

Definitions

  • the invention relates to a compression refrigeration system for generating low temperatures in a cooling environment, in particular a cold chamber, having at least three thermally coupled refrigerant circuits.
  • such a compression refrigeration system can have three refrigerant circuits with three different refrigerants, which together form a cooling cascade.
  • the DE 35 21 060 A1 discloses a compression refrigeration system for generating low temperatures in a cold chamber with three thermally coupled refrigerant circuits, each with its own refrigerant, a condenser, an evaporator, a compressor for compressing gaseous refrigerant and an expansion valve for expanding liquefied refrigerant.
  • a heat exchanger is arranged for the thermal coupling of the first refrigerant circuit with the third low-temperature refrigerant circuit, wherein the refrigerant of the first refrigerant circuit is guided through the third heat exchanger to cool the refrigerant of the third refrigerant circuit.
  • the third refrigerant circuit has a third refrigerant, for example the refrigerant R14, wherein the third refrigerant is liquefied in a condenser of the second heat exchanger while releasing heat to the second refrigerant circuit. Furthermore, the third refrigerant evaporates while absorbing heat in an evaporator, in particular in a chamber evaporator in the cold chamber.
  • the third heat exchanger has an evaporator for evaporating the first refrigerant of the first refrigerant circuit in the third heat exchanger.
  • the third heat exchanger has a heat transfer surface, the first refrigerant of the first refrigerant circuit evaporating on a first side of the heat transfer surface and thus cooling down the refrigerant of the third refrigerant circuit on a second side of the heat transfer surface and thus preparing the third refrigerant for condensation.
  • the third refrigerant is cooled, for example, from 6°C to -30°C, whereby it then condenses in the second heat exchanger at approximately -80°C. Due to the change in the physical state of the first refrigerant in the third heat exchanger, the third refrigerant can be cooled particularly effectively.
  • the cooling device of the first cooling circuit, the precooler of the second refrigerant circuit and the precooler of the third refrigerant circuit are connected to a common cooling water circuit.
  • the cold cooling water flow first flows through the cooling device of the first refrigerant circuit and absorbs heat there to condense the first refrigerant.
  • the cooling water flow is then divided, with a first partial flow flowing through the precooler of the second refrigerant circuit and a second partial flow flowing through the precooler of the third refrigerant circuit.
  • the cooling water flowing back from the compression refrigeration system can be cooled by a chiller.
  • a water chiller is generally a refrigeration system that provides cold water and receives hot water back. Re-cooling is carried out by a separate refrigeration machine.
  • the suction sub-lines 118a, 118b, 118d combine again before entering the compressor 101 to form a common suction line 118.
  • a recuperator 111 is arranged, which is penetrated by the liquid line 116 and the suction line 118, so that gaseous R407F can be removed from the Suction line 118 additionally cools the liquid R407F from the liquid line.

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Claims (15)

  1. Installation frigorifique à compression (100), appropriée pour la production de basses températures dans un environnement de refroidissement, en particulier dans une chambre froide (400), comprenant au moins trois circuits de fluide frigorigène (I, II, III) couplés thermiquement, parmi lesquels,
    - un premier circuit de fluide frigorigène (I) avec un premier fluide frigorigène, dans lequel le premier fluide frigorigène est liquéfié ou peut être liquéfié dans un condenseur (102) d'un dispositif de refroidissement (110) en dégageant de la chaleur, et s'évapore ou peut s'évaporer en absorbant de la chaleur dans un évaporateur (104) d'un premier échangeur de chaleur (120),
    - un deuxième circuit de fluide frigorigène (II) avec un deuxième fluide frigorigène, dans lequel le deuxième fluide frigorigène est liquéfié ou peut être liquéfié dans un condenseur (202) du premier échangeur de chaleur (120) en cédant de la chaleur au premier circuit de fluide frigorigène (I), et s'évapore ou peut s'évaporer en absorbant de la chaleur dans un évaporateur (204) d'un deuxième échangeur de chaleur.(230),
    - un troisième circuit de fluide frigorigène (III) avec un troisième fluide frigorigène, dans lequel le troisième fluide frigorigène est liquéfié ou peut être liquéfié dans un condenseur (302) du deuxième échangeur de chaleur (230) en cédant de la chaleur au deuxième circuit de fluide frigorigène (II), et s'évapore ou peut s'évaporer en absorbant de la chaleur dans un évaporateur (304),
    dans laquelle chacun des trois circuits de fluide frigorigène (I, II, III) comprend en outre respectivement :
    - au moins un compresseur (101, 201, 301) pour comprimer le fluide frigorigène gazeux,
    - une soupape de détente (103, 203, 303) pour détendre le fluide frigorigène liquéfié,
    dans laquelle
    un troisième échangeur de chaleur (130) est agencé pour le couplage thermique du premier circuit de fluide frigorigène (I) avec le troisième circuit de fluide frigorigène (III), et le premier fluide frigorigène du premier circuit de fluide frigorigène (I) est guidé à travers le troisième échangeur de chaleur (130) pour refroidir le troisième fluide frigorigène du troisième circuit de fluide frigorigène (III) et pour absorber de la chaleur du troisième fluide frigorigène, dans lequel en outre dans le premier circuit de fluide frigorigène (I) une conduite (116, 116d, 117d) relie le condenseur (102) du dispositif de refroidissement (110) au troisième échangeur de chaleur (130) et une vanne de détente de pré-refroidissement (131) est disposée entre le condenseur (102) et le troisième échangeur de chaleur (130) pour détendre le premier fluide frigorigène avant l'entrée dans le troisième échangeur de chaleur (130),
    caractérisée par
    un système de commande et/ou de régulation pour protéger le compresseur du premier circuit de refroidissement contre le premier fluide frigorigène non évaporé, le système de commande et/ou de régulation comprenant :
    - un capteur de température (135) pour mesurer une température instantanée (T1,K1) du premier fluide frigorigène dans une conduite entre le troisième échangeur de chaleur (130) et le compresseur (101) ;
    - un capteur de pression (136) pour mesurer une pression instantanée (P1,K1) du premier fluide frigorigène dans une conduite entre le troisième échangeur de chaleur (130) et le compresseur (101) ;
    - une unité de calcul (500) qui est conçue
    ∘ pour calculer une température d'évaporation (T0,K1) du premier fluide frigorigène dans le troisième échangeur de chaleur (130) à partir de la pression instantanée mesurée (P1,K1) et
    ∘ pour déterminer un écart de régulation entre une différence de consigne prédéfinie et une différence réelle, la différence réelle étant la différence entre la température d'évaporation (T0,K1)) du premier fluide frigorigène et la température instantanée (T1,K1) du premier fluide frigorigène ;
    - pour commander la soupape de détente de pré-refroidissement (131) afin de régler un débit massique de fluide frigorigène du premier fluide frigorigène en fonction de l'écart de régulation déterminé.
  2. Installation frigorifique à compression (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que
    le troisième échangeur de chaleur (130) comprend un évaporateur (134) pour évaporer le premier fluide frigorigène dans le troisième échangeur de chaleur (130).
  3. Installation frigorifique à compression (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que
    la soupape de détente de pré-refroidissement (131) est conçue comme une soupape commandée par un moteur pas à pas, qui règle un débit du premier fluide frigorigène en modifiant la section transversale de la conduite (116, 116d, 117d).
  4. Installation frigorifique à compression (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que
    sont disposés ou peuvent être disposés pour l'environnement de refroidissement (400) :
    - un premier évaporateur de chambre (105), qui est traversé ou peut être traversé par le premier fluide frigorigène du premier circuit de fluide frigorigène (I) ;
    - un deuxième évaporateur de chambre (205), qui est traversé ou peut être traversé par le deuxième fluide frigorigène du deuxième circuit de fluide frigorigène (II) ;
    - un troisième évaporateur de chambre (304), qui est traversé ou peut être traversé par le troisième fluide frigorigène du troisième circuit de fluide frigorigène (II).
  5. Installation frigorifique à compression (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que
    une conduite de refoulement (315) relie le compresseur (301) du troisième circuit de fluide frigorigène (III) au condenseur (302) du deuxième échangeur de chaleur (230), et le troisième échangeur de chaleur (130) est disposé dans la conduite de refoulement (315) entre le compresseur (301) et le condenseur (302).
  6. Installation frigorifique à compression (100) selon la revendication 5,
    caractérisée en ce que
    un pré-refroidisseur (310) du troisième circuit de fluide frigorigène (III) est disposé dans la conduite de refoulement (315) entre le compresseur (301) et le troisième échangeur de chaleur (130).
  7. Installation frigorifique à compression (100) selon la revendication 6,
    caractérisée en ce que
    un pré-refroidisseur (210) du deuxième circuit de fluide frigorigène (II) est disposé dans la conduite de refoulement (215) entre le compresseur (201) et le premier échangeur de chaleur (120), le dispositif de refroidissement (110) du premier circuit de refroidissement (I), le pré-refroidisseur (210) du deuxième circuit de fluide frigorigène (II) et le pré-refroidisseur (310) du troisième circuit de fluide frigorigène (III) pouvant être raccordés à un circuit d'eau de refroidissement commun (119, 219, 319).
  8. Installation frigorifique à compression (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que
    le troisième échangeur de chaleur (130) présente une surface de transfert de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur (210) présente une surface de transfert de chaleur, le rapport entre la surface de transfert de chaleur du troisième échangeur de chaleur (130) et la surface de transfert de chaleur du deuxième échangeur de chaleur (210) étant compris entre 14:28 et 22:28, en particulier 18:28.
  9. Installation frigorifique à compression (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que
    le compresseur (101) du premier circuit de fluide frigorigène (I), le compresseur (201) du deuxième circuit de fluide frigorigène (II) et/ou le compresseur (301) du troisième circuit de fluide frigorigène (III) sont conçus comme des compresseurs à spirale.
  10. Installation frigorifique à compression (100) selon la revendication 9,
    caractérisée en ce que
    dans le premier circuit de fluide frigorigène (I) et/ou dans le deuxième circuit de fluide frigorigène (II) et/ou dans le troisième circuit de fluide frigorigène (III), une conduite (116, 116c, 117c ; 216, 216c, 217c ; 316, 316c, 317c) relie le condenseur respectif (102, 202, 302) au compresseur respectif (101, 201, 301), sachant qu'une soupape de détente de compresseur (107, 207, 307) est disposée dans la conduite (116, 116c, 117c ; 216, 216c, 217c ; 316, 316c, 317c) entre le condenseur (102, 202, 302) et le compresseur (101, 201, 301) pour injecter le fluide frigorigène dans le compresseur (101, 201, 301).
  11. Installation frigorifique à compression (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que
    dans le premier circuit de fluide frigorigène (I), on utilise ou on peut utiliser comme premier fluide frigorigène un mélange de tétrafluoroéthane/ pentafluoroéthane/ difluorométhane, dans le deuxième circuit de fluide frigorigène (II), on utilise ou on peut utiliser comme deuxième fluide frigorigène un mélange de trifluorométhane/ hexafluoroéthane, et dans le troisième circuit de fluide frigorigène (III), on utilise ou on peut utiliser comme troisième fluide frigorigène du tétrafluorométhane.
  12. Procédé (600) de production de basses températures dans un environnement frigorifique, notamment une chambre froide (400), avec une installation frigorifique à compression selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant au moins trois circuits de fluide frigorigène (I, II, III) couplés thermiquement,
    le procédé comprenant les étapes suivantes :
    - mettre à disposition (601) l'installation frigorifique à compression (100)
    - refroidir (602) l'environnement de refroidissement (400) avec un premier évaporateur de chambre (105) par un fluide frigorigène du premier circuit de fluide frigorigène (I),
    - pré-refroidir et/ou pré-condenser (603) un fluide frigorigène du deuxième circuit de fluide frigorigène (II) par le fluide frigorigène du premier circuit de fluide frigorigène (I) dans un premier échangeur de chaleur (120),
    - refroidir (604) l'environnement de refroidissement (400) avec un deuxième évaporateur de chambre (205) par le fluide frigorigène du deuxième circuit de fluide frigorigène (II),
    - pré-refroidir et/ou pré-condenser (605) un fluide frigorigène du troisième circuit de fluide frigorigène (III) par le fluide frigorigène du deuxième circuit de fluide frigorigène (II) dans un deuxième échangeur de chaleur (210) et par le fluide frigorigène du premier circuit de fluide frigorigène (I) dans un troisième échangeur de chaleur (130),
    - refroidir (606) l'environnement de refroidissement (400) avec un troisième évaporateur de chambre (304) par le fluide frigorigène du troisième circuit de fluide frigorigène (III)
    caractérisé en ce que
    on démarre le compresseur (201) du deuxième circuit de fluide frigorigène (II) à la fin du pré-refroidissement et/ou de la pré-condensation (603), et/ou on démarre le compresseur (301) du troisième circuit de fluide frigorigène (III) à la fin du pré-refroidissement et/ou de la pré-condensation (605).
  13. Procédé (600) selon l'une quelconque des revendications 12,
    caractérisé en ce que
    avant le pré-refroidissement et/ou la pré-condensation (603) du fluide frigorigène du deuxième circuit de fluide frigorigène (II) et/ou avant le pré-refroidissement et/ou la pré-condensation (605) du fluide frigorigène du troisième circuit de fluide frigorigène (III), on effectue une étape de contrôle de validation (607, 608), par laquelle on vérifie si une température prédéfinie (TKammer) est atteinte dans l'environnement de refroidissement (400).
  14. Procédé (600) selon l'une des revendications 12 ou 13,
    caractérisé en ce que
    le pré-refroidissement et/ou la pré-condensation (603) du fluide frigorigène du deuxième circuit de fluide frigorigène (II) et/ou le pré-refroidissement et/ou la pré-condensation (605) du fluide frigorigène du troisième circuit de fluide frigorigène (III) sont effectués pendant une durée prédéterminée (Δt), par exemple de 2 à 8 minutes.
  15. Procédé (600) selon l'une quelconque des revendications 12 à 14,
    caractérisé en ce que
    lors du pré-refroidissement et/ou de la pré-condensation (603) du fluide frigorigène du deuxième circuit de fluide frigorigène (II), on ouvre partiellement une vanne de détente (203) et une vanne de détente de chambre (206) du deuxième circuit de fluide frigorigène (II), et/ou lors du pré-refroidissement et/ou de la pré-condensation (605) du fluide frigorigène du troisième circuit de fluide frigorigène (III), on ouvre partiellement une vanne de détente (303) du troisième circuit de fluide frigorigène (III).
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