FR2794228A1

FR2794228A1 - Procede pour detacher les cristaux de glace d'un echangeur thermique generateur d'un frigoporteur diphasique liquide- solide

Info

Publication number: FR2794228A1
Application number: FR9906559A
Authority: FR
Inventors: Michel Barth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2000-12-01
Anticipated expiration: 2019-05-25
Also published as: ATE308021T1; EP1101071A1; DE60023422D1; EP1101071B1; DE60023422T2; FR2794228B1; WO2000071945A1

Abstract

L'invention concerne un procédé pour détacher les cristaux de glace qui se forment sur une face des parois (2) d'échange thermique d'un générateur, en contact avec un fluide frigoporteur diphasique liquide-solide. Pour détacher les cristaux de glace formés, on fait circuler par intermittence dans le générateur (1) le fluide frigoporteur à une vitesse supérieure à la vitesse nominale afin de créer des turbulences qui entraînent le détachement des cristaux de glace formés, d'une part par arrachement et d'autre part par réchauffement des parois d'échange. De préférence, on augmente par intermittence la vitesse de rotation de la pompe (8) de circulation du fluide frigoporteur.

Description

L'invention concerne le domaine de la production et distribution du froid au moyen d'un fluide frigoporteur diphasique liquide+ solide.

Le fluide frigoporteur diphasique liquide+ solide est constitué d'un mélange de deux liquides, généralement un mélange d'eau, et d'un autre liquide miscible avec l'eau, soit de l'éthanol, du méthanol, de l'ammoniac, du chlorure de calcium ou autre. Ce mélange est refroidi jusqu'à la température de cristallisation de l'eau. Les cristaux alors formés sont entraînés par le frigoporteur en phase liquide. Ce mélange de cristaux et de phase liquide est défini par le terme frigoporteur diphasique ou "coulis de glace".

Le coulis de glace présente, par rapport aux fluides frigoporteurs monophasiques, des avantages non négligeables. En changeant partiellement d'état, ces frigoporteurs diphasiques liquide + solide mettent en oeuvre une chaleur latente de transformation (solide en liquide) et permettent un transport de froid par unité de volume beaucoup plus grand ce qui a pour avantage de réduire les débits volumiques en circulation. Ceci permet de diminuer notablement le débit des pompes et le diamètre des tuyauteries de distribution.

Les coulis de glace sont formés dans des générateurs qui ont pour objet de générer des cristaux de glace qui sont entraînés par la phase liquide du fluide frigoporteur. Ces générateurs comportent des parois d'échange thermique balayées sur une face par le fluide frigoporteur et sur l'autre face par un fluide frigorigène. Ces parois d'échange thermique peuvent se présenter sous la forme d'un faisceau de tubes plats ou cylindriques faisant partie d'un premier circuit de fluide, ce faisceau étant disposé dans une chambre faisant partie d'un deuxième circuit de fluide. Le fluide frigoporteur s'écoule dans l'un des circuits, tandis que le fluide frigorigène s'écoule dans l'autre circuit.

Les cristaux de glace se forment sur la face des parois du générateur balayée par le fluide frigopodeur et ont tendanceà rester collés sur ces parois. Les conséquences directes sont une augmentation des pertes de charge, une baisse des échanges thermiques; le but du générateur étant de fabriquer des cristaux, il est donc nécessaire de prévoir des moyens pour détacher les cristaux formés sur les parois. En général, on utilise des moyens mécaniques pour arracher la couche de glace formée sur les parois de l'échangeur.A cet effet, des lames ou des balais raclent la couche ainsi formée et la glace est entraînée vers le circuit de distribution. Cette disposition obligeà utiliser des surfaces d'échange sous forme de cylindresà double paroi, le système racloir agissant soità l'intérieur du cylindre (circuit fermé), soità l'extérieur du cylindre (circuit ouvert). Ces générateurs de coulis, dits"à surface raclée", sont limités en dimensions, donc en puissance avec des systèmes mécaniques de racloirs relativement fragiles. Ils sont coûteux et un accroissement de puissance exige une mise en parallèle de plusieurs générateurs, ce qui rend le procédé compliqué et volumineux.

Dans d'autres générateurs de coulis de glace, ditsà film tombant, on forme la glace sur une plaque verticale sur laquelle tombe un film d'eau ou de solution. La glace fournie en pied de plaque est ensuite broyée. Ici aussi, il faut des moyens mécaniques supplémentaires dans le générateur pour broyer les glaces obtenues.

On peut également réaliser des coulis de glace par le procédé de surfusion. Ce procédé consisteà faire baisser la température du fluide frigoporteur en dessous de son point de congélation commerçante, dans des conditions particulières, avant d'initier la cristallisation par des effets tels que les chocs thermiques ou mécaniques, ou par introduction d'agents nucléants. Mais cette technique est difficilement exploitable en pratique car elle se traduit par une diminution du rendement de la machine frigorifique.

L'invention s'est donné pour but de proposer un nouveau procédé pour détacher les cristaux de glace qui se forment sur les parois d'un générateur de coulis de glace et qui puisse être mis en oeuvre facilement sur tous types d'échangeur quelle que soit la forme géométrique de leurs parois d'échange de chaleur.

L'invention est basée sur l'idée de créer par intermittence des turbulences dans le fluide frigoporteur par augmentation du débit, donc de la vitesse de circulation. Les conséquences directes de l'augmentation de vitesse de circulation sont d'une part: une augmentation de la force d'arrachement appliquée sur les cristaux en formation et d'autre part une modification des paramètres d'échange et de ce fait une légère augmentation de la température des parois. L'invention concerne donc un procédé pour détacher les cristaux de glace qui se forment sur une face des parois d'échange thermique d'un échangeur générateur d'un coulis de glace, ladite face étant en contact avec un fluide frigoporteur d'un premier circuit qui s'écouleà une vitesse nominale dans ledit échangeur générateur, tandis que l'autre face desdites parois est en contact avec un fluide refroidisseur qui s'écoule dans un deuxième circuit.

Selon l'invention, ce procédé est caractérisé par le fait que l'on fait circuler par intermittence dans le générateur le fluide frigoporteur à une vitesse supérieureà la vitesse nominale afin de créer des turbulences entraînant le détachement des cristaux de glace formés, d'une part par arrachement et d'autre part par l'échauffement des parois d'échange.

La vitesse nominale du fluide frigoporteur correspond au débit normal de fonctionnement de l'installation.

Ainsi selon l'invention, les cristaux de glace formés sur les parois froides du générateur sont détachés par une action mécano-hydraulique et thermique, pendant la durée de l'augmentation de débit, et sont entraînés par la phase liquide du fluide frigoporteur.

L'augmentation du débit a, en effet pour conséquence: a) une augmentation de la vitesse de circulation en phase turbulente, donc une augmentation de la force d'arrachement appliquée sur les cristaux; b) une modification des paramètres de coefficient d'échanges, par suite de l'augmentation de la vitesse, et donc une augmentation de la température de la paroi froide qui favorise le détachement des cristaux de glace.

De préférence, le fluide frigoporteur est mis en circulation par une pompe et l'on augmente par intermittence la vitesse de rotation de la pompe.

La pompe est entraînée par exemple par un moteurà vitesse variable.

La vitesse de base du moteur et de la pompe, et par le fait même le débit normal ou la vitesse nominale du fluide frigoporteur dans le générateur, ainsi que la température de surface de la paroi froide sont calculées en fonction du type d'échangeur, du frigoporteur et de la concentration du mélange, ainsi que de la concentration des particules solides que l'on veut obtenir dans le fluide frigoporteur diphasique.

Ainsi, grâceà l'invention, les cristaux de glace sont détachés sans moyens mécaniques disposés dans le générateur comme dans l'art antérieur.

La géométrie des parois d'échange thermique peut être optimisée en fonction des coefficients de conductivité thermiques des deux fluides et du matériau constitutif des parois, des débits et de la puissance frigorifique demandée pour l'installation.

La fréquence et la durée des turbulences, ainsi que la vitesse du fluide frigoporteur pendant les turbulences peuvent être établies par des résultats de tests. Elles seront fonction du type d'échangeur, du frigoporteur, de la concentration du mélange, ainsi que de la concentration des particules de solide que l'on veut atteindre dans le frigoporteur.

Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le déclenchement d'une turbulence est réalisé automatiquement.A cet effet, on mesure en continu la perte de charge subie par le fluide frigoporteur à travers le générateur et on augmente la vitesse de la pompe lorsque la perte de charge mesurée est supérieureà une valeur de consigne.

La valeur de consigne est également fonction du type d'échangeur, du frigoporteur, de la concentration du mélange, ainsi que de la concentration des particules solides que l'on veut obtenir.

Afin de renforcer l'action mécano-hydraulique et thermique des turbulences, on provoque en outre une augmentation de la température du fluide refroidisseur dans le générateur, lorsque l'on crée des turbulences dans le fluide frigoporteur.

Dans le cas où le fluide refroidisseur est un liquide en phase d'évaporation dans le générateur, et le deuxième circuit comporte un compresseur de gaz, on augmente la température du fluide refroidisseur en augmentant la pression d'évaporation. Ceci peut être obtenu en manoeuvrant les vannes d'entrée et de sortie du générateur sur le deuxième circuit, ou en injectant dans le générateur des gaz chauds issus du compresseur de gaz.

Dans le cas où le fluide refroidisseur est un frigoporteur liquide monophasique ou diphasique liquide/glace, on augmente avantageusement la température du fluide refroidisseur en recirculant le fluide refroidisseur en dehors du générateur.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortirontà la lecture de la description suivante faiteà titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure1 montre un schéma d'une installation frigorifique comportant un générateur de coulis de glace ayant un fluide refroidisseur en phase d'évaporation dans le générateur, - la figure 2 montre un schéma d'une installation frigorifique comportant un générateur de coulis de glace refroidi par un fluide refroidisseur mono- ou diphasique liquisol, - la figure3 montre le graphique des vitesses du fluide frigoporteur dans le générateur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 4 montre le système de pilotage du générateur selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure5 montre le système de pilotage du générateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

Dans la description faite ci-après, les éléments identiques portent les mêmes références.

Sur les figures1 et 2, on a représenté par la référence1 un générateur de coulis de glace qui comporte des parois d'échange thermique 2 séparant un premier circuit3 dans lequel s'écoule un fluide frigoporteur diphasique eau/glace, d'un deuxième circuit 4 dans lequel s'écoule un fluide refroidisseur destinéà refroidir le fluide frigoporteur du premier circuit3.

Le premier circuit3 comporte en dehors du générateur1 un conduit5 de délivrance de coulis de glace destinéà alimenter en parallèle des échangeurs6 et un conduit de retour7 équipé d'une pompe de circulation8. Les échangeurs6 peuvent être branchés directement entre les conduits5 et7, ou montés sur des dérivations équipées de pompes de recirculation 9 autonomes. Les échangeurs6 sont destinésà refroidir des locaux ou des produits, le froid étant obtenu par fusion des cristaux de glace contenu dans le fluide frigoporteur les traversant. La concentration en glace du fluide frigoporteur dans le conduit de retour7 est ainsi inférieureà celle du fluide frigoporteur dans le conduit de délivrance5. Du fait que la température d'un fluide frigoporteur diphasique décroît lorsque la concentration en cristaux de glace augmente, la température du fluide frigoporteur dans le conduit de retour7 est supérieureà la température du fluide frigoporteur dans le conduit de délivrance5 du coulis de glace, et la mesure de ces températuresà l'entrée età la sortie du générateur par les sondes de température10 et 11 permet de connaître avec une bonne précision les concentrations en cristaux pour un type de mélange utilisé en tant que fluide frigoporteur et la concentration du mélange.

Une bâche 12 de recirculation, pouvant également faire office d'accumulation, doit en outre être disposée entre le conduit de délivrance5 et le conduit de retour7. Une pompe de circulation8b est montée sur le conduit5 en aval de la bâche 12.

Le fluide frigoporteur circulant dans le générateur1 est refroidi par le fluide refroidisseur, grâce aux échanges thermiques qui se fontà travers les parois d'échange 2. Des cristaux de glace se forment alors sur la face des parois 2, qui est en contact avec le fluide frigoporteur du circuit3.

La pompe de circulation8 montée sur le conduit de retour7 est entraînée en rotation par un moteur électriqueà vitesse variable13.

En exploitation normale de l'installation, la pompe de circulation8 est entraînéeà une vitesse sensiblement constante, que nous appelons vitesse de base, et le fluide frigoporteur s'écoule alors dans le générateur1 avec un débit sensiblement constant qui est le débit normal du générateur1 età une vitesse sensiblement constante que nous appelons la vitesse nominale Vn.

Selon la présente invention, on détache les cristaux de glace qui se forment sur une face des parois d'échange thermique 2, en faisant circuler par intermittence, le fluide frigoporteur dans le générateur1 à une vitesse Vs supérieureà la vitesse nominale Vn afin de créer dans la portion du circuit1 située dans le générateur1 des turbulences qui réchauffent légèrement les parois 2 et entraînent des forces supplémentaires pour l'arrachement des cristaux.

L'augmentation de vitesse du fluide frigoporteur est obtenue en agissant sur la vitesse de rotation du moteur13 qui entraîne la pompe8. La figure3 montre le graphique des vitesses de circulation du fluide frigoporteur dans le générateur1. L'intervalle de temps To entre deux phases de turbulence Tl et T2 et la durée Do de chaque phase de turbulence sont obtenus par exemple par le résultat de tests et sont fonction du type de générateur, du type de frigoporteur, de la proportion du mélange et de la concentration de cristaux utilisés.

Selon un premier mode de réalisation, le moteur électrique13 est piloté par un automate 14 dans la mémoire duquel on introduit quatre données caractéristiques de fonctionnement: la vitesse de base correspondantà la vitesse nominale Vn, la vitesse maximum correspondantà la vitesse Vs, l'intervalle de temps To pendant lequel le moteur tourneà sa vitesse de base affichée, et la durée Do d'une phase turbulente. L'automate 14 comporte évidemment une horloge interne.

Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, montré sur la figure5, un pressostat différentiel15 est interposé entre l'entrée et la sortie des conduits5 et7 dans le générateur. Ce pressostat15 mesure la perte de charge subie par le fluide frigoporteur à travers le générateur1. Cette perte de charge est fonction de la quantité de cristaux de glace déposés sur les parois 2 et de la concentration en glace du fluide frigoporteur. La mesure du pressostat15 est transmiseà un organe de calcul16 qui la compareà une valeur de consigne, et lorsque cette mesure est supérieureà la valeur de consigne, l'organe de calcul16 commande le moteur13 à tournerà sa vitesse maximum pendant une durée Do. Ensuite, l'organe de calcul16 commande le moteur13 à tournerà sa vitesse de base. Ici trois caractéristiques de base sont introduites dans la mémoire de l'organe de calcul16 : la vitesse de base du moteur13, la vitesse maximum du moteur13 et la durée Do d'une phase turbulente.

Les mesures des sondes de température10 et11 sont également transmisesà l'organe de calcul16. Ce dernier est apteà corriger la valeur de consigne en fonction des mesures des ondes de température10 et11 qui sont représentatives de la concentration de cristaux dans le fluide frigoporteur à l'entrée età la sortie du générateur1. La perte de charge nominale du fluide frigoporteur à travers le générateur1, en l'absence de cristaux collés sur les parois 2, est donc fonction des températures mesurées et de la vitesse nominale du fluide frigoporteur. Lorsque la différence entre la perte de charge mesurée par le pressostat différentiel 15 et la perte de charge nominale est supérieureà la valeur de consigne, l'organe de calcul16 commande le moteur13 à tournerà sa vitesse maximum pendant une durée Do.

Au fur età mesure que la concentration en cristaux augmente dans le fluide frigoporteur, la température de formation des cristaux diminue. L'organe de calcul16 agit sur la circulation du fluide refroidisseur dans l'échangeur1 afin d'adapter en permanence la température des parois d'échange 2 en vue de l'optimisation du rendement de l'installation, et afin d'obtenir de nouveaux cristaux jusqu'à l'obtention de la concentration de cristaux désirée.

Lorsque le fluide frigoporteur du circuit1 s'écoule dans le générateur en mode de turbulence afin de détacher les cristaux de glace formés sur les parois 2, l'invention prévoit en outre d'augmenter rapidement et simultanément la température des parois froides 2, en agissant du côté du fluide refroidisseur. Ceci est obtenu en augmentant la température du fluide refroidisseur pendant la durée Do des turbulences. La méthode diffère selon le type de fluide refroidisseur.

Dans l'installation frigorifique montrée sur la figure1, le fluide refroidisseur qui s'écoule dans le deuxième circuit 4 est un liquide en phase d'évaporation dans le générateur1 de coulis de glace. Le générateur1 joue ainsi le rôle d'un évaporateur pour le fluide refroidisseur. Les gaz produits dans le générateur1 sont aspirés par un compresseur de gaz 20 monté dans le conduit d'aspiration 21 qui relie le générateur1 à un condenseur 22. Une vanne de régulation de pression 23 est montée sur le conduit d'aspiration 21. Le fluide frigorigèneà l'état liquide retourne vers le générateur1 par un conduit d'alimentation 24 sur lequel est montée une vanne de régulation25 d'injection de fluide frigorigène. Une dérivation26 est prévue entre la sortie de refoulement du compresseur 20 et l'entrée du conduit d'alimentation 24 dans le générateur1. Une vanne27 d'injection de gaz chauds est montée sur la dérivation26.

Au début des phases de turbulence du fluide frigoporteur dans le générateur1, l'automate 14 ou l'organe de calcul16 agit également sur les vannes23 et25 notamment sur la vanne27 d'injection de gaz chauds. Cette action produit immédiatement une augmentation de la pression d'évaporation dans l'évaporateur, qui entraîne un réchauffement instantané des parois froides 2 et un décollement des cristaux de glace. Cette action est limitée dans le tempsà une durée au plus égaleà la durée Do des turbulences.

Dans l'exemple montré sur la figure 2, le fluide refroidisseur qui circule dans le deuxième circuit 4 est lui-même un fluide frigoporteur refroidi dans un deuxième générateur30 alimenté en fluide refroidisseur par un circuit 4b semblable au circuit 4 de la figure1.

Une vanne trois voies 40 est montée sur le conduit d'alimentation 24 du fluide du circuit 4 et une dérivation 41 est prévue entre la vanne trois voies 40 et le conduit de retour 42 du fluide du circuit 4.

La vanne trois voies 41 est commandée par l'automate 14 ou l'organe de calcul16, et pendant les phases de turbulence dans le premier circuit3, le fluide refroidisseur recircule par le conduit de dérivation 41, ce qui provoque le réchauffement des parois froides 2. Le deuxième générateur30 peut également être piloté par un autre automate ou un autre organe de calcul afin de décoller les cristaux de glace qui s'y forment, dans le cas où le fluide frigoporteur qui circule dans le deuxième circuit 4 est diphasique.

Claims

REVENDICATIONS 1 Procédé pour détacher les cristaux de glace qui se forment sur une face des parois (2) d'échange thermique d'un échangeur générateur(1) de coulis de glace, ladite face étant en contact avec un fluide frigoporteur d'un premier circuit(3) qui s'écouleà une vitesse nominale (Vn) dans ledit échangeur générateur(1), tandis que l'autre face est en contact avec un fluide refroidisseur qui s'écoule dans un deuxième circuit (4), caractérisé par le fait que l'on fait circuler, par intermittence, dans le générateur(1) le fluide frigoporteur à une vitesse (Vs) supérieureà la vitesse nominale (Vn) afin de créer des turbulences qui entraînent le détachement des cristaux de glace formés, d'une part par arrachement et d'autre part par réchauffement des parois d'échange (2). 2. Procédé selon la revendication1, caractérisé par le fait que le fluide frigoporteur est mis en circulation par une pompe(8), et que l'on augmente par intermittence la vitesse de rotation de la pompe(8). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on mesure en continu la perte de charge subie par le fluide frigoporteur à travers le générateur(1), lorsque le fluide frigoporteur s'écouleà la vitesse nominale (Vn), et par le fait que l'on augmente la vitesse de la pompe(8) lorsque la perte de charge mesurée dépasse une valeur de consigne. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications1 à 3, caractérisé par le fait que l'on provoque en outre une augmentation de la température du fluide refroidisseur dans le générateur, lorsqu'on crée des turbulences dans le fluide frigoporteur. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le fluide refroidisseur est un liquide en phase d'évaporation dans le générateur(1) et le deuxième circuit (4) comporte un compresseur de gaz (20), caractérisé par le fait que l'on modifie la température d'évaporation, en modifiant la pression. 6. Procédé selon la revendication5, caractérisé par le fait que l'on modifie la pression dans le générateur(1) eny injectant des gaz chauds issus du compresseur. 7. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le fluide refroidisseur est un frigoporteur liquide monophasique ou diphasique liquidelglace, caractérisé par le fait que l'on augmente la température du fluide refroidisseur en recirculant le fluide refroidisseur en dehors du générateur(1). 8. Générateur de coulis de glace pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications1 à 7, comportant des parois (2) d'échange thermique entre un premier circuit(3) comportant une pompe de circulation(8) pour l'écoulement d'un fluide frigoporteur à une vitesse nominale (Vn) dans le générateur(1) et un deuxième circuit (4) dans lequel circule un fluide refroidisseur, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens (14,16) pour augmenter par intermittence la vitesse d'écoulement du fluide frigoporteur afin de créer des turbulences entrainant le détachement des cristaux de glace formés sur les parois (2) d'échange thermique, d'une part par arrachement et d'autre part par réchauffement des parois d'échange. 9. Générateur selon la revendication8, caractérisé par le fait que lesdits moyens comportent des capteurs de pression(15) du fluide frigoporteur à l'entrée età la sortie du générateur reliésà un organe de calcul(16) qui comprend des moyens pour calculer la perte de charge du fluide frigoporteur à travers le générateur, des moyens pour comparer la perte de charge calculéeà une valeur de consigne, et des moyens pour augmenter la vitesse de rotation de la pompe de circulation lorsque la perte de charge calculée est supérieureà la valeur de consigne. 10. Générateur selon l'une quelconque des revendications8 ou 9, caractérisé par le fait qu'il est en outre prévu des moyens pour augmenter la température du fluide refroidisseur dans le générateur, lorsqu'on crée des turbulences dans le fluide frigoporteur.