FR2800860A1

FR2800860A1 - Procede de refroidissement ou de chauffage d'un courant intermittent de fluide

Info

Publication number: FR2800860A1
Application number: FR9914175A
Authority: FR
Inventors: Jean Claude Calviac
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2001-05-11
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: FR2800860B1

Abstract

Dans ce procédé, un fluide d'échange de chaleur circule en permanence dans un circuit thermique (4) qui passe par un échangeur de chaleur (12). Pendant une phase active du cycle au cours de laquelle a lieu le refroidissement ou le chauffage, le fluide d'échange de chaleur absorbe ou cède un premier débit énergétique du ou au courant à traiter dans l'échangeur de chaleur (12). En un autre emplacement du circuit thermique (4), on extrait ou on apporte en permanence un deuxième débit énergétique de chaleur ou au fluide, débit qui est inférieur audit premier débit énergétique.L'énergie qui n'est pas échangée pendant la phase active est accumulée dans un volume-tampon (28) de fluide d'échange de chaleur et est échangée pendant la phase inactive.L'invention s'applique aux installations de production d'oxygène par adsorption du type monoadsorbeur.

Description

La présente invention concerne un procédé de refroidissement, res pectivement de chauffage, au moyen d'un échangeur de chaleur principal, d'un courant de fluide à traiter, notamment d'un courant gazeux, suivant un cycle qui définit une phase active de l'échangeur principal au cours de laquelle a lieu le refroidissement, respectivement le chauffage, et une phase inactive de l'échangeur principal, procédé du type dans lequel - on fait circuler en permanence un fluide d'échange thermique dans un circuit thermique qui passe par l'échangeur de chaleur principal; - pendant la phase active, le fluide d'échange thermique absorbe, respectivement cède, un premier débit énergétique du courant gazeux dans l'échangeur de chaleur principal, et - en un autre emplacement du circuit de refroidissement, on extrait, respectivement on apporte, en permanence de la chaleur du ou au fluide d'échange thermique.

L'invention s'applique notamment aux installations de production d'oxygène par adsorption VSA (Vacuum Swing Adsorption ou PSA avec mise sous vide) à partir d'air du type monoadsorbeur.

De telles installations (voir par exemple le EP 0 641 591-B1) com prennent généralement un récipient d'adsorption, une machine mixte compres seur d'air/pompe à vide dont le refoulement/aspiration est relié à un premier côté ou entrée du récipient d'adsorption par l'intermédiaire d'une conduite d'ali- mentation/évacuation, et un circuit de refroidissement. Lorsque la machine fonc tionne en compresseur, son côté entrée est ouvert à l'environnement. La conduite d'alimentation traverse l'échangeur de chaleur principal du circuit de refroidissement. Au deuxième côté ou sortie du récipient d'adsorption sont re liées une conduite de production menant à l'utilisateur et une conduite d'élution. Lorsque la machine fonctionne en pompe à vide, son côté entrée est relié au premier côté du récipient d'adsorption. Tous les composants peuvent être connectés et séparés du récipient d'adsorption, individuellement, par des van nes.

Le fonctionnement de ces installations comprend un cycle avec es sentiellement deux phases Pendant la phase active ou de production qui dure, dans un cas typi que, environ 1I3 du temps du cycle, le compresseur aspire de l'air de l'environnement et le conduit à travers l'échangeur principal du circuit de refroi dissement, où la chaleur de la compression est totalement ou partiellement éva cuée. L'air comprimé et refroidi est alors introduit dans l'adsorbeur, où une pre mière partie des gaz constituants de l'air, notamment l'azote, est adsorbée et une deuxième partie des gaz, notamment l'oxygène, est récupérée à la sortie de l'adsorbeur en tant que gaz utile et passe alors vers l'utilisateur.

Ensuite, lors d'une phase inactive ou phase de régénération, l'introduction de l'air dans l'adsorbeur par la machine fonctionnant en tant que compresseur est arrêtée.

L'adsorbeur est alors vidé de l'azote, premièrement par mise sous vide en utilisant la machine en fonctionnement pompe à vide et deuxièmement par élution au moyen d'une partie de l'oxygène produit pendant la phase active.

Pendant cette phase inactive qui dure, dans un cas typique, 2I3 du temps du cycle, le circuit de refroidissement n'est pas utile.

On connaît des circuits de refroidissement qui comprennent un échangeur de chaleur principal airleau dimensionné pour le débit de chaleur instantané nécessaire pendant la phase active, cet échangeur air/eau étant con necté à un circuit d'eau ouvert. Dans ces cas, de l'eau est en général fournie en permanence à l'échangeur de chaleur, ce qui entraîne une consommation d'eau même pendant la phase de régénération.

On connaît en outre des circuits de refroidissement qui comprennent un échangeur de chaleur principal comme décrit ci-dessus, mais qui est relié à un circuit fermé de refroidissement à eau dans lequel de l'eau circule en perma nence. Le refroidissement de l'eau de refroidissement est effectué par un aé- roréfrigérant dimensionné pour le débit de chaleur instantané pendant la phase active.

L'aéroréfrigérant est soit entraîné en permanence, ce qui a comme conséquence une consommation d'énergie importante, soit entraîné seulement pendant la phase active, ce qui mène à un coût élevé pour les composants de commande nécessaires. En tout cas, un aéroréfrigérant dimensionné pour le débit de chaleur instantané est très encombrant et coûteux.

L'invention a pour but de fournir un circuit de refroidissement pour des installations PSA qui assure le refroidissement de l'air aspiré pendant la phase active tout en présentant un coût de construction et d'exploitation diminué et un rendement énergétique augmenté.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que - ladite extraction permanente, respectivement ledit apport permanent, de chaleur est effectué(e) avec un deuxième débit énergétique qui est inférieur audit premier débit énergétique, - le rapport dudit deuxième débit énergétique audit premier débit énergétique est égal ou supérieur au rapport de la durée de la phase active à la durée du cycle, - pendant la phase active, ladite extraction permanente de chaleur, respectivement ledit apport permanent, est réalisé(e) sur le fluide d'échange thermique sortant de l'échangeur de chaleur principal (12), tandis qu'un débit énergétique égal à la différence entre ledit premier débit énergétique et ledit deuxième débit énergétique est stocké sous forme d'accumulation d'un volume- tampon de fluide d'échange thermique, et - pendant la phase inactive, ladite extraction permanente, respective ment ledit apport permanent, de chaleur est réalisée sur le fluide d'échange thermique accumulé pendant la phase active.

Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - on fait circuler le fluide d'échange thermique en circuit fermé, et la dite extraction permanente, respectivement ledit apport permanent, de chaleur est effectué(e) pendant la phase active et inactive par un échangeur de chaleur auxiliaire qui met un débit du fluide d'échange thermique accumulé en relation d'échange thermique avec un fluide auxiliaire ; - pendant la phase active, on accumule un volume de fluide d'échange thermique qui est égal au volume de fluide d'échange thermique né cessité par l'échangeur de chaleur principal pendant la phase active ; - la durée de la phase active est au maximum la moitié de la durée du cycle ; - pendant la phase inactive, ladite extraction permanente, respective ment ledit apport permanent, est effectué(e) par évacuation d'un débit du fluide d'échange thermique accumulé, et on remplace le fluide d'échange thermique évacué par du fluide d'échange thermique d'appoint ; - pendant la phase inactive, on établit un circuit fermé de fluide d'échange thermique qui passe par l'échangeur principal ; - le débit de circulation du fluide d'échange thermique dans l'échan geur principal est constant. ; - le courant de fluide à traiter est un courant gazeux, notamment d'air, destiné à être traité par adsorption à pression modulée (Pressure Swing Ad sorption ou PSA), notamment au moyen d'un adsorbeur unique (16), L'invention a également pour objet un circuit de refroidissement res pectivement de chauffage, pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur principal, des moyens d'entraînement du fluide d'échange thermique à travers cet échangeur, des moyens d'extraction permanente, respectivement d'apport permanent, de chaleur, et un réservoir- tampon de fluide d'échange thermique, dont l'entrée est reliée à la sortie de fluide d'échange thermique de l'échangeur de chaleur principal, et dont la sortie est reliée à l'entrée de fluide d'échange thermique de l'échangeur de chaleur principal.

Suivant des modes particuliers de réalisation, le circuit de refroidisse ment peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - le circuit est fermé, et lesdits moyens d'extraction permanente, res pectivement d'apport permanent, de chaleur comprennent un échangeur de chaleur auxiliaire relié au côté sortie de fluide d'échange thermique de l'échangeur de chaleur principal ; - le réservoir-tampon comprend un volume qui est égal au volume du fluide d'échange thermique nécessité pendant la phase active ; - lesdits moyens d'extraction permanente, respectivement d'apport permanent, de chaleur comprennent des moyens d'alimentation permanente en fluide d'échange thermique d'appoint et des moyens d'évacuation permanente en fluide d'échange thermique réchauffé, respectivement refroidi; . le circuit comprend en outre, pendant la phase active, des moyens de liaison d'une première ouverture du réservoir-tampon et desdits moyens d'alimentation, en fluide d'échange thermique d'appoint à l'entrée de l'échangeur de chaleur, et des moyens de liaison de la sortie de l'échangeur de chaleur auxdits moyens d'évacuation, de fluide d'échange thermique réchauffé, respectivement refroidi, et à une deuxième ouverture du réservoir-tampon ; et . le circuit comprend en outre, pendant la phase inactive, des moyens de liaison de la sortie de l'échangeur de chaleur à l'entrée de ce dernier, des moyens de liaison desdits moyens d'alimentation, en fluide d'échange ther mique d'appoint à ladite première ouverture du réservoir-tampon, et des moyens de liaison desdits moyens d'évacuation de fluide d'échange thermique réchauffé, respectivement refroidi, à ladite deuxième ouverture du réservoir-tampon ; - le volume du réservoir-tampon est sensiblement égal au volume qui correspond à la différence entre le débit de l'échangeur de chaleur et le débit des moyens d'alimentation, en fluide d'échange thermique pendant la phase ac tive, multipliés par la durée de cette phase active, et également à la différence entre le débit de l'échangeur de chaleur et le débit des moyens d'évacuation, du fluide d'échange thermique, pendant la phase active, multipliés par la durée de cette phase active ; - le réservoir-tampon est en forme sensiblement cylindrique et com porte une relation hauteur/diamètre sensiblement supérieure à 1, des raccords de fluide d'échange thermique étant agencés sensiblement aux extrémités op posées ; - le réservoir-tampon comporte des moyens de ralentissement du fluide d'échange thermique pour s'opposer au mélange du fluide chaud et du fluide froid dans le réservoir-tampon; - le réservoir-tampon comporte un piston qui sépare le fluide d'échange thermique chaud du fluide d'échange thermique frais ; - le raccord de fluide d'échange thermique chaud est agencé à l'extrémité supérieure du réservoir-tampon et le raccord de fluide d'échange thermique frais est agencé à l'extrémité inférieure dudit réservoir-tampon. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la Figure 1 est une vue schématique d'une partie d'une installation PSA (Pressure Swing Adsorption) utilisant un premier mode de réalisation d'un circuit de refroidissement selon l'invention, - la Figure 2 est une vue schématique d'une variante de la Fig.1, - la Figure 3A est une vue schématique d'une partie d'une installation PSA utilisant un deuxième mode de réalisation d'un circuit de refroidissement pendant la phase de production, - la Figure 3B montre le circuit de la figure 3A pendant la phase de régénération.

Sur la Figure 1 est représentée une partie d'une installation de pro duction d'oxygène par adsorption du type PSA (Pressure Swing Adsorption) mo- no-adsorbeur. Plus précisément, on voit à droite la partie de production d'oxygène 2 d'une telle installation et à gauche un circuit de refroidissement 4.

La partie de production comprend une conduite d'aspiration/évacuation 6 ouverte à l'environnement qui est reliée à une machine mixte compresseur/pompe à vide 8. Le côté refoulement de cette machine 8 en marche en tant que compresseur est relié par une conduite d'air 10 à l'entrée du côté refroidissement d'un échangeur de chaleur principal 12 air/eau. L'échangeur de chaleur principal 12 est dimensionné pour un débit de chaleur prédéterminé, pendant la phase active. La sortie du côté air est reliée à une conduite d'alimentation 14 qui mène à une entrée d'un adsorbeur 16.

L'adsorbeur contient un matériau 18 adsorbant l'azote. Pendant la phase active, de l'azote est retenu dans l'adsorbeur 16 et de l'oxygène est éva cué du récipient à la sortie 20 de l'adsorbeur.

Une conduite d'évacuation 21 mène de l'adsorbeur 16 à la machine 8 pour l'évacuation de l'adsorbeur 16 pendant la phase inactive.

Des vannes V1 et V2 agencées dans les conduites 10 et 21 permet tent d'ouvrir/fermer l'accès à ces conduites selon le mode de fonctionnement de la machine 8. Le circuit de refroidissement 4 comprend l'échangeur de chaleur prin cipal 12 air/eau, dont la sortie d'eau est reliée par une conduite 22 à l'entrée d'un échangeur de chaleur auxiliaire, qui est dans ce cas un aéroréfrigérant 24.

Cet aéroréfrigérant 24 a une puissance de refroidissement, ou capa cité de transfert de chaleur, qui correspond à un débit de chaleur d'environ un tiers de celui de l'échangeur de chaleur principal 12 air/eau.

Une conduite 26 mène de la sortie de l'aéroréfrigérant 24 à l'entrée supérieure d'un réservoir-tampon 28. Une soupape de sécurité 30 et un vase d'expansion 32 sont piqués sur cette conduite 26, le vase 32 compensant la di latation de l'eau de refroidissement lors du fonctionnement du circuit. La sou pape de sécurité 30 et le vase d'expansion 32 peuvent être agencées à d'autres emplacements du circuit.

Le réservoir 28 est en forme sensiblement cylindrique allongée verti calement et son volume est choisi de telle façon qu'il contienne la totalité de l'eau de refroidissement fraîche nécessitée pour un cycle comme décrit ci-après. Deux volumes 34A,34B d'eau de refroidissement de températures différentes peuvent être distinguées sur la Figure 1, séparées par une interface 36. En ou tre, pour empêcher l'eau qui arrive à l'entrée de se mélanger avec l'eau qui se trouve déjà dans le réservoir 28, celui-ci présente un rapport hauteur-diamètre important, et il comporte en outre des moyens de ralentissement de l'eau en trante pour faciliter le déplacement de l'eau sans mélange des deux phases. Ces moyens peuvent être constitués d'un garnissage vrac 38.

Une conduite 40 reliée à la sortie inférieure du réservoir 28 mène à l'entrée d'une pompe à eau 42 qui entraîne l'eau de refroidissement. Le côté re foulement de la pompe 42 est relié, à travers une vanne de réglage de débit 44, à l'entrée d'eau de l'échangeur de chaleur principal 12.

En variante, la vanne de réglage 44 peut être reliée en by-pass aux bornes de la pompe 42.

Le fluide de refroidissement utilisé dans le circuit 4 est de l'eau, éventuellement glycolée lorsqu'il y a un risque de gel.

En variante, toute autre fluide d'échange thermique approprié peut être utilisé.

L'installation fonctionne de la façon suivante. Pendant la phase active, la machine 8 en mode compresseur aspire de l'air de l'environnement par la conduite d'aspiration 6, le comprime et le refoule par la conduite 10 dont la vanne V1 est ouverte vers l'entrée d'air de l'échangeur de chaleur principal 12 air/eau. La vanne V2 est fermée pendant la phase active. La pression de l'air comprimé atteint typiquement 1,6 bar absolu et sa température est par exemple d'environ 100 C à l'entrée de cet échangeur 12.

L'air comprimé est refroidi dans l'échangeur de chaleur principal 12 air/eau à une température d'environ 40 C. L'air passe alors à travers l'adsorbeur 16, où l'azote est retenu et l'oxygène est récupéré à la sortie 20 de l'adsorbeur 16.

Cette phase active ou phase de production dure, par exemple, 18 se condes. Au début de la phase active, le réservoir-tampon 28 est rempli avec de l'eau à une température de service de l'échangeur de chaleur principal air/eau, par exemple à 30 C. De l'eau fraîche à une température sensiblement cons tante, ici 30 C, sort alors du réservoir-tampon 28, passe par la conduite 40, la vanne de réglage 44 et la pompe 42 et est introduite dans l'échangeur de cha leur principal 12. Pendant le passage à travers ce dernier, l'eau fraîche est chauffée par exemple à 40 C.

L'eau chaude à 40 C passe alors une première fois par la conduite 22 à l'entrée de l'aéroréfrigérant 24, où elle est partiellement refroidie. L'énergie qui est évacuée de l'eau correspond par exemple à la moitié de l'énergie qui est in troduite par l'échangeur de chaleur principal 12 air/eau. L'eau ainsi partiellement refroidie (par exemple à 35 C) sort de l'aéroréfrigérant 24 et est introduite dans le réservoir-tampon 28. Le réservoir-tampon 28 se vide alors progressivement de l'eau fraîche (30 C) et est rempli par de l'eau chaude (35 C). Il est à noter que grâce au rapport hauteur-largeur important du réservoir-tampon 28 et aux moyens de ralentissement 38, le volume d'eau fraîche (30 C) et le volume d'eau chaude (35 C) ne se mélangent pratiquement pas. II se produit alors un mouve ment en piston. Du fait que l'énergie dans le circuit de refroidissement 4 aug mente pendant la phase de production, le vase d'expansion 32 se remplit d'eau.

A la fin de la phase de production, le réservoir-tampon 28 est com plètement rempli d'eau chaude (35 C). Ce qui suit maintenant est appelé phase inactive ou phase de régéné ration de l'adsorbeur 16, phase pendant laquelle la vanne V1 est fermée, la vanne V2 est ouverte et la machine 8 est entraînée en marche pompe à vide pour l'évacuation de l'azote dans l'adsorbeur 16. En conséquence, aucun débit d'air chaud ne passe à travers l'échangeur de chaleur principal 12. Cette phase de régénération dure, par exemple, 36 secondes. Pendant cette phase, de l'eau chaude (35 C) est évacuée du réservoir-tampon 28, passe à travers la conduite 40, la pompe 42, la vanne de réglage 44 et l'échangeur de chaleur principal 12. A cause de l'arrêt du courant d'air chaud, l'eau a encore la température de 35 C lors de sa sortie de l'échangeur 12 air/eau, lorsqu'elle est introduite dans l'aéroréfrigérant 24.

Dans la première moitié de la phase inactive, l'aéroréfrigérant 24 re froidit partiellement l'eau, par exemple à une température de 32 C, lors de ce deuxième passage. En conséquence, l'eau à 35 C dans le réservoir-tampon 28 est alors remplacée progressivement par de l'eau plus froide à 32 C. Là aussi, l'effet piston se produit et les deux volumes d'eau ne se mélangent pratiquement pas. Cette étape dure 18 secondes comme la phase active parce que l'eau est entraînée par la pompe 42 au même débit qu'auparavant. Le débit d'eau passant à travers l'échangeur principal 12 reste ainsi constant. A la fin des 18 secondes, la régénération de l'adsorbeur d'azote 16 est réalisée seulement partiellement.

L'eau à 32 C qui se trouve maintenant dans le réservoir-tampon 28 circule alors une troisième fois à travers le circuit de refroidissement 4, pendant qu'elle est refroidie à la température de service de300 par l'aé ro réfrigérant 24, de la même manière que décrit ci-dessus.

Au bout des 36 secondes, le réservoir-tampon 28 est alors rempli à nouveau d'eau de refroidissement fraîche ayant la température de service de 30 C, ce qui coïncide avec la fin de la régénération de l'adsorbeur 16.

La phase de production et ainsi le cycle de refroidissement commence à nouveau comme décrit ci-dessus.

II est à noter que dans ce mode de réalisation du circuit, la phase de régénération de l'adsorbeur 16 doit durer au moins la moitié de la durée du cycle afin d'avoir suffisamment de temps pour au moins une deuxième circulation complète du volume d'eau du réservoir-tampon 28. On conçoit qu'il est nécessaire que le réservoir-tampon 28 ait un vo lume égal au volume nécessaire au refroidissement de l'air pendant la phase active afin que, pendant la phase inactive et à débit d'eau constant, la totalité de l'eau soit refroidie.

La puissance de l'aéroréfrigérant 24 doit être choisie de façon telle que l'eau de refroidissement reprenne la température de service après sa der nière circulation à travers l'aéroréfrigérant 24.

Toutes les températures et durées indiquées sont données à titre d'exemple. Elles varient naturellement avec les caractéristiques de chaque ins tallation ( capacité de production,....).

En comparaison avec une installation de l'état de la technique utilisant un aéroréfrigérant dimensionné pour le débit instantané pendant la phase active, ce circuit de refroidissement 4 nécessite un aéroréfrigérant 24 d'une taille d'envi ron un tiers tout en évitant la nécessité de composants de commande.

Sur la Figure 2 est schématisée une variante de l'invention. Les élé ments identiques à ceux de la Fig.1 portent des références identiques. L'installation est en grande partie la même que celle de la Figure 1. L'échangeur de chaleur auxiliaire est cependant constitué d'un échangeur de chaleur 50 eau/eau. Il est raccordé par une conduite d'alimenta tion 52 et une conduite d'évacuation 54 au réseau d'eau. Cet échangeur de chaleur auxiliaire 50 eau/eau a la même puissance de refroidissement, ou capa cité de transfert de chaleur, que l'aéroréfrigérant 24 de l'installation de la Figure 1. II est alimenté en permanence par de l'eau fraîche venant du réseau d'eau afin de refroidir l'eau de refroidissement chaude provenant de l'échangeur prin cipal 12 air/eau.

Le fonctionnement du circuit reste le même que pour la première va riante.

On peut constater que, par rapport à une installation de l'état de la technique comportant un échangeur de chaleur auxiliaire eau/eau dimensionné pour le débit instantané lors de la phase active et entraîné en permanence, l'échangeur de chaleur auxiliaire 50 eau/eau utilisé dans ce variante est dimen- sionné plus petit et a ainsi un coût d'installation moins important. Le débit d'eau utilisé pour le refroidissement est de plus réduit de deux tiers . En comparaison avec les installations connues qui fournissent de l'eau seulement pendant la phase de production, les composants pour comman der le débit d'eau peuvent être supprimés.

II est à noter que le refroidissement de l'eau du circuit peut être effectué par d'autres moyens que l'échangeur de chaleur eau/eau ou l'aéroréfrigérant, ou par des combinaisons de différents types de moyens de refroidissement.

De façon générale, le rapport du débit d'énergie thermique fourni à l'eau par l'échangeur de chaleur principal à celui prélevé à l'eau par l'échangeur de chaleur auxiliaire est de préférence égal au rapport de la durée totale du cy cle à la durée de la phase active.

Sur les Figures 3A et 3B, on voit un deuxième mode de réalisation d'un circuit de refroidissement selon l'invention pendant les deux phases de fonctionnement. Ce circuit est ouvert et comporte une alimentation en eau fraî che.

Les débits d'eau dans les conduites sont indiqués sur les Figures 3A et 3B en chiffres romains, tandis que les directions de circulation sont représen tées par des flèches.

La Figure 3A montre ce circuit pendant la phase de production.

Les éléments qui sont identiques aux éléments des modes de réalisa tion selon les Figures 1 et 2 portent les mêmes références.

Le côté droit montre la partie de production 2 d'une installation de pro duction d'oxygène par adsorption qui est la même que celle de la Figure 1.

Le circuit de refroidissement 100 comprend une conduite d'alimenta tion 102 permanente en eau fraîche qui est reliée à l'entrée de l'échangeur de chaleur principal 12 air/eau. La liaison est établie, successivement, à travers un raccord en T inférieur 104, une première section de conduite d'amenée 106A, une vanne à trois voies 108, une seconde section de conduite d'amenée 106B, une pompe à eau 42 et une troisième section de conduite d'amenée 106C.

La sortie de l'échangeur de chaleur principal 12 est reliée par l'inter médiaire d'une section de conduite de sortie 110A, d'un raccord en T auxiliaire 112, une section de conduite de sortie 110B et d'un raccord en T supérieur 114, à une conduite d'évacuation 116 permanente d'eau chaude. Chacune des conduites d'alimentation 102 et d'évacuation 116 a un débit d'eau de 1l3 du débit d'eau de l'échangeur de chaleur principal 12.

Le raccord en T inférieur 104 est relié par une conduite 118 à une ou verture inférieure d'un réservoir-tampon 120 dont le volume correspond aux 2I3 du volume d'eau nécessaire pour le refroidissement du courant d'air pendant la phase active.

Le réservoir-tampon 120 comporte en outre une ouverture supérieure reliée par une conduite 122 au raccord en T supérieur 114.

Le réservoir-tampon 120 comporte, comme celui du premier mode de réalisation, un rapport hauteur-diamètre important, ainsi que des moyens de ra lentissement, par exemple le garnissage vrac 38.

Deux volumes d'eau de refroidissement ayant des températures diffé rentes, à savoir un volume chaud 124A et un volume frais 124B se trouvent dans le réservoir. Ils sont séparés par une interface 126.

En variante, le réservoir-tampon 120 peut comporter, au lieu des moyens de ralentissement, un piston. Ce piston sépare le fluide de refroidisse ment chaud 124A du fluide de refroidissement frais 124B et se déplace selon le besoin de volume de chacun des deux fluides pendant le fonctionnement du circuit.

Une conduite auxiliaire 128 est disposée entre le raccord en T auxi liaire 112 et la vanne à trois voies 108 en parallèle à l'échangeur principal 12 pour rendre possible une marche de l'échangeur 12 sur lui-même.

La vanne à trois voies 108 peut être commutée de façon telle qu'elle relie d'une part, le raccord en T inférieur 104 à l'entrée de l'échangeur de chaleur principal 12 ou d'autre part, la sortie de l'échangeur de chaleur principal 12 à l'entrée de celui-ci.

La position de connexion de la vanne à trois voies 108 est indiquée par des traits interrompus sur les Figures 3A et 3B.

Il est à noter que, avantageusement, le raccord d'alimentation en eau fraîche se trouve sur l'extrémité inférieure du réservoir-tampon 120 tandis que le raccord d'évacuation d'eau chaude se trouve sur son extrémité supérieure afin de s'opposer au mélange de l'eau fraîche avec de l'eau chaude sous l'effet des densités différentes. Le circuit de refroidissement fonctionne de la façon suivante.

Au début de la phase active (Fig.3), le réservoir-tampon 120 est com plètement rempli d'eau fraîche (par exemple à 30 C).

La vanne à trois voies 108 est commutée de telle façon que le raccord en T inférieur 104 est relié au côté aspiration de la pompe à eau 42. La pompe à eau 42 aspire le débit d'eau nécessaire pour l'alimentation en eau fraîche de l'échangeur de chaleur principal 12 air/eau et le refoule dans celui-ci. 2l3 du dé bit d'eau est pris dans le réservoir-tampon 120 d'eau, et l'autre tiers est introduit par la conduite d'alimentation 102. La totalité de l'eau est envoyée à l'entrée de l'échangeur de chaleur principal 12, où il refroidit le courant d'air comme dans le premier mode de réalisation. De l'eau chaude (par exemple à 40 C) sort alors du côté sortie de l'échangeur de chaleur principal 12 air/eau et passe par la section de conduite de sortie 110A à travers le raccord en T auxiliaire 112 et par la sec tion de conduite de sortie 110B jusqu'au raccord en T supérieur 114. De là, 2I3 du débit d'eau est envoyé vers l'ouverture supérieure du réservoir-tampon 120, et l'autre tiers est évacué par la conduite d'évacuation 116. Le réservoir-tampon 120 est alors rempli progressivement par de l'eau chaude (40 C), tandis que de l'eau fraîche (30 C) sort par l'ouverture inférieure. A la fin de la phase active(par exemple 18 s), le réservoir-tampon 120 est complètement rempli d'eau chaude. La conduite auxiliaire 128 ne véhicule aucun débit d'eau de refroidissement pen dant cette phase.

Pendant la phase inactive (qui dure par exemple 36 s), la vanne à trois voies 108 obture la liaison du raccord en T inférieur 104 à la pompe à eau 42 et relie la conduite auxiliaire 128 au côté d'aspiration de la pompe à eau 42.

II se forme alors un circuit fermé entre l'échangeur de chaleur principal 12 et la conduite auxiliaire 128, dans lequel circule un débit qui est le même que celui pendant la phase de production. Les deux sections de conduites 106A, 110B entre le circuit fermé et les raccordements en T 104, 114 ont un débit nul.

Le débit d'eau, qui reste le même que pendant la phase de produc tion, apporté par la conduite d'alimentation 102 d'eau fraîche (par exemple à 30 C) est introduit par l'ouverture inférieure dans le réservoir-tampon 120 et dé place le même débit d'eau chaude (40 C) vers le haut à travers l'ouverture supé rieure. L'eau chaude (40 C) est évacuée par la conduite d'évacuation 116. A la fin de la phase de régénération (2l3 de temps du cycle, par exemple 36 s), le réservoir-tampon 120 est complètement rempli d'eau fraîche (30 C).

La phase de production commence maintenant de nouveau.

On conçoit que le débit permanent d'eau fraîche nécessaire est un tiers du débit nécessaire en utilisant un circuit de refroidissement ouvert sans réservoir d'eau de refroidissement.

De façon générale, le débit de fluide de refroidissement à déli- vrer/évacuer par les conduites d'alimentationlévacuation 102,116 est calculé par la formule

Tt est la durée totale du cycle Ta est la durée de la phase de production Ft est le débit du fluide de refroidissement dans l'échangeur de cha leur principal.

II est à noter que ce mode de réalisation fonctionne aussi si la phase de production dure plus que la moitié de la durée du cycle.

D'une façon générale, le volume du réservoir 120 peut être calculé par la formule V(CA) = Fe x (Tt-Ta) = (Ft - Fe) x Ta où V(CA) est le volume du réservoir, et Fe est le débit du fluide de refroidisse ment de la conduite d'alimentation.

Le procédé selon l'invention peut être aussi bien appliqué au chauf fage d'un courant discontinu d'un fluide, notamment un fluide gazeux, en ce qu'on échange les composants des circuits de refroidissement présentés ci- dessus par des composants ayant un débit d'énergie en sens inverse, c'est-à- dire l'échangeur de chaleur (12) chauffe le courant dudit fluide à traiter et refroidit le fluide d'échange thermique du circuit.

L'apport en permanence de chaleur dans le circuit est effectuée par exemple par un échangeur de chaleur (comme celui du circuit de la Figure 2 en marche inverse) ou bien par apport de fluide chaud et évacuation simultanée de fluide froid. Le réservoir-tampon 28, 120 stocke, dans ce cas, du fluide d'échange thermique froid pendant la phase active et est rempli de fluide d'échange thermique chaud pendant la phase inactive.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de refroidissement, respectivement de chauffage, au moyen d'un échangeur de chaleur principal (12), d'un courant de fluide à traiter, notamment d'un courant gazeux, suivant un cycle qui définit une phase active de l'échangeur principal (12) au cours de laquelle a lieu le refroidissement, respecti vement le chauffage, et une phase inactive de l'échangeur principal (12), procé dé du type dans lequel - on fait circuler en permanence un fluide d'échange thermique dans un circuit thermique (4 ; 100) qui passe par l'échangeur de chaleur principal (12); - pendant la phase active, le fluide d'échange thermique absorbe, respectivement cède, un premier débit énergétique du courant gazeux dans l'échangeur de chaleur principal (12), et - en un autre emplacement du circuit de refroidissement (4 ; 100), on extrait, respectivement on apporte, en permanence de la chaleur du ou au fluide d'échange thermique, caractérisé en ce que - ladite extraction permanente, respectivement ledit apport permanent, de chaleur est effectué(e) avec un deuxième débit énergétique qui est inférieur audit premier débit énergétique, - le rapport dudit deuxième débit énergétique audit premier débit énergétique est égal ou supérieur au rapport de la durée de la phase active à la durée du cycle, - pendant la phase active, ladite extraction permanente de chaleur, respectivement ledit apport permanent, est réalisé(e) sur le fluide d'échange thermique sortant de l'échangeur de chaleur principal (12), tandis qu'un débit énergétique égal à la différence entre ledit premier débit énergétique et ledit deuxième débit énergétique est stocké sous forme d'accumulation d'un volume- tampon de fluide d'échange thermique, et - pendant la phase inactive, ladite extraction permanente, respective ment ledit apport permanent, de chaleur est réalisé(e) sur le fluide d'échange thermique accumulé pendant la phase active.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait cir culer le fluide d'échange thermique en circuit fermé, et en ce que ladite extrac tion permanente, respectivement ledit apport permanent, de chaleur est effec tuée) pendant la phase active et inactive par un échangeur de chaleur auxiliaire (24 ; 50) qui met un débit du fluide d'échange thermique accumulé en relation d'échange thermique avec un fluide auxiliaire.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pendant la phase active, on accumule un volume de fluide d'échange thermique (34A, 34B) qui est égal au volume de fluide d'échange thermique nécessité par l'échangeur de chaleur principal (12) pendant la phase active.

4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la du rée de la phase active est au maximum la moitié de la durée du cycle.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la phase inactive, ladite extraction permanente, respectivement ledit apport perma nent, est effectué(e) par évacuation d'un débit du fluide d'échange thermique accumulé, et on remplace le fluide d'échange thermique évacué par du fluide d'échange thermique d'appoint.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, pendant la phase inactive, on établit un circuit fermé de fluide d'échange thermique qui passe par l'échangeur principal (12).

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le débit de circulation du fluide d'échange thermique dans l'échangeur principal (12) est constant.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracté risé en ce que le courant de fluide à traiter est un courant gazeux, notamment d'air, destiné à être traité par adsorption à pression modulée (Pressure Swing Adsorption ou PSA), notamment au moyen d'un adsorbeur unique (16).

9. Circuit de refroidissement, respectivement de chauffage (4 ; 100), pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur principal (12), des moyens d'entraînement du fluide d'échange thermique (42) à travers cet échan geur, des moyens d'extraction permanente, respectivement d'apport permanent , de chaleur (24 ; 50; 102,116), et un réservoir-tampon de fluide d'échange ther- mique (28 ;120), dont l'entrée est reliée à la sortie de fluide d'échange thermique de l'échangeur de chaleur principal (12), et dont la sortie est reliée à l'entrée de fluide d'échange thermique de l'échangeur de chaleur principal (12).

10. Circuit (4) selon la revendication 9, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2 ou toute revendication qui en dépend, caracté risé en ce que le circuit est fermé, et en ce que lesdits moyens d'extraction per manente, respectivement d'apport permanent, de chaleur comprennent un échangeur de chaleur auxiliaire (24 ; 50) relié au côté sortie de fluide d'échange thermique de l'échangeur de chaleur principal (12).

11. Circuit (4) selon la revendication 10, caractérisé en ce que le ré servoir-tampon (28) comprend un volume qui est égal au volume du fluide d'échange thermique (34A, 34B) nécessité pendant la phase active.

12. Circuit (100) selon la revendication 9, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5 ou toute revendication qui en dépend, caracté risé en ce que - lesdits moyens d'extraction permanente, respectivement d'apport permanent, de chaleur comprennent des moyens d'alimentation, permanente en fluide d'échange thermique d'appoint (102), et des moyens d'évacuation perma nente en fluide d'échange thermique réchauffé, respectivement refroidi (116); - le circuit (100) comprend en outre, pendant la phase active, des moyens de liaison d'une première ouverture du réservoir-tampon (120) et desdits moyens d'alimentation en fluide d'échange thermique d'appoint (102) à l'entrée de l'échangeur de chaleur (12), et des moyens de liaison de la sortie de l'échangeur de chaleur (12) auxdits moyens d'évacuation de fluide d'échange thermique réchauffé, respectivement refroidi (116) et à une deuxième ouverture du réservoir-tampon (120); et - le circuit (100) comprend en outre, pendant la phase inactive, des moyens de liaison de la sortie de l'échangeur de chaleur (12) à l'entrée de ce dernier, des moyens de liaison desdits moyens d'alimentation en fluide d'échange thermique d'appoint (102) à ladite première ouverture du réservoir- tampon (120), et des moyens de liaison desdits moyens d'évacuation de fluide d'échange thermique réchauffé, respectivement refroidi (116) à ladite deuxième ouverture du réservoir-tampon (120).

13. Circuit (100) selon la revendication 12, caractérisé en ce que le volume du réservoir-tampon (120) est sensiblement égal au volume qui corres pond à la différence entre le débit de l'échangeur de chaleur (12) et le débit des moyens d'alimentation (102) en fluide (116) d'échange thermique pendant la phase active, multipliés par la durée de cette phase active, et également à la différence entre le débit de l'échangeur de chaleur (12) et le débit des moyens d'évacuation (116) du fluide d'échange thermique pendant la phase active, mul tipliés par la durée de cette phase active.

14. Circuit (4 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le réservoir-tampon (28 ; 120) est en forme sensiblement cylindrique et comporte une relation hauteur/diamètre sensiblement supérieure à 1, des raccords de fluide d'échange thermique étant agencés sensiblement aux extrémités opposées.

15. Circuit (4 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que le réservoir-tampon (28 ; 120) comporte des moyens de ralentissement (38) du fluide d'échange thermique pour s'opposer au mélange du fluide chaud et du fluide froid dans le réservoir-tampon.

16. Circuit (100) selon la revendication 12 ou toute revendication qui en dépend, caractérisé en ce que le réservoir-tampon (120) comporte un piston qui sépare le fluide d'échange thermique chaud du fluide d'échange thermique frais.

17. Circuit (4 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que le raccord de fluide d'échange thermique chaud est agen cé à l'extrémité supérieure du réservoir-tampon (28 ; 120) et le raccord de fluide d'échange thermique frais est agencé à l'extrémité inférieure dudit réservoir- tampon (28 ; 120).