FR3063539A1 - Installation frigorifique - Google Patents
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Abstract
Une installation frigorifique comprend : - un circuit frigorifique (1000) incluant un échangeur de sous-refroidissement (106) ; et - un circuit de sous-refroidissement (3000) incluant l'échangeur de sous-refroidissement (106) et un second échangeur (302), le second échangeur (302) étant disposé dans une enceinte de stockage de froid (301).
Description
Titulaire(s) : ELECTRICITE DE FRANCE Société anonyme, JF CESBRON Société par actions simplifiée.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : CABINET PLASSERAUD.
INSTALLATION FRIGORIFIQUE.
kü/j Une installation frigorifique comprend:
- un circuit frigorifique (1000) incluant un échangeur de sous-refroidissement (106); et
- un circuit de sous-refroidissement (3000) incluant l'échangeur de sous-refroidissement (106) et un second échangeur (302), le second échangeur (302) étant disposé dans une enceinte de stockage de froid (301).
FR 3 063 539 - A1
Installation frigorifique
L’invention relève du domaine des installations thermiques, en particulier celui de la production de froid industriel dans le secteur tertiaire et les magasins de distribution.
Classiquement, une installation frigorifique comprend un circuit frigorifique composé des éléments suivants : un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur. L’évaporateur refroidit une zone cible, par exemple l’intérieur d’un réfrigérateur ou d’une chambre froide. Souvent, le refroidissement est réalisé par l’intermédiaire d’un circuit secondaire fluidiquement distinct du circuit frigorifique. Le fluide circulant dans le circuit secondaire est refroidi en passant par l’évaporateur.
Dans certains cas, le circuit secondaire passe par une cuve de stockage de froid afin d’y être refroidi en complément ou en remplacement du passage par l’évaporateur.
Divers fluides frigoporteurs peuvent être mis en œuvre dans les installations frigorifiques. Certains fluides frigorigènes ont un impact écologique néfaste, par exemple sur la couche d’ozone et/ou le réchauffement climatique. L’évolution des règlementations tend à favoriser les fluides frigorigènes les moins néfastes. Cependant, les propriétés thermodynamiques des fluides varient avec leur nature. Les conditions de fonctionnement de chaque installation frigorifique dépendent au moins en partie de la nature des fluides frigoporteurs. Par conséquent, une installation agencée pour fonctionner avec un ou plusieurs fluides frigoporteurs prédéfinis ne fonctionne généralement pas, ou mal, avec d’autres fluides que ceux prévus.
En outre, chaque installation frigorifique présente un coefficient de performance (COP) que l’on souhaite le plus élevé possible. Le COP dépend notamment de la température de l’environnement (généralement celle de l’air) qui dépend elle-même du climat, de la météo et des heures de la journée. En d’autres termes, les performances d’une installation frigorifique sont fortement thermosensibles. Par exemple, pour une température de consigne constante, une installation frigorifique consomme plus d’énergie le jour lorsque la température ambiante est élevée que la nuit lorsque la température est basse. En outre, les besoins en énergie des utilisateurs varient au cours de la journée. La consommation d’énergie, par exemple électrique, est donc irrégulière au cours du temps.
L’invention vient améliorer la situation.
La demanderesse propose une installation frigorifique comprenant :
- un circuit frigorifique incluant un échangeur de sous-refroidissement ; et
- un circuit de sous-refroidissement incluant l’échangeur de sous-refroidissement et un second échangeur, le second échangeur étant disposé dans une enceinte de stockage de froid.
Une telle installation permet d’améliorer l’homogénéité de la consommation d’énergie au cours du temps, notamment en cas de grandes variations de température ambiante au cours du temps. Le coefficient de performance est aussi amélioré. En outre, le sous-refroidissement assuré au moins en partie au moyen d’une enceinte de stockage permet une grande réactivité face aux changements rapides de température ambiante, ce qui participe à l’augmentation du coefficient de performance moyen (COP).
Selon un second aspect de l’invention, la demanderesse propose un procédé de sousrefroidissement d’un fluide frigorifique circulant dans un circuit frigorifique comprenant :
- disposer un échangeur de sous-refroidissement sur le circuit frigorifique de sorte que l’échangeur de sous-refroidissement soit traversé par le fluide frigorifique,
- faire circuler un fluide frigoporteur dans une enceinte de stockage de froid et dans l’échangeur de sous-refroidissement de sorte que le fluide frigorifique est sous-refroidi par échange d’énergie thermique avec le contenu de l’enceinte de stockage de froid.
Les caractéristiques suivantes peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- L’enceinte de stockage de froid contient un matériau apte à absorber et restituer des frigories par changements de phase. Ceci permet d’améliorer l’efficacité énergétique de l’installation.
- Le circuit frigorifique comprend en outre un évaporateur. L’installation comprend en outre un circuit secondaire incluant l’évaporateur et un jeu de vannes agencées de manière à régler l’installation alternativement entre un état de chargement et un état de service. Dans l’état de chargement, le second échangeur est parcouru par un fluide en provenance du circuit annexe de manière à y prélever des frigories pour les stocker dans l’enceinte de stockage de froid. Dans l’état de service, le second échangeur restitue les frigories stockées par l’enceinte de stockage de froid au circuit de sous-refroidissement et alimente l’échangeur de sous-refroidissement en frigories. Une telle installation est sensiblement autonome dans le sens où la manipulation des vannes suffit à changer le mode de fonctionnement de l’installation sans nécessiter l’apport de frigories par une installation annexe supplémentaire.
- Le jeu de vannes comprend des électrovannes commandées par un module de commande agencé de manière à commander les électrovannes en fonction du temps et/ou de données relatives à l’un au moins des paramètres suivants :
- une température extérieure,
- un ensoleillement,
- une pression de fonctionnement dans l’un au moins des circuits de fluide de l’installation,
- une température de fonctionnement dans l’un au moins des circuits de fluide de l’installation,
- un coût de l’énergie électrique,
- une température de consigne.
La commande d’une telle installation peut être en grande partie, voire totalement, automatisée. L’efficacité énergétique de l’installation peut être automatiquement ajustée en fonction de divers paramètres, notamment des paramètres difficilement prévisibles tels que la météorologie. En outre, une telle installation peut être aisément et rapidement adaptée à diverses contraintes, notamment économiques, par une modification de la programmation du module de commande, par exemple une mise à jour logicielle qui peut être commandée à distance. Une intervention lourde sur les circuits de refroidissements eux-mêmes peut être évitée. Le module de commande peut communiquer avec d’autres systèmes et/ou être piloté à distance pour former un élément d’un plus grand ensemble, par exemple plusieurs installations frigorifiques.
- Le circuit frigorifique contient un fluide frigorigène sélectionné parmi :
- le dioxyde de carbone (CO2),
- l’ammoniac (NH3),
- les hydrofluorocarbures (HFC) R-134a ou R-410A,
- les hydrocarbures (HC) R-600a, R-600 ou R-290,
- les hydrofluoro-olefines (HFO) R-1234yf, R-1234ze ou R-1270, et
- le R-404.
Une telle installation est compatible avec la plupart des fluides frigorifiques connus, et particulièrement efficace avec les fluides présentant le moins d’effets écologiques néfastes.
- Le circuit frigorifique comprend un condenseur disposé en amont de l’échangeur de sousrefroidissement et un réservoir de liquide en aval de l’échangeur de sous-refroidissement. Ainsi, le fluide frigorigène du circuit frigorifique peut être sous-refroidi immédiatement avant de subir une chute de pression, ce qui améliore l’efficacité énergétique de l’installation.
- L’enceinte de stockage de froid contient, de manière étanche par rapport à l’extérieur, une matière dont la composition et la pression sont sélectionnées de sorte qu’une température de changement d’état de ladite matière soit comprise dans une plage de température de fonctionnement du fluide contenu dans le circuit de sous-refroidissement. En fonctionnement, ladite matière subit un changement de phase lors du mode de chargement, et le changement de phase contraire lors du mode opérationnel. Ceci participe à la bonne efficacité de l’installation dans son ensemble.
- L’enceinte de stockage de froid contient, de manière étanche par rapport à l’extérieur, de l’eau ou des matériaux à changement de phase (MCP). Ainsi, les pertes thermiques sont limitées dans le temps, ce qui améliore encore l’efficacité de l’ensemble de l’installation.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente un circuit frigorifique,
- la figure 2 montre la superposition d’un diagramme enthalpique et d’un cycle frigorifique d’un circuit frigorifique,
- la figure 3 représente une installation frigorifique incluant un circuit frigorifique similaire à celui de la figure 1,
- la figure 4 représente une installation frigorifique selon l’invention,
- la figure 5 représente l’installation frigorifique de la figure 4 dans un autre mode de fonctionnement, et
- la figure 6 montre la superposition d’un diagramme enthalpique et d’un cycle frigorifique d’un circuit frigorifique selon l’invention.
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
Dans la suite, les ternies « haute » et « basse » qualifiant des pressions et des températures ont un sens relatif dans le contexte d’un cycle frigorifique ou d’une installation frigorifique donnés. Le terme de « frigorie » s’entend comme l’opposée de « calorie ». Le « froid » s’entend comme l’opposé de l’énergie thermique ou la chaleur.
La figure 1 montre un circuit frigorifique 100. Le circuit 100 comprend :
- un évaporateur 101,
- un compresseur 102,
- un condenseur 103, aussi appelé refroidisseur de gaz,
- un réservoir de liquide 104, et
- un détendeur 105.
Le circuit frigorifique 100 est un circuit fermé, ou boucle, étanche par rapport à l’environnement extérieur. Les éléments précités sont disposés de l’amont vers l’aval dans l’ordre de leur énumération ci-avant. Un fluide frigoporteur, ici appelé fluide frigorigène, traverse tour à tour lesdits éléments du circuit frigorifique 100.
L’évaporateur 101 est un échangeur de chaleur. Le fluide frigorigène y entre en phase liquide, absorbe la chaleur (les calories) d’un autre fluide plus chaud traversant l’évaporateur 101. Ce faisant, le fluide frigorigène passe en phase liquide plus gaz, puis en phase gazeuse, à pression sensiblement constante. L’évaporation est référencée 1 dans le cycle frigorifique de la figure 2. Ici, il est équivalent de dire que le fluide frigorigène absorbe la chaleur (les calories) de l’autre fluide plus chaud ou de dire que le fluide frigorigène transmet le froid (les frigories) à l’autre fluide plus chaud.
Le compresseur 102 aspire le fluide frigorigène en amont et en provenance de l’évaporateur 101, sous forme gazeuse et à basse pression. Le compresseur 102 fournit l’énergie mécanique et permet d’élever la pression et la température du fluide frigorigène en aval du compresseur 102. Le travail de compression est référencé 2 dans le cycle frigorifique de la figure 2. Le compresseur 102 constitue généralement l’élément du circuit 100 le plus consommateur d’énergie, ici sous forme d’énergie électrique.
Le condenseur 103, ou refroidisseur de gaz, ou « gascooler » en anglais, est un échangeur de chaleur. Le fluide frigorigène en provenance du compresseur 102 sous forme gazeuse se condense par échange de température avec un fluide extérieur, par exemple l’air ambiant ou de l’eau. Le changement de phase du fluide frigorigène s’effectue sensiblement à pression et température constantes. Cette condensation est référencée 3 dans le cycle frigorifique de la figure 2.
Le réservoir de liquide 104, ici sous la forme d’une bouteille, reçoit le fluide frigorigène sous forme liquide en provenance du condenseur 103. Dans l’exemple décrit ici, le réservoir de liquide 104 comprend un système de vanne et de tube plongeur agencé de sorte que le circuit frigorifique 100 est alimenté en liquide en aval du réservoir de liquide 104 y compris lorsque le niveau de remplissage du réservoir de liquide 104 est faible. Le réservoir de liquide 104 permet de stocker du liquide et de compenser les écarts de volume du fluide frigorigène dus aux variations de températures au cours du fonctionnement.
Le détendeur 105 réduit la pression du fluide frigorigène sous forme liquide et sensiblement à température constante. La détente est référencée 5 dans le cycle frigorifique de la figure 2.
La figure 3 représente une installation frigorifique comprenant un circuit frigorifique 100 analogue à celui décrit ci-avant. L’installation comprend en outre un circuit secondaire 200.
Le circuit secondaire 200 est un circuit fermé, ou boucle, étanche par rapport à l’environnement extérieur et traversé par un fluide frigoporteur. En fonctionnement, le circuit frigorifique 100 refroidit le circuit secondaire 200.
Le circuit frigorifique 100 et le circuit secondaire 200 ne communique pas fluidiquement. Les fluides frigoporteurs respectifs restent donc distincts. Le circuit frigorifique 100 et le circuit secondaire 200 forment deux étages de refroidissement de l’installation. En variante, l’installation comprend plus de deux étages. Autrement dit, le circuit secondaire 200 peut à son tour refroidir un troisième circuit.
Dans l’exemple décrit ici, le fluide frigorigène du circuit frigorifique 100 comprend du dioxyde de carbone (CO2). En variante, d’autres fluides peuvent être utilisés, par exemple de l’ammoniac (NH3), des hydrofluorocarbures (HFC) tels que R-134a, R-410A, des hydrocarbures (HC) tels que R-600a, R-600, R-290, ou encore des hydrofluoro-olefines (HFO) tels que R-1234yf, R1234ze, R-1270. De tels composants présentent des effets écologiques peu ou pas néfastes. Du R-404 peut aussi être mis en œuvre. Dans l’exemple décrit ici, le fluide frigoporteur du circuit secondaire 200 comprend de l’eau glycolée. Un tel fluide est peu coûteux et présente de bonnes performances aux températures et pressions de fonctionnement visées, à savoir entre -60°C et +10°C et entre 1 et 3 bar. L’eau glycolée peut atteindre des températures inférieures à la température de solidification de l’eau, sans geler. Dans la suite, et afin de faciliter la compréhension, le fluide frigoporteur du circuit frigorifique 100 est appelé fluide frigorigène tandis que le fluide frigoporteur du circuit secondaire est appelé eau glycolée. En variante, l’eau glycolée peut être remplacée par d’autres types de fluides frigoporteurs adaptés aux conditions de fonctionnement, par exemple des pressions comprises entre 0,5 et 170 bar. Les deux fluides frigoporteurs peuvent aussi être de même nature.
Le circuit secondaire 200 comprend, lui-aussi, l’évaporateur 101. Autrement dit, l’évaporateur 101 est agencé de manière à être traversé par le fluide frigorigène du circuit frigorifique 100 d’une part, et par l’eau glycolée du circuit secondaire 200 d’autre part, et de sorte que les échanges thermiques entre les deux fluides soient favorisés. L’évaporateur 101 forme une jonction entre les deux étages de refroidissement. Dans les exemples décrit ici, le fluide frigorigène du circuit frigorifique 100 refroidit l’eau glycolée du circuit secondaire 200 par conduction thermique à l’intérieur de l’évaporateur 101.
Le circuit secondaire 200 comprend en outre un échangeur de sortie 201. L’échangeur de sortie 201 est un échangeur de chaleur, par exemple similaire à l’évaporateur 101. Dans les exemples, l’échangeur de sortie 201 est destiné à refroidir un espace dans lequel il se trouve, par exemple l’intérieur d’une chambre froide, ou des organes situés à proximité ou à son contact. En variante, l’échangeur de sortie 201 peut être relié à un troisième circuit.
Le circuit secondaire 200 comprend en outre une pompe 202 agencée de manière à faire circuler l’eau glycolée dans le circuit secondaire 200. Ici, la pompe 202 est disposée en amont de l’évaporateur 101 et en aval de l’échangeur de sortie 201. En variante, la pompe 202 peut être disposée ailleurs sur le circuit secondaire 202. Le circuit secondaire 200 peut comprend une pluralité de pompes et/ou d’autres moyens moteurs propres à mettre en circulation l’eau glycolée. Lorsque le circuit secondaire 200 est agencé de sorte que la thermodynamique suffit à mettre en mouvement l’eau glycolée, le circuit secondaire 200 peut être dépourvu de moyen moteur.
L’installation représentée en figure 3 comprend en outre un circuit annexe 300 incluant un second échangeur de chaleur 302 disposé dans une enceinte, ou cuve, de stockage de froid 301.
Par enceinte de stockage de froid 301, on entend ici un contenant calorifugé agencé de manière à stocker une énergie thermique par chaleur sensible et/ou chaleur latente.
Dans l’exemple décrit ici, l’enceinte de stockage de froid 301 contient de l’eau qui peut prendre la forme de glace ou d’eau glacée lorsqu’elle stocke du froid. En variante, d’autres matières peuvent être utilisées. Par exemple du sel peut être ajouté à l’eau pour abaisser la température de changement de phase (liquide-glace). En variante, des matériaux à changement de phase (MCP) peuvent par exemple être mis en œuvre. L’enceinte de stockage de froid 301 peut aussi contenir des nodules encapsulés remplis de MCP (solide-liquide) baignant dans un fluide frigoporteur. Le fluide frigoporteur comprenant, par exemple, de l’eau et du mono-éthylène glycol (MEG), ou encore de l’eau et du mono-propylène glycol (MPG). La concentration en MEG ou en MPG est adaptée en fonction de la température de changement de phase des nodules.
Dans l’exemple décrit ici, le second échangeur de chaleur 302 est immergé dans l’eau contenue dans l’enceinte de stockage de froid 301.
Le circuit annexe 300 est relié fluidiquement au circuit secondaire 200 et non au circuit frigorifique 100. Par conséquent, le fluide frigoporteur circulant dans le circuit annexe 300 est le même que celui circulant dans le circuit secondaire 200, soit ici de l’eau glycolée.
Les deux extrémités du second échangeur de chaleur 302 sont reliées fluidiquement au circuit secondaire 200 entre l’évaporateur 101 et l’échangeur de sortie 201, respectivement sur l’une et l’autre des deux branches du circuit secondaire 200. Ici, une des extrémités du second échangeur de chaleur 302 est reliée au circuit secondaire 200 en aval de l’échangeur de sortie 201 et en amont de la pompe 202 tandis que l’autre extrémité est reliée au circuit secondaire 200 en aval de l’évaporateur 101 et en amont de l’échangeur de sortie 201.
L’installation est agencée pour permettre, à volonté, d’isoler ou de relier de manière opérationnelle l’un avec l’autre le circuit annexe 300, en particulier le second échangeur de chaleur 302, et le circuit secondaire 200. Dans l’exemple décrit ici, l’installation comprend une vanne trois voies 401. Ici la vanne trois voies 401 est disposée à la connexion entre le circuit annexe 300 et la branche du circuit secondaire 200 située en aval de l’évaporateur 101 et en amont de l’échangeur de sortie 201. En variante, la vanne trois voies 401 peut être disposée en d’autres emplacements, par exemple sur l’autre raccord entre le circuit annexe 300 et le circuit secondaire 200. En variante, d’autres moyens qu’une vanne trois voies sont agencées pour permettre d’isoler ou de relier de manière opérationnelle l’un avec l’autre le circuit annexe 300, en particulier le second échangeur de chaleur 302, et le circuit secondaire 200.
Ainsi, l’installation présente un état dans lequel le circuit annexe 300 est neutralisé. Cet état correspond à celui représenté en figure 3 : la voie de la vanne trois voies 401 reliée au circuit annexe 300 est fermée. La circulation d’eau glycolée dans le circuit annexe 300 est empêchée. Le second échangeur de chaleur 302 est neutralisé.
Dans l’état représenté en figure 3, les deux voies de la vanne trois voies 401 reliées au circuit secondaire 200 sont ouvertes et en communication l’une avec l’autre de sorte la circulation de l’eau glycolée dans le circuit secondaire 200 est possible. En jouant sur l’ouverture de la vanne trois voies 401 et/ou sur le fonctionnement de la pompe 202, il est possible de faire varier à volonté le débit de circulation de l’eau glycolée dans le circuit secondaire 200. Le débit peut aussi être arrêté, par exemple en fermant complètement la vanne trois voies 401, par exemple lors d’arrêt de l’installation ou d’opérations de maintenance.
L’installation présente un autre état dans lequel le circuit annexe 300 est opérationnel. Dans cet état, la voie de la vanne trois voies 401 reliée au circuit annexe 300 est ouverte. La circulation d’eau glycolée dans le circuit annexe 300 est permise. Le second échangeur de chaleur 302 est opérationnel. En jouant sur l’ouverture de cette voie de la vanne trois voies 401, il est possible de faire varier à volonté le débit de circulation de l’eau glycolée dans le circuit annexe 300 et dans le second échangeur de chaleur 302.
Dans l’état opérationnel du circuit annexe 300, des échanges d’énergie thermique s’effectuent entre le circuit secondaire 200 et le circuit annexe 300 via le second échangeur de chaleur 302.
Lorsque l’eau glycolée du circuit secondaire 200 et du circuit annexe 300 est plus chaude que l’eau contenue dans l’enceinte de stockage de froid 301, alors le circuit annexe 300 est en mode refroidissement : l’eau glycolée du circuit secondaire 200 transmet sa chaleur (ses calories) à l’eau de l’enceinte de stockage de froid 301. L’eau de l’enceinte de stockage de froid 301 transmet le froid stocké (ses frigories) à l’eau glycolée du circuit annexe 300. L’eau glycolée du circuit annexe 300 est alors refroidie puis réinjectée dans le circuit secondaire 200 pour atteindre l’échangeur de sortie 201. Au contraire, lorsque l’eau glycolée du circuit secondaire 200 et du circuit annexe 300 est plus froide que l’eau contenue dans l’enceinte de stockage de froid 301, alors le circuit annexe 300 est en mode rechargement : l’eau glycolée du circuit secondaire 200 transmet son froid (ses frigories) à l’eau de l’enceinte de stockage de froid 301 pour y être stocké. L’eau de l’enceinte de stockage de froid 301 transmet la chaleur (ses calories) à l’eau glycolée du circuit annexe 300. L’eau de l’enceinte de stockage de froid 301 est alors rechargée en frigories qu’elle stocke pour un usage ultérieur. L’eau peut alors se transformer au moins en partie en glace. La température de solidification dépend de la nature d’éventuels autres composants mélangés à l’eau.
En variante, l’installation peut comprendre des moyens tels que des vannes pour isoler à volonté l’échangeur de sortie 201 du circuit secondaire 200, par exemple au cours du mode rechargement. Ainsi, le circuit frigorifique 100 alimente et recharge en froid l’enceinte de stockage de froid 301 par l’intermédiaire du circuit secondaire 200 sans que le froid ne soit consommé par l’échangeur de sortie 201. Le rechargement est alors plus rapide.
Dans la configuration représentée en figure 3, le circuit annexe 300 peut être utilisé en complément du circuit frigorifique 100. Le circuit annexe 300 et le circuit frigorifique 100 fonctionnent indépendamment l’un de l’autre pour alimenter en froid le circuit secondaire 200. Le circuit annexe 300 peut être utilisé en remplacement temporaire du circuit frigorifique 100, par exemple lors d’opération de maintenance sur le circuit frigorifique 100 le rendant nonopérationnel.
Dans l’exemple décrit ici, l’enceinte de stockage de froid 301 comprend une cuve sensiblement cylindrique en métal dont les parois sont calorifugées de manière à limiter les pertes par conduction via les parois. De préférence, l’enceinte de stockage de froid 301 est enterrée de manière à favoriser son isolation thermique. En variante, l’enceinte de stockage de froid 301 prend la forme de cuves d’autres formes (parallélépipédique rectangle par exemple) et/ou est réalisée au moins en partie en béton. En variante, l’enceinte de stockage de froid 301 n’est pas enterrée mais de préférence à l’abri et à distance de sources de chaleur, notamment le rayonnement solaire et d’autres machineries industrielles dégageant de la chaleur. L’enceinte de stockage de froid 301 est de préférence installée à proximité des organes composant le circuit frigorifique 100 de manière minimiser la longueur des canalisations et les pertes thermiques associées.
Il est maintenant fait référence aux figures 4 et 5 représentant la même installation en deux modes de fonctionnement distincts. La figure 4 représente un mode de chargement ou état de chargement (par exemple nocturne), tandis que la figure 5 représente un mode restitution de froid ou un état de service (par exemple diurne).
L’installation comprend ici un circuit frigorifique 1000, un circuit secondaire 2000 et un circuit de sous-refroidissement 3000.
Le circuit frigorifique 1000 présente des similitudes avec le circuit frigorifique 100 décrit ciavant. Notamment, il comprend un évaporateur 101, un compresseur 102, un condenseur 103, un réservoir de liquide 104 et un détendeur 105 similaires à ce qui a été décrit ci-avant.
Le circuit frigorifique 1000 se distingue du circuit frigorifique 100 notamment en ce qu’il comprend en outre un échangeur de sous-refroidissement 106 et est équipé d’un capteur de température 31.
L’échangeur de sous-refroidissement 106 forme une portion du circuit frigorifique 1000, ici située en aval du condenseur 103 et en amont du réservoir de liquide 104. Le fonctionnement du circuit frigorifique 1000 est donc similaire à celui décrit ci-avant à ceci près que le fluide frigorigène peut échanger de la chaleur, notamment absorber des frigories, au sein de l’échangeur de sous-refroidissement 106. Le fluide frigorigène est refroidi dans l’échangeur de sous-refroidissement 106, en plus de l’évacuation de chaleur permise par le condenseur 103, avant d’entrer dans le réservoir de liquide 104, puis le détendeur 105 et l’évaporateur 101.
Le circuit secondaire 2000 présente des similitudes avec le circuit secondaire 200 décrit ciavant. Notamment, il comprend l’évaporateur 101 en commun avec le circuit frigorifique 1000, un échangeur de sortie 201 et une pompe 202 similaires à ce qui a été décrit ci-avant.
Le circuit secondaire 2000 se distingue du circuit secondaire 200 notamment en ce qu’il comprend en outre un capteur de température 32.
Le circuit de sous-refroidissement 3000 inclut un second échangeur de chaleur 302 disposé dans une enceinte, ou cuve, de stockage de froid 301. L’échangeur de chaleur 302 et l’enceinte de stockage de froid 301 sont similaires à ce qui a été décrit ci-avant.
L’échangeur de chaleur 302 du circuit de sous-refroidissement 3000 est relié fluidiquement au circuit secondaire 2000. Les deux extrémités du second échangeur de chaleur 302 sont reliées fluidiquement au circuit secondaire 2000 entre l’évaporateur 101 et l’échangeur de sortie 201, respectivement sur l’une et l’autre des deux branches du circuit secondaire 2000. Ici, une des extrémités du second échangeur de chaleur 302 est reliée au circuit secondaire 2000 en aval de l’échangeur de sortie 201 et en amont de la pompe 202 tandis que l’autre extrémité est reliée au circuit secondaire 2000 en aval de l’évaporateur 101 et en amont de l’échangeur de sortie 201.
Dans l’exemple décrit ici, l’installation comprend une vanne trois voies 12. Ici la vanne trois voies 12 est disposée à la connexion entre le circuit de sous refroidissement 3000 et la branche du circuit secondaire 2000 située en aval de l’échangeur de sortie 201 et en amont de la pompe 202. En variante, la vanne trois voies 12 peut être disposée en d’autres emplacements, par exemple sur l’autre raccord entre le circuit de sous-refroidissement 3000 et le circuit secondaire 2000. En variante, d’autres moyens qu’une vanne trois voies sont prévus pour permettre d’isoler ou de relier de manière opérationnelle l’un avec l’autre le circuit de sous-refroidissement 3000, en particulier le second échangeur de chaleur 302, et le circuit secondaire 2000.
Ainsi, Γ installation des figures 4 et 5 présente un état dans lequel le circuit de sousrefroidissement 3000 est sensiblement équivalent au mode rechargement du circuit annexe 300 de l’installation de la figure 3. Cet état correspond à celui représenté en figure 4 : la voie de la vanne trois voies 12 reliée au circuit de sous-refroidissement 3000 et la voie de la vanne trois voies 12 reliée à la pompe 202 sont ouvertes. La circulation d’eau glycolée entre le circuit secondaire 2000 et le circuit de sous-refroidissement 3000 est possible. Le second échangeur de chaleur 302 est traversé par l’eau glycolée préalablement refroidie par le circuit frigorifique 1000 et par l’intermédiaire de l’évaporateur 101 et du circuit secondaire 2000. Dans ce mode de fonctionnement, l’enceinte de stockage de froid 301 absorbe les frigories issues de l’eau glycolée par l’intermédiaire du second échangeur de chaleur 302 et se recharge. En figure 4, le sens de circulation de l’eau glycolée dans le circuit de sous-refroidissement 3000 est représenté par des flèches. En variante, ce sens peut être inversé.
En jouant sur l’ouverture de la vanne trois voies 12, il est possible de réguler à volonté le débit d’eau glycolée passant dans l’enceinte de stockage de froid 301 et donc la température de l’eau glycolée lorsqu’elle traverse le second échangeur de chaleur 302. Dans les exemples d’utilisation prévus, une température proche de -5°C est souhaitée (cuve de stockage 301 logeant un échangeur 302 avec de l’eau). Une température comprise entre -10°C et -30°C peut être souhaitée, par exemple en cas d’utilisation de MCP.
Sur la figure 4, la voie de la vanne trois voies 12 reliée à l’échangeur de sortie 201 est aussi ouverte. Ainsi, l’échangeur de sortie 201 continue d’être alimenté en eau glycolée refroidie, et donc d’être fonctionnel, pendant le rechargement de l’enceinte de stockage de froid 301. En jouant sur le réglage de la vanne trois voies 12, il est possible de régler la répartition entre l’eau glycolée refroidie utilisée pour recharger l’enceinte de stockage de froid 301 et celle utilisée pour alimenter l’échangeur de sortie 201. En variante, l’alimentation de l’échangeur de sortie 201 peut être complètement interrompue, par exemple pour recharger plus vite l’enceinte de stockage de froid 301. En jouant sur le fonctionnement de la pompe 202, il est possible de faire varier à volonté le débit de circulation total de l’eau glycolée.
Le circuit de sous-refroidissement 3000 comprend en outre l’échangeur de sous-refroidissement 106. Le circuit de sous-refroidissement 3000 se distingue du circuit annexe 300 notamment en ce que, en fonctionnement, des échanges thermiques entre le circuit de sous-refroidissement 3000 et le circuit frigorifique 1000 ont lieu par l’intermédiaire de l’échangeur de sousrefroidissement 106. Les deux ports de l’échangeur de sous-refroidissement 106 du circuit de sous-refroidissement 3000 sont reliés respectivement à l’un et l’autre des deux ports du second échangeur de chaleur 302. Ainsi, dans le mode de fonctionnement opérationnel du circuit de sous-refroidissement 3000 représenté en figure 5, l’eau glycolée traversant l’échangeur de sousrefroidissement 106 circule en aval vers le second échangeur de chaleur 302. Dans l’exemple décrit ici, entre la sortie de l’échangeur de sous-refroidissement 106 et l’entrée du second échangeur de chaleur 302, l’eau glycolée traverse en outre une vanne 11 (ici sous la forme d’une vanne trois voies) et une vanne trois voies 13 (partie haute de la figure 5).
Le circuit de sous-refroidissement 3000 comprend en outre une pompe 303 agencée de manière à entraîner l’eau glycolée du circuit de sous-refroidissement 3000 lorsque le sousrefroidissement du circuit frigorifique 1000 est actif par l’intermédiaire de l’échangeur de sousrefroidissement 106 (figure 5). Dans l’exemple décrit ici, la pompe 303 est disposée en amont de l’échangeur de sous-refroidissement 106 et en aval du second échangeur de chaleur 302. La pompe 303, est ici dépourvue de variateur. Les débits et la répartition des flux sont sélectionnés au moyen des vannes 11, 12, 13. En variante, les débits peuvent être réglés au moyen de variateurs équipant les pompes 202, 303.
Dans l’exemple décrit ici, le passage de l’état de chargement de l’enceinte de stockage de froid 301 et d’absence de sous-refroidissement (figure 4) à l’état actif du sous-refroidissement (figure 5) et vice versa peut être réalisé respectivement en fermant et en ouvrant la vanne 11. En l’état actif du sous refroidissement, la pompe 303 est active, tandis qu’elle est éteinte en l’état de rechargement.
En jouant sur l’ouverture de la vanne 11, il est possible de réguler à volonté le débit d’eau glycolée passant dans l’échangeur de sous-refroidissement 106 et donc la température de l’eau glycolée lorsqu’elle traverse l’échangeur de sous-refroidissement 106. Dans les exemples d’utilisation prévus, lorsque le fluide frigorigène comprend du dioxyde de carbone (CO2) et que la température extérieure atteint 32°C ou plus (le milieu extérieur du condenseur 103 étant par exemple l’air ambiant ou de l’eau), on souhaite abaisser la température du fluide frigorigène par sous-refroidissement de sorte que le circuit frigorifique 1000 fonctionne au-dessous du point critique du dioxyde de carbone et que les performances énergétiques de l’installation restent acceptables.
Dans l’exemple décrit ici, l’installation comprend en outre un module de commande 20. Les vannes 11 et 12 sont des électrovannes, en particulier des électrovannes trois voies. Les vannes 11, 12 sont contrôlées par l’intermédiaire du module de commande 20. Le module de commande 20 reçoit en outre des signaux en provenance des capteurs de température 31 et 32.
Les capteurs de température 31 et 32 sont disposés respectivement :
- sur le circuit frigorifique 1000, en aval de l’échangeur de sous-refroidissement 106 de manière à transmettre des données représentatives de la température du fluide frigorigène après sousrefroidissement par l’échangeur de sous-refroidissement 106, et
- sur le circuit secondaire 2000, en aval de l’échangeur de sortie 201 de manière à transmettre des données représentatives de la température de l’eau glycolée en sortie de l’échangeur de sortie 201.
Le module de commande 20 comprend des moyens informatiques, par exemple un processeur et une mémoire, agencés pour commander les vannes 11, 12.
Dans un premier mode de réalisation, le module de commande 20 comprend une horloge, ou un automate journalier, et est agencé de manière à faire passer l’installation de l’un à l’autre des modes de fonctionnement décrit ci-avant en fonction de l’heure et selon un planning préétabli. Par exemple, à une heure matinale, le module de commande 20 génère l’ouverture de la vanne 11 et/ou la fermeture fa voie de la vanne trois voies 12 reliée au circuit secondaire 2000 de sorte que le sous-refroidissement est actif au cours de fa journée (mode représenté en figure 5). À une heure de fin de journée, le module de commande 20 génère la fermeture de la vanne 11 et/ou l’ouverture de la voie de la vanne trois voies 12 reliée au circuit secondaire 2000 de sorte que le rechargement de l’enceinte de stockage de froid 301 est actif et le sous-refroidissement inactif au cours de la nuit (mode représenté en figure 4).
Dans des variantes, le module de commande 20 reçoit en entrée des données d’autres capteurs de sorte que les commandes des vannes 11, 12 est fonction d’autres paramètres, par exemple :
- en fonction de la température extérieure au moyen d’un capteur de température disposé à l’extérieur,
- en fonction de l’ensoleillement au moyen d’un capteur de luminosité et/ou d’un capteur de température disposé au soleil,
- en fonction de pression de fonctionnement dans l’un au moins du circuit frigorifique 1000, du circuit secondaire 2000 et du circuit de sous-refroidissement 3000,
- en fonction de température de fonctionnement dans une portion de l’un au moins du circuit frigorifique 1000, du circuit secondaire 2000 et du circuit de sous-refroidissement 3000, par exemple au moyen des capteurs de température 31 et/ou 32,
- en fonction du coût de l’énergie électrique au moyen de données issues d’un réseau de données de type internet et/ou d’un signal indiquant un changement de tarification, par exemple du type de signal dit « heure pleine / heure creuse » reçu sur les compteurs électriques de la part d’un fournisseur d’énergie électrique, et/ou
- en fonction d’une température de consigne correspondant à une température souhaitée au niveau de l’échangeur de sortie 201 au moyen d’un élément de commande par exemple du type thermostat.
Le module de commande 20 peut mettre en œuvre des règles de pilotage tenant compte d’une combinaison de plusieurs des paramètres précités et visant à améliorer l’efficacité énergétique de l’installation au moins sur de courtes périodes (par exemples quelques jours de canicule) et de préférence en moyenne sur de longues durées (par exemple sur une année).
Dans l’état opérationnel du sous-refroidissement, des échanges d’énergie thermique s’effectuent entre le circuit de sous refroidissement 3000 et le circuit frigorifique 1000 via l’échangeur de sous refroidissement 106. Des frigories issues de l’enceinte de stockage de froid 301 sont fournies au fluide frigorigène avant que ce dernier n’entre dans le réservoir de liquide 104, puis dans le détendeur 105, et dans l’évaporateur 101.
L’association fonctionnelle du sous-refroidissement du circuit frigorifique et de l’enceinte de stockage de froid permet de réduire la thermo-sensibilité de l’installation. Les variations de fonctionnement non souhaitées sont réduites en nombre et/ou en amplitude. Le coefficient de performance (COP) de l’installation dans son ensemble est amélioré. Pour des conditions de fonctionnement données (températures extérieures et températures de consignes) la consommation d’énergie par l’installation est faible. En outre, l’installation permet de décaler dans le temps sa consommation énergétique sans que la production de froid ne s’en trouve sensiblement perturbée. Ceci permet, par exemple, de rendre une installation frigorifique compatible avec les systèmes dits « d’effacement diffus » de la consommation d’électricité.
La figure 6, notamment par comparaison avec la figure 2, représente l’augmentation de la puissance frigorifique permise par la mise en œuvre du sous refroidissement, la différence étant référencée 6 sur la figure 5. Autrement dit, la différence 6 sur la figure 5 permet d’augmenter la quantité de chaleur absorbée par l’évaporateur, correspondant à la référence 1 sur la figure 6, à quantité d’énergie électrique totale absorbée équivalente, à celle de la figure L
Les modes de réalisation décrits jusqu’ici sont des exemples permettant sans difficulté à un homme du métier d’en déduire des variantes fonctionnellement identiques ou similaires, par exemple en adaptant la position de certains éléments dans les installations. Par exemple, un unique module de commande peut commander de manière coordonnée plusieurs installations, y compris de manière déportée.
L’invention ne se limite pas aux exemples d’installations décrits ci-avant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre des revendications ci-après.
Claims (9)
- Revendications1. Installation frigorifique comprenant :- un circuit frigorifique (1000) incluant un échangeur de sous-refroidissement (106) ; et- un circuit de sous-refroidissement (3000) incluant l’échangeur de sous-refroidissement (106) et un second échangeur (302), le second échangeur (302) étant disposé dans une enceinte de stockage de froid (301).
- 2. Installation frigorifique selon la revendication 1, dans laquelle l’enceinte de stockage de froid (301) contient un matériau apte à absorber et restituer des frigories par changements de phase.
- 3. Installation frigorifique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit frigorifique (1000) comprend en outre un évaporateur (101), l’installation comprenant en outre un circuit secondaire (2000) incluant l’évaporateur (101) et un jeu de vannes (11, 12, 13) agencées de manière à régler l’installation alternativement entre un état de chargement et un état de service, dans l’état de chargement, le second échangeur (302) étant parcouru par un fluide en provenance du circuit annexe (2000) de manière à y prélever des frigories pour les stocker dans l’enceinte de stockage de froid (301), dans l’état de service, le second échangeur (302) restituant les frigories stockées par l’enceinte de stockage de froid (301) au circuit de sous-refroidissement (3000) et alimentant l’échangeur de sous-refroidissement (106) en frigories.
- 4. Installation frigorifique selon la revendication 3, dans laquelle le jeu de vannes (11, 12, 13) comprend des électrovannes commandées par un module de commande (20), ledit module de commande (20) étant agencé de manière à commander les électrovannes en fonction du temps et/ou de données relatives à l’un au moins des paramètres suivants :- une température extérieure,- un ensoleillement,- une pression de fonctionnement dans l’un au moins des circuits de fluide de l’installation,- une température de fonctionnement dans l’un au moins des circuits (1000, 2000, 3000) de fluide de l’installation,- un coût de l’énergie électrique,- une température de consigne.
- 5. Installation frigorifique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit frigorifique (1000) contient un fluide frigorigène sélectionné parmi :- le dioxyde de carbone (CO2),- l’ammoniac (NH3),- les hydrofluorocarbures (HFC) R-134a ou R-410A,- les hydrocarbures (HC) R-600a, R-600 ou R-290,- les hydrofluoro-olefines (HFO) R-1234yf, R-1234ze ou R-1270, et- le R-404.
- 6. Installation frigorifique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit frigorifique (1000) comprend un condenseur (103) disposé en amont de l’échangeur de sous-refroidissement (106) et un réservoir de liquide (104) en aval de l’échangeur de sousrefroidissement (106).
- 7. Installation frigorifique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’enceinte de stockage de froid (301) contient, de manière étanche par rapport à l’extérieur, une matière dont la composition et la pression sont sélectionnées de sorte qu’une température de changement d’état de ladite matière soit comprise dans une plage de température de fonctionnement du fluide contenu dans le circuit de sous-refroidissement (3000).
- 8. Installation frigorifique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’enceinte de stockage de froid (301) contient, de manière étanche par rapport à l’extérieur, de l’eau ou des matériaux à changement de phase (MCP).
- 9. Procédé de sous-refroidissement d’un fluide frigorifique circulant dans un circuit frigorifique (1000) comprenant :- disposer un échangeur de sous-refroidissement (106) sur le circuit frigorifique (1000) de sorte que l’échangeur de sous-refroidissement (106) soit traversé par le fluide frigorifique,- faire circuler un fluide frigoporteur dans une enceinte de stockage de froid (301) et dans l’échangeur de sous-refroidissement (106) de sorte que le fluide frigorifique est sous-refroidi par échange d’énergie thermique avec le contenu de l’enceinte de stockage de froid (301).1/5 oo
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