FR3069624B1

FR3069624B1 - Installation frigorifique

Info

Publication number: FR3069624B1
Application number: FR1757207A
Authority: FR
Inventors: Thomas Vinard; Sebastien Bur; Jerome Girard
Original assignee: Alpinov X
Current assignee: Alpinov X
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: AU2018307454A1; JP2020535382A; BR112020001728A2; KR20200047541A; EA202090341A1; CN111094879A; JP7158476B2; US20210156603A1; BR112020001728B1; CN111094879B; EA039194B1; EP3658835A1; FR3069624A1; AU2018307454B2; KR102539042B1; WO2019020940A1; US11747069B2; CA3069841A1

Abstract

L'invention concerne une installation frigorifique (5) comprenant : une première enceinte (10) contenant de l'eau à l'état liquide à une température inférieure ou égale à la température du point triple de l'eau et de la vapeur d'eau à une première pression égale à la pression de vapeur saturante de l'eau à la température du point triple de l'eau ; une deuxième enceinte (30) à une deuxième pression supérieure strictement à la première pression d'au moins un facteur deux ; un compresseur (32) reliant la première enceinte à la deuxième enceinte ; un dispositif de chauffage (22) de la vapeur d'eau dans la première enceinte destinée à alimenter le compresseur ; un condenseur (34) logé en partie dans la deuxième enceinte adapté à condenser la vapeur d'eau dans la deuxième enceinte en eau à l'état liquide ; et un dispositif (24) d'extraction de puissance froide dans la première enceinte.

Description

INSTALLATION FRIGORIFIQUE

Domaine

La présente demande concerne une installation frigorifique.

Exposé de l'art antérieur

Une installation frigorifique peut notamment être utilisée dans un système de production de neige artificielle, par exemple pour l'enneigement de stations de ski dans le cas de faibles chutes de neige dues aux conditions météorologiques ou inhérentes à la situation géographique des stations.

Il existe différents types de systèmes de production de neige artificielle. Des premiers systèmes de production de neige artificielle sont des systèmes ouverts à l'air ambiant, du type canon à neige ou perche à neige, et mettent généralement en oeuvre la pulvérisation d'un mélange d'eau et d'air qui se cristallise au contact de l'air ambiant. L'air peut provenir d'une source d'air comprimé dont la détente entraîne la formation de neige. Un inconvénient de ces systèmes est qu'ils ne peuvent fonctionner que sur des plages de température et d'hygrométrie réduites, généralement à une température inférieure à -2°C et à une hygrométrie supérieure à 30 %. D'autres systèmes de production de neige artificielle comprennent des systèmes fermés. Pour de tels systèmes, on appelle coefficient de performance (COP), le rapport entre le froid produit par le système et le travail fourni par le système. Il est généralement souhaitable que le COP soit le plus élevé possible, ce qui traduit un bon rendement énergétique du système et induit une faible consommation énergétique, sachant que la consommation énergétique comprend la consommation électrique du système mais également l'énergie nécessaire pour la production d'éventuels gaz comprimés ou gaz cryogéniques utilisés par le système.

Des deuxièmes systèmes de production de neige artificielle comprennent des systèmes fermés du type réfrigérateur comportant un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur. Un inconvénient est que le COP est généralement faible, en général de l'ordre de 3 ou 5. En outre, la consommation électrique de tels systèmes de production de neige peut être élevée, par exemple de 40 kWh à 120 kWh par mètre cube de neige produite.

Des troisièmes systèmes de production de neige artificielle comprennent des systèmes fermés mettant en oeuvre des procédés cryogéniques comprenant notamment la formation d'un mélange d'eau et d'un gaz cryogénique, notamment de l'azote ou du dioxyde de carbone. Même si le COP d'un tel système de production de neige peut être élevé, il faut tenir compte de l'énergie nécessaire à la fabrication du fluide cryogénique. De ce fait, la consommation globale de tels système de production de neige peut être supérieure à plusieurs centaines de kWh par mètre cube de neige produite si on inclut l'énergie nécessaire à la fabrication du fluide cryogénique, ce qui entraîne un coût d'exploitation trop élevé pour une exploitation à grande échelle et d'importantes contraintes logistiques.

Des quatrièmes systèmes de production de neige artificielle comprennent des systèmes fermés, tels que décrits dans la demande de brevet WO2012/104787. La consommation électrique de tels systèmes de production de neige varie généralement de 20 kWh à 40 kWh par mètre cube de neige produite, ce qui est plus faible que les deuxièmes et troisièmes systèmes de production de neige. Toutefois, de tels systèmes de production nécessitent la construction de tours de refroidissement et présentent donc un coût de construction trop élevé pour une exploitation à grande échelle.

Il serait souhaitable de prévoir une installation de production de froid, notamment pour un système de production de neige artificielle, ayant un COP élevé, notamment supérieure à 10, et dont la consommation électrique soit faible. En particulier, lorsque l'installation frigorifique est installée dans un système de production de neige, inférieure à 3 kWh par mètre cube de neige produite. Il serait en outre souhaitable que l'installation frigorifique puisse fonctionner normalement sur une plage étendue de températures ambiantes, en particulier à des températures positives, et de préférence jusqu'à 25 °C. Résumé

Ainsi, un objet d'un mode de réalisation est de pallier au moins en partie les inconvénients des installations frigorifiques décrites précédemment.

Un autre objet d'un mode de réalisation est que le COP de l'installation frigorifique est supérieur à 10.

Un autre objet d'un mode de réalisation est que la consommation électrique de l'installation frigorifique est réduite, en particulier, lorsque l'installation frigorifique est installée dans un système de production de neige, inférieure à 3 kWh par mètre cube de neige produite.

Un autre objet d'un mode de réalisation est que l'installation frigorifique peut fonctionner à une température ambiante comprise entre -30 °C et +25 °C sans dégradation du COP.

Un autre objet d'un mode de réalisation est que le coût de construction de l'installation frigorifique est réduit.

Ainsi, un mode de réalisation prévoit une installation frigorifique comprenant : une première enceinte contenant de l'eau à l'état liquide à une température inférieure ou égale à la température du point triple de l'eau et de la vapeur d'eau à une première pression égale, à 10 % près, à la pression de vapeur saturante de l'eau à la température du point triple de l'eau ; une deuxième enceinte à une deuxième pression supérieure strictement à la première pression d'au moins un facteur deux ; un compresseur reliant la première enceinte à la deuxième enceinte ; un dispositif de chauffage de la vapeur d'eau dans la première enceinte destinée à alimenter le compresseur ; un condenseur logé en partie dans la deuxième enceinte et adapté à condenser la vapeur d'eau dans la deuxième enceinte en eau à l'état liquide ; et un dispositif d'extraction de puissance froide dans la première enceinte.

Selon un mode de réalisation, la première enceinte contient en outre de l'eau à l'état solide à la température du point triple de l'eau.

Selon un mode de réalisation, le condenseur comprend un premier échangeur de chaleur et des moyens de mise en circulation de l'air ambiant autour de la deuxième enceinte au travers du premier échangeur de chaleur.

Selon un mode de réalisation, la deuxième pression dans la deuxième enceinte est inférieure ou égale à 6000 Pa.

Selon un mode de réalisation, le dispositif d'extraction de puissance froide comprend un dispositif de récupération d'eau à l'état solide dans la première enceinte.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de récupération d'eau à l'état solide comprend une troisième enceinte reliée à la première enceinte par au moins deux conduites, l'une des deux conduites étant plus basse que l'autre des deux conduites selon la direction verticale.

Selon un mode de réalisation, le dispositif d'extraction de puissance froide comprend un circuit fermé dans lequel circule un fluide caloporteur et comprenant un deuxième échangeur de chaleur disposé dans la première enceinte et un troisième échangeur de chaleur situé à l'extérieur de la première enceinte.

Selon un mode de réalisation, l'installation frigorifique comprend une troisième enceinte dans laquelle est située le troisième échangeur de chaleur et contenant de l'eau à l'état solide.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage comprend une source d'un rayonnement infrarouge.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage comprend une source d'un rayonnement micro-onde.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage est adapté à chauffer la vapeur d'eau dans la première enceinte destinée à alimenter le compresseur d'au moins 20 °C.

Selon un mode de réalisation, le compresseur est adapté à fournir un taux de compression supérieur à deux.

Selon un mode de réalisation, le compresseur est un compresseur axial.

Selon un mode de réalisation, le compresseur comprend une succession d'étages, chaque étage comprenant un rotor et un stator.

Selon un mode de réalisation, le compresseur est un compresseur de Tesla.

Selon un mode de réalisation, l'installation frigorifique comprend, en outre, un dispositif de protection du compresseur contre les éclaboussures d'eau à l'état liquide dans la première enceinte.

Selon un mode de réalisation, l'installation frigorifique comprend une conduite d'apport d'eau à l'état liquide dans la première enceinte.

Un mode de réalisation prévoit également un système de production de neige artificielle comprenant une installation frigorifique telle que définie précédemment.

Un mode de réalisation prévoit également un procédé de production de froid comprenant les étapes suivantes : amener dans une première enceinte de l'eau à l'état liquide à une température inférieure ou égale à la température du point triple de l'eau et former de la vapeur d'eau à une première pression égale, à 10 % près, à la pression de vapeur saturante de l'eau à la température du point triple de l'eau ; chauffer de la vapeur d'eau dans la première enceinte ; comprimer la vapeur d'eau chauffée de la première enceinte vers une deuxième enceinte à une deuxième pression supérieure strictement à la première pression d'au moins un facteur deux ; condenser la vapeur d'eau dans la deuxième enceinte en eau à l'état liquide ; et extraire de la puissance froide dans la première enceinte.

Brève description des dessins

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'une installation frigorifique ; les figures 2 et 3 représentent des diagrammes enthalpie-pression de l'eau illustrant le fonctionnement de l'installation frigorifique représentée en figure 1 ; la figure 4 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé d'une partie de l'installation frigorifique de la figure 1 ; les figures 5 et 6 sont des vues en coupe, partielles et schématiques, de modes de réalisation plus détaillés d'une autre partie de l'installation frigorifique de la figure 1 ; la figure 7 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une installation frigorifique ; et la figure 8 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé d'une partie de l'installation frigorifique de la figure 7.

Description détaillée

Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. En outre, seuls les éléments utiles à la compréhension de la présente description ont été représentés et sont décrits. En particulier, les compresseurs et les échangeurs de chaleur sont bien connus de l'homme de l'art et ne sont pas décrits en détail. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence à l'orientation des figures ou à une installation frigorifique dans une position normale d'utilisation. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "sensiblement", "environ", "approximativement" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près", de préférence "à 5 % près".

La figure 1 représente un mode de réalisation d'une installation frigorifique 5. L'installation frigorifique 5 comprend : une première enceinte 10 à basse pression, étanche aux gaz par rapport au milieu extérieur et isolée thermiquement par rapport au milieu extérieur, la première enceinte 10 à basse pression contenant, en fonctionnement, essentiellement de la vapeur d'eau 11 ; un réservoir 12 contenant de l'eau liquide 14, et, lors d'un fonctionnement en régime stationnaire de l'installation frigorifique 5, de l'eau à l'état solide 15, le réservoir 12 étant situé dans la première enceinte 10 à basse pression et étant ouvert sur le volume interne de la première enceinte 10 à basse pression ; une conduite 18 d'apport d'eau liquide dans le réservoir 12 ; un élément de protection 20, logé dans la première enceinte 10 à basse pression, recouvrant la surface libre de l'eau liquide 14 et empêchant la projection d'éclaboussures d'eau liquide hors du réservoir 12 ; au moins un dispositif de chauffage 22 d'au moins une partie de la vapeur d'eau dans la première enceinte 10 à basse pression ; un dispositif 24 d'extraction de puissance froide dans le réservoir 12, par exemple un dispositif de récupération de l'eau à l'état solide relié au réservoir 12 ; une deuxième enceinte 30 à basse pression, étanche aux gaz par rapport au milieu extérieur et isolée thermiquement par rapport au milieu extérieur, la pression dans la deuxième enceinte 30 à basse pression étant supérieure à la pression dans la première enceinte 10 à basse pression ; un compresseur 32, par exemple un turbocompresseur, une turbine ou une compresseur de Tesla, reliant la première enceinte 10 à basse pression à la deuxième enceinte 30 à basse pression, recevant de la vapeur d'eau de la première enceinte 10 à basse pression et fournissant de la vapeur d'eau comprimée à la deuxième enceinte 30 à basse pression ; un condenseur 34 adapté à liquéfier la vapeur d'eau présente dans la deuxième enceinte 30 à basse pression, le condenseur 34 étant en partie logé dans la deuxième enceinte 30 à basse pression et comprenant par exemple un échangeur de chaleur refroidi par l'air ambiant, le condenseur 34 comprenant des moyens, par exemple un ventilateur 36, pour faire circuler de 1'air ambiant au travers de 1'échangeur de chaleur ; une conduite 38 de récupération de l'eau liquide produite par le condenseur 34 ; et un module de traitement 40 relié au dispositif de chauffage 22, au compresseur 32 et au condenseur 34 et adapté à commander le dispositif de chauffage 22, le compresseur 32 et le condenseur 34. L'eau liquide 14 contenue dans le réservoir 12 peut être de l'eau déminéralisée, de l'eau provenant directement du système de distribution d'eau courante, ou de l'eau douce, notamment de l'eau provenant d'un cours d'eau ou de l'eau provenant d'une retenue collinaire. L'installation frigorifique 5 peut, en outre, comprendre un système 42 de régulation de la différence de pression entre la deuxième enceinte 30 à basse pression et la première enceinte 10 à basse pression. Le système 42 peut correspondre à un système de vanne commandée ou à un système à capillaire et est adapté à maintenir la différence de pression entre la deuxième enceinte 30 à basse pression et la première enceinte 10 à basse pression à une valeur sensiblement constante.

Le module de traitement 40 peut correspondre à un circuit dédié ou peut comprendre un processeur, par exemple un microprocesseur ou un microcontrôleur, adapté à exécuter des instructions d'un programme d'ordinateur stocké dans une mémoire. L'installation frigorifique 5 peut, en outre, comprendre des capteurs, notamment des capteurs de température et des capteurs de pression, non représentés, reliés au module de traitement 40, notamment pour la détection de la température et de la pression dans les enceintes 10 et 30.

Selon un mode de réalisation, le compresseur 32 est un compresseur axial qui fournit un flux de vapeur comprimée sensiblement selon l'axe de rotation du compresseur. Le compresseur comprend une succession d'étage de compression, chaque étage comprenant un rotor et un stator. Le rotor comprend des aubes entraînées en rotation par un arbre de transmission. Le rotor accélère l'écoulement gazeux grâce à l'énergie transmise par l'arbre de transmission du compresseur. Le stator comprend des aubes fixes. Le stator transforme l'énergie cinétique de l'écoulement gazeux en pression via la forme du stator.

Le dispositif de chauffage 22 comprend par exemple un système de chauffage de la vapeur d'eau par infrarouge ou par exemple un système de chauffage de la vapeur d'eau par micro-onde.

Les dimensions de l'installation frigorifique 5 dépendent de l'application visée. Le volume de la première enceinte 10 à basse pression peut être compris entre 10 1 et 10000 1. Le volume de la deuxième enceinte 30 à basse pression peut être compris entre 1 1 et 10000 1. Le volume d'eau liquide 14 dans le réservoir 12 peut être compris entre 9 1 et 9999 1. L'installation frigorifique 5 peut comprendre une pompe à vide, non représentée, reliée à la première enceinte 10 à basse pression et/ou à la deuxième enceinte 30 à basse pression.

La figure 2 représente un diagramme enthalpie-pression de l'eau illustrant le fonctionnement de l'installation frigorifique 5 au début de son fonctionnement.

Les points référencés A à F en figure 2 illustrent des états successifs par lesquels passe de l'eau circulant dans l'installation frigorifique 5.

Le point A représente de l'eau liquide qui va être introduite dans le réservoir 12 par la conduite 18, par exemple pour remplir le réservoir 12 au début du fonctionnement de l'installation 5. La pression de l'eau liquide au point A est à une première valeur de pression et la température de l'eau liquide au point A est à une première valeur de température. Selon un mode de réalisation, la première valeur de pression est supérieure ou égale à 0,1 MPa (1 bar), par exemple supérieure ou égale à 0,1 MPa (1 bar) et inférieure ou égale à 10 MPa (100 bar). Selon un mode de réalisation, la première valeur de température est supérieure ou égale à 5 °C, par exemple supérieure ou égale à 5 °C et inférieure ou égale à 10 °C. L'eau apportée dans le réservoir 12 provient par exemple d'un réseau de distribution d'eau auquel est reliée l'installation frigorifique 5. La première valeur de température peut alors correspondre à la température de l'eau fournie par le réseau de distribution.

Une fois introduite dans le réservoir 12, la pression de l'eau liquide 14 diminue de la première valeur de pression jusqu'à la pression dans la première enceinte 10 à basse pression qui est à une deuxième valeur de pression. Ceci correspond à la transition du point A au point B. En fonctionnement, la deuxième valeur de pression est égale à la pression de vapeur saturante de l'eau liquide 14 présente dans le réservoir 12. Selon un mode de réalisation, la deuxième valeur de pression dans la première enceinte 10 à basse pression est typiquement comprise entre 600 Pa (6 mbar) et 1500 Pa (15 mbar). A titre d'exemple, pour de l'eau à 5 °C, la pression dans la première enceinte 10 à basse pression peut être égale à 870 Pa (8,7 mbar) . La température de l'eau liquide introduite dans le réservoir 12 pendant la baisse de pression reste sensiblement constante et égale à la première valeur de température.

La température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 est à une deuxième valeur de température. Au début du fonctionnement de l'installation frigorifique 10, la deuxième valeur de température est sensiblement égale à la première valeur de température de sorte que la température de l'eau introduite dans le réservoir 12 et dont la pression a diminué ne varie sensiblement pas.

Il se produit une évaporation d'une partie de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 qui va amener l'eau de la première valeur de température à la deuxième valeur de température. Ceci correspond à la transition du point B au point C. Comme la pression dans l'enceinte 10 à basse pression est égale à la pression de vapeur saturante de l'eau à la deuxième valeur de température, la vaporisation est une ébullition de l'eau liquide 14 qui comprend notamment la formation de bulles 43 (voir figure 1) dans l'eau liquide 14. Il est alors obtenu, dans la première enceinte 10 à basse pression, de la vapeur d'eau à la deuxième valeur de température et à la deuxième valeur de pression. L'élément de protection 20 permet d'éviter que des projections d'eau liquide n'atteignent le compresseur 32 ou que de l'eau liquide ne se répande hors du réservoir 12 lors de l'ébullition de l'eau liquide 14. L'élément de protection 12 peut, en outre, permettre d'augmenter la surface d'échange en comprenant des parties pénétrant dans l'eau liquide.

Tout ou partie de la vapeur d'eau dans la première enceinte 10 à basse pression est chauffée par le dispositif de chauffage 22. La température d'une partie de vapeur d'eau dans la première enceinte 10 à basse pression passe alors de la deuxième valeur de température à une troisième valeur de température. Selon un mode de réalisation, la vapeur d'eau est pompée par le compresseur 32 jusque dans la partie de la première enceinte 10 où elle est chauffée. Ceci correspond à la transition du point C au point D. Selon un mode de réalisation, la troisième valeur de température est supérieure ou égale à 0 °C et inférieure ou égale à 100 °C. De préférence, la troisième valeur de température est supérieure à la deuxième valeur de température d'au moins 10 °C. La pression de la vapeur d'eau pendant l'étape de chauffage ne varie sensiblement pas et reste sensiblement égale à la deuxième valeur de pression.

La vapeur d'eau chauffée à la troisième valeur de température alimente le compresseur 32 qui refoule la vapeur d'eau comprimée dans la deuxième enceinte 30 à basse pression. Ceci correspond à la transition du point D au point E. Selon un mode de réalisation, le rapport de compression du compresseur 32 est supérieur ou égal à 2 et inférieur ou égal à 14. La pression dans la deuxième enceinte 30 à basse pression est égale à une troisième valeur de pression supérieure à la deuxième valeur de pression d'au moins un facteur variant de 2 à 14. A titre d'exemple, la troisième valeur de pression est supérieure ou égale à 600 Pa (6 mbar) et inférieure ou égale à 6000 Pa (60 mbar) . A titre d'exemple, lorsque la deuxième valeur de pression est égale à 870 Pa (8,7 mbar) et que le rapport de compression du compresseur 32 est égal à 2, la troisième valeur de pression est sensiblement égale à 1740 Pa (17,4 mbar) . La compression de la vapeur d'eau par le compresseur 32 peut également entraîner un échauffement de la vapeur d'eau dont la température passe de la troisième valeur de température à une quatrième valeur de température, supérieure à la troisième valeur de température.

La vapeur d'eau comprimée dans le réservoir 30 à haute pression est refroidie puis liquéfiée en eau liquide par le condenseur 34. Ceci correspond à la transition du point E au point F. La pression de l'eau pendant l'étape de refroidissement et de liquéfaction ne varie sensiblement pas et reste égale à la troisième valeur de pression. La température de l'eau varie de la quatrième valeur de température à une cinquième valeur de température inférieure strictement à la quatrième valeur de température. A titre d'exemple, pour une troisième valeur de pression égale à 1740 Pa (17,4 mbar), la cinquième valeur de température peut être égale à 15,3 °C. Plus le rapport de compression est élevé, plus il est possible de condenser l'eau avec des températures extérieures importantes et plus la condensation peut être réalisée rapidement. L'eau liquide produite par le condenseur 34 est évacuée du réservoir 30 à haute pression par la conduite 38.

La condensation provoque un pompage qui entretient un niveau de vide dans les enceintes 10 et 30. Le maintien de la différence de pression entre l'enceinte 30 à basse pression et le réservoir 10 à basse pression est réalisé par le module de traitement 40 qui commande dans ce but le dispositif de chauffage 22, le compresseur 32, le condenseur 34, le système 42 et éventuellement la pompe à vide.

La pompe à vide peut fonctionner au démarrage de l'installation frigorifique 5 jusqu'à ce que la pression dans la première enceinte 10 à basse pression atteigne la pression de vapeur saturante à la première valeur de température. La pompe à vide peut alors être arrêtée et la pression dans l'enceinte 10 est maintenue par la dépression générée au niveau du condenseur 34 et le travail mécanique du compresseur 32. La pompe à vide peut en outre participer, si besoin, au maintien de la pression dans la première enceinte 10 à basse pression.

La figure 3 représente un diagramme enthalpie-pression de l'eau illustrant le fonctionnement de l'installation frigorifique 5 en régime stationnaire.

En régime stationnaire, le réservoir 12 est rempli d'eau liquide 14. Un complément d'eau est apporté par la conduite 18 dans le réservoir 12 pour compenser les pertes d'eau liquide du réservoir 12, par exemple de façon continue ou par intermittence.

Lors de l'évaporation de l'eau liquide 14 du réservoir 12 décrite précédemment, ce qui correspond à la transition du point B au point C sur les figures 2 et 3, la chaleur nécessaire pour produire de la vapeur d'eau est extraite de l'eau liquide 14 étant donné que la première enceinte 10 à basse pression est isolée thermiquement par rapport au milieu extérieur. On obtient ainsi un refroidissement de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12. Ceci se traduit en figure 3 par un état supplémentaire représenté par le point B' dans la succession d'états suivie par de l'eau circulant dans l'installation 5. En effet, lorsque de l'eau est introduite dans le réservoir 12 à la première valeur de température et à la première valeur de pression, il y a une diminution de la pression de cette eau à la deuxième valeur de pression, correspondant à la transition du point A au point B, et une diminution de la température de l'eau de la première valeur de température à la deuxième valeur de température, strictement inférieure à la première valeur de température, correspondant à la transition du point B au point B'.

La pression dans la première enceinte 10 à basse pression diminue simultanément à la diminution de la température de l'eau liquide 14 du réservoir 12 pour rester égale à la pression de vapeur saturante à la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12. Le maintien de la pression dans l'enceinte 10 à la pression de vapeur saturante à la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 est réalisé par le module de traitement 40 qui commande dans ce but le dispositif de chauffage 22, le compresseur 32 et le condenseur 34, le système 42 et éventuellement la pompe à vide.

La température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 diminue jusqu'à atteindre la température du point triple de l'eau, qui, à titre d'exemple, pour une pression de 611 Pa (6,11 mbar) est égale à 0,01 °C. Des cristaux de glace 15 se forment alors dans le réservoir 12. En régime stationnaire, la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 reste sensiblement constante et égale à la température du point triple de l'eau et la pression dans la première enceinte 10 à basse pression est sensiblement égale à la pression de vapeur saturante à la température du point triple de l'eau. L'eau est alors présente dans la première enceinte 10 à basse pression simultanément à l'état gazeux, à l'état liquide et à l'état solide.

En résumé, l'évaporation d'une masse Mev d'eau va contribuer à refroidir la masse d'eau restante à la deuxième valeur de température, puis à solidifier une masse Msoj_ d'eau qui se transforme alors en glace selon la relation (1) suivante :

Mev * ^θν = Müq * Cp * ΔΘ + Mso]_* Lso]_ (1) où Lev est la chaleur latente d'évaporation de l'eau, Cp est la capacité calorifique de l'eau liquide, ΔΘ est la différence entre les première et deuxième valeurs de température, et Lsoj_ est la chaleur latente de solidification de l'eau.

En fin de cycle, on aura une masse de glace Msoj_ selon la relation (2) suivante :

Mev * ^θν = MSol * ( Cp * ΔΘ + Lso]_ ) (2)

Les autres transitions d'états de l'eau sont les mêmes que celles décrites précédemment en relation avec la figure 2. En particulier, l'étape de chauffage qui correspond à la transition entre les points C et D vise à augmenter la température de la vapeur d'eau dans l'enceinte 10 à basse pression d'au moins 20 °C. En outre, lors de la diminution de la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12, le rapport de compression du compresseur 32 peut être ajusté pour conserver sensiblement la même troisième valeur de pression dans la deuxième enceinte 30 à basse pression. A titre d'exemple, lorsque la deuxième valeur de pression dans la première enceinte 10 à basse pression est égale à 611 Pa (6,11 mbar), le rapport de compression du compresseur 32 est par exemple égal à 3 et la troisième valeur de pression dans la deuxième enceinte 30 à basse pression est égale à 1830 Pa (18,3 mbar). A titre d'exemple, la cinquième valeur de la température de l'eau liquide produite par le condenseur 34 à 1830 Pa (18,3 mbar) est par exemple égale à 16,05 °C.

Selon un mode de réalisation, le dispositif 24 d'extraction de puissance froide retire les cristaux de glace 15 au fur et à mesure qu'ils se forment dans le réservoir 12. L'utilisation ultérieure des cristaux de glace dépend de l'application envisagée.

Pour une application pour la production de neige artificielle, les cristaux de glace 15 sont récupérés pour produire de la neige artificielle. Il peut être prévu un système de réfrigération pour abaisser la température de la glace récupérée et/ou un groupe de pompage pour évaporer l'eau résiduelle et ainsi refroidir et assécher la glace. Il peut, en outre, être prévu un organe de hachage et d'aération de la glace produite.

Pour une application pour la climatisation ou la réfrigération, les cristaux de glace 15 présents dans le réservoir 12 peuvent jouer le rôle d'une source froide.

Le condenseur 34 est adapté à liquéfier la vapeur d'eau dans la deuxième enceinte 30 à basse pression par un échange thermique entre la vapeur d'eau dans la deuxième enceinte 30 à basse pression et un fluide réfrigérant. Selon un mode de réalisation, le fluide réfrigérant est l'air à l'extérieur de l'installation frigorifique 5. Le condenseur 34 peut comprendre des moyens de brassage de l'air, par exemple le ventilateur à hélice 36 comme cela est représenté en figure 1, le brassage de l'air étant représenté de façon schématique par la flèche 44. A titre de variante, le condenseur 34 peut comprendre un ventilateur à effet Venturi ou un thermosiphon. Selon un autre mode de réalisation, le condenseur 34 peut comprendre un groupe échangeur liquide-vapeur d'eau dans l'enceinte 30 et un groupe d'échangeur liquide-air à l'extérieur de l'enceinte 30, le fluide de refroidissement circulant entre ces deux échangeurs.

De façon avantageuse, la condensation de l'eau dans l'enceinte 30 ne nécessite pas la mise en oeuvre d'une machine frigorifique.

La production d'eau liquide par le condenseur 34 peut être réalisée par utilisation de l'air ambiant dès que la température de l'air ambiant est inférieure à la cinquième valeur de température souhaitée. Dans l'exemple décrit précédemment dans lequel le condenseur 34 produit de l'eau liquide à 16,05 °C, l'air ambiant peut être utilisé dès que sa température est inférieure à 16 °C.

La température maximale possible de l'air ambiant permettant une utilisation de l'air ambiant comme fluide réfrigérant par le condenseur 34 est notamment fixée par le taux de compression du compresseur 32. Avec un taux de compression de 10, il peut être envisagé une pression de vapeur saturante de 6000 Pa (60 mbar) dans la deuxième enceinte 30 à basse pression et une cinquième valeur de température de 36 °C, ce qui peut être obtenue sans difficulté dès que la température de l'air ambiant est inférieure à 30 °C. De préférence, l'installation frigorifique 5 peut être utilisée dès que la température ambiante est inférieure à 20 °C.

Selon un mode de réalisation, le COP de l'installation frigorifique 5 est de l'ordre de 19 à 20.

Le tableau I ci-dessous regroupe, pour une application à la production de neige artificielle, et en fonction de la température de l'air ambiant, la consommation électrique, exprimée en kilowatt par mètre cube de neige produite, de l'installation frigorifique 5 (INV) représentée en figure 1, d'une installation de type canon à neige (AAI), d'une installation de type perche à neige (AA2) , d'une installation (AA3) à évaporation à basse pression entre 0,01 MPa (100 mbar) et 0,02 MPa (200 mbar) et d'une installation de type réfrigérateur (AA4).

Tableau I

La consommation électrique par mètre cube de neige produite par l'installation frigorifique 5 (INV) est nettement inférieure à celle des installations frigorifiques de type réfrigérateur (AA4) et à évaporation à basse pression entre 0,01 MPa (100 mbar) et 0,02 MPa (200 mbar) (AA3) .

Selon un mode de réalisation, l'eau liquide fournie par le condenseur 34 n'est pas réutilisée. Selon un autre mode de réalisation, la température de l'eau liquide fournie par le condenseur 34 est amenée à la première valeur de température et l'eau fournie par le condenseur 34 est réutilisée pour l'alimentation du réservoir 12.

La figure 4 est une vue, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé du réservoir 10 à basse pression de l'installation frigorifique 5 de la figure 1.

Selon un mode de réalisation, l'élément de protection 20 comprend une membrane 46 recouvrant la surface libre de l'eau liquide 14. La membrane 46 est perméable à la vapeur d'eau et sensiblement étanche à l'eau liquide. L'élément de protection 20 peut en outre comprendre des éléments plongeant dans l'eau liquide 14, non représentés, et qui permettent de réguler la génération de bulles 43 lors de l'ébullition de l'eau liquide 14.

Selon un mode de réalisation, des chicanes 48 peuvent être disposées dans la partie de l'enceinte 10 dans laquelle la vapeur d'eau est chauffée par le dispositif de chauffage 22. Les chicanes 48 permettent d'allonger le parcours de la vapeur d'eau jusqu'à l'entrée du compresseur 32 pour obtenir le chauffage de la vapeur d'eau jusqu'à la température souhaitée.

La figure 5 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé du dispositif 24 de récupération de l'eau à l'état solide de l'installation frigorifique 5.

Dans le présent mode de réalisation, le dispositif 24 est adapté à extraire l'eau à l'état solide du réservoir 12. Un tel mode de réalisation est adapté notamment dans le cas où l'installation frigorifique 5 est utilisée pour la production de neige artificielle.

Le dispositif 24 peut comprendre une enceinte secondaire 50 reliée au réservoir 12 par une conduite basse 52 et une conduite haute 54, située au-dessus de la conduite basse 52. Une pompe 56 prévue sur la conduite haute 54 est adaptée à faire circuler le contenu du réservoir 12 vers l'enceinte secondaire 50 et une pompe 58 prévue sur la conduite basse 52 est adaptée à faire circuler le contenu de l'enceinte secondaire 50 vers le réservoir 12. La pression dans l'enceinte secondaire 50 peut être plus élevée que dans le réservoir 12, par exemple égale à la pression atmosphérique, de sorte qu'il n'y a pas d'ébullition dans l'enceinte secondaire 50. Les cristaux de glace s'accumulent alors au-dessus de l'eau liquide 62 par décantation en un amas flottant de glace 60. Le dispositif 24 comprend des moyens 64 d'extraction des cristaux de glace 60, comprenant par exemple une vis sans fin ou un élévateur à godets.

La figure 6 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation plus détaillé du dispositif 24. Le dispositif 24 peut faire partie d'un système de climatisation ou de réfrigération, et peut comprendre un circuit fermé dans lequel circule un fluide réfrigérant et comprenant un premier échangeur de chaleur 66 disposé dans le réservoir 12 et un deuxième échangeur de chaleur 68 situé à l'extérieur de l'enceinte 10.

La figure 7 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'une installation frigorifique 70. L'installation frigorifique 70 comprend l'ensemble des éléments de l'installation frigorifique 5 représenté en figure 1 à la différence qu'il n'y a pas d'eau à l'état solide dans la première enceinte 10 à basse pression et qu'elle comprend en outre des moyens pour maintenir l'eau liquide en surfusion dans la première enceinte 10 à basse pression. Selon un mode de réalisation, les moyens pour maintenir l'eau liquide en surfusion peuvent comprendre un agitateur 72 adapté à brasser l'eau à l'état liquide dans la première enceinte 10 à basse pression. L'agitateur 72 comprend par exemple une barre ou une hélice mise en rotation dans l'eau à l'état liquide 14. Selon un autre mode de réalisation, les moyens pour maintenir l'eau liquide en surfusion peuvent comprendre au moins un additif ajouté à l'eau à l'état liquide. Cet additif mélangé à l'eau, conduit à une solution dont la température de solidification est inférieure à la température de solidification de l'eau sans additif. Un exemple d'additif est le sel.

Dans le présent mode de réalisation, la température de l'eau liquide 14 dans la première enceinte 10 à basse pression peut être inférieure à la température du point triple de l'eau, et est par exemple à une température pouvant varier de -20 °C à -1 °C. Le fonctionnement de l'installation frigorifique 70 est identique au fonctionnement décrit précédemment pour l'installation frigorifique 5 à la différence qu'il n'y a pas de production d'eau à l'état solide dans la première enceinte 10 à basse pression et que la température de l'eau liquide dans la première enceinte 10 à basse pression peut être inférieure à la température du point triple de l'eau.

La figure 8 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé d'une partie de l'installation frigorifique de la figure 7, dans lequel le dispositif 24 d'extraction de puissance froide dans le réservoir 12 a la structure représentée en figure 6. Le deuxième échangeur 68 du dispositif 24 est situé dans une enceinte 80 contenant de l'eau à l'état liquide 82 et permet de refroidir l'eau à l'état liquide 82 jusqu'à obtenir, dans l'enceinte 80, de l'eau à l'état solide 84. La pression dans l'enceinte 80 peut avantageusement être supérieure à la pression de vapeur saturante de l'eau à la température du point triple de l'eau, et être, par exemple, à la pression atmosphérique.

Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que dans les modes de réalisation décrits précédemment, le condenseur 34 est un condensateur dans lequel la vapeur d'eau est refroidie et liquéfiée par l'air ambiant, d'autres types de condenseur 34 peuvent être utilisés, par exemple un condenseur refroidi à l'eau. En outre, bien que des modes de réalisation aient été décrits dans lesquels le dispositif de chauffage 22 comprend un système de chauffage de la vapeur d'eau par infrarouge ou un système de chauffage de la vapeur d'eau par micro-onde, tout type de dispositif de chauffage de la vapeur d'eau peut être mis en oeuvre, notamment un dispositif de chauffage comprenant un échangeur de chaleur, par exemple dans lequel la vapeur d'eau circule dans des tubes ou dans un matériau poreux.

Claims

REVENDICATIONS

1. Installation frigorifique (5 ; 70) comprenant : une première enceinte (10) contenant de l'eau à l'état liquide (14) à une température inférieure ou égale à la température du point triple de l'eau et de la vapeur d'eau (11) à une première pression égale, à 10 % près, à la pression de vapeur saturante de l'eau à la température du point triple de l'eau ; une deuxième enceinte (30) à une deuxième pression supérieure strictement à la première pression d'au moins un facteur deux ; un compresseur (32) reliant la première enceinte à la deuxième enceinte ; un dispositif de chauffage (22) de la vapeur d'eau dans la première enceinte (10) destinée à alimenter le compresseur (32) ; un condenseur (34) logé en partie dans la deuxième enceinte et adapté à condenser la vapeur d'eau dans la deuxième enceinte en eau à l'état liquide ; et un dispositif (24) d'extraction de puissance froide dans la première enceinte.
2. Installation frigorifique selon la revendication 1, dans laquelle la première enceinte (10) contient en outre de l'eau à l'état solide (15) à la température du point triple de l'eau.
3. Installation frigorifique selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le condenseur (34) comprend un premier échangeur de chaleur et des moyens (36) de mise en circulation de l'air ambiant autour de la deuxième enceinte (30) au travers du premier échangeur de chaleur.
4. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la deuxième pression dans la deuxième enceinte (30) est inférieure ou égale à 6000 Pa.
5. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le dispositif (24) d'extraction de puissance froide comprend un dispositif (50, 64) de récupération d'eau à l'état solide dans la première enceinte (10) .
6. Installation frigorifique selon la revendication 5, dans laquelle le dispositif (50, 64) de récupération d'eau à l'état solide comprend une troisième enceinte (50) reliée à la première enceinte (10) par au moins deux conduites (52, 54), l'une des deux conduites étant plus basse que l'autre des deux conduites selon la direction verticale.
7. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le dispositif (24) d'extraction de puissance froide comprend un circuit fermé dans lequel circule un fluide caloporteur et comprenant un deuxième échangeur de chaleur (66) disposé dans la première enceinte (10) et un troisième échangeur de chaleur (68) situé à l'extérieur de la première enceinte.
8. Installation frigorifique selon la revendication 7, comprenant une troisième enceinte (80) dans laquelle est située le troisième échangeur de chaleur (68) et contenant de l'eau à l'état solide (84).
9. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le dispositif de chauffage (22) comprend une source d'un rayonnement infrarouge.
10. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le dispositif de chauffage (22) comprend une source d'un rayonnement micro-onde.
11. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le dispositif de chauffage (22) est adapté à chauffer d'au moins 20 °C la vapeur d'eau dans la première enceinte (10) destinée à alimenter le compresseur (32) .
12. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans laquelle le compresseur (32) est adapté à fournir un taux de compression supérieur à deux.
13. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle le compresseur (32) est un compresseur axial.
14. Installation frigorifique selon la revendication 13, dans laquelle le compresseur (32) comprend une succession d'étages, chaque étage comprenant un rotor et un stator.
15. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle le compresseur (32) est un compresseur de Tesla.
16. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, comprenant, en outre, un dispositif de protection (20) du compresseur (32) contre les éclaboussures d'eau à l'état liquide (14) dans la première enceinte (10).
17. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, comprenant une conduite (18) d'apport d'eau à l'état liquide (14) dans la première enceinte (10).
18. Système de production de neige artificielle comprenant une installation frigorifique (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 17.
19. Procédé de production de froid comprenant les étapes suivantes : amener dans une première enceinte (10) de l'eau à l'état liquide (14) à une température inférieure ou égale à la température du point triple de l'eau et former de la vapeur d'eau à une première pression égale, à 10 % près, à la pression de vapeur saturante de l'eau à la température du point triple de 1'eau ; chauffer de la vapeur d'eau dans la première enceinte ; comprimer la vapeur d'eau chauffée de la première enceinte vers une deuxième enceinte à une deuxième pression supérieure strictement à la première pression d'au moins un facteur deux ; condenser la vapeur d'eau dans la deuxième enceinte en eau à l'état liquide ; et extraire de la puissance froide dans la première enceinte.