FR3139889A1 - Installation frigorifique. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une installation frigorifique et son procédé de pilotage. Cette installation est remarquable en ce qu’elle comprend un circuit en plusieurs parties (11, 12, 13) à l’intérieur desquelles circule un fluide frigorigène, un compresseur (2), un échangeur de chaleur (3), une vanne de détente haute pression (41), une bouteille séparatrice à moyenne pression (5), un évaporateur (6), une bouteille séparatrice à basse pression (7), une vanne de détente pilotable (9) et un serpentin (8) étant disposés sur ce circuit, de sorte que l’évaporateur (6) réalise un échange thermique entre ledit fluide frigorigène et un fluide secondaire (II) pour le refroidir et que le serpentin (8) réchauffe le fluide frigorigène qui se trouve à l’intérieur de la bouteille séparatrice à basse pression (7) et qui provient de l’évaporateur (6) et de la sortie vapeur (52) de la bouteille séparatrice à moyenne pression (5), avant de le renvoyer vers le compresseur (2). Figure pour l’abrégé : Fig. 4
Description
L'invention se situe dans le domaine général de la production de froid.
Plus précisément, elle concerne une installation frigorique destinée à refroidir un fluide qui sera ensuite utilisé pour produire du froid, notamment à l’intérieur d’une enceinte, par exemple une enceinte utilisée dans l’agroalimentaire, les commerces alimentaires ou la grande distribution ou encore dans le domaine industriel, ou pour refroidir directement un produit, par exemple un liquide, un frigoporteur monophasique ou diphasique, ou pour assurer le refroidissement de machines.
La nouvelle réglementation sur les fluides frigorigènes prévoit la réduction progressive de l’utilisation des fluides HFC (hydrofluorocarbonés) dans les installations frigorifiques, afin de lutter contre le réchauffement climatique. En conséquence, il devient nécessaire d’utiliser d’autres fluides frigorigènes, comme par exemple le dioxyde de carbone (CO2) ou l’ammoniac (NH3).
Le dioxyde de carbone utilisé comme fluide frigorigène présente l’avantage d’être moins impactant pour l’environnement puisqu’il n’a pas d’impact sur la couche d’ozone et que son potentiel d’effet de serre est extrêmement réduit par rapport aux HFC. L’ammoniac est un fluide frigorigène également moins impactant pour l’environnement et très utilisé dans la production de froid.
Toutefois, le dioxyde de carbone a la particularité de présenter une faible température critique (31°C) et une pression critique élevée par rapport aux autres fluides frigorigènes, ce qui impose l’utilisation d’un régime transcritique avec de hautes pressions et donc l’emploi d’un compresseur permettant d’atteindre ces hautes pressions. En régime supercritique, une installation frigorifique utilisant ce fluide présente généralement un faible coefficient de performance (COP), le COP désignant le rapport entre la quantité de froid produite (ou puissance froid) et la quantité d’énergie électrique utilisée par le compresseur (ou puissance absorbée).
Une installation frigorifique au CO2 transcritique présente ainsi une efficacité moindre par rapport à une installation utilisant un fluide frigorigène hydrofluorocarboné.
On connaît déjà dans l’état de la technique des installations frigorifiques fonctionnant au CO2. Un exemple d’une telle installation est représenté sur la jointe.
Sur cette figure, on peut voir que l’installation frigorifique comprend le circuit dans lequel circule un fluide frigorigène, ce circuit étant composé de plusieurs parties. La première partie A comprenant successivement un compresseur B, un échangeur de chaleur C, un premier détendeur D, une première bouteille séparatrice E et un deuxième détendeur F et la deuxième partie G raccordée à la première bouteille séparatrice E comprenant un troisième détendeur H, un évaporateur J et une deuxième bouteille séparatrice K elle-même raccordée au compresseur B.
Chaque bouteille séparatrice E, K permet de séparer le fluide frigorigène qui y entre sous forme de mélange liquide/vapeur en deux phases différentes liquide et vapeur et de n’envoyer que de la vapeur dans le compresseur B afin de ne pas endommager celui-ci.
L’échangeur de chaleur C réalise un échange thermique entre le fluide frigorigène et un fluide primaire I, tel que de l’eau ou souvent de l’air extérieur à l’installation. Dans les conditions transcritiques, C est un refroidisseur (connu sous la dénomination anglaise de « gas cooler ») et le fluide frigorigène y est refroidi et ce, sans que celui-ci change d’état. Dans les conditions subcritiques, C est un condenseur et le fluide frigorigène s’y condense en passant de l’état vapeur à l’état liquide. Par ailleurs, l’évaporateur J réalise un échange thermique entre le fluide frigorigène et un fluide secondaire II destiné à fournir le froid à l’enceinte frigorifique ou à un produit.
La jointe schématise les évolutions de la température TIIdu fluide secondaire qui est ici par exemple de l’eau glycolée et de la température TFFdu fluide frigorigène qui peut être par exemple du CO2, les températures étant exprimées en degrés Celsius, lorsque ces deux fluides progressent dans l’évaporateur J et lorsque l’évaporateur J fonctionne en mode normal. On parle d’évaporateur à détente sèche.
La température du fluide secondaire II diminue régulièrement entre son entrée et sa sortie de l’évaporateur. Par ailleurs, la zone S1 correspond à la surface de l’évaporateur utilisée pour évaporer le fluide frigorigène qui change d’état, pour passer de liquide à de la vapeur et ce, à température constante et la zone S2 correspond à la surface de l’évaporateur utilisée pour surchauffer la vapeur du fluide frigorigène afin de s'assurer de ne pas envoyer du liquide au compresseur. La surchauffe est dans ce cas d’une dizaine de degrés Celsius.
Pour réaliser cette surchauffe, et garantir la puissance froide requise, maintenir la température froide souhaitée et garantir que le fluide frigorigène FF qui pénétrera ensuite dans le compresseur est bien exclusivement à l’état de vapeur, il faut que le fluide frigorigène FF pénètre dans l’évaporateur à basse température (par exemple environ -15°C), or, lorsqu’il fait chaud à l’extérieur de l’installation, (par exemple en été), le fluide secondaire II peut ne pas être suffisamment froid pour refroidir le fluide frigorigène FF. De plus, la pression d’évaporation est basse et le compresseur B doit ensuite effectuer un travail important pour amener le fluide frigorigène à haute pression, ce qui est couteux en électricité.
De plus, à température extérieure constante, plus la surchauffe est importante, plus la température d’évaporation est basse. Ceci augmente le travail du compresseur et donc la consommation d’électricité.
L’état de la technique a résolu le problème de moindre efficacité des installations frigorifiques en faisant fonctionner l’évaporateur avec une surchauffe nulle en y faisant, par exemple, circuler une plus grande quantité de fluide frigorigène. On parle alors d’évaporateur « noyé » ou d’évaporateur « sur-alimenté », (voir la jointe).
Dans ce cas, on augmente la température d’évaporation du fluide frigorigène (d’environ 5 °C) et donc sa pression d’évaporation, sans pour autant modifier la température du fluide secondaire II, la surchauffe est nulle et le coefficient de transfert de chaleur est plus important du fait du plus grand débit liquide du fluide frigorigène. La pression d’évaporation étant plus élevée, le travail que le compresseur doit fournir pour comprimer ensuite le fluide frigorigène à haute pression est moindre, ce qui diminue sa consommation d’électricité.
Le fluide frigorigène sort de l’évaporateur J en ayant changé d’état (de liquide à vapeur avec éventuellement un pourcentage extrêmement faible de liquide), sans augmentation de sa température par rapport à sa température de changement de phase. Toutefois, travailler avec un évaporateur noyé nécessite d’utiliser la deuxième bouteille séparatrice K ou « bouteille anti-coup de liquide » afin de séparer la vapeur des ultimes résidus de liquide pour n’envoyer au compresseur B que du fluide frigorigène en phase vapeur.
Toutefois, il est nécessaire de vider le liquide de la bouteille K de temps en temps. Pour résoudre ce problème et comme représenté sur la , l’installation peut comprendre également un éjecteur monophasique L qui aspire le liquide provenant de la deuxième bouteille séparatrice K en utilisant comme force motrice le liquide provenant de l’échangeur de chaleur C. D’autres méthodes que l’utilisation d’un éjecteur existent pour vider la bouteille K, par exemple un système à recirculation avec pompage dans le cas où le fluide frigorigène est de l’ammoniac.
Le liquide issu de l’éjecteur monophasique L est envoyé vers la première bouteille séparatrice E où la vapeur et le liquide sont séparés.
Or, une telle installation est soumise à de nombreuses variations et doit donc être régulée en permanence. En effet, la température extérieure (et donc celle du fluide primaire I) varie tout au long de l’année. Par ailleurs, le besoin frigorifiques peut également varier (par exemple les clients d’un commerce alimentaire ouvrent fréquemment la porte de cette enceinte pendant les horaires d’ouverture du commerce, ce qui nécessite de refroidir davantage et plus fréquemment le fluide secondaire que pendant les horaires de fermeture du commerce ; ou par exemple, dans une usine, le flux de denrées alimentaires à refroidir varie selon les saisons et dans la journée, comme le lait provenant de la traite plus abondant au printemps et en début et fin de journée).
Or, l’emploi de l’éjecteur augmente la complexité de régulation de l’installation. De plus, il est nécessaire d’investir dans un éjecteur qui est un équipement complexe et coûteux et dont l’installation et la manipulation exige du personnel formé à l’utilisation de ce type de matériel.
En outre, la plage de fonctionnement de l’éjecteur est restreinte, ce qui limite les conditions de fonctionnement de l’installation. En effet, l’éjecteur ne peut pas fonctionner à une pression d’aspiration faible. De plus, il existe à l’intérieur de l’ensemble de l’installation frigorifique, une relation entre la haute pression, la moyenne pression et la basse pression qui règnent à l’intérieur du circuit contenant le fluide frigorigène. En conséquence, lorsque la basse pression est faible, il est nécessaire de diminuer la moyenne pression pour pouvoir aspirer le liquide à l’intérieur de la bouteille K.
De plus à des conditions sub-critiques, c’est-à-dire lorsque la température extérieure est faible, en hiver par exemple, la haute pression est réduite et il n’y a alors pas assez d’énergie pour aspirer le liquide hors de la bouteille K. Pour compenser, il est alors nécessaire d’augmenter la haute pression à la sortie du compresseur B, mais cela entraîne une augmentation du travail du compresseur, donc une augmentation de sa consommation électrique et on perd toute l’amélioration du coefficient de performance COP que l’on aurait pu obtenir avec l’évaporateur noyé.
Enfin, la haute pression est instable à cause des arrêts et démarrages successifs de l’éjecteur L. Cette instabilité peut entrainer un dépassement de la haute pression maximale admissible et l’arrêt du compresseur.
On connaît également d’autres installations frigorifiques d’après les documents US 2017/16301231 et AU2016/0101310, qui ont su résoudre le problème d’accumulation de liquide dans la bouteille K en utilisant une deuxième étape d’évaporation, ce qui ne correspond pas au domaine d’application envisagée dans cette invention.
Un but de l’invention est de proposer une installation frigorifique dont l’efficacité énergétique (COP) est accrue, de façon à réduire sa consommation d’électricité, tout en produisant autant de froid.
Un autre but de l’invention est de faciliter le pilotage d’une telle installation frigorifique et de réduire l’instabilité de la machine.
A cet effet, l’invention concerne une installation frigorifique.
Conformément à l’invention, l’installation frigorifique comprend :
- une première partie de circuit à l’intérieur de laquelle circule un fluide frigorigène,
-un compresseur, un échangeur de chaleur, une vanne de détente haute pression, une bouteille séparatrice à moyenne pression, et une bouteille séparatrice à basse pression, montés en série et dans cet ordre, sur ladite première partie du circuit, la sortie vapeur de la bouteille séparatrice à moyenne pression étant raccordée à une première entrée de la bouteille séparatrice à basse pression, la sortie vapeur de la bouteille séparatrice à basse pression étant raccordée à l’entrée du compresseur et l’échangeur de chaleur réalisant un échange thermique entre ledit fluide frigorigène et un fluide primaire, de façon à refroidir ou condenser ledit fluide frigorigène,
-une deuxième partie de circuit à l’intérieur de laquelle circule le même fluide frigorigène,
-une vanne de détente basse pression et un évaporateur muni d’une sortie pour le fluide frigorigène, montés en série et dans cet ordre, sur ladite deuxième partie de circuit, la sortie liquide de la bouteille séparatrice à moyenne pression étant raccordée à l’entrée ladite vanne de détente basse pression et la sortie de l’évaporateur étant raccordée à une deuxième entrée de la bouteille séparatrice à basse pression, l’évaporateur réalisant un échange thermique entre ledit fluide frigorigène et un fluide secondaire, de façon à refroidir ce fluide secondaire,
-une troisième partie de circuit à l’intérieur de laquelle circule le même fluide frigorigène,
-cette troisième partie de circuit comprenant une vanne de détente pilotable et un serpentin configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide frigorigène se trouvant à l’intérieur de la bouteille séparatrice à basse pression, l’entrée de cette troisième partie de circuit étant raccordée à la première partie de circuit en un point situé entre la sortie pour le fluide frigorigène de l’échangeur de chaleur et l’entrée de la vanne de détente haute pression, la sortie de cette troisième partie de circuit étant raccordée à la première partie de circuit en un point situé entre la sortie de la vanne de détente haute pression et l’entrée de la bouteille séparatrice à moyenne pression et ladite vanne de détente pilotable étant montée en aval du serpentin par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans la troisième partie de circuit.
-un compresseur, un échangeur de chaleur, une vanne de détente haute pression, une bouteille séparatrice à moyenne pression, et une bouteille séparatrice à basse pression, montés en série et dans cet ordre, sur ladite première partie du circuit, la sortie vapeur de la bouteille séparatrice à moyenne pression étant raccordée à une première entrée de la bouteille séparatrice à basse pression, la sortie vapeur de la bouteille séparatrice à basse pression étant raccordée à l’entrée du compresseur et l’échangeur de chaleur réalisant un échange thermique entre ledit fluide frigorigène et un fluide primaire, de façon à refroidir ou condenser ledit fluide frigorigène,
-une deuxième partie de circuit à l’intérieur de laquelle circule le même fluide frigorigène,
-une vanne de détente basse pression et un évaporateur muni d’une sortie pour le fluide frigorigène, montés en série et dans cet ordre, sur ladite deuxième partie de circuit, la sortie liquide de la bouteille séparatrice à moyenne pression étant raccordée à l’entrée ladite vanne de détente basse pression et la sortie de l’évaporateur étant raccordée à une deuxième entrée de la bouteille séparatrice à basse pression, l’évaporateur réalisant un échange thermique entre ledit fluide frigorigène et un fluide secondaire, de façon à refroidir ce fluide secondaire,
-une troisième partie de circuit à l’intérieur de laquelle circule le même fluide frigorigène,
-cette troisième partie de circuit comprenant une vanne de détente pilotable et un serpentin configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide frigorigène se trouvant à l’intérieur de la bouteille séparatrice à basse pression, l’entrée de cette troisième partie de circuit étant raccordée à la première partie de circuit en un point situé entre la sortie pour le fluide frigorigène de l’échangeur de chaleur et l’entrée de la vanne de détente haute pression, la sortie de cette troisième partie de circuit étant raccordée à la première partie de circuit en un point situé entre la sortie de la vanne de détente haute pression et l’entrée de la bouteille séparatrice à moyenne pression et ladite vanne de détente pilotable étant montée en aval du serpentin par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans la troisième partie de circuit.
Grâce à ces caractéristiques de l'invention, le serpentin permet de garantir le changement d’état du mélange liquide et vapeur qui s’accumule dans la bouteille séparatrice à basse pression en vapeur et de protéger ainsi le compresseur.
Grâce également aux caractéristiques de l’invention, :
- on augmente la performance énergétique de l’installation, car la différence de pression entre la basse pression et la haute pression est réduite. La bouteille séparatrice à basse pression est utilisée comme effet tampon (buffer), la vapeur aspirée par le compresseur est bien la vapeur saturée et non pas la vapeur surchauffée et il n’y a pas de risque non plus d’avoir des coups de liquide dans le compresseur. Le fait d’aspirer de la vapeur saturée implique également une température d’aspiration plus faible ce qui entraîne une température de refoulement également plus faible et une meilleure efficacité isentropique du compresseur.
- on refroidit encore plus le fluide frigorigène qui sort de l’échangeur de chaleur, ce qui entraîne une diminution de la fraction de vapeur (débit massique qui ne s’utilise pas pour la production du froid évitant ainsi une consommation inutile d’énergie de compression) qui atteint la bouteille séparatrice à basse pression,
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison :
le fluide frigorigène est choisi parmi le dioxyde de carbone CO2 ou l’ammoniac ou comprend du dioxyde de carbone CO2 ou comprend de l’ammoniac ;
- le fluide frigorigène est choisi parmi le dioxyde de carbone CO2 ou comprend du dioxyde de carbone CO2, en ce que la première partie de circuit comprend une vanne de détente moyenne pression, la sortie vapeur de la bouteille séparatrice à moyenne pression étant raccordée à l’entrée de ladite vanne de détente moyenne pression et la sortie de la vanne de détente moyenne pression étant raccordée à la première entrée de la bouteille séparatrice à basse pression ;
- la bouteille séparatrice à basse pression présente un volume compris entre 50 % et 70% de celui de la bouteille séparatrice à moyenne pression ;
- le serpentin est monté à l’intérieur de la bouteille séparatrice à basse pression ou à l’extérieur de la paroi de celle-ci, de façon que le fluide frigorigène circulant dans le serpentin fournisse de la chaleur au fluide frigorigène se trouvant dans ladite bouteille séparatrice à basse pression ;
-l’installation comprend une unité centrale de régulation qui permet de piloter au moins l’une des fonctions parmi les fonctions suivantes : la marche ou l’arrêt du compresseur, l’ouverture ou la fermeture de la vanne de détente haute pression, l’ouverture ou la fermeture de la vanne de détente moyenne pression, l’ouverture ou la fermeture de la vanne de détente basse pression et l’ouverture ou la fermeture de la vanne de détente pilotable ;
- la vanne de détente pilotable est pilotable en ouverture ou en fermeture par l’unité centrale de régulation, en fonction de données de mesure, fournies par un capteur de mesure d’un niveau minimum de liquide dans la bouteille séparatrice à basse pression, un capteur de mesure d’un niveau maximum de liquide dans la bouteille séparatrice à basse pression et un capteur de mesure de la température, disposé à la sortie de la bouteille séparatrice à basse pression, afin de mesurer la température de la vapeur qui sort de cette bouteille ;
- la vanne de détente haute pression est pilotable en ouverture ou en fermeture par l’unité centrale de régulation, en fonction de l’ouverture de la vanne de détente pilotable.
L'invention concerne également un procédé de pilotage de l’installation frigorifique précitée.
Conformément à l’invention, ce procédé comprend des étapes :
- d’ouverture de la vanne de détente pilotable pour faire circuler le fluide frigorigène dans le serpentin, lorsque le capteur de mesure d’un niveau maximum de liquide dans la bouteille séparatrice à basse pression détecte que ce niveau maximum est atteint,
-et de fermeture de la vanne de détente pilotable lorsque le capteur de mesure d’un niveau minimum de liquide dans la bouteille séparatrice à basse pression détecte que ce niveau minimum est atteint.
- d’ouverture de la vanne de détente pilotable pour faire circuler le fluide frigorigène dans le serpentin, lorsque le capteur de mesure d’un niveau maximum de liquide dans la bouteille séparatrice à basse pression détecte que ce niveau maximum est atteint,
-et de fermeture de la vanne de détente pilotable lorsque le capteur de mesure d’un niveau minimum de liquide dans la bouteille séparatrice à basse pression détecte que ce niveau minimum est atteint.
Selon d’autres caractéristiques de ce procédé, prises seules ou en combinaison :
Le procédé comprend des étapes :
.- de calcul d’une valeur de surchauffe mesurée, qui correspond à la température de la vapeur à la sortie de la bouteille séparatrice à basse pression, mesurée par le capteur de mesure de la température, moins la température de saturation du fluide frigorigène circulant dans l’installation à la pression d’évaporation,
.- de calcul d’une valeur de surchauffe mesurée, qui correspond à la température de la vapeur à la sortie de la bouteille séparatrice à basse pression, mesurée par le capteur de mesure de la température, moins la température de saturation du fluide frigorigène circulant dans l’installation à la pression d’évaporation,
- de comparaison de cette valeur de surchauffe mesurée avec une valeur de consigne de surchauffe,
- de commande de l’ouverture de la vanne de détente pilotable pour faire circuler le fluide frigorigène dans le serpentin, lorsque la valeur de surchauffe mesurée est inférieure à la valeur de consigne de la surchauffe,
- et de commande de la fermeture de la vanne de détente pilotable pour stopper la circulation du fluide frigorigène dans le serpentin, lorsque la valeur de surchauffe mesurée est supérieure ou égale à la valeur de consigne de la surchauffe.
- de commande de l’ouverture de la vanne de détente pilotable pour faire circuler le fluide frigorigène dans le serpentin, lorsque la valeur de surchauffe mesurée est inférieure à la valeur de consigne de la surchauffe,
- et de commande de la fermeture de la vanne de détente pilotable pour stopper la circulation du fluide frigorigène dans le serpentin, lorsque la valeur de surchauffe mesurée est supérieure ou égale à la valeur de consigne de la surchauffe.
De façon avantageuse, la vanne de détente haute pression est fermée progressivement au fur et à mesure de l’ouverture progressive de la vanne de détente pilotable et inversement, et la vanne de détente haute pression est complétement fermée lorsque la vanne de détente pilotable est complément ouverte et inversement.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
L’installation frigorifique 1, conforme à l’invention va maintenant être décrite plus en détail en liaison avec la .
Cette installation est destinée à fonctionner avec un fluide frigorigène, de préférence un fluide frigorigène choisi parmi le dioxyde de carbone CO2 ou l’ammoniac ou encore qui comprend du dioxyde de carbone CO2, c’est-à-dire un mélange de CO2 avec au moins un autre fluide frigorigène ou qui comprend de l’ammoniac, c’est-à-dire un mélange d’ammoniac avec au moins un autre fluide frigorigène.
L’installation frigorifique 1 comprend une première partie de circuit 11, à l’intérieur duquel circule le fluide frigorigène.
Dans l’exemple de réalisation représenté sur la , un compresseur 2, un échangeur de chaleur 3, une vanne de détente haute pression 41, une bouteille séparatrice à moyenne pression 5, une vanne de détente moyenne pression 42 et une bouteille séparatrice à basse pression 7 sont montés en série et dans cet ordre sur la première partie du circuit 11. D’autres éléments (tels que par exemple des échangeurs, récupérateurs, by-pass) peuvent être ajoutés sur cette première partie de circuit. La vanne 42 est facultative comme cela sera décrit ultérieurement.
Le compresseur 2 comprend une entrée 21 et une sortie 22, cette dernière étant raccordée à l’entrée 31 de l’échangeur de chaleur 3 pour le fluide frigorigène.
L’échangeur de chaleur 3 comprend une sortie 32 pour le fluide frigorigène, raccordée à l’entrée 411 de la vanne de détente 41 et cette dernière comprend une sortie 412, raccordée à l’entrée 51 de la bouteille séparatrice à moyenne pression 5.
La bouteille séparatrice à moyenne pression 5 comprend une sortie 52 pour la vapeur et une sortie 53 pour le liquide. La sortie 52 est raccordée à l’entrée 421 de la vanne de détente moyenne pression 42 et la sortie 422 de cette vanne 42 est raccordée à une première entrée 71 de la bouteille séparatrice à basse pression 7. On notera toutefois que la vanne de détente moyenne pression 42 n’est nécessaire que lorsque le fluide frigorigène est du CO2 ou en contient. Dans les autres cas, elle peut être supprimée et alors la sortie 52 est raccordée directement à la première entrée 71 de la bouteille séparatrice à basse pression 7.
La bouteille séparatrice à basse pression 7 comprend une sortie 72 pour la vapeur. Cette sortie 72 est raccordée à l’entrée 21 du compresseur 2. Le compresseur 2 amène le fluide frigorigène se trouvant à l’état de vapeur, à basse pression et à basse température, à un état de vapeur surchauffée, à haute pression et à haute température. Le compresseur 2 permet également de faire circuler le fluide frigorigène à l’intérieur de l’installation 1.
L’échangeur de chaleur 3 réalise un échange thermique entre le fluide frigorigène et un fluide primaire I, qui entre dans l’échangeur de chaleur 3 par une entrée 33 et en ressort par une sortie 34. Ce fluide primaire I se réchauffe en passant au travers de l’échangeur de chaleur 3. Dans l’exemple de réalisation représenté sur la , l’échangeur 3 est un échangeur à contre courants, mais on pourrait également utiliser un échangeur à courants croisés ou à courants parallèles ou tout autre type d’échangeur de chaleur.
Ce fluide primaire I est de préférence de l’eau ou de l’air extérieur à l’installation 1.
Dans les conditions supercritiques, le fluide frigorigène qui entre dans l’échangeur de chaleur 3 à haute température et haute pression, en ressort sans changement d’état, c’est-à-dire à l’état de vapeur supercritique. Il est toujours à haute pression. A titre d’exemple purement illustratif, lorsque le fluide frigorigène est du CO2, les conditions supercritiques sont au-delà de 374°C et de 220 bars (220.105Pa).
Dans les conditions subcritiques, le fluide frigorigène qui entre à l’état de vapeur dans l’échangeur de chaleur 3 à haute température et haute pression, en ressort à l’état de liquide. Il est toujours à haute pression. (Pour le CO2, les conditions subcritiques sont en dessous de 374°C et de 220 bars (220.105Pa).
Ce fluide frigorigène, quel que soit son état physique (vapeur ou liquide) rentre dans la vanne de détente haute pression 41, d’où il ressort toujours à moyenne pression et à l’état de mélange de vapeur et de liquide (état diphasique vapeur-liquide).
Le fluide frigorigène à l’état diphasique vapeur-liquide pénètre dans la bouteille séparatrice à moyenne pression 5 par l’entrée 51. La phase liquide s’accumule dans la partie inférieure de cette bouteille 5 et la phase vapeur en ressort par la sortie 52, à moyenne pression, avant de traverser la vanne de détente moyenne pression 42 (si cette dernière est présente) et d’en ressortir à l’état de mélange de liquide-vapeur, à basse température et à basse pression.
Le fluide frigorigène pénètre ensuite dans la bouteille 7.
La bouteille 7 permet ainsi de garantir que le fluide frigorigène arrive bien à l’état exclusivement de vapeur à l’entrée 21 du compresseur 2, ce qui évite d’endommager ce dernier.
Les notions de « haute température », « moyenne température » et « basse température » sont relatives, c’est-à-dire que la haute température est plus élevée que la moyenne température, qui elle-même est plus élevée que la basse température. La même chose s’applique pour les notions de « haute pression », « moyenne pression » et « basse pression ».
L’installation frigorifique 1 comprend également une deuxième partie de circuit 12, à l’intérieur duquel circule le même fluide frigorigène.
Une vanne de détente basse pression 43 et un évaporateur 6 sont montés en série et dans cet ordre sur cette deuxième partie de circuit 12. De préférence, l’évaporateur 6 est noyé, c’est-à-dire qu’il fonctionne en mode « noyé », ce qui signifie qu’il contient du fluide frigorigène à l’état liquide de son entrée à sa sortie.
La vanne de détente basse pression 43 comprend une entrée 431, raccordée à la sortie de liquide 53 de la bouteille séparatrice 5 et une sortie 432.
La sortie 432 est raccordée à l’entrée 61 pour le fluide frigorigène de l’évaporateur 6.
L’évaporateur 6 comprend une sortie 62 pour le fluide frigorigène, raccordée à une deuxième entrée 76 de la bouteille séparatrice à basse pression 7. On notera que les deux entrées 71 et 76 pourraient être jointes en une seule.
Le liquide contenu dans la bouteille séparatrice 5 et qui se trouve à moyenne pression, en sort pour traverser la vanne de détente basse pression 43 et en ressortir à l’état de mélange de liquide et de vapeur, à basse pression et à basse température.
L’évaporateur de préférence noyé 6 réalise un échange thermique entre le fluide frigorigène et un fluide secondaire II, qui entre dans l’évaporateur noyé 6 par une entrée 63 et qui en ressort par une sortie 64. Ce fluide secondaire II est refroidi en passant au travers de l’évaporateur. Dans l’exemple de réalisation représenté sur la , l’évaporateur 6 est un évaporateur à contre courants, mais on pourrait également utiliser un évaporateur à courants croisés ou à courants parallèles ou tout autre type d’évaporateur.
Ce fluide secondaire II refroidi est ensuite utilisé pour refroidir une enceinte telle que celles utilisées par exemple dans l’agroalimentaire, les commerces alimentaires ou la grande distribution ou encore dans le domaine industriel. Ce fluide secondaire II est par exemple de l’eau glycolée ou de l’air.
Le fluide frigorigène qui entre dans l’évaporateur de préférence noyé 6 à l’état de mélange de liquide et de vapeur avec une fraction plus élevée de liquide, à basse pression et à basse température, en ressort à l’état d’un mélange de vapeur et de liquide avec une fraction plus élevée de vapeur, toujours à basse pression et à basse température.
Le mélange de vapeur et de liquide frigorigène pénètre ensuite dans la bouteille séparatrice 7, à l’intérieur de laquelle le liquide s’accumule. La vapeur à basse température et à basse pression sort de cette bouteille séparatrice par la sortie 72, puis rejoint l’entrée du compresseur 2. La bouteille 7 permet de garantir que seule de la vapeur pénètre dans le compresseur 2.
L’installation frigorifique 1 comprend également une troisième partie de circuit 13, à l’intérieur duquel circule le même fluide frigorigène.
Un serpentin 8 et une vanne de détente pilotable 9 sont montés en série sur la troisième partie de circuit 13 et dans cet ordre, par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène à l’intérieur de cette troisième partie de circuit 13.
L’entrée de cette troisième partie de circuit 13 est raccordée à la première partie de circuit 11, en un point 111, situé entre la sortie 32 de l’échangeur de chaleur 3 et l’entrée 411 de la vanne de détente haute pression 41. La sortie de cette troisième partie de circuit 13 est raccordée à la première partie de circuit 11, en un point 112, situé entre la sortie 412 de la vanne de détente haute pression 41 et l’entrée 51 de la bouteille séparatrice 5.
Le serpentin 8 est configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide frigorigène se trouvant à l’état liquide à l’intérieur de la bouteille séparatrice à basse pression 7 et amener celui-ci à l’état de vapeur.
De préférence, et comme représenté sur la , le serpentin 8 est disposé à l’intérieur de la bouteille 7 et plonge dans le liquide frigorigène qui s’y trouve.
Toutefois, selon une autre variante de réalisation non représentée sur les figures, le serpentin 8 peut également être placé à l’extérieur de la bouteille 7, par exemple autour de la paroi de celle-ci.
C’est le fluide frigorigène qui sort de l’échangeur de chaleur 3 qui traverse le serpentin 8 pour fournir la chaleur au liquide stocké dans la bouteille 7 et réchauffer celui-ci.
De façon avantageuse, la bouteille séparatrice à basse pression 7 présente un volume correspondant à 50 % à 70 % du volume de la bouteille séparatrice 5. En effet, la quantité de liquide à la sortie de l'évaporateur 6 n'est pas très importante, (environ 3 à 5 % du débit total de l'évaporateur), il n'est donc pas nécessaire d'installer une grande bouteille comme celle de la moyenne pression 5 et de plus, il est ainsi plus facile de contrôler (grâce à la vanne 9) et de maintenir un niveau minimum de liquide dans la bouteille 7 pour faire l'effet tampon à l’intérieur.
Le fluide frigorigène sous forme de vapeur supercritique à haute pression et moyenne température, issu de l’échangeur de chaleur 3, traverse le serpentin 8 et réchauffe le fluide frigorigène à l’état liquide à basse pression et basse température pour amener ce dernier à l’état de vapeur.
Comme cela apparait mieux sur la vue de détail de la , le pilotage de la vanne de détente 9 motorisée peut s’effectuer par exemple à l’aide d’une unité centrale de régulation 90, sur la base d’informations reçues d’un capteur de mesure d’un niveau minimum de liquide 73, placé dans la partie inférieure de la bouteille 7, d’un capteur de mesure d’un niveau maximum de liquide 74, placé dans la partie haute de la bouteille 7 et d’un capteur de mesure de la température 75, disposé à la sortie de la bouteille 7 afin de mesurer la température de la vapeur qui sort de cette bouteille. De préférence, le capteur de niveau minimum de liquide 73 est placé dans la partie inférieure de la bouteille 7 mais pas au point le plus bas de celle-ci, de préférence à environ 1/3 de la hauteur de la bouteille. De préférence, le capteur 74 est placé environ au 2/3 de la hauteur de la bouteille 7. Ces deux capteurs de niveau 73 et 74 viennent en plus des capteurs de niveau de sécurité classiquement en place sur toute installation frigorifique pour protéger le compresseur contre les coups de liquide par arrêt du compresseur.
Par « pilotage de la vanne de détente 9 », on entend son ouverture ou sa fermeture.
L’unité centrale de régulation 90 est par exemple un ordinateur, un automate programmable ou un régulateur qui permet de piloter la vanne de détente 9 pour l’ouvrir ou la fermer.
Lorsque le niveau de liquide à l’intérieur de la bouteille 7 atteint le capteur de niveau maximum 74, alors l’unité centrale de régulation 90 commande l’ouverture de la vanne de détente 9, ce qui a pour effet de faire circuler le fluide frigorigène dans le serpentin 8, de réchauffer le liquide se trouvant dans la bouteille 7 jusqu’à l’amener en phase vapeur pour qu’il s’en échappe en direction du compresseur 2. On notera que l’ouverture de la vanne 9 peut être partielle et évolutive lorsque le niveau du liquide dans la bouteille séparatrice à basse pression 7 est situé entre le niveau du capteur 74 et le niveau du capteur 73.
Inversement, lorsque le niveau de liquide est redescendu dans la bouteille 7 jusqu’à atteindre le capteur de niveau minimum 73, alors l’unité centrale de régulation 90 commande la fermeture de la vanne de détente 9, ce qui a pour effet de stopper la circulation du fluide frigorigène dans le serpentin 8. La très faible quantité de fluide frigorigène à l’état liquide issue de l’évaporateur noyé 6 peut alors de nouveau s’accumuler dans la bouteille 7 jusqu’à atteindre le capteur de niveau minimum 73 et le cycle de pilotage peut alors recommencer.
Par ailleurs, l’unité centrale de régulation 90 reçoit la valeur de la température de la vapeur qui sort de la bouteille 7, telle que mesurée par le capteur de température 75. L’unité centrale de régulation 90 calcule la « surchauffe mesurée », qui correspond à la température de la vapeur à la sortie de la bouteille 7 moins la température de saturation du fluide frigorigène à la pression d’évaporation et l’unité centrale de régulation 90 compare cette valeur de surchauffe mesurée avec une valeur de consigne de la surchauffe.
Si la valeur de surchauffe mesurée est inférieure à la valeur de consigne de la surchauffe, alors l’unité centrale de régulation 90 commande l’ouverture de la vanne de détente 9 pour faire circuler le fluide frigorigène dans le serpentin 8 et non seulement vaporiser le liquide qui se trouve dans la bouteille 7 mais également accroitre la température de la vapeur qui se trouve dans la partie haute de la bouteille 7.
Inversement, si la valeur de surchauffe mesurée est supérieure ou égale à la valeur de consigne de la surchauffe, alors l’unité centrale de régulation 90 commande la fermeture de la vanne de détente 9 pour stopper la circulation du fluide frigorigène dans le serpentin 8.
De façon avantageuse, l’unité centrale de régulation 90 pilote le fonctionnement de la vanne de détente haute pression 41 et de la vanne de détente pilotable 9.
De façon avantageuse, la vanne de détente pilotable 9 est pilotée de façon à s’ouvrir lentement et de façon qu’au fur et à mesure qu’elle s’ouvre, la vanne de détente haute pression 41 se ferme progressivement et lentement. Par moments, les deux vannes 9 et 41 peuvent donc être ouvertes en même temps. Enfin, lorsque la vanne 9 est complétement ouverte, la vanne 41 est automatiquement fermée. Le fonctionnement inverse s’opère également (lorsque la vanne 9 se ferme progressivement, la vanne 41 s’ouvre progressivement jusqu’à aboutir à une situation où la vanne 9 est complétement fermée et la vanne 41 est complétement ouverte). Cette transition progressive permet de ne pas provoquer de perturbations importantes dans la circulation du fluide.
- L’installation est facile à manipuler avec l’évaporateur noyé 6, et il n’est pas nécessaire de former le personnel ou de développer de nouvelles compétences comme cela est le cas avec une installation de l’art antérieur comprenant un éjecteur.
- Il est possible de contrôler directement la surchauffe à l’entrée du compresseur 2.
- On obtient une diminution du titre vapeur (quantité de vapeur sur quantité totale de fluide) qui rentre dans la bouteille séparatrice à moyenne pression 5.
- On augmente la température et la pression d’évaporation.
- On réduit la consommation d’énergie électrique du compresseur 2.
- On a une grande capacité de stockage du liquide à la sortie de l’évaporateur 6.
- On réduit l’entropie à l’entrée du compresseur 2.
- On réduit la température de refoulement du fluide frigorigène qui sort du compresseur 2, car on réduit la température d’aspiration du compresseur.
- On réduit également le risque d’endommagement du compresseur 2.
Claims (11)
- Installation frigorifique (1)caractérisée en ce qu’elle comprend:
- une première partie de circuit (11) à l’intérieur de laquelle circule un fluide frigorigène,
-un compresseur (2), un échangeur de chaleur (3), une vanne de détente haute pression (41), une bouteille séparatrice à moyenne pression (5), et une bouteille séparatrice à basse pression (7), montés en série et dans cet ordre, sur ladite première partie du circuit (11), la sortie vapeur (52) de la bouteille séparatrice à moyenne pression (5) étant raccordée à une première entrée (71) de la bouteille séparatrice à basse pression (7), la sortie vapeur (72) de la bouteille séparatrice à basse pression (7) étant raccordée à l’entrée (21) du compresseur (2) et l’échangeur de chaleur (3) réalisant un échange thermique entre ledit fluide frigorigène et un fluide primaire (I), de façon à refroidir ledit fluide frigorigène,
-une deuxième partie de circuit (12) à l’intérieur de laquelle circule le même fluide frigorigène,
-une vanne de détente basse pression (43) et un évaporateur (6) muni d’une sortie (62) pour le fluide frigorigène, montés en série et dans cet ordre, sur ladite deuxième partie de circuit (12), la sortie liquide (53) de la bouteille séparatrice à moyenne pression (5) étant raccordée à l’entrée (431) ladite vanne de détente basse pression (43) et la sortie (62) de l’évaporateur (6) étant raccordée à une deuxième entrée (76) de la bouteille séparatrice à basse pression (7), l’évaporateur (6) réalisant un échange thermique entre ledit fluide frigorigène et un fluide secondaire (II), de façon à refroidir ce fluide secondaire (II),
-une troisième partie de circuit (13) à l’intérieur de laquelle circule le même fluide frigorigène,
-cette troisième partie de circuit (13) comprenant une vanne de détente pilotable (9) et un serpentin (8) configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide frigorigène se trouvant à l’intérieur de la bouteille séparatrice à basse pression (7), l’entrée de cette troisième partie de circuit (13) étant raccordée à la première partie de circuit (11) en un point (111) situé entre la sortie (32) pour le fluide frigorigène de l’échangeur de chaleur (3) et l’entrée (411) de la vanne de détente haute pression (41), la sortie de cette troisième partie de circuit (13) étant raccordée à la première partie de circuit (11) en un point (112) situé entre la sortie (412) de la vanne de détente haute pression (41) et l’entrée (51) de la bouteille séparatrice à moyenne pression (5) et ladite vanne de détente pilotable (9) étant montée en aval du serpentin (8) par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans la troisième partie de circuit (13). - Installation frigorifique (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide frigorigène est choisi parmi le dioxyde de carbone CO2 ou l’ammoniac ou comprend du dioxyde de carbone CO2 ou comprend de l’ammoniac.
- Installation frigorifique (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide frigorigène est choisi parmi le dioxyde de carbone CO2 ou comprend du dioxyde de carbone CO2, en ce que la première partie de circuit (11) comprend une vanne de détente moyenne pression (42), la sortie vapeur (52) de la bouteille séparatrice à moyenne pression (5) étant raccordée à l’entrée (421) de ladite vanne de détente moyenne pression (42) et la sortie (422) de la vanne de détente moyenne pression (42) étant raccordée à la première entrée (71) de la bouteille séparatrice à basse pression (7).
- Installation frigorifique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bouteille séparatrice à basse pression (7) présente un volume compris entre 50 % et 70% de celui de la bouteille séparatrice à moyenne pression (5).
- Installation frigorifique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le serpentin (8) est monté à l’intérieur de la bouteille séparatrice à basse pression (7) ou à l’extérieur de la paroi de celle-ci, de façon que le fluide frigorigène circulant dans le serpentin (8) fournisse de la chaleur au fluide frigorigène se trouvant dans ladite bouteille séparatrice à basse pression (7).
- Installation frigorifique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend une unité centrale de régulation (90) qui permet de piloter au moins l’une des fonctions parmi les fonctions suivantes : la marche ou l’arrêt du compresseur (2), l’ouverture ou la fermeture de la vanne de détente haute pression (41), l’ouverture ou la fermeture de la vanne de détente moyenne pression (42), l’ouverture ou la fermeture de la vanne de détente basse pression (43) et l’ouverture ou la fermeture de la vanne de détente pilotable (9).
- Installation frigorifique (1) selon la revendication 6, caractérisée en ce que la vanne de détente pilotable (9) est pilotable en ouverture ou en fermeture par l’unité centrale de régulation (90), en fonction de données de mesure, fournies par un capteur de mesure d’un niveau minimum de liquide (73) dans la bouteille séparatrice à basse pression (7), un capteur de mesure d’un niveau maximum de liquide (74) dans la bouteille séparatrice à basse pression (7) et un capteur de mesure de la température (75), disposé à la sortie de la bouteille séparatrice à basse pression (7), afin de mesurer la température de la vapeur qui sort de cette bouteille.
- Installation frigorifique (1) selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la vanne de détente haute pression (41) est pilotable en ouverture ou en fermeture par l’unité centrale de régulation (90), en fonction de l’ouverture de la vanne de détente (9) pilotable.
- Procédé de pilotage de l’installation frigorifique (1) conforme à la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comprend des étapes :
- d’ouverture de la vanne de détente pilotable (9) pour faire circuler le fluide frigorigène dans le serpentin (8), lorsque le capteur de mesure d’un niveau maximum de liquide (74) dans la bouteille séparatrice à basse pression (7) détecte que ce niveau maximum est atteint,
-et de fermeture de la vanne de détente pilotable (9) lorsque le capteur de mesure d’un niveau minimum de liquide (73) dans la bouteille séparatrice à basse pression (7) détecte que ce niveau minimum est atteint. - Procédé de pilotage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comprend des étapes :
- de calcul d’une valeur de surchauffe mesurée, qui correspond à la température de la vapeur à la sortie de la bouteille séparatrice à basse pression (7), mesurée par le capteur de mesure de la température (75), moins la température de saturation du fluide frigorigène circulant dans l’installation (1) à la pression d’évaporation,
- de comparaison de cette valeur de surchauffe mesurée avec une valeur de consigne de surchauffe,
- de commande de l’ouverture de la vanne de détente pilotable (9) pour faire circuler le fluide frigorigène dans le serpentin (8), lorsque la valeur de surchauffe mesurée est inférieure à la valeur de consigne de la surchauffe,
- et de commande de la fermeture de la vanne de détente pilotable (9) pour stopper la circulation du fluide frigorigène dans le serpentin (8), lorsque la valeur de surchauffe mesurée est supérieure ou égale à la valeur de consigne de la surchauffe. - Procédé de pilotage selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la vanne de détente haute pression (41) est fermée progressivement au fur et à mesure de l’ouverture progressive de la vanne de détente pilotable (9) et inversement, et la vanne de détente haute pression (41) est complétement fermée lorsque la vanne de détente pilotable (9) est complétement ouverte et inversement.
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