WO2001002784A1 - Procede d'echange thermique par un fluide frigoporteur diphasique liquide solide - Google Patents

Procede d'echange thermique par un fluide frigoporteur diphasique liquide solide Download PDF

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WO2001002784A1
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transfer
zone
fluids
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Rémy Rival
Stéphane BIOTTEAU
Guillaume Brunet
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Mc International
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    • F25C1/00—Producing ice
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25D16/00—Devices using a combination of a cooling mode associated with refrigerating machinery with a cooling mode not associated with refrigerating machinery
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a process for heat exchange by a liquid / solid two-phase refrigerant fluid for the refrigeration field.
  • Traditional heat exchangers such as tube exchangers and plate exchangers, have a partition wall.
  • the invention uses a liquid / liquid heat exchanger, by direct contact between the fluids.
  • the installations described in these documents comprise a tank containing the two-phase refrigerant fluid, intended for the storage of cold, and a circuit for circulation of a heat transfer fluid, immiscible with the two-phase fluid and of different density.
  • the two-phase fluid used is a water-based solution and the heat transfer fluid, oil, as described, for example, in the document US Pat. No. 4,086,958.
  • the heat transfer fluid can be of higher or lower density than the two-phase fluid. It is brought into the tank containing the latter by the upper or lower part, respectively, according to its density.
  • the heat transfer fluid is located above the two-phase fluid on its surface (GB - A - 2 053 434), or below at the bottom of the tank. After the two fluids have settled, the transfer fluid can be recovered and reinjected into the circulation circuit.
  • the cooling of the two-phase fluid by the heat transfer fluid generates a solid phase in suspension in the liquid phase.
  • the thermal transfer liquid being cooled by conventional means, it absorbs a thermal load from the two-phase fluid, which is concentrated in solid matter.
  • the two-phase fluid then becomes able to produce a useful cold by its latent heat of fusion.
  • Two-phase refrigerant fluids are fluids in which the formation of a solid phase can be observed in the liquid phase.
  • the refrigerant is then called sorbet.
  • Two-phase refrigerants generally consist of a solution of two miscible liquids, such as, for example, water and ethanol.
  • a solid phase for example ice crystals for a water-ethanol mixture
  • the solidification temperature depends on the proportions between the two miscible liquids, for example water - ethanol, of the two-phase refrigerant.
  • the latent heat of fusion contained in the solid phase makes it possible to convey high cooling powers. They are generally greater than the cooling capacities conveyed by a monophasic refrigerant fluid, such as a liquid.
  • Two-phase refrigerants have many advantages. They allow, in particular to:
  • the first drawback lies in the large size of the installations.
  • the mixture of the two-phase refrigerant and the transfer liquid causes turbulence necessary for the heat exchange between the fluids.
  • this turbulence contributes to the formation of quasi-stationary zones of turbulence, which promote the agglomeration of the solid matter.
  • These quasi-stationary turbulences are observed whatever the configuration of the exchanger, such as for example the injection of one of the fluids in a pipe where the second circulates and / or the injection in tank.
  • Quasi-stationary turbulence is tolerable in installations using two single-phase liquid fluids. They then result in a pressure drop.
  • the quasi-stationary turbulence contributes to causing, by retention, concentrations of solid matter which adhere to the walls. Numerous tests have shown that this phenomenon is all the more important as the temperature difference between the fluids is high, in particular during the injection of the two-phase refrigerant fluid into the heat transfer fluid.
  • the two-phase fluid indeed exhibits variable behaviors depending on its concentration of solid matter due to the presence of turbulence. These variations change in particular, its specific mass, its viscosity, its solidification temperature. The vertical gradients of temperature and concentration are therefore also variable.
  • the continuous operation of the two-phase fluid requires a constant value of the concentration of solid matter at the outlet of the tank. Controlling the concentration is also necessary for supplying a network of two-phase fluid absorbing a variable thermal load.
  • a first object of the invention describes a heat exchange process generating a solid phase in a liquid / solid two-phase fluid, by direct contact of the two-phase fluid and a heat transfer fluid, the two fluids being immiscible and of different densities.
  • the transfer fluid remains liquid during the heat transfer and the two-phase fluid partially solidifies as it cools, the solid phase of the two-phase fluid having a density different from that of the liquid phase.
  • the process includes the steps of:
  • the transfer fluid and the two-phase fluid circulate in the same direction in the flow zone, at a speed capable of maintaining a flow regime allowing a substantially homogeneous distribution of the solid phase in the liquid phase of the two-phase fluid.
  • the two-phase and transfer fluids are discharged into an evacuation zone, and are separated by difference in density.
  • the flow direction of the transfer and two-phase fluids in the flow zone is substantially horizontal.
  • the two-phase and transfer fluids are injected into the zone of strong turbulence in parallel or intersecting directions.
  • the two-phase and transfer fluids are injected into the zone of strong turbulence in intersecting directions.
  • at least one of the two fluids is accelerated at the level of the arrival in the zone of strong turbulence.
  • the injection of the least dense fluid is in the lower position relative to the injection of the densest fluid, so as to increase the heat exchanges between the two fluids.
  • the zone of strong turbulence comprises at least one inlet for two-phase fluid, and at least one inlet for transfer fluid.
  • the temperatures of the two-phase fluid and of the transfer fluid are respectively between -5 ° C and -10 ° C.
  • the method includes heating means which at least partially maintain the internal surface of the zones of high turbulence and flow at a temperature higher than the solidification temperature of the two-phase fluid.
  • a second object of the invention relates to an exchange device implementing the method as described above.
  • the exchange device comprises: - a tubular heat exchange structure between the transfer and two-phase fluids; first means for supplying the two-phase fluid to the tubular structure; second means for supplying the transfer fluid to the tubular structure, the tubular structure comprising: a zone of strong turbulence of the mixture of the two-phase fluid and the transfer fluid, into which the first and second supply means open;
  • a discharge zone extending transversely to the flow zone, so as to break the rectilinear flow and to separate the two-phase fluid and the transfer fluid, situated transversely to the direction C of rectilinear flow.
  • the first and second means for supplying two-phase fluids and for transfer are rigid tubes having an abrupt reduction in diameter at the entrance to the turbulence zone.
  • the device as described above comprises first means for outputting the two-phase fluid and second means for outputting the transfer fluid, conveying the two-phase fluid by a first circulation circuit to the first supply means, and the transfer fluid by a second circulation circuit towards the second supply means.
  • the flow zone of the device is substantially horizontal, the separation zone substantially vertical, the flow zone and the turbulence zone being aligned.
  • the section of the flow zone is between 1 and 3 times the section of the zone of strong turbulence.
  • the sections of the turbulence zone and of the flow zone are circular or parallelepiped.
  • the tubular structure comprises an internal wall of a poor thermal conductive material, and is at least partially heated by heating means maintaining the internal wall at a temperature above the solidification temperature of the two-phase fluid.
  • these heating means are a heating resistor.
  • a third object of the invention relates to a heat transfer installation comprising at least one exchange device as described above.
  • the installation comprises:
  • a first two-phase fluid circulation circuit comprising:
  • a second circulation circuit for the transfer fluid comprising:
  • a third circuit for circulating a refrigerant, intended for cooling the transfer fluid comprising:
  • the installation comprises a fourth circuit for circulation of a coolant intended to heat the internal wall of the exchange device.
  • the installation comprises: - a first two-phase fluid circulation circuit comprising:
  • a second circulation circuit for the transfer fluid comprising: - a secondary member of a first traditional exchanger
  • - a third circuit for circulating a refrigerant, intended for cooling the transfer fluid comprising: - a primary member of the first traditional exchanger;
  • a fourth circuit for circulation of a refrigerant fluid comprising:
  • FIGS 1 and 2 show the simplified diagram of two embodiments of the installation according to the invention.
  • FIGS 3 to 6 show schematic sections of different embodiments of the exchange device.
  • the installation comprises a circuit 1 for circulation of the two-phase refrigerant fluid (D), a circuit 2 for circulation of the single-phase heat transfer fluid (T) and a circuit 3 for circulation of a primary refrigerant (F).
  • the arrows symbolize the direction of circulation of the fluids in the different circuits.
  • the installation comprises an exchanger 4, arranged on the circuit 1.
  • the exchanger 4 is intended to absorb a thermal load (CT) which is transmitted to the two-phase fluid (D) circulated in the circuit 1.
  • CT thermal load
  • D two-phase fluid
  • the thermal load (CT) represents the object to be refrigerated. This object can be a cold room or a refrigerated cabinet.
  • the heat exchange between the two-phase fluid (D) and the heat transfer fluid (T) takes place at the level of a heat exchange device 5.
  • This device consists of a sorbet exchanger generator according to the invention.
  • the two-phase (D) and thermal transfer (T) fluids enter the sorbet-generating exchanger 5 via inputs 6 and 7, respectively. They exit through exits 8 and 9, respectively.
  • the exchange device 5 comprises heating means 10 arranged on its external surface. These heating means 10 are intended to maintain the internal wall of the exchange device 5 at a temperature above the solidification temperature of the solid phase of the two-phase fluid. In this way, agglomerations of solid materials on the walls are avoided.
  • the heating means 10 can be a heating element, such as, for example, an electrical resistance, or any other heating means.
  • the heat transfer fluid (T) is cooled by the refrigerant (F) in a conventional heat exchanger 11 comprising a primary member 12 and a secondary member 13 separated by a partition wall 14.
  • the primary 12 of the exchanger 11 is, for example, the evaporator of the circuit 3.
  • the refrigerant (F) circulates in the primary member 12
  • the transfer fluid (T) circulates in the secondary member 13, the heat exchange between the two fluids taking place through the wall 14.
  • the circulation of fluids in circuits 1 and 2 is ensured by pumps 15 and 16 respectively.
  • the circuit 3 includes at least one compressor 17, a condenser 18 and an expansion member 19.
  • the heating means are supplied by a fourth circuit 20.
  • another refrigerant fluid (E) circulates. It can be, for example, water.
  • the circuit 20 comprises: - a conventional heat exchanger 21, comprising primary 22 and secondary 23 members, and a partition wall 24; - A pump 25 intended for the circulation of the fluid (E).
  • the primary member 22 is disposed on the circuit 3 between the condenser 18 and the expansion member 19, the secondary member 23 being disposed on the circuit 20.
  • the refrigerant (F) circulating in the primary member 22 gives up its heat to the fluid (E) circulating in the secondary member 23.
  • the fluid (E) is then conveyed by the pump 25 to the heating means 10 of the sorbet generator exchanger.
  • the generator exchanger 5 comprises a tubular structure 26 in the shape of a T.
  • the tubular structure 26 is made of a poor thermal conductor material, such as, for example, a plastic material. In this way, the internal wall 27 of the tubular structure in contact with the two-phase fluid (D) and close to the heat transfer fluid (T) cools moderately, thus reducing the agglomeration of solid materials on the wall. These solid materials are removed by the heating means 10.
  • the heating means 10 are arranged on the external surface of the tubular structure 26. They extend at least at the interface between the two fluids in the tubular part.
  • the heating means 10 can be a heating resistor or a network of pipes supplied by the fourth circuit 20.
  • the internal wall 27 has no roughness in order to avoid agglomeration of solid materials.
  • the tubular structure 26 comprises a straight and substantially horizontal tubular part 28 comprising a first end 29 and a second end 30, opposite the end 29.
  • a horizontal plane (P) is defined which separates the part 28 in two.
  • the plane (P) contains the axis (A) of the tubular part 28.
  • the tubular part 28 is not straight.
  • tubular part 28 is slightly inclined, the axis (A) having an angle between 0 and 45 ° with the plane (P).
  • First means 31 for supplying the two-phase fluid and second means 32 for supplying the transfer fluid (T) are disposed at the first end 29 of the tubular structure 28.
  • These first and second supply means 31, 32 each comprise at least one supply conduit 33, 34, fluids (D) and (T), respectively.
  • These supply conduits 33, 34 can be formed by rigid tubes, with directions parallel to each other or intersecting.
  • the highest density fluid supply conduit 34 at. namely the heat transfer fluid (T) in the embodiment described, is positioned above the supply duct 33 of the least dense fluid, the two-phase fluid (D).
  • the sections of the fluid supply conduits 33 and 34 are preferably of dimension smaller than the section of the tubular part 28.
  • the means for supplying fluids (31, 32) each comprise several supply conduits.
  • the second end 30 of the tubular part 28 is connected to a transverse tubular discharge part 35 by a substantially conical part 36.
  • the tubular transverse discharge part 35 comprises first means 37 for output of the two-phase fluid (D) and second means 38 for outlet of the transfer fluid (T).
  • first and second outlet means (37, 38) respectively comprise an upper tubular part 39 and a lower tubular part 40.
  • the upper part 39 is intended for the evacuation of the fluid (D) of low density, while the lower part 40 is intended for the evacuation of the fluid (T) of higher density.
  • the axes (B) and (B ') respectively of the upper 39 and lower 40 parts may have an angle of a few degrees with the normal to the plane (P).
  • This angle can be between 0 ° and 80 ° approximately.
  • first and second outlet means comprise several tubular parts, of parallel or intersecting directions.
  • the first supply means 31 and outlet 37 for the fluid (D) are connected to circuit 1, the second supply means 32 and outlet 38 for the fluid (T) being connected to circuit 2.
  • the section of the different tubular parts (28, 35) can be circular or parallelepipedic, the angles formed by the internal walls then being rounded, in order to avoid agglomeration of solid materials.
  • the section of the part 28 is constant. However, it can be increasing or decreasing, as shown in the embodiments of Figures 5a and 5b.
  • the turbulence and flow zones (Z1, Z2) are part of the tubular part 28.
  • the two zones Z1 and Z2 are aligned and straight.
  • the two zones can be offset, and not rectilinear with respect to the plane (P).
  • the two-phase refrigerant fluid (D) can be, for example, a solution of water and ethanol or a solution of water and glycol.
  • composition of a water-ethanol solution can be, for example, 88.7% by mass of water and 11.30% by mass of ethanol.
  • the temperature at which the solution begins to solidify is then -5 °, the density at this temperature being 985 kg / m 3 .
  • the water and ethanol contents can vary depending on the desired solidification temperature.
  • the heat transfer fluid (T) allowing the cooling of the refrigerant fluid (D) is immiscible with the latter and of higher density.
  • This fluid has a solidification temperature of - 112 ° C and a density of 1316 kg / m 3 at - 5 ° C.
  • the invention is not limited to the fluids described. Other fluids having appropriate densities and solidification temperatures can be used within the scope of the invention.
  • the flow of two-phase refrigerant fluid is mainly defined by:
  • the volume flow rates are then:
  • the generator exchanger 5 is dimensioned as a function of the desired power, from which flow rates flow.
  • the velocities of the flows were defined by experimentation.
  • the flow speed in the generator 5 of the sum of the two fluid flow rates is 0.55 m / s.
  • the two two-phase fluids (D) and transfer fluids (T) are brought respectively by the first 31 and second 32 supply means at the level of the high turbulence zone (Z1) of the exchanger 5.
  • the size of the zone of strong turbulence (Z1) is dimensioned as a function of the flow rates of the two fluids. Due to the difference in density of the fluids (T) and (D) and their respective position when they arrive in the horizontal tubular part 28, the heaviest fluid (T) is caused to pass through the lightest fluid ( D) in the zone of strong turbulence (Z1). The contacting of the two fluids, due to both their crossing and the turbulence created, allows good heat exchange. The two-phase fluid (D) transfers heat to the heat transfer fluid (T), thereby increasing its concentration of solid matter.
  • zone (Z2) the two fluids separate by density difference, the lighter two-phase fluid (D) then circulates in the upper part, while the heat transfer fluid (T) circulates in the same direction in the part lower.
  • the interface between the two separate fluid layers is located above, below or at the median plane (P) .
  • the two fluids thus move, in direction C, to the second end 30 of the tubular part 28.
  • the flow speed of the two fluids in the different parts of the exchanger 5 makes it possible to maintain the two fluids in turbulent regime, without however causing them to mix after the turbulence zone (Z1).
  • the flow speed is sufficient to maintain in the two-phase fluid (D) circulating in the upper part, a substantially homogeneous distribution of the solid phase in its liquid phase. Under these conditions, the fluid (D) flows towards the outlet 8 of the generator exchanger 5 in the ascending vertical part 39, its speed always being greater than the decantation speed of the solid and liquid phases.
  • the exchanger 4 absorbs a thermal load (CT), and transmits it to the two-phase coolant (D) circulated by the pump 15 in the first circuit 1.
  • CT thermal load
  • D two-phase coolant
  • the two-phase coolant (D) arrives by the first supply means 31 at the inlet 6 of the sorbet generator exchanger 5 and leaves the latter via the outlet 8.
  • the two-phase fluid (D) with a higher solid matter concentration than at its entry into the exchanger is brought into the exchanger 4.
  • the solid phase of the two-phase fluid (D) absorbs its latent heat of fusion coming from the thermal load (CT) and thus becomes partially or completely liquid.
  • the two-phase fluid (D) therefore has a low or even zero concentration of solid matter.
  • the two-phase fluid (D) is again concentrated in solid matter when passing through the generator exchanger 5.
  • the latent heat of solidification is transferred by direct contact to the heat transfer fluid (T) circulated by the pump 16 in the second circuit 2.
  • the transfer fluid (T) is cooled in the secondary member 13 of the exchanger 11, located upstream of the generator exchanger 5 on the circuit 2.
  • the transfer fluid (T) arrives by the second supply means 32 at the inlet 7 of the generator exchanger 5, and leaves therefrom through the outlet 9.
  • the primary member 12 of the exchanger 11 is crossed by the refrigerant (F) of the circuit 3, where it evaporates after passing through the expansion member 19.
  • the refrigerant (F) Downstream of the exchanger 11, the refrigerant (F) is compressed by the compressor 17, then condensed by the condenser 18.
  • the thermal charge of the refrigerant (F) is then rejected by the condenser 18 in a medium (M).
  • the sorbet generator exchanger 5 is locally heated by a fluid (E) circulating in a circuit 20 by means of the pump 25.
  • the fluid (E) is heated by circulating in the secondary member 23 of the exchanger 21.
  • the exchanger 21 is placed on the circuit 3 between the condenser 18 and the expansion member 19.
  • the refrigerant (F) therefore passes through the primary member 22 in liquid phase, yielding its heat to the fluid (E), and under cools.
  • the heated fluid (E) is then brought to the heating means 10 of the exchanger 5 thus locally heating the wall of the latter.

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Abstract

Procédé d'échange thermique générateur d'une phase solide dans un fluide diphasique (D) liquide/solide, par contact direct du fluide diphasique (D) et d'un fluide de transfert thermique (T), les deux fluides étant non miscibles et de densités différentes, le fluide de transfert (T) restant liquide lors du transfert de chaleur venant du fluide diphasique (D) qui se solidifie partiellement en se refroidissant, la partie solide du fluide diphasique ayant une densité différente de celle de la partie liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: mélange du fluide diphasique (D) et du fluide de transfert (T), dans une zone de fortes turbulences (Z1), le fluide diphasique (D) cédant de la chaleur au fluide de transfert (T); écoulement, et séparation en deux couches par différence de densité du fluide diphasique (D) et du fluide de transfert (T) circulants dans une zone d'écoulement (Z2), la vitesse du fluide diphasique étant supérieure à la vitesse de décantation de sa phase solide.

Description

Procédé d'échange thermique par un fluide friqoporteur diphasique liquide solide
L'invention se rapporte à un procédé d'échange thermique par un fluide frigoporteur diphasique liquide/solide pour le domaine de la réfrigération.
Elle concerne plus particulièrement :
- un procédé d'échange thermique générateur d'une phase solide dans un fluide diphasique liquide/solide ;
- un dispositif d'échange mettant en œuvre le dit procédé ; - une installation de transfert thermique comportant au moins un dispositif d'échange.
Les échangeurs thermiques traditionnels, tels que les échangeurs à tubes et les échangeurs à plaques, comportent une paroi de séparation. L'échange thermique entre un fluide primaire, par exemple un frigorigène et un fluide secondaire, par exemple un frigoporteur, s'effectue à travers cette paroi de séparation.
Contrairement à ces échangeurs thermiques traditionnels, l'invention utilise un échangeur thermique liquide / liquide, par contact direct entre les fluides.
On connaît déjà des échangeurs thermiques par contact direct, dans lesquels le fluide frigoporteur est un fluide diphasique.
En particulier, les documents EP - B - 643 819, GB - A - 2 053 434, US - 4 086 958 et US - 4 300 622, décrivent des dispositifs de stockage du froid utilisant un fluide frigoporteur diphasique.
Les installations décrites dans ces documents, comportent une cuve contenant le fluide frigoporteur diphasique, destiné au stockage du froid, et un circuit de circulation d'un fluide de transfert thermique, immiscible avec le fluide diphasique et de densité différente. En général, le fluide diphasique utilisé est une solution à base d'eau et le fluide de transfert thermique, de l'huile, tel que décrit, par exemple, dans le document US - 4 086 958.
Le fluide de transfert thermique peut être de densité supérieure ou inférieure au fluide diphasique. Il est amené dans la cuve contenant ce dernier par la partie supérieure ou inférieure, respectivement, selon sa densité.
Dans les deux cas, l'échange thermique entre les deux fluides s'effectue lors de la traversée du fluide diphasique par le fluide de transfert thermique.
Selon la différence de densité entre les fluides, le fluide de transfert thermique se trouve au-dessus du fluide diphasique à sa surface (GB - A - 2 053 434), ou en dessous au fond de la cuve. Après décantation des deux fluides, le fluide de transfert peut être récupéré et réinjecté dans le circuit de circulation.
Le refroidissement du fluide diphasique par le fluide de transfert thermique génère une phase solide en suspension dans la phase liquide. Le liquide de transfert thermique étant refroidi par des moyens classiques, il absorbe une charge thermique provenant du fluide diphasique, lequel se concentre en matière solide. Le fluide diphasique devient alors apte à produire un froid utile par sa chaleur latente de fusion.
Les fluides frigoporteurs diphasiques sont des fluides dans lesquels la formation d'une phase solide peut être observée dans la phase liquide. Le frigoporteur est alors appelé sorbet.
Les frigoporteurs diphasiques sont généralement constitués d'une solution de deux liquides miscibles, telle que, par exemple, l'eau et l'éthanol.
La formation d'une phase solide, par exemple des cristaux de glace pour un mélange eau-éthanol, en suspension dans la phase liquide est obtenue par refroidissement à une température inférieure à la température de solidification. La température de solidification dépend des proportions entre les deux liquides miscibles, par exemple eau - éthanol, du frigoporteur diphasique.
La chaleur latente de fusion contenue dans la phase solide permet de véhiculer des puissances frigorifiques élevées. Elles sont en général supérieures aux puissances frigorifiques véhiculées par un fluide frigoporteur monophasique, tel qu'un liquide.
Les frigoporteurs diphasiques présentent de nombreux avantages. Ils permettent, notamment de :
- véhiculer des puissances frigorifiques élevées ;
- nécessiter de faibles sections des réseaux de tuyauterie ;
- présenter des possibilités de stockage du froid dans la phase solide ;
- présenter des facilités de pompage ; - nécessiter des écarts de température faibles avec le fluide frigoporteur absorbant la charge thermique par la chaleur latente de fusion de la phase solide.
L'utilisation de ces frigoporteurs diphasiques présente toutefois certains inconvénients. Notamment, la phase solide a tendance à s'agglomérer sur les surfaces d'échange thermique lors de sa formation.
Afin d'éviter cette agglomération néfaste au bon fonctionnement de l'installation, la plupart des générateurs de sorbets sont des échangeurs à surface raclée ou brossée.
Ces générateurs nécessitent la présence de nombreuses pièces mécaniques en mouvement, tels que des arbres de rotation, des racleurs ou brosses, des systèmes de transmission des moteurs.
L'emploi de pièces en mouvement dans ces générateurs présente de nombreux inconvénients, notamment une consommation d'énergie accrue, une certaine usure des pièces et une fiabilité réduite de l'échangeur. Par ailleurs, la concentration de phase solide dans la phase liquide est difficile à maîtriser et les puissances unitaires obtenues restent faibles.
Les installations d'échange thermique à contact direct des fluides présentent également de nombreux inconvénients.
Le premier inconvénient réside dans la taille importante des installations.
Les techniques utilisées, conduisent en effet à la séparation par décantation d'une part du frigoporteur diphasique et du. fluide de transfert thermique, et d'autre part, des parties solide et liquide du frigoporteur diphasique. La décantation nécessite de faibles vitesses de déplacement et de grands volumes (cuves de grande taille,...).
Un autre inconvénient est la concentration des matières solides et leur adhérence aux parois du systèmes.
En effet, le mélange du frigoporteur diphasique et du liquide de transfert provoque des turbulences nécessaires à l'échange thermique entre les fluides.
Cependant, ces turbulences contribuent à la formation de zones de turbulences quasi stationnaires, qui favorisent l'agglomération de la matière solide. Ces turbulences quasi stationnaires sont observées quelle que soit la configuration de l'échangeur, telle que par exemple l'injection d'un des fluides dans une tuyauterie où circule le second et / ou l'injection en cuve.
Les turbulences quasi stationnaires sont tolérables dans les installations utilisant deux fluides liquides monophasiques. Elles se traduisent alors par une perte de charge.
Par contre, lors de l'utilisation d'un fluide diphasique, les turbulences quasi stationnaires contribuent à provoquer, par rétention, des concentrations de matières solides qui adhèrent aux parois. De nombreux essais ont permis de constater que ce phénomène est d'autant plus important que l'écart de température entre les fluides est élevé, notamment lors de l'injection du fluide frigoporteur diphasique dans le fluide de transfert thermique.
Cette agglomération de matières solides peut être tolérée dans le cas d'une utilisation stationnaire pour le stockage du froid. Il est alors possible d'obtenir la fusion des adhérences solides à chaque destockage.
Toutefois, dans le cas d'un fonctionnement en continu, tel que dans le cadre de l'invention, ces agglomérations ne peuvent que prospérer jusqu'au dysfonctionnement de l'installation.
Enfin, les dispositifs connus présentent l'inconvénient de maîtriser difficilement la concentration en matières solides.
Avec le procédé de décantation en cuve, le fluide diphasique présente en effet des comportements variables selon sa concentration en matière solide du fait de la présence de turbulences. Ces variations font évoluer notamment, sa masse spécifique, sa viscosité, sa température de solidification. Les gradients verticaux de température et de concentration sont donc également variables.
Le fonctionnement en continu du fluide diphasique nécessite une valeur constante de la concentration en matière solide à la sortie de la cuve. La maîtrise de la concentration est également nécessaire pour l'alimentation d'un réseau de fluide diphasique absorbant une charge thermique variable.
L'invention vise à résoudre ces problèmes en réalisant un échangeur générateur de sorbets fonctionnant en continu permettant un échange thermique efficace entre un fluide diphasique et un fluide de transfert thermique monophasique, sans risque d'agglomération de la phase solide bien que dépourvu de pièces mécaniques en mouvement. A cet effet, un premier objet de l'invention décrit un procédé d'échange thermique générateur d'une phase solide dans un fluide diphasique liquide/solide, par contact direct du fluide diphasique et d'un fluide de transfert thermique, les deux fluides étant non miscibles et de densités différentes.
Le fluide de transfert reste liquide lors du transfert de chaleur et le fluide diphasique se solidifie partiellement en se refroidissant, la phase solide du fluide diphasique ayant une densité différente de celle de la phase liquide.
Le procédé comprend les étapes de :
- mélange du fluide diphasique et du fluide de transfert, dans une zone de fortes turbulences, le fluide diphasique cédant de la chaleur au fluide de transfert ;
- écoulement, et séparation en deux couches par différence de densité, du fluide diphasique et du fluide de transfert circulants dans une zone d'écoulement, la vitesse du fluide diphasique étant supérieure à la vitesse de décantation de sa phase solide.
Le fluide de transfert et le fluide diphasique circulent dans le même sens dans la zone d'écoulement, à une vitesse apte à maintenir un régime d'écoulement permettant une répartition sensiblement homogène de la phase solide dans la phase liquide du fluide diphasique.
Après l'étape d'écoulement, les fluides diphasique et de transfert sont évacués dans une zone d'évacuation, et se séparent par différence de densité.
La direction d'écoulement des fluides de transfert et diphasique dans la zone d'écoulement est sensiblement horizontale.
Dans un mode de réalisation, les fluides diphasique et de transfert sont injectés dans la zone de fortes turbulences selon des directions parallèles, ou sécantes.
Dans un autre mode de réalisation, les fluides diphasique et de transfert sont injectés dans la zone de fortes turbulences selon des directions sécantes. Dans un mode d'exécution du procédé, au moins un des deux fluides est accéléré au niveau de l'arrivée dans la zone de fortes turbulences.
Dans un autre mode d'exécution du procédé, l'injection du fluide le moins dense est en position inférieure par rapport à l'injection du fluide le plus dense, de manière à accroître les échanges thermiques entre les deux fluides.
Dans le procédé tel que décrit précédemment, la zone de fortes turbulences comprend au moins une arrivée de fluide diphasique, et au moins une arrivée de fluide de transfert.
Les températures du fluide diphasique et du fluide de transfert sont respectivement comprises entre -5°C et -10°C.
Dans un mode de réalisation, le procédé comporte des moyens de chauffage qui maintiennent au moins partiellement la surface interne des zones de forte turbulence et d'écoulement à une température supérieure à la température de solidification du fluide diphasique.
Un deuxième objet de l'invention concerne un dispositif d'échange mettant en œuvre le procédé tel que décrit précédemment.
Le dispositif d'échange comprend : - une structure tubulaire d'échange thermique entre les fluides de transfert et diphasique ; des premiers moyens d'amenée du fluide diphasique à la structure tubulaire ; des seconds moyens d'amenée du fluide de transfert à la structure tubulaire, la structure tubulaire comprenant : - une zone de fortes turbulences du mélange du fluide diphasique et du fluide de transfert, dans laquelle débouchent les premiers et les seconds moyens d'amenée ;
- une zone d'écoulement des fluides diphasique et de transfert, dans le prolongement et en s'éloignant de la zone de fortes turbulences, dans laquelle se superposent les fluides diphasique et de transfert, ces fluides se séparant par différence de densité, constituant un flux sensiblement rectiligne selon une direction C en deux couches circulant dans le même sens ;
- une zone d'évacuation s'étendant transversalement à la zone d'écoulement, de manière à rompre le flux rectiligne et à séparer le fluide diphasique et le fluide de transfert, située transversalement à la direction C d'écoulement rectiligne.
Dans un mode de réalisation du dispositif d'échange, les premiers et les seconds moyens d'amenée des fluides diphasique et de transfert sont des tubulures rigides présentant une brusque réduction de diamètre à l'entrée dans la zone de turbulences.
Le dispositif tel que décrit précédemment comprend des premiers moyens de sortie du fluide diphasique et des seconds moyens de sortie du fluide de transfert, acheminant le fluide diphasique par un premier circuit de circulation vers les premiers moyens d'amenée, et le fluide de transfert par un deuxième circuit de circulation vers les seconds moyens d'amenée.
La zone d'écoulement du dispositif est sensiblement horizontale, la zone de séparation sensiblement verticale, la zone d'écoulement et la zone de turbulences étant alignées.
Dans un mode de réalisation du dispositif, la section de la zone d'écoulement est comprise entre 1 et 3 fois la section de la zone de fortes turbulences.
Dans le dispositif tel que décrit précédemment, les sections de la zone de turbulences et de la zone d'écoulement sont circulaires ou parallélépipédiques.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la structure tubulaire comprend une paroi interne d'un matériau mauvais conducteur thermique, et est au moins partiellement réchauffée par des moyens de chauffage maintenant la paroi interne à une température supérieure à la température de solidification du fluide diphasique. Dans un mode de réalisation du dispositif, ces moyens de chauffage sont une résistance chauffante.
Un troisième objet de l'invention concerne une installation de transfert thermique comportant au moins un dispositif d'échange tel que décrit précédemment.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, l'installation comprend :
- un premier circuit de circulation du fluide diphasique comprenant :
- un échangeur absorbant la charge thermique CT transmise au fluide diphasique ;
- une pompe de circulation du fluide ;
- un deuxième circuit de circulation du fluide de transfert comprenant :
- un organe secondaire d'un premier échangeur traditionnel ;
- une pompe de circulation du fluide ; - un troisième circuit de circulation d'un fluide frigorigène, destiné au refroidissement du fluide de transfert, comprenant :
- un organe primaire de l'échangeur traditionnel ;
- un compresseur ;
- un condenseur ; - un organe détendeur ;
- un dispositif d'échange tel que décrit précédemment, placé sur les premier et deuxième circuits, dans lequel sont mis en contact le fluide de transfert et le fluide diphasique.
Dans un second mode de réalisation, l'installation comprend un quatrième circuit de circulation d'un fluide frigoporteur destiné à chauffer la paroi interne du dispositif d'échange.
Dans une variante du second mode de réalisation, l'installation comprend : - un premier circuit de circulation du fluide diphasique comprenant :
- un échangeur absorbant la charge thermique transmise au fluide diphasique ;
- une pompe de circulation du fluide ;
- un deuxième circuit de circulation du fluide de transfert comprenant : - un organe secondaire d'un premier échangeur traditionnel ;
- une pompe de circulation du fluide ;
- un troisième circuit de circulation d'un fluide frigorigène, destiné au refroidissement du fluide de transfert, comprenant : - un organe primaire du premier échangeur traditionnel ;
- un compresseur ;
- un condenseur ;
- un organe primaire d'un second échangeur traditionnel ;
- un organe détendeur ; - un dispositif d'échange, placé sur les premier et deuxième circuits, dans lequel sont mis en contact le fluide de transfert et le fluide diphasique ;
- un quatrième circuit de circulation d'un fluide frigoporteur comprenant :
- un organe secondaire de l'échangeur ;
- une pompe de circulation du fluide.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit en référence aux dessins annexés, illustrant différents modes de réalisation.
Les figures 1 et 2 représentent le schéma simplifié de deux modes de réalisation de l'installation selon l'invention.
Les figures 3 à 6 représentent des coupes schématiques de différents modes de réalisation du dispositif d'échange.
Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'installation comprend un circuit 1 de circulation du fluide frigoporteur diphasique (D), un circuit 2 de circulation du fluide de transfert thermique (T) monophasique et un circuit 3 de circulation d'un fluide primaire frigorigène (F).
Les flèches symbolisent le sens de circulation des fluides dans les différents circuits. L'installation comprend un échangeur 4, disposé sur le circuit 1. L'échangeur 4 est destiné à absorber une charge thermique (CT) qui est transmise au fluide diphasique (D) mis en circulation dans le circuit 1.
La charge thermique (CT) représente l'objet à réfrigérer. Cet objet peut être une chambre froide ou un meuble réfrigéré.
L'échange thermique entre le fluide diphasique (D) et le fluide de transfert thermique (T) s'effectue au niveau d'un dispositif d'échange thermique 5. Ce dispositif consiste en un échangeur générateur de sorbet selon l'invention.
Les fluides diphasique (D) et de transfert thermique (T) pénètrent dans l'échangeur générateur de sorbet 5 par les entrées 6 et 7, respectivement. Ils en sortent par les sorties 8 et 9, respectivement.
Le dispositif d'échange 5 comprend des moyens de chauffage 10 disposés sur sa surface externe. Ces moyens de chauffage 10 sont destinés à maintenir la paroi interne du dispositif d'échange 5 à une température supérieure à la température de solidification de la phase solide du fluide diphasique. De cette manière, les agglomérations de matières solides sur les parois sont évitées.
Les moyens de chauffage 10 peuvent être un élément chauffant, tel que, par exemple, une résistance électrique, ou tout autre moyen de chauffage.
Le fluide de transfert thermique (T) est refroidi par le fluide frigorigène (F) dans un échangeur thermique 11 classique comprenant un organe primaire 12 et un organe secondaire 13 séparés par une paroi de séparation 14.
Le primaire 12 de l'échangeur 11 est, par exemple, l'évaporateur du circuit 3.
Le fluide frigorigène (F) circule dans l'organe primaire 12, le fluide de transfert (T) circule dans l'organe secondaire 13, l'échange thermique entre les deux fluides se faisant à travers la paroi 14. La circulation des fluides dans les circuits 1 et 2 est assurée par des pompes 15 et 16 respectivement.
Le circuit 3 comporte au moins un compresseur 17, un condenseur 18 et un organe de détente 19.
Dans le mode de réalisation de l'installation représenté sur la figure 2, les moyens de chauffage sont alimentés par un quatrième circuit 20.
Dans ce circuit 20, un autre fluide frigoporteur (E) circule. Il peut s'agir, par exemple, d'eau.
Le circuit 20 comporte : - un échangeur thermique 21 classique, comprenant des organes primaire 22 et secondaire 23, et une paroi de séparation 24 ; - une pompe 25 destinée à la circulation du fluide (E).
L'organe primaire 22 est disposé sur le circuit 3 entre le condenseur 18 et l'organe de détente 19, l'organe secondaire 23 étant disposé sur le circuit 20.
Lors de son passage dans l'échangeur 21 , le fluide frigorigène (F) circulant dans l'organe primaire 22, cède sa chaleur au fluide (E) circulant dans l'organe secondaire 23. Le fluide (E) est alors véhiculé par la pompe 25 vers les moyens de chauffage 10 de l'échangeur générateur de sorbet.
L'échangeur générateur de sorbet 5 est maintenant décrit en détail.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, l'échangeur générateur 5 comprend une structure tubulaire 26 en forme de T.
La structure tubulaire 26 est réalisée en un matériau mauvais conducteur thermique, tel que par exemple, une matière plastique. De cette manière, la paroi interne 27 de la structure tubulaire en contact avec le fluide diphasique (D) et proche du fluide de transfert thermique (T) se refroidit de façon modérée, réduisant ainsi l'agglomération de matières solides sur la paroi. Ces matières solides sont éliminées grâce aux moyens de chauffage 10.
Les moyens de chauffage 10 sont disposés sur la surface externe de la structure tubulaire 26. Ils s'étendent au moins au niveau de l'interface entre les deux fluides dans la partie tubulaire.
Les moyens de chauffage 10 peuvent être une résistance chauffante ou un réseau de tuyaux alimenté par le quatrième circuit 20.
La paroi interne 27 ne présente pas d'aspérités afin d'éviter l'agglomération de matières solides.
La structure tubulaire 26 comporte une partie tubulaire rectiligne et sensiblement horizontale 28 comprenant une première extrémité 29 et une seconde extrémité 30, opposée à l'extrémité 29.
On définit un plan horizontal (P) séparant en deux la partie 28. Le plan (P) contient l'axe (A) de la partie tubulaire 28.
Dans la suite de la description, les qualificatifs supérieur et inférieur, respectivement haut et bas sont définis par rapport à ce plan (P).
Dans un mode de réalisation de l'invention, la partie tubulaire 28 n'est pas rectiligne.
Dans un autre mode de réalisation, la partie tubulaire 28 est légèrement inclinée, l'axe (A) présentant un angle compris entre 0 et 45° avec le plan (P). Des premiers moyens d'amenée 31 du fluide diphasique et des seconds moyens 32 d'amenée du fluide de transfert (T) sont disposés à la première extrémité 29 de la structure tubulaire 28.
Ces premiers et seconds moyens d'amenée 31 , 32, comprennent chacun au moins un conduit d'amenée 33, 34, des fluides (D) et (T), respectivement.
Ces conduits d'amenée 33, 34 peuvent être formés par des tubulures rigides, de directions parallèles entre elles ou sécantes.
Le conduit d'amenée 34 du fluide de densité la plus élevée, à. savoir le fluide de transfert thermique (T) dans le mode de réalisation décrit, est positionné au-dessus du conduit d'amenée 33 du fluide le moins dense, le fluide diphasique (D).
Les sections des conduits d'amenée 33 et 34 des fluides sont, de préférence, de dimension inférieure à la section de la partie tubulaire 28.
De cette manière, les brusques variations de section et des vitesses des fluides lors de leur passage des conduits d'amenée (33, 34) à la partie 28, produisent des turbulences favorables à l'échange thermique.
Dans un autre mode de réalisation représenté sur la figure 4, les moyens d'amenée (31 , 32) des fluides comprennent chacun plusieurs conduits d'amenée.
La seconde extrémité 30 de la partie tubulaire 28 est reliée à une partie tubulaire transversale d'évacuation 35 par une partie sensiblement conique 36.
La partie tubulaire d'évacuation transversale 35 comprend des premiers moyens de sortie 37 du fluide diphasique (D) et des seconds moyens de sortie 38 du fluide de transfert (T). Dans le mode de réalisation de la figure 3, les premiers et seconds moyens de sortie (37, 38) comportent respectivement une partie tubulaire supérieure 39 et une partie tubulaire inférieure 40.
La partie supérieure 39 est destinée à l'évacuation du fluide (D) de faible densité, tandis que la partie inférieure 40 est destinée à l'évacuation du fluide (T) de densité plus élevée.
Les axes (B) et (B') respectivement des parties supérieure 39 et inférieure 40 peuvent présenter un angle de quelques degrés avec la normale au plan (P).
Cet angle peut être compris entre 0° et 80° environ.
Dans un autre mode de réalisation, les premiers et seconds moyens de sortie (37, 38) comprennent plusieurs parties tubulaires, de directions parallèles ou sécantes.
Les premiers moyens d'amenée 31 et de sortie 37 du fluide (D) sont reliés au circuit 1 , les seconds moyens d'amenée 32 et de sortie 38 du fluide (T) étant reliés au circuit 2.
La section des différentes parties tubulaires (28, 35) peut être circulaire ou parallépipédique, les angles formés par les parois internes étant alors arrondis, afin d'éviter l'agglomération de matières solides.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, la section de la partie 28 est constante. Elle peut toutefois être croissante ou décroissante, telle que représentée dans les modes de réalisation des figures 5a et 5b.
Différentes zones sont distinguées dans la structure tubulaire 26 : - une zone de fortes turbulences (Z1) où se produit le mélange des fluides (T) et (D) ;
- une zone d'écoulement (Z2) située dans le prolongement et en s'éloignant de la zone (Z1), dans laquelle se superposent les deux fluides (T) et (D) ; - une zone d'évacuation (Z3) s'étendant transversalement à la zone d'écoulement (Z2) de manière à rompre les flux des deux couches de fluide.
Les zones de turbulences et d'écoulement (Z1 , Z2) font partie de la partie tubulaire 28.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, les deux zones Z1 et Z2 sont alignées et rectilignes.
Dans un autre mode de réalisation (figure 6), les deux zones peuvent être décalées, et non rectilignes par rapport au plan (P).
Les caractéristiques des fluides sont maintenant décrites plus en détail.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le fluide frigoporteur diphasique (D) peut être, par exemple, une solution d'eau et d'éthanol ou une solution d'eau et de glycol.
La composition d'une solution eau-éthanol peut être, par exemple, de 88,7% en masse d'eau et 11 ,30% en masse d'éthanol.
La température de début de solidification de la solution est alors de - 5°, la masse volumique à cette température étant de 985 kg/m3.
Les teneurs en eau et éthanol peuvent varier selon la température de solidification souhaitée.
Le fluide de transfert thermique (T) permettant le refroidissement du fluide frigoporteur (D) est non miscible avec ce dernier et de masse volumique plus importante.
On peut par exemple utiliser du bromobutane. Ce fluide présente une température de solidification de - 112°C et une masse volumique de 1316 kg/m3 à - 5° C.
L'invention ne se limite pas aux fluides décrits. D'autres fluides possédant des masses volumiques et des températures de solidification appropriées peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention.
Le débit de fluide frigoporteur diphasique est principalement défini par :
- la puissance frigorifique utile souhaitée ;
- la chaleur latente de solidification de l'eau ; l'évolution de la concentration en matière solide, dans le cas présent des cristaux de glace, au passage dans l'échangeur générateur δ.Ainsi, dans le cas d'une solution eau - éthanol, de composition citée précédemment, une évolution de par exemple 5 à 25% en matière solide, permet de véhiculer environ 74 KJ par kg.
Cette valeur correspond à une puissance de 20 watts par kilogramme de matière solide, et à un débit massique de fluide diphasique avec sa phase liquide d'environ 1000/(20 x 0,25) = 200 kg/kW.
Dans ces conditions, le débit du fluide de transfert thermique est défini par
- la charge thermique à absorber ;
- l'écart de température entre l'entrée et la sortie du générateur ;
- sa capacité calorifique.
Dans le cas du bromobutane, la capacité calorifique est de 1 ,23 KJ/kg/°C
Pour un écart de température du 4°C entre l'entrée et la sortie du générateur 5, et une puissance de 1kW pour une durée de une heure, le débit massique du bromobutane est alors de : débit = puissance / (écart de température x capacité calorifique), soit ici un débit de 731 kg/kW. Pour une puissance de 1kW, les débit volumiques sont alors :
- pour le frigoporteur diphasique (D) de 0,203 m3 ; et
- pour le fluide de transfert thermique (T) de 0,555 m3.
L'échangeur générateur 5 est dimensionné en fonction de la puissance souhaitée, de laquelle découlent les débits volumiques.
Les vitesses des écoulements ont été définies par expérimentation.
Pour une vitesse d'entrée de fluide diphasique de 0,25 m/s et une vitesse d'entrée du fluide de transfert de 1 m/s, la vitesse d'écoulement dans le générateur 5 de la somme des deux débits de fluides est de 0,55 m/s.
Ces valeurs permettent pour une puissance donnée, de déterminer les débits volumiques qui avec les vitesses énoncées permettent de dimensionner les sections.
Ces vitesses permettent une forte agitation dans la zone de fortes turbulences (Z1) de l'échangeur, puis la séparation des deux fluides par différence de masse volumique dans la zone d'écoulement (Z2), le régime restant turbulent.
Le fonctionnement de l'échangeur générateur de sorbet 5 est maintenant décrit plus en détail, les fluides utilisés présentant des caractéristiques proches des fluides décrits précédemment.
Les deux fluides diphasique (D) et de transfert (T) sont amenés respectivement par les premiers 31 et seconds 32 moyens d'amenée au niveau de la zone de fortes turbulences (Z1) de l'échangeur 5.
La taille de la zone de fortes turbulences (Z1) est dimensionnée en fonction des débits d'arrivée des deux fluides. Du fait de la différence de densité des fluides (T) et (D) et de leur position respective lors de leur arrivée dans la partie tubulaire horizontale 28, le fluide le plus lourd (T) est amené à traverser le fluide le plus léger (D) dans la zone de fortes turbulences (Z1). La mise en contact des deux fluides, due à la fois à leur croisement et aux turbulences créées, permet un bon échange thermique. Le fluide diphasique (D) cède de la chaleur au fluide de transfert thermique (T), augmentant ainsi sa concentration en matière solide.
Dans la zone (Z2), les deux fluides se séparent par écart de densité, le fluide diphasique (D) plus léger circule alors dans la partie supérieure, tandis que le fluide de transfert thermique (T) circule dans le même sens dans la partie inférieure.
Selon les débits respectifs des fluides (D) et (T) à leur arrivée dans l'échangeur 5, l'interface entre les deux couches de fluides séparées se situe au-dessus, au-dessous ou au niveau du plan (P) médian.
Les deux fluides se dirigent ainsi, dans la direction C, vers la seconde extrémité 30 de la partie tubulaire 28.
A leur arrivée à la seconde extrémité 30, les deux fluides se séparent par différence de densité, le fluide diphasique (D) se dirigeant vers la partie verticale ascendante 39, tandis que le fluide T est dirigé vers la partie inférieure descendante 40.
La vitesse d'écoulement des deux fluides dans les différentes parties de l'échangeur 5 permet de maintenir les deux fluides en régime turbulent, sans pour autant provoquer de mélange entre eux après la zone de turbulence (Z1).
La vitesse d'écoulement est suffisante pour maintenir dans le fluide diphasique (D) circulant en partie supérieure, une répartition sensiblement homogène de la phase solide dans sa phase liquide. Dans ces conditions, le fluide (D) circule vers la sortie 8 de l'échangeur générateur 5 dans la partie verticale ascendante 39, sa vitesse étant toujours supérieure à la vitesse de décantation des phases solide et liquide.
Le fonctionnement de l'installation est maintenant décrit en détail.
L'échangeur 4 absorbe une charge thermique (CT), et la transmet au frigoporteur diphasique (D) mis en circulation par la pompe 15 dans le premier circuit 1.
Le frigoporteur diphasique (D) arrive par les premiers moyens d'amenée 31 à l'entrée 6 de l'échangeur générateur de sorbets 5 et ressort de ce dernier par la sortie 8.
A la sortie de l'échangeur générateur de sorbets 5, le fluide diphasique (D) de concentration en matière solide plus élevée qu'à son entrée dans l'échangeur, est amené dans l'échangeur 4.
A son passage dans l'échangeur 4, la phase solide du fluide diphasique (D) absorbe sa chaleur latente de fusion provenant de la charge thermique (CT) et redevient ainsi partiellement ou totalement liquide.
A la sortie de l'échangeur 4, le fluide diphasique (D), présente donc une concentration en matières solides faible voire nulle.
Le fluide diphasique (D) est à nouveau concentré en matière solide au passage dans l'échangeur générateur 5.
Lors du passage du fluide diphasique (D) dans l'échangeur générateur de sorbet 5, la chaleur latente de solidification est transférée par contact direct au fluide de transfert thermique (T) mis en circulation par la pompe 16 dans le deuxième circuit 2. Le fluide de transfert (T) est refroidi dans l'organe secondaire 13 de l'échangeur 11 , situé en amont de l'échangeur générateur 5 sur le circuit 2.
Après refroidissement dans l'échangeur 11 , le fluide de transfert (T) arrive par les seconds moyens d'amenée 32 à l'entrée 7 de l'échangeur générateur 5, et en sort par la sortie 9.
Après son passage dans l'échangeur générateur 5, le fluide de transfert (T) est à nouveau refroidi dans l'échangeur 11.
L'organe primaire 12 de l'échangeur 11 est traversé par le fluide frigorigène (F) du circuit 3, où il s'évapore après passage dans l'organe de détente 19.
En aval de l'échangeur 11 , le frigorigène (F) est compressé par le compresseur 17, puis condensé par le condenseur 18.
La charge thermique du fluide frigorigène (F) est alors rejetée par le condenseur 18 dans un médium (M).
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, l'échangeur générateur de sorbets 5 est localement réchauffé par un fluide (E) circulant dans un circuit 20 à l'aide de la pompe 25.
Le fluide (E) est réchauffé en circulant dans l'organe secondaire 23 de l'échangeur 21.
L'organe primaire 22 de cet échangeur 21 est traversé quant à lui par le fluide frigorigène (F) circulant dans le circuit 3.
L'échangeur 21 est placé sur le circuit 3 entre le condenseur 18 et l'organe détendeur 19. Le fluide frigorigène (F) traverse donc en phase liquide l'organe primaire 22 en cédant sa chaleur au fluide (E), et se sous refroidit. Le fluide (E) réchauffé est alors amené aux moyens de chauffage 10 de l'échangeur 5 réchauffant ainsi localement la paroi de ce dernier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'échange thermique générateur d'une phase solide dans un fluide diphasique (D) liquide/solide, par contact direct du fluide diphasique (D) et d'un fluide de transfert thermique (T), les deux fluides étant non miscibles et de densités différentes, le fluide de transfert (T) restant liquide lors du transfert de chaleur venant du fluide diphasique (D) qui se solidifie partiellement en se refroidissant, la partie solide du fluide diphasique ayant une densité différente de celle de la partie liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - mélange du fluide diphasique (D) et du fluide de transfert (T),.dans une zone de fortes turbulences (Z1), le fluide diphasique (D) cédant de la chaleur au fluide de transfert (T) ;
- écoulement, et séparation en deux couches par différence de densité du fluide diphasique (D) et du fluide de transfert (T) circulants dans une zone d'écoulement (Z2), la vitesse du fluide diphasique étant supérieure à la vitesse de décantation de sa phase solide.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le fluide de transfert (T) et le fluide diphasique (D) dans la zone d'écoulement (Z2) circulent dans le même sens, à une vitesse apte à maintenir un régime d'écoulement permettant une répartition sensiblement homogène de la phase solide dans la phase liquide du fluide diphasique.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'après l'étape d'écoulement, le fluide diphasique (D) et le fluide de transfert (T) sont évacués dans une zone d'évacuation (Z3) en se séparant par différence de densité.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la direction d'écoulement des fluides de transfert T et diphasique (D) dans la zone d'écoulement (Z2) est sensiblement horizontale.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fluides diphasique (D) et de transfert (T) sont injectés dans la zone de fortes turbulences (Z1) selon des directions parallèles.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fluides diphasique (D) et de transfert (T) sont injectés dans la zone de fortes turbulences (Z1) selon des directions sécantes.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins un des deux fluides (D) et (T) est accéléré au niveau de l'arrivée dans la zone de fortes turbulences (Z1 ).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'injection du fluide le moins dense est en position inférieure par rapport à l'injection du fluide le plus dense, de manière à accroître les échanges thermiques entre les deux fluides.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la zone de fortes turbulences (Z1) comprend au moins une arrivée de fluide diphasique (D), et au moins une arrivée de fluide de transfert (T).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (10) maintiennent au moins partiellement la surface interne des zones (Z1) et (Z2) à une température supérieure à la température de solidification du fluide diphasique (D).
11. Dispositif d'échange mettant en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une structure tubulaire (26) d'échange thermique entre le fluide de transfert (T) et le fluide diphasique (D), des premiers moyens d'amenée (31) du fluide diphasique (D) à la structure tubulaire (26), des seconds moyens d'amenée (32) du fluide de transfert (T) à la structure tubulaire (26), la structure tubulaire (26) comprenant : - une zone de fortes turbulences (Z1) de mélange des fluides diphasique (D) et de transfert T, dans laquelle débouchent les premier (31) et les second (32) moyens d'amenée ;
- une zone d'écoulement (Z2) des fluides diphasique (D) et de transfert (T), dans le prolongement et en s'éloignant de la zone de fortes turbulences (Z1), dans laquelle se superposent le fluide diphasique (D) et le fluide de transfert (T) qui se séparent par différence de densité, constituant un flux sensiblement rectiligne selon une direction (C) en deux couches circulant dans le même sens ;
- une zone d'évacuation (Z3) s'étendant transversalement à la zone d'écoulement (Z2), de manière à rompre le flux rectiligne et à séparer le fluide diphasique (D) et le fluide de transfert (T), située transversalement à la direction (C) d'écoulement rectiligne.
12. Dispositif selon la revendication 11 , caractérisé en ce que les premiers (31) et les seconds (32) moyens d'amenée des fluides diphasique (D) et de transfert (T), respectivement, sont des tubulures rigides présentant une brusque réduction de diamètre à l'entrée dans la zone de fortes turbulences (Z1).
13. Dispositif selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens de sortie (37) du fluide diphasique (D) et des seconds moyens de sortie (38) du fluide de transfert (T) acheminant le fluide diphasique (D) par un premier circuit (1) de circulation vers les premiers moyens d'amenée (31), et le fluide de transfert (T) par un deuxième circuit (2) de circulation vers les seconds moyens d'amenée (32).
14. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la zone d'écoulement (Z2) est sensiblement horizontale, la zone de séparation et d'évacuation (Z3) sensiblement verticale, les zones d'écoulement (Z2) et de fortes turbulences (Z1) étant alignées.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que la section de la zone d'écoulement (Z2) est comprise entre 1 et 3 fois la section de la zone de fortes turbulences (Z1 ).
16. Dispositif selon une quelconque des revendications 11 à 15 caractérisé en ce que la section de la zone de turbulences (Z1) et la section de la zone d'écoulement (Z2) est circulaire ou parallélépipédique.
17. Dispositif selon une quelconque des revendications 11 à 16, caractérisé en ce que la structure tubulaire (26) comprend une paroi interne (27) d'un matériau mauvais conducteur thermique, et est au moins partiellement réchauffée par des moyens de chauffage (10) maintenant la paroi interne (27) à une température supérieure à la température de solidification du fluide diphasique.
18. Installation de transfert thermique caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif d'échange (5) selon l'une quelconque des revendications 11 à 17.
19. Installation de transfert thermique selon la revendication 18 comprenant :
- un premier circuit (1 ) de circulation du fluide diphasique (D) comprenant :
- un échangeur (4) absorbant la charge thermique (CT) transmise au fluide diphasique (D);
- une pompe 15 de circulation du fluide (D) ; - un deuxième circuit 2 de circulation du fluide de transfert (T) comprenant :
- un organe secondaire 13 d'un premier échangeur traditionnel 11;
- une pompe 16 de circulation du fluide (T);
- un troisième circuit (3) de circulation d'un fluide frigorigène (F), comprenant :
- un organe primaire (12) de l'échangeur traditionnel (11 ) ; - un compresseur (17) ;
- un condenseur (18) ;
- un organe détendeur (19) ;
- un dispositif d'échange (5) selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, placé sur les premier (1) et deuxième (2) circuits, dans lequel sont mis en contact le fluide de transfert (T) et le fluide diphasique (D).
20. Installation de transfert thermique selon la revendication 19 comprenant un quatrième circuit (20) de circulation d'un fluide frigoporteur (E) destiné à chauffer la paroi interne (27) du dispositif d'échange (5).
21. Installation de transfert thermique selon la revendication 20 comprenant :
- un premier circuit (1 ) de circulation du fluide diphasique (D) comprenant :
- un échangeur (4) absorbant la charge thermique (CT) transmise au fluide diphasique (D) ;
- une pompe (15) de circulation du fluide ; - un deuxième circuit (2) de circulation du fluide de transfert (T) comprenant :
- un organe secondaire (13) d'un premier échangeur traditionnel (11) ;
- une pompe (16) de circulation du fluide ;
- un troisième circuit (3) de circulation d'un fluide frigorigène (F), destiné au refroidissement du fluide de transfert (T), comprenant : - un organe primaire (12) du premier échangeur traditionnel (11) ;
- un compresseur (17) ;
- un condenseur (18) ;
- un organe primaire (22) d'un second échangeur traditionnel (21) ;
- un organe détendeur (19) ; - un dispositif d'échange (5) selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, placé sur les premier (1) et deuxième (2) circuits, dans lequel sont mis en contact le fluide de transfert (T) et le fluide diphasique (D) ;
- un quatrième circuit (20) de circulation d'un fluide frigoporteur (E) comprenant :
- un organe secondaire (23) de l'échangeur (21) ; - une pompe (25) de circulation du fluide.
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