FR2886719A1 - Procede de refrigeration d'une charge thermique - Google Patents

Abstract

Un procédé de réfrigération d'une ou plusieurs charges thermiques (1) selon lequel on dispose d'une première source (31 ) de CO2 provenant d'un système de froid mécanique, et où l'on alimente un ou plusieurs évaporateurs (2) à partir de cette première source afin d'y réaliser l'évaporation du CO2 et ainsi refroidir ladite une ou plusieurs charges thermiques, et se caractérisant en ce que l'on dispose d'une seconde source (32) de CO2, constituée par un stockage cryogénique de CO2, et en ce que l'on procède à un apport de CO2 à partir de ladite seconde source, de manière à ce que le débit de fluide alimentant le ou les évaporateurs soit un mélange de CO2 liquide issu de ladite première source et de CO2 liquide issu de ladite seconde source.Application à la congélation de produits alimentaires.

Description

La présente invention concerne le domaine de la production de froid,

notamment de type mécanique et de type cryogénique, et s'intéresse en particulier aux applications au domaine des traitements de produits alimentaires, telles les surgélations et congélations.

Les productions frigorifiques mécaniques ont très longtemps utilisé comme fluide frigorigène l'ammoniac (NH3) ou les HCFC (hydro-chlorofluorocarbones) ou encore les HFC (hydro-fluoro-carbones).

Mais on sait que les législations environnementales, en évoluant, ont pénalisé l'utilisation de ces fluides, soit pour des questions de sécurité, particulièrement pour l'ammoniac; soit pour des questions environnementales comme c'est le cas pour les HCFC et CFC.

Les fabricants de systèmes frigorifiques ont donc été amenés à rechercher d'autres fluides frigorigènes plus en adéquation avec les législations et ont alors porté leur attention sur les fluides dits naturels, tels le dioxyde de carbone, l'air, l'eau Leur choix s'est porté en particulier sur une combinaison NH3 + 002 associés dans un cycle en cascade qui permet l'obtention de puissance frigorifique à des températures d'évaporation comprises préférentiellement entre 20 et 55 C.

Le 002 peut également être employé comme fluide frigo-porteur diphasique en association d'un cycle à compression utilisant un fluide frigorigène par exemple l'ammoniac.

Les nouvelles générations de système à cascade se composent de deux ensembles de compression distincts: o le circuit haute pression utilisant comme fluide frigorigène l'ammoniac ou tout autre fluide frigorigène adéquat pour être refroidi par le milieu ambiant ou une source froide (température entre 10 et 30 C) et o le circuit basse pression utilisant le dioxyde de carbone pour alimenter l'évaporateur produisant le froid utile.

A titre de rappel, on sait que l'on entend généralement par l'expression système à froid mécanique un système de production de froid utilisant un cycle à compression de vapeur condensable, et par système à froid cryogénique un système produisant du froid à partir du changement de phase d'un fluide cryogénique dans un circuit ouvert.

Pour le refroidissement, le croûtage ou encore la congélation de produits alimentaires, deux types de technologies sont couramment employées: - Le froid appelé cryogénique , utilise les frigories libérées par le changement de phase d'un fluide cryogénique, par exemple la sublimation du dioxyde de carbone ou la vaporisation de l'azote liquide. Cette technologie fonctionne à circuit ouvert c'est à dire à fluides perdus. Le montant des investissements se trouve ainsi minimisé.

- Le froid appelé mécanique utilise les frigories libérées par la détente d'un fluide frigorigène, par exemple le dioxyde de carbone. Cette technologie fonctionne en circuit clos avec une charge de fluide constante. Le montant des investissements est plus élevé car il faut prévoir les groupes de compression.

On conçoit que passer d'un système de production de froid mécanique à un système cryogénique et vis versa, ou encore mixer les deux systèmes fournirait à l'utilisateur une flexibilité plus grande.

Ainsi par exemple, les industriels qui ont fait le choix d'une installation de froid mécanique pourraient, pendant une période donnée, utiliser le surgélateur avec une source de frigories cryogénique, ce qui présenterait notamment l'avantage d'améliorer l'échelonnement des investissements pendant la période de lancement du produit congelé sur le marché.

En effet, le montant des investissements pour une unité de surgélation avec une production de froid mécanique se décompose en deux parts sensiblement équivalentes entre le surgélateur et l'installation frigorifique. Il pourrait être intéressant pour les industriels de minimiser leurs investissements en remplaçant la production frigorifique par un stockage cryogénique, l'investissement de la production frigorifique ne se faisant que lorsque les besoins frigorifiques nécessaires pour assurer la production ne permet plus au système cryogénique d'être compétitif, ce qui peut aussi avoir comme avantage de minimiser les risques financiers pendant la période de lancement du produit.

Par ailleurs, tout ensemble mécanique nécessite des périodes d'arrêt pour assurer leur entretien. Il est communément admis d'arrêter l'ensemble de production frigorifique (i.e les compresseurs) et l'installation frigorifique (le surgélateur) environ 4 semaines par an pour assurer la maintenance des compresseurs et des différents composants du surgélateur. Pendant cette période d'entretien, l'installation ne produit plus. La possibilité de fonctionner momentanément grâce à un fluide cryogénique aurait l'avantage de: - Permettre une production continue sans les arrêts dus aux périodes d'entretien.

- Intervenir en secours des productions frigorifiques lors de pannes.

En conclusion, le fonctionnement simultané du froid mécanique et du froid cryogénique, permettraient d'augmenter la production frigorifique pendant les périodes de pointe.

Des solutions ont déjà été proposées dans la littérature pour palier à un arrêt du circuit à compression ou pour augmenter la production de froid ou encore pour optimiser les performances, il s'agit selon ces solutions d'ajouter: - Un échangeur entre un fluide externe refroidissant le fluide interne du circuit de froid mécanique, cet échangeur est disposé entre l'évaporateur et le compresseur, ou peut être introduit dans la bouteille basse pression (voir à titre illustratif le document US 5331824A).

- Une rampe d'aspersion de fluide cryogénique sur le produit, ou au niveau de la batterie froide (voir par exemple le document US-5410886) ou dans l'espace de refroidissement (voir par exemple le document EP-0652409) , ou la mise en place d'un bain cryogénique (voir par exemple les documents US5220803, EP-0360224, EP-0361700).

- un échangeur supplémentaire pour que l'évaporation du fluide cryogénique s'opère dans un circuit indépendant du circuit du système mécanique (voir par exemple le document US-5996355).

- Un dispositif indépendant de refroidissement des produits, soit en 30 entrée soit en sortie de l'équipement principal de refroidissement utilisant le froid mécanique (voir par exemple le document US-5220803).

- Il a été aussi envisagé de coupler le froid cryogénique et le froid mécanique pour améliorer les performances de l'un ou de l'autre (voir par exemple les documents US-6425264B1, US2002/0124587, US-5694776, EP0208526, US-5343715).

Ainsi, le froid mixte utilisant les systèmes cryogénique et de froid mécanique a été conçu: - pour bénéficier de l'avantage des deux technologies: refroidissement rapide par la cryogénie et faible coût d'utilisation du Froid Mécanique; - comme booster: le froid cryogénique augmente la capacité de production de froid du système mécanique; - pour récupérer des vapeurs froides du fluide cryogénique.

Le froid mixte fait appel aux deux technologies. L'effet frigorifique final "recherché" peut être dû au froid mécanique et au froid cryogénique ou bien seulement dû à l'un des deux systèmes. Le système ne contribuant pas directement à l'effet frigorifique "recherché" est utilisé pour permettre à l'autre système de fonctionner dans des conditions étendues (puissance, température).

Il faut noter que dans tous les cas connus de couplage de froid mécanique et de froid cryogénique, les fluides des deux systèmes ne se mélangent pas. Les deux systèmes demeurent totalement autonomes et parallèles, au mieux on réalise un léger couplage en récupérant les vapeurs froides du fluide cryogénique pour les envoyer dans l'échangeur du système de froid mécanique et récupérer ainsi quelques frigories (dans le cas contraire, ces vapeurs froides sont tout simplement envoyées à l'atmosphère environnante).

Comme on le verra plus en détail ci-dessous, la présente invention s'attache à proposer un dispositif dans lequel, au contraire, le fluide cryogénique "consommable" est du CO2 et est mélangé au fluide du système mécanique qui alimente l'évaporateur de l'installation utilisant le froid pour refroidir une charge thermique. Ce dernier fluide est également du CO2 qu'il s'agisse du fluide frigorigène "recyclé" ou du fluide frigoporteur. Cette injection supplémentaire de CO2 s' opère avant de produire du froid dans l'évaporateur.

Le fluide du circuit du froid mécanique devant rester à masse constante, il est nécessaire que la quantité de CO2 d'origine cryogénique injectée soit retirée du réseau après avoir été vaporisée. Comme on le verra plus loin cette extraction de CO2 vapeur peut être réalisée en divers endroits du circuit.

Selon la présente invention, la solution proposée consiste à mélanger les fluides venant d'un circuit ouvert utilisant le CO2 comme fluide cryogénique et d'un circuit fermé utilisant le CO2 comme fluide frigorigène ou comme fluide frigo-porteur.

Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de réfrigération d'une ou plusieurs charges thermiques selon lequel on dispose d'une première source de CO2 provenant d'un système de froid mécanique, et où l'on alimente un ou plusieurs évaporateurs à partir de cette première source afin d'y réaliser l'évaporation du CO2 et ainsi refroidir ladite une ou plusieurs charges thermiques, et se caractérisant en ce que l'on dispose d'une seconde source de CO2, constituée par un stockage cryogénique de CO2, et en ce que l'on procède à un apport de CO2 à partir de ladite seconde source, de manière à ce que le débit de fluide alimentant le ou les évaporateurs soit un mélange de CO2 liquide issu de ladite première source et de CO2 liquide issu de ladite seconde source.

Procédé de réfrigération d'une ou plusieurs charges thermiques selon lequel on dispose d'une première source de CO2 provenant d'un système de froid mécanique, et où l'on alimente un ou plusieurs évaporateurs à partir de cette première source afin d'y réaliser l'évaporation du CO2 et ainsi refroidir ladite une ou plusieurs charges thermiques, caractérisé en ce que l'on dispose d'une seconde source de CO2, constituée par un stockage cryogénique de CO2, et en ce que l'on procède à un apport de CO2 à partir de ladite seconde source, de manière à ce que le débit de fluide alimentant le ou les évaporateurs soit un mélange de CO2 liquide issu de ladite première source et de CO2 liquide issu de ladite seconde source.

Selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, le système de froid mécanique procède aux étapes de: - compression de CO2 à l'état de vapeur; - de condensation dans un échangeur du CO2 ainsi comprimé ; - de détente du CO2 ainsi sous-refroidi; - de stockage du CO2 ainsi détendu dans un réservoir de stockage; et l'on procède à la mise en oeuvre des mesures suivantes: - on extrait du 002 du réservoir de stockage pour alimenter ledit un ou plusieurs évaporateurs; - on évacue vers l'extérieur une quantité de 002 sensiblement équivalente à celle correspondant audit apport de 002 selon l'une ou chacune combinées des manières suivantes: i) le fluide ou une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs est dirigé vers ledit réservoir de stockage et on réalise à partir de ce réservoir l'extraction et l'évacuation dudit débit de 002 à évacuer vers l'extérieur; j) on procède à la séparation et à l'évacuation vers l'extérieur d'une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs, le restant étant dirigé soit vers ledit réservoir de stockage, soit vers ladite étape de compression; - ledit apport de 002 à partir de ladite seconde source est effectué dans ledit réservoir de stockage où il est mélangé au 002 issu du ou desdits évaporateurs ou de ladite étape de détente.

Selon un autre des modes de mise en oeuvre de l'invention, on évacue vers l'extérieur une quantité de 002 sensiblement équivalente à celle correspondant audit apport de 002 s elon l'une ou chacune combinées des manières suivantes: i) le fluide ou une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs est dirigé vers un réservoir de stockage et on réalise à partir de ce réservoir l'extraction et l'évacuation dudit débit de 002 à évacuer vers l'extérieur; j) on procède à la séparation et à l'évacuation vers l'extérieur d'une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs, le restant étant dirigé soit vers ledit réservoir de stockage, soit vers une étape de condensation par une source froide réalisée par un système à compression de vapeur et le liquide ainsi condensé est alors stocké dans le réservoir de stockage; et l'on procède audit apport de CO2 à partir de ladite seconde source dans le réservoir de stockage où il est mélangé au CO2 issu du ou des évaporateurs ou de ladite étape de condensation.

Avantageusement, la quantité de CO2 présente dans le circuit est comprise entre deux limites de fonctionnement prédéterminées.

Comme il apparaîtra clairement à la lecture de ce qui précède, il est donc ainsi possible de maintenir la production, en assurant la continuité de la puissance frigorifique, par une injection dans le circuit CO2 issu du système mécanique d'un apport de CO2 liquide provenant d'un stockage qui est connecté sur le réseau de distribution du CO2 mécanique , une quantité équivalente (ou en tout cas sensiblement équivalente) à celle de CO2 d'origine cryogénique injectée dans le circuit étant rejetée ensuite, par exemple après l'évaporation du fluide dans l'évaporateur de l'installation de refroidissement de la charge thermique considérée (par exemple un surgélateur).

Comme on le verra ci-après, le point important est de faire en sorte que la quantité de CO2 présente dans le circuit n'augmente pas à l'infini sans contrôle (du fait de l'apport du CO2 d'origine cryogénique), ce qui serait inimaginable, tout au contraire la quantité de CO2 présente dans le circuit reste sensiblement constante ou à tout le moins reste comprise entre deux limites de fonctionnement acceptables et prédéterminés. On doit donc évacuer vers l'extérieur du circuit une quantité de CO2 sensiblement équivalente à celle qui a été admise dans le circuit et qui était d'origine cryogénique.

On peut ainsi selon la présente invention adopter l'une ou chacune des solutions suivantes combinées: - on peut envoyer la totalité du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs (de l'installation utilisant le froid pour refroidir une charge thermique) vers un réservoir de stockage non cryogénique (réservoir à partir duquel on alimente les évaporateurs), et on réalise de ce réservoir l'extraction et l'évacuation du débit à évacuer vers l'extérieur; - on peut aussi directement, à la sortie du ou des évaporateur(s) procéder à la séparation d'une partie du débit issu du ou des évaporateur(s) pour l'évacuer, le restant étant envoyé soit vers le réservoir de stockage non cryogénique, soit vers le cycle de froid mécanique (étape de compression ou l'étape de condensation) .

Ainsi en résumé, le froid utile est produit par l'évaporation d'un débit de 5 002, issu du mélange d'un débit venant d'un stockage cryogénique de 002 et d'un débit de 002 obtenu par un système mécanique.

Le débit global de 002 produit le froid utile dans un évaporateur situé au niveau de l'installation utilisant le froid pour refroidir une charge.

Comme on l'a dit plus haut, après évaporation, le débit total de 002 est 10 séparé en deux débits, l'un sensiblement égal au débit qui venait du stockage cryogénique, l'autre égal au débit qui provenait du froid mécanique.

A titre préféré, la régulation du débit de 002 cryogénique mélangé et du débit de 002 séparé est réalisée respectivement par l'ouverture d'une vanne d'alimentation à partir du stockage et par l'ouverture de la vanne d'extraction du 002. Ces vannes sont commandées par exemple: É par la mesure du niveau de 002 liquide dans le réservoir qui alimente l'évaporateur; É par la pression ou la température d'évaporation du 002 Le débit qui correspond sensiblement à celui qui provenait du stockage cryogénique est évacué directement dans l'atmosphère ou indirectement en passant par une phase de séparation d'huile si nécessaire.

Le débit qui correspond à celui qui provenait du froid mécanique est recondensé par le système mécanique.

Le couplage des deux circuits peut être réalisé de différentes manières, et notamment: 1. Dans le cas où le 002 du s stème mécanique est le fluide frigorigène: Le mélange des deux débits de 002 peut être réalisé: - dans le circuit en amont de l'évaporateur à la pression d'évaporation, par exemple dans la bouteille basse pression contenant le 002 liquide produit par le froid mécanique, - dans le circuit en amont de la vanne de détente du système mécanique, entre le condenseur et la vanne de détente.

La séparation des deux débits après l'évaporation dans l'évaporateur peut être réalisée: - dans le circuit juste après l'évaporateur; - dans la bouteille basse pression à partir de laquelle les vapeurs de 002 sont recomprimées par le compresseur du système de froid mécanique.

2. Dans le cas où le 002 est le fluide frigo-Éodeur du s stème 15 mécanique Le mélange des deux débits de 002 peut être réalisé: - dans la bouteille d'accumulation du 002 frigo -porteur qui est à la pression d'évaporation; - entre l'évaporateur et la bouteille basse pression d'accumulation du 20 002.

La séparation des deux débits après l'évaporation dans l'évaporateur peut être réalisée: - dans le circuit juste après l'évaporateur; - dans la bouteille basse pression dans laquelle le 002 re-condensé par le froid mécanique est accumulé.

Comme on l'a dit précédemment, le couplage des deux circuits doit être régulé de sorte que la quantité de CO2 présente dans le circuit clos reste sensiblement constante ou soit à tout le moins comprise entre deux limites de fonctionnement acceptables.

La régulation de débit de CO2 cryogénique mélangé et du débit de CO2 séparé est réalisée respectivement par exemple par l'ouverture d'une vanne d'alimentation à partir du stockage et par l'ouverture de la vanne d'extraction du CO2. Ces vannes peuvent être commandées par exemple soit: É par la mesure du niveau de CO2 liquide dans le réservoir qui alimente l'évaporateur; É par la pression ou la température d'évaporation du CO2.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront des exemples ci-dessous détaillés.

- la Figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de 15 système de froid mécanique (deux ensembles de compression) ; - la Figure 2 est une représentation schématique d'un système de froid cryogénique; - la Figure 3 est une représentation schématique d'une installation convenant pour la mise en oeuvre de l'invention; - la Figure 4 est une représentation schématique d'une seconde installation convenant pour la mise en oeuvre de l'invention (mélange des fluides venant du circuit ouvert utilisant le CO2 comme fluide cryogénique et du circuit fermé utilisant également le CO2 comme fluide frigo-porteur).

- la Figure 5 est une représentation schématique d'une troisième installation convenant pour la mise en oeuvre de l'invention; - la Figure 6 est une représentation schématique d'une 4e installation convenant pour la mise en oeuvre de l'invention.

On reconnaît sur la figure 1 les éléments suivants: - par la référence 1: une charge thermique, par exemple un surgélateur; la charge thermique peut être répartie sur plusieurs utilisations chacune comportant un évaporateur (2) où le 002 produit un effet frigorifique par évaporation.

- en 2: l'échangeur de chaleur /évaporateur 002 délivrant le froid à la charge thermique par évaporation du 002 et via un fluide intermédiaire (de l'air généralement), l'évaporation du 002 à lieu typiquement entre 5, 2 bar et 26,5 bar et de préférence entre 5,5 bar et 10 bar.

- en 3: un réservoir d'accumulation du 002 en phase liquide; sa pression de fonctionnement est celle de l'évaporateur 002, aux pertes de charge près.

- en 4: une pompe de circulation du 002 permettant d'alimenter le ou les évaporateurs.

- en 5 et 6: des vannes coupe-circuits.

- en 7: un système à compression de vapeur basse température utilisant le 002 comme fluide frigorigène (les vapeurs de 002 sont comprimées par le compresseur 9 puis sont condensées dans un échangeur 10 évapo condenseur, à une température typiquement située entre -20 C et -10 C de préférence. Le liquide obtenu subit une perte de pression dans un organe de détente 11 où une fraction de 002 se vaporise permettant un refroidissement du flux de 002 entre -56 C et -10 C. Le 002 obtenu est accumulé dans le réservoir 3 à la basse pression du circuit.

- en 8: un système à compression de vapeur haute température utilisant un fluide frigorigène tel que l'ammoniac (NH3), ou les HFC R404, R410, ou tout autre fluide adapté pour condenser le 002 en se vaporisant (entre 30 C et -5 C de préférence) et en se condensant à la haute pression du circuit entre 15 C et 45 C de préférence.

- en 9: un compresseur aspirant les vapeurs de 002 dans le réservoir 3 pour les comprimer à la haute pression de condensation.

- en 10: un échangeur de chaleur pour condenser le 002 par transfert de chaleur vers le circuit haute température (le 002 se condensant entre 28 C et 30 -10 C de préférence).

- en 11: un organe de détente entre la haute pression et la basse pression du circuit basse température au 002.

- en 12: un compresseur des vapeurs du fluide frigorigène du circuit haute température.

- en 13: un échangeur de chaleur permettant la condensation du fluide frigorigène du circuit haute température avec l'air ambiant ou une autre source froide (par exemple un réseau d'eau froide); la condensation du fluide à lieu typiquement entre 15 C et 45 C de préférence.

- en 14: un organe de détente entre la haute pression et la basse pression du circuit haute température.

On sait alors que la charge thermique à refroidir (1) est refroidie par un cycle à compression de vapeur cascadé avec en basse température du CO2 comme fluide frigorigène. L'avantage d'une cascade est d'atteindre une grande efficacité énergétique lorsque l'écart de température total entre l'évaporateur basse température et le condenseur haute température est élevé. La température d'évaporation du CO2 est ajustée pour l'utilisation du refroidissement requis entre -56 C et -10 C.

L'échange de chaleur entre le condenseur CO2 et l'évaporation du circuit haute pression a lieu à une température optimisée dépendant du fluide frigorigène du circuit haute température et de l'écart de température total et se situe généralement entre -28 C et -5 C.

Le CO2 dans le circuit basse température circule en circuit fermé. On reconnaît maintenant sur la figure 2 les éléments suivants: - par la référence 20: un réservoir de stockage de CO2 cryogénique à une pression typiquement comprise entre 15 et 30 bar de préférence.

- en 21: une vanne de régulation du débit de CO2 liquide.

- en 22: un organe de détente faisant passer le CO2 de la pression du stockage à la pression d'utilisation dans l'évaporateur i.e typiquement entre 5,2 bar et 26,5 bar et de préférence entre 5,5 bar et 10 bar.

Le réservoir de CO2 permet d'alimenter un ou plusieurs évaporateurs permettant de refroidir la ou les charges thermiques. Le ou les débits sont régulés en fonction d'une température ou d'une pression. Le CO2 s'évapore dans un évaporateur ou plusieurs entre -56 C et -10 C. Le CO2 vaporisé est rejeté dans l'atmosphère via une gaine d'extraction.

La figure 3 est une représentation schématique d'un des modes de réalisation de la présente invention.

La ou les charges thermiques sont refroidies par l'évaporation du 002 dans un ou plusieurs évaporateurs 2. Le 002 liquide alimentant le ou les évaporateurs est fourni par un système cascadé 31 à compression de vapeur comparable à celui qui a été décrit dans le cadre de la figure 1, et par un stockage cryogénique de 002 32. Les deux moyens d'approvisionnement du 002 liquide sont raccordés dans le réservoir d'accumulation 3 du circuit basse température du système cascadé où les deux flux de 002 se mélangent.

Le 002 issu de la condensation du circuit basse température est détendu dans l'organe 11 et s'accumule dans le réservoir 3.

Le 002 du stockage cryogénique est régulé en débit par la vanne 21 et est détendu par l'organe 22 à la pression du réservoir 3.

La pompe de circulation 4 permet d'alimenter le ou les évaporateurs refroidissant la ou les charges thermiques. La pompe doit être dimensionnée pour faire circuler un débit égal à la somme des débits de 002 fournis par le stockage cryogénique 32 et le circuit à compression à basse température 7. Il en est de même pour le ou les évaporateurs 2 qui sont dimensionnés à l'aide de la somme des débits de 002.

Lorsque le système à compression atteint ses limites de débit de 002 liquéfié et que la puissance frigorifique ainsi produite par l'évaporation du 002 ainsi produit ne suffit pas pour refroidir la charge thermique, le complément de puissance frigorifique est fourni par le flux de 002 venant du stockage cryogénique 32. La quantité de 002 injectée dans le réservoir 3 doit être évacuée après l'évaporation du liquide grâce à un circuit d'extraction 33.

Le débit de 002 fourni par le stockage 32 peut assurer de 0 à 100% de la puissance frigorifique liée à la ou les charges thermiques. De préférence, le 002 venant du stockage permettra de compléter la puissance frigorifique du système à compression lors de pointes de production de manière à ne pas sur-dimensionner ce dernier. Lors des arrêts du système à compression, pour maintenance ou panne, le 002 du stockage cryogénique peut assurer 100% des besoins frigorifiques ce qui évite l'arrêt de la production.

Les pressions et températures de fonctionnement du système cascadé à compression et du stockage cryogénique sont par exemple comparables à celles déjà indiquées en référence aux figures 1 et 2 ci-dessus.

La figure 4 illustre un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention.

La ou les charges thermiques sont refroidies par un ou des évaporateurs 2 utilisant du 002. Le 002 liquide est fourni, d'une part, par la liquéfaction de la totalité ou d'une partie des vapeurs de 002 issues du ou des évaporateurs 2, condensation réalisée dans l'échangeur 41, et d'autre part par le 002 venant du stockage cryogénique. Le 002 circulant à travers le ou les évaporateurs et le condenseur 41 est appelé fluide frigo-porteur .

Un système de production de froid 40 (système à compression utilisant du 002 ou d'autres fluides frigorigènes en cascade ou non) permet la liquéfation du 002 venant de ou des évaporateurs 2. La liquéfaction du 002 peut s'opérer dans un échangeur distinct du réservoir d'accumulation 3 (comme c'est le cas de cette figure 4) ou bien dans ce réservoir via un échangeur (comme c'est le cas dans le cadre de la figure 6).

L'utilisation d'un circuit frigoporteur permet de découpler le système à compression qui peut être implanté dans un local technique éloigné de l'intallation refroidissant la charge thermique.

Le fonctionnement du couplage du circuit de 002 frigo-porteur et du 002 du stockage cryogénique est similaire à celui de la figure 3. Une réserve 3permet le mélange des deux flux de 002 et deux lignes d'extration 42 permettent d'extraire une quantité de 002 égale à celle venant du stockage cryogénique et de l'évacuer vers l'air ambiant extérieur. Cette extraction est réalisée en aval de l'évaporateur 2 (sur la ligne retournant au réservoir 3) et/ou directement sur le réservoir 3. Ce deuxième cas oblige le condenseur 41 à ne pas condenser totalement le flux de 002.

Les pressions et températures typiques de fonctionnement d'une telle installation de fonctionnement de l'évaporateur 2 sont comparables à celles décrites en relation aux figures 1 et 2.

Dans le cadre de la figure 5, le système à compression produisant l'effet frigorifique pour refroidir totalement ou partiellement la charge thermique est constitué du compresseur 56, d'un condenseur 57, d'une réservoir haute pression 58, d'un organe de détente 54 et d'un (ou plusieurs) évaporateurs 50. Le fluide frigorigène est du CO2.

Le stockage cryogénique de CO2 51 est connecté au réservoir d'accumulation 58 par l'intermédiaire d'une conduite équipée d'une vanne de réglage du débit 52 et d'un organe de détente 53. Le CO2 se mélange avec celui du système à compression dans le réservoir 58.

Le dispositif fonctionne dans les modes précédemment décrits, le CO2 du stockage cryogénique pouvant assurer de 0 à 100 % des besoins frigorifiques mais de préférence est utilisé pour compléter la puissance frigorifique du système à compression lors de pointes de production ou d'arrêt de ce dernier.

Le CO2 venant du stockage cryogénique se vaporise partiellement par la détente dans l'organe 53. La vapeur est évacuée du réservoir 58 par une ligne d'extraction 59. Le CO2 liquide accumulé dans le réservoir 58 est détendue dans l'organe de détente 54 et est évaporé dans l'évaporateur 50. Entre l'évaporateur et le compresseur 56, une extraction (55) de CO2 vapeur est installée pour rejeter le CO2 introduit par le stockage cryogénique. Les extractions 55 et 59 sont réglées pour que la quantité de CO2 extrait soit égal à celle du CO2 introduit par le stockage cryogénique.

Le condenseur 57 est refroidi par un système à compression formant une cascade comme expliqué pour la figure 3 et non re-détaillé ici.

On le voit, une des principales différences entre le mode de la figure 3 et celui de la figure 5 réside dans la position du réservoir d'accumulation du CO2 qui peut se trouver à la basse pression (fig. 3) ou à la haute pression (fig. 5) du système à compression de CO2. Si le dispositif de la figure 3 est avantageux pour simplifier la régulation de l'extraction de CO2, le dispositif de la figure 5 permet d'éviter la pompe de distribution.

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Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Procédé de réfrigération d'une ou plusieurs charges thermiques (1) selon lequel on dispose d'une première source de CO2 provenant 5 d'un système de froid mécanique (31) , et où l'on alimente un ou plusieurs évaporateurs (2) à partir de cette première source afin d'y réaliser l'évaporation du CO2 et ainsi refroidir ladite une ou plusieurs charges thermiques, caractérisé en ce que l'on dispose d'une seconde source (32) de CO2, constituée par un stockage cryogénique de CO2, et en ce que l'on procède à un apport de CO2 à partir de ladite seconde source, de manière à ce que le débit de fluide alimentant le ou les évaporateurs soit un mélange de CO2 liquide issu de ladite première source (31) et de CO2 liquide issu de ladite seconde source (32).

2. Procédé de réfrigération selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce que le système de froid mécanique procède aux étapes de: -compression (9) de CO2 à l'état de vapeur; - de condensation (10) dans un échangeur du CO2 ainsi comprimé; - de détente (11) du CO2 ainsi sous-refroidi; - de stockage du CO2 ainsi détendu dans un réservoir de stockage 20 (3); et en ce que l'on procède à la mise en oeuvre des mesures suivantes: - on extrait du CO2 du réservoir de stockage pour alimenter ledit un ou plusieurs évaporateurs; - on évacue vers l'extérieur une quantité de CO2 sensiblement équivalente à celle correspondant audit apport de CO2 selon l'une ou chacune combinées des manières suivantes: i) le fluide ou une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs est dirigé vers ledit réservoir de stockage et on réalise (33) à partir de ce réservoir l'extraction et l'évacuation dudit débit de CO2 à évacuer vers l'extérieur; 2886719 17 j) on procède à la séparation et à l'évacuation (55) vers l'extérieur d'une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs, le restant étant dirigé soit vers ledit réservoir de stockage, soit vers ladite étape de compression (56) ; - ledit apport de CO2 à partir de ladite seconde source est effectué dans ledit réservoir de stockage où il est mélangé au CO2 issu du ou desdits évaporateurs ou de ladite étape de détente.

3. Procédé de réfrigération selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on évacue vers l'extérieur une quantité de CO2 sensiblement équivalente à celle correspondant audit apport de CO2 selon l'une ou chacune combinées des manières suivantes: i) le fluide ou une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs est dirigé vers un réservoir de stockage (3) et on réalise (42) à partir de ce réservoir l'extraction et l'évacuation dudit débit de CO2 à évacuer vers l'extérieur; j) on procède à la séparation et à l'évacuation (42) vers l'extérieur d'une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs, le restant étant dirigé soit vers ledit réservoir de stockage, soit vers une étape de condensation par une source froide réalisée par un système à compression de vapeur (40) et le liquide ainsi condensé est alors stocké dans le réservoir de stockage; et en ce que l'on procède audit apport de CO2 à partir de ladite seconde source dans le réservoir de stockage où il est mélangé au CO2 issu du ou 25 des évaporateurs ou de ladite étape de condensation.

4. Procédé de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de CO2 présente dans le circuit est comprise entre deux limites de fonctionnement prédéterminées.