Brevet FR2400678A1 — publié le 19790316

La présente invention concerne un procéde et un système de refroidissement autonome, c'est-à-dire sans apport ni consommation d'énergie extérieure au système, d'une cellule, renfermant ou constituant une source chaude, et présentant une différence-de temperature essentiellement positive par rapport à une source froide. La mise en oeuvre du procédé et du système selon l'invention permet d'accélérer et d'amplifier le processus de refroidissement naturel d'une source chaude vis-à-vis d'une source froide, mais surtout rend possible le refroidissement de la source chaude lorsque, pour des raisons physiques ou mécaniques, d'incompatibilité, de pollution, il est impossible ou couteux en énergie de mettre les deux sources en contact l'une de l'autre. Au moyen du procédé et du dispositif selon l'invention, on a cherché à assurer une régulation thermique d'une source chaude, satisfaisant aux impératifs de sécurité, c'est-à-dire assurant qu'une température critique pour la source chaude ne soit pas dépasses, et fonctionnant,en régime de croisière et dans des conditions normales, d'une manière absolument autonome, l'autonomie absolue pouvant etre définie par la certitude qu'un refroidissement permanent de la source chaude, en l'absence même de toute source d'énergie extérieure et de toute surveillance humaine, sera obtenu. L'invention n'a donc pas pour objet principal de'récupérer ou produire de l'énergie, mais de maintenir, si possible en toutes circonstances, la température d'une source chaude au-dessous d'un seuil critique, sans recourir à une énergie extérieure au système, mais en utilisant la propre chaleur dégagée par la source chaude pour- assurer son refroidissement. A cet effet, le procédé selon l'invention se caractérise en ce qu'il consiste à assurer, au moyen dtune bouteille d'un fluide frigorigène liquide surmontée d'une colonne de charge, la continuité de l'alimentation, à une pression suffisante, d'un ensemble bouilleur disposé dans la cellule et dans lequel le fluide frigorigène liquide se vaporise en absorbant des calories de la cellule, à canaliser la vapeur de fluide frigorigene vers un ensemble condenseur, disposé au-dessus de la bouteille et au contact de la source froide, à laquelle le fluide frigorigène cède des calories, le fluide frigorigène étant choisi pour que sa pression de condensation à la température du condenseur soit légerement supérieure à la pression atmosphérique. Le système selon l'invention, pour la mise en oeuvre de ce procédé, est constitué par un circuit bouclé de ce fluide frigorigène, couplant source chaude et source froide, et comprenant une bouteille de fluide frigorigène liquide, surmontée d'une colonne de charge et débou- chant, au point bas du système, à ltentrée d'un ensemble bouilleur disposé dans la cellule à refroidir et alimenté de façon continue et a' une pression suffisante par la colonne de charge, l'ensemble bouilleur étant également relié à un ensemble condenseur disposé en contact de la source froide et au-dessus de la bouteille. Le système de refroidissement selon l'invention exploite donc la différence de poids spécifique entre la phase vapeur et la phasme liquide du fluide frigorigène utilisé pour en tirer l'énergie nécessaire à son fonctionnement. Dans une forme préférée de réalisation, l'ensemble condenseur est constitue d'une pluralité de condenseurs montés en série-parallèle le long de la colonne de charge, ce qui procure ainsi une autorégulation de la surface de condensation en fonction de la puissance calorifique à évacuer de la cellule à refroidir et de llévolutíon de la température de la source froide.Afin de procéder à un refroidissement accélére de la cellule, ou bien de palier à I'incon dénient que présente, pour le système, le fonctionnement avec une source froide dont la température est transitoirement trop élevée, un- détendeur et un compresseur, dont la mise en circuit est simultanément commandée par une sonde de tempéra- ture disposée dans la cellule, sont montés en dérivation respectivement entre la bouteille et l'ensemble bouilleur, et entre ce dernier et l'ensemble condenseur.Le système de refroidissement ainsi complété fait transitoirement appel à une énergie extérieure au système pour l'entrainement du compresseur, et fonctionne en groupe frigorifique dans les phases de mise en fonctionnement du système, ainsi qu'à la suite d'un échauffement d'une importance imprévue de la source chaude ou de la source froide. De plus, lorsqu'on a la possibilité de faire intervenir, dans le système de refroidissement selon l'invention, une source froide dont la température est susceptible d'être notablement inférieure à celle de la source chaude, un moteur à vapeur à basse température, du type moteuralternatif ou turbomoteur, peut etre monté en dérivation sur le circuit bouclé, en amont de l'ensemble condenseur. Commandée à partir d'une sonde de température disposée dans la source froide, la mise en circuit de ce moteur à vapeur à basse température pourra assurer une récupération d'énergie chaque fois que la température de la source froide descendra sous un seuil déterminé en fonction des besoins de refroidissement de la source chaude. Dans cette configuration, at le système fonctionne comme une machine & vapeur à basse température, on peut etre amené, en l'absence d'une charge suffisante dans la colonne de charge, à mettre en circuit une pompe de surpression entraînée a' partir du moteur à vapeur à basse température, et montée en dérivation sur le circuit en aval de la bouteille, la mise en circuit de cette pompe étant commandée par un. indicateur de niveau de fluide frigorigène liquide dans la colonne de charge. Afin de renforcer encore la sécurité offerte par l'emploi d'un tel système pour le refroidissement d'une cellule, il est particulièrement indiqué d'employer, comme fluide frigorigène, l'un des produits de la famille des dérivés fluorobromés du méthane, tels que ceux commercialisés sous la dénomination de Pyroforane, notamment le Pyroforane 12 B1, qui présentent d'excellentes qualités d'ininflammabilité, d'innocuité, de stabilité et d'agents extincteurs. L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple particulier de réalisation décrit ci-après, avec référence à la figure unique, représentant un système de refroidissement d'une cellule de stockage de déchets radioactifs. Cette cellule est représentée sous la forme d'une piscine 1, dont l'eau est chauffée par la chaleur dissipée par des déchets nucléaires radioactifs (non représentés) qui y sont stockés. La piscine 1, constituant une source chaude dont la température, pour des raisons de sécurité, ne doit pas dépasser une température plafond de + 400C, sera refroidie de façon autonome par un circuit bouclé 2 d'un fluide frigorigène tel que le chlorodifluorobromométhane (cei F2 Br), commercialisé sous le nom de Pyroforane 72 B1, et dont les vertus ont déà été présentées. La source froide que l'on utilise est l'air atmosphérique, dont la température sur le site de l'installation est statistiquement variable entre - 500 et + 2500 selon les saisons.Le circuit bouclé 2 comprend une bouteille 3 de fluide frigorigène liquide, munie d'une vanne de remplissage, et surmonte d'une colonne de charge 4 d'une hauteur de 8 mètres pour assurer, au point bas du circuit, la continuité de l'alimentation en fluide frigorigène liquide, & une pression convenable, d'un ensemble bouilleur 5 & deux éléments disposés dans l'eau de la piscine 1, et équipés d'un dispositif mécanique connu à niveau de liquide constant 6. Au niveau de l'ensemble bouilleur 5, le fluide frigorigène se vaporise en absorbant des calories de l'eau de la piscine 1, et la vapeur de fluide frigorigène est canalisée par la conduite 7 vers ensemble condenseur 8 disposé dans l'air atmosphérique et au-dessus de la bouteille 3. Cet ensemble condenseur 8 est constitué d'une pluralité de condenseurs 9, montés en série-parallèle le long de la colonne de charge 4 et dont le plus bas placé débouche dans cette dernière à un niveau de fluide frigorigène liquide supérieur au niveau déterminé dans l'ensemble bouilleur 5 par le dispositif mécanique à niveau de liquide constant 6. Le niveau de liquide frigorigène est donc le même dans la colonne 4 et dans l'ensemble condenseur 8.Afin de permettre qu'une condensation s'effectue la mise en fonctionnement du système, la colonne de charge ne sera pas initialement remplie de fluide frigorigène liquide, mais, pour une température de l'air ambiant, constituant la source froide, de OOC, on remplira la colonne de charge 4 de sorte que le niveau de liquide frigorigène vienne au pied du condenseur 9 supérieur, les échangeurs 9 étant calculés pour que le niveau de liquide frigorigène qui les baigne descende de la hauteur d'un échangeur 9 lorsque la température de la source froide augmente de 1OOC, la puissance calorifique à évacuer restant constante. L'ensemble condenseur 8.ainsi constitué assure l'autorégulation du système.En effet, si la puissance calorifique à évacuer de la piscine 1 vient à croître, le débit de liquide frigorigène vaporisé dans l'ensemble bouilleur 5 crolt également, ce qui fait descendre le niveau de liquide frigorigène dans la colonne de charge 4 et dans l'ensemble condenseur 8, et donc augmentér la surface de condensation efficace (au-dessus du niveau de liquide), ce qui accroît les échanges thermiques entre le fluide frigorigène et l'air ambiant. La régulation s'effectue ainsi en fonction de la puissance calorifique à évacuer et de la température de la source froide.Compte tenu des températures des sources froide et chaude, le choix du fluide frigorigène est tel que sa pression de condensation est légèrement supérieure à la pression atmosphérique, ce qui est le cas dans l'exemple présenté puisque la pression du Pyroforane 12 B1 varie dans l'ensemble condenseur 8 entre 1 et 2,8 atmosphères selon la température de l'air atmosphérique. En supposant que la puissance calorifique à évacuer soit de 1.000.000 kcal/heure, pour une température d'air ambiant de + 25 G, une hauteur de colonne de charge de 8 mètres, la masse volumique du fluide frigorigène liquide choisi étant de 1,8 kg/l, on p-eut évacuer 31 kcal/kg de fluide frigorigène, ce qui représente une consommation de ce fluide d'environ 52.300 kg/heure, soit de l'ordre de 9 kg/s ou 5 1/s, ce qui permet de déterminer le diamètre de la colonne de charge 4, la vitesse de circulation étant choisie pour que l'écoulement reste laminaire et ne favorise pas les échanges thermiques au travers de la colonne. Dans cette configuration, le système est autonome.Une sonde thermostatique 10, dispo sée dans la piscine 1, et dont le seuil de déclenchement a été fixé à + 350C, commande simultanément, d'une part, le basculement d'une vanne trois-voies 11, disposée à l'entrée d'une dérivation du circuit 2, entre la bouteille 3 et l'en semble bouilleur 5,et sur laquelle on a monté un détendeur 12 ainsi mis en circuit, d'autre part, la mise en fonctionnement du moteur d'entraînement 13 d'un compresseur î4, monté en dérivation sur le circuit 2, entre l'ensemble bouilleur 5 et l'ensemble condenseur 8, et le basculement de la vanne trois-voies 15, disposée à la sortie de cette dérivation, et venant fermer la conduite 7 et mettre le compresseur 14 en circuit. Ainsi, lorsque la température de la piscine 1 tend à dépasser + 350C, le système fonctionne temporairement comme un groupe- frigorifique consommant de l'énergie par son compresseur. L'élévation anormale de la température dans la piscine 1 peut etre due à une cause interne à la piscine 1 comme à une cause externe, telle- qu'unie élévation anormale de la température de la source froide. Dans cette derniere situation, la température du fluide frigorigène à l'ensemble condenseur 8 devient supé rieure à celle pour laquelle celui-ci a été dimensionné, et il en découle une température croissante dans la piscine 1 puisque le refroidissement est diminué. Par contre, pour une température de l'air ambiant inférieure & un certain seuil, par exemple + 700C, une sonde de température 16 commande le basculement d'une vanne trois-voies 17 qui vient fermer la conduite 7 et ouvrir une dérivation du circuit 2, en amont de l'ensemble condenseur 8, sur laquelle est monté un moteur à vapeur à basse température 18 ainsi mis en circuit. Les besoins de refroidissement étant satisfaits, il est alors possible de récupérer de l'énergie calorifique, transformée en énergie mécanique utilisable par le moteur 18, ou en énergie électrique disponible sur la ligne 20 par l'alternateur 19 entraîné par le moteur 18. Dans ces conditions, où le système fonctionne comme une machine à vapeur à basse température, et en l'absence d'une charge suffisante au point bas du système, à la sortie de la bouteille 3, on est amené à mettre en circuit une pompe de surpression 21 susceptible d'entre entraînée par un moteur 22, alimenté à partir de l'alternateur 19, et montée en dérivation sur le circuit 2 en aval de la bouteille 3. La mise en circuit de la pompe 21, obtenue par basculement de la vanne trois-voies 23, et la mise en fonctionnement du moteur 22 sont simultanément commandées par un indicateur mobile 24 du niveau du liquide frigorigène dans la colonne 4, lorsque ce dernier descend sous un niveau critique repéré par un seuil 25 dont la disposition est fonction du fluide frigorigène utilisé et de la pression minimale souhaitée pour l'alimentation de l'ensemble bouilleur 5. Compte tenu de leur caractéristiques, le procédé et le système selon l'invention apparaissent également d'une mise en oeuvre intéressante pour assurer la climatisation des galeries, conduite, enceintes ou salles souterraines, comme il s'en trouve dans les mines, des salles de spectacles, ainsi que pour assurer le refroidissement d'entrepots de stockage de produits alimentaires en région froide, ou de réfrigérants d'installations de distillation de produits chimiques. R E V E N D I C A T I O N S 1/ Procédé de refroidissement autonome d'une cellule, constituant ou renfermant une source chaude présentant, vis-à-vis d'une source froide, une différence de température essentiellement positive, consistant à assurer, au moyen d'une bouteille d'un fluide frigorigène liquide, l2alimen- tation d'un ensemble bouilleur disposé dans la cellule, et dans lequel le fluide frîgorigène liquide se vaporise en absorbant des calories de la cellule, à canaliser la vapeur de fluide frigorigène vers un ensemble condenseur, disposé au-dessus de la bouteille et au contact de la source froide à laquelle le fluide frigorigène cede des calories, ce fluide étant choisi pour que sa pression de condensation, à la température du condenseur, soit légèrement supérieure à la pression atmosphé rique, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, & assurer, au moyen d'une colonne de charge permanente, surmontant la bouteille, et dans laquelle débouche le fluide provenant de 12 ensemble condenseur, la continuité de l'alimentation, & une pression suffisante, de l'ensemble bouilleur. 2/ Système de refroidissement autonome d'une cellule, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un circuit principal bouclé d'un fluide frigorigène adapté aux températures de la cellule et de la source froide, couplées par le circuit, lequel comprend également une bouteille de ce fluide frigorigène liquide débouchant, au point bas du système, & l'entrée d'un ensemble bouilleur, disposé dans la cellule à refroidir, et lui-même relié à un ensemble condenseur dispose en contact de la source froide et au-dessus de la bouteille, caractérisé en ce que le circuit principal comprend, en outre, une colonne de charge permanente, dans laquelle débouche l'ensemble condenseur, et en communication permanente avec la bouteille que la colonne surmonte, la bouteille étant elle-meme en communication permanente avec l'ensemble bouilleur, ainsi alimenté, & une pression suffisante, et de façon continue, grâce à la colonne de charge. 3/ Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble condenseur est constitué d'une pluralité de condenseurs montés en série-parallèle le long de la colonne de charge. 4/ Système selon l'une des-revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'ensemble bouilleur est équipé d'un dispositif mécanique à niveau de liquide constant. 5/ Système selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'un détendeur -et un compresseur, montés en dérivation sur le circuit principal respectivement entre la bouteille et l'ensemble bouilleur, et entre ce dernier et l'ensemble condenseur, permettent de faire fonctionner le système en groupe frigorifique pour assurer un refroidissement accéléré de la cellule. 6/ Système selon la revendication 5 caractérisé en ce que la mise en circuit du détendeur et du compresseur est simultanément commandée par une sonde de température disposée dans la cellule. 7/ Système selon l'une des revendications 2 à 6, comprenant, de plus, un moteur à vapeur à basse température et une pompe de surpression adjoints au circuit principal bouclé de fluide frigorigène, respectivement en amont et en aval de I1 ensemble condenseur, pour faire fonctionner le sys thème en machine à vapeur à basse température lorsque les besoins de refroidissement sont satisfaits, caractérisé en ce que le moteur et la pompe sont montés en dérivation sur le circuit principal, la pompe étant disposée en aval de la bouteille de fluide frigorigène liquide. 8/ Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la mise en circuit du moteur à vapeur à basse température est commandée par une sonde de température disposée dans la source froide, et en ce que la mise en circuit de la pompe de surpression, entraînée à partir du moteur à vapeur à basse température, est commandée par un indicateur du niveau de fluide frigorigène liquide dans la colonne de charge. 9/ Système selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le fluide frigorigène est un produit de la famille des dérivés fluorochlorés ou fluorochlorobromés du méthane. 1Q/ Système selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la cellule à refroidir est une cellule de stockage de déchets nucléaires.