Brevet FR2487057A1 — publié le 19820122

Procédé et appareil servant à la production et à l'utilisation de la glace pour stockage à basse température. La présente invention concerne le stockage thermique en général,et particulièrement un procédé et un appareil servant à la production et à l'utilisation de glace pour stockage à basse température. Cet appareil est particulièrement approprié, mais n'est pas limité à cela, pour être utilisé en relation avec des véhicules de livraison sur courtes dis- tances qui n'ont pas besoin d'être équipés d'un système de réfrigération mécanique autonome mais qui transportent des marchandises exigeant un espace refroidi. Le transport de produits périssables, tels que la viande par exemple, exige généralement le maintien de ces produits dans des conditions réfrigérées pour éviter une détérioration excessive. Bien qu'il soit relativement facile de justifier du point de vue économique la fourniture de grandes remorques pour longues distances comportant des unités de réfrigération autonome pendant le transport, il est plus difficile de justifier l'équipement d'une flotte de camion- nettes de livraison locale comportant des systèmes de réfri- gération par compression mécanique, autonomes. Egalement, puisque des systèmes autonomes dépendent de combustibles essence ou diesel de plus en plus chers et rares comme source d'énergie, les coûts de fonctionnement toujours croissants pour ces camionnettes comportant un système de réfrigération autonome, entrent également en ligne de compte. Par conséquent, il est souhaitable de mettre au point un système de stockage thermique pratique pour ces camionnettes qui pourrait être chargé pendant la nuit et/ou pendant des périodes de demande d'énergie électrique en heures creuses, et qui pourrait être utilisé ou déchargé pendant lalivraison avec la camionnette pendant le jour ou pendant d'autres périodes de demande électrique maximum. Il est reconnu que la glace est un milieu de stockage thermique souhaitable, non seulement parce qu'elle est bon marché, mais surtout parce que de tous les systèmes possibles, le changement de phase eau en glace se produisant normalement à 00C implique effectivement la chaleur de fusion connue la plus élevée (environ 79,71 calories/g).Il a également été reconnu que l'eau dans une solution incongelable peut être utilisée pour former la glace comme le révèle le brevet US no 2 101 953. La voie directe de fabrication de la glace est constituée par le fonctionnement d'un évaporateur réfri- géré à une basse température pendant qu'il est plongé dans ou en contact avec une solution incongelable. Toutefois, des difficultés sont soulevées avec un tel dispositif, du fait que la glace se forme presque immédiatement, recouvrant les serpentins évaporateurs froids et refroidissant les surfaces. Ainsi, un échange thermique ou un refroidissement ultérieur de la solution incongelable est fortement empêché sauf si certains moyens ont été prévus pour enlever la glace de la surface de réfrigération, comme le révèle le brevet mentionné ci-dessus. D'une autre façon, si on choisit une solution incongelable ayant une très grande quantité de composants incongelables et présentant la congélation de la glace, aucun avantage ne peut provenir de la quantité élevée de chaleur absorbée dans le changement de phase impliquant la transfor- mation de l'eau en glace. Un autre système de stockage thermique connu est révélé dans le brevet US no 2 996 894 qui évite les difficultés de la formation de la glace par un serpentin évaporateur en utilisant des fluides de différentes densités, tels que de l'huile et de l'eau qui ne sont pas miscibles entre eux. Dans ce cas, la glace est formée par contact de l'huile refroidie par le froid avec l'eau. Dans une réalisation, l'huile est refroidie et mise en contact avec l'eau pour former la glace, donnant ainsi le milieu de stockage thermique. Ensuite, quand l'utilisation de la glace est souhaitée par refroidissement à partir d'un réservoir de stockage thermique, l'huile peut être pompée pour entrer en contact avec la glace et le refroidissement peut se produire du fait de la fusion de la glace utilisant la chaleur de fusion de la glace. Dans une autre réalisation révélée par le brevet mentionné ci-dessus, le phosphate disodique est fourni en solution aqueuse, le phosphate disodique se séparant par précipitation à une température prédéterminée. Un tel dispo- sitif présente l'inconvénient d'être sensiblement limité dans l'étendue de l'abaissement de la température (abaissement du point de congélation de l'eau) qui peut être réalisé par la précipitation du phosphate disodique. Celle-ci est due à la solubilité relativement faible du phosphate disodique dans l'eau. L'objet de la présente invention est d'éviter les dif- ficultés associées au dispositif de l'art antérieur et en par- ticulier de fournir un procédé et un appareil pour le stockage par échange thermique utilisant un fluide de refroidissement de densité élevée et de faible viscosité qui, lorsqu'il est utilisé, peut fonctionner à des températures extrêmement basses, par exemple aussi basses que -400C. En outre, sous sa forme préférée, le système a été mis au point pour fonctionner dans une camionnette, application qui permet le stockage thermique de la glace à former pendant les périodes d'énergie électrique en heures creuses. Selon la présente invention, le procédé de stockage thermique ou de fabrication de la glace est réalisé en refroi- dissant un premier fluide ayant une densité élevée et une faible viscosité qui communique avec l'espace inférieur dans un récipient isolé; la circulation de ce premier fluide dans un circuit a la surface d'un second fluide qui est une solution incongelable de densité plus faible que celle du premier fluide et qui n'est pas miscible avec celui-ci, le fluide de densité plus faible occupant l'espace supérieur dans le récipient; et la poursuite du refroidissement et de la circulation jusqu'à ce que la température du second fluide ait suffisamment diminué pour amener suffisamment de glace fondante à une basse température souhaitée, à se former à partir de la solution incongelable. Au fur et à mesure que le refroidissement se poursuit, la température diminue et la glace se sépare à des températures toujours plus basses. La glace stockée est ensuite utilisée en arrêtant le refroidis- sement et la circulation du premier fluide refroidi seul jusqu'à un serpentin de refroidissement dans un espace à refroidir dans la camionnette pour en enlever et renvoyer - 2487057 le premier liquide chauffé à la surface du second fluide renfermant la glace fondante de sorte que le premier fluide est refroidi par la fusion de la glace et s'infiltre en descendant à cause de sa densité élevée. Le premier fluide qu'on préfère souvent est le méthyl- chloroforme et la solution incongelable est constituée par de l'alcool méthylique et de l'eau. Dans une forme de la présente invention, telle qu'ap- pliquée à une camionnette, seul le récipient isolé avec les fluides et la canalisation pour la circulation du fluide de densité élevée vers l'espace à refroidir, est transporté par la camionnette. Le système de réfrigération de base comprenant un compresseur, un réfrigérant et un évaporateur avec la canalisation pour le branchement au récipient de stockage thermique peut être débranché du système de stockage. Dans une autre réalisation, l'évaporateur réfrigérant est placé dans la partie inférieure du récipient de stockage thermique dans la camionnette et est relié en permanence au compresseur et au réfrigérant du système de réfrigération, de sorte que tout le système de réfrigération accompagne la camionnette sur son trajet. Les unités mues par l'électricité sont débranchées électriquement (déconnectées) avant le parcours. Les réalisations préférées de la présente invention seront maintenant décrites à titre d'exemple en se référant aux dessins ci-annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'une réalisation de la présente invention; la figure 2 est une vue schématique d'une autre réali- sation de la présente invention; et la figure 3 est une vue latérale du type de camionnette auquel l'invention peut être appliquée, montrant le système de stockage thermique installé dans un endroit considéré comme étant préférable par certains. En se référant à la figure 1, on voit un système de réfrigération pour une camionnette 10 de livraison locale comportant des parois 12 isolées thermiquement, renfermant un espace intérieur 14 qui, lorsqu'il est rempli de marchandises périssables à réfrigérer, est adapté poir être refroidi par une circulation de l'air intérieure à partir du ventilateur 16 sur un serpentin de refroidissement 18. Le milieu de refroidissement provient d'un récipient de stockage 20 isolé thermiquement qui contient dans-son espace ou région 22 inférieure un premier fluide 24 ayant une densité élevée et une faible viscosité. Une partie ou région supérieure de l'espace dans le récipient, désignée par l'ac- colade 26, contient un second fluide 28 comprenant une solution incongelable ayant une densité inférieure à celle du premier fluide et qui est essentiellement non miscible avec ce dernier. La partie inférieure 30 de l'espace inférieur 22 contient un serpentin évaporateur 32 refroidisseur qui est relié d'une façon classique au reste du système de réfrigé- ration qui comprend en outre un compresseur 34 et un réfrigé- rant 36 ainsi qu'un dispositif de détente refroidisseur (non montré). Un système de circulation utilisé à la fois pendant la fabrication de la glace pour stockage à basse température et pendant l'utilisation de la chaleur latente de fusion de cette glace pourle refroidissement, est relié à travers le récipient afin d'établir une communication par circulation de fluide entre la région inférieure 22 et l'espace se trouvant au-dessus du second fluide 28. Plus spécifiquement, la sortie 38 au fond du récipient est reliée à un premier circuit, ou boucle, com- prenant successivement: une pompe 40, une conduite 42, une conduite 44, comportant un robinet 46 à l'intérieur, et une conduite 48 revenant au sommet du récipient et reliée à un collecteur 50 muni de moyens de pulvérisation 52 au-dessus de la surface du second fluide. Un second circuit, ou boucle, par lequel le premier milieu peut passer au moyen de la pompe comprend successivement: la conduite 42, le robinet 54, la conduite 56 qui comporte le serpentin de refroidissement 18, et la conduite 48 ramenant au collecteur 50. Le premier fluide 24 ayant une densité élevée habituel- lement préféré est le méthylchloroforme (l,l,l-trichloréthane). La solution incongelable souvent préféréequi forme le second fluide ayant une densité plus faible, est une solution d'eau et d'alcool méthylique. -2487057 Le système fonctionne de la façon suivante. Supposons que la camionnette soit à son garage pendant une période de coûts d'énergie en heure creuse, par exemple la nuit, et qu'on désire obtenir le stockage thermique du système pour utiliser celui-ci le lendemain dans la camionnette. Les robinets 46 et 54 sont positionnés de telle manière que, en faisant fonction- ner la pompe 40, le premier fluide 24 coule à travers le premier circuit (comprenant la conduite 44 et le robinet 46) et revient vers la surface de la solution incongelable. Le système de réfrigération est rendu fonctionnel en mettant en route le compresseur 34 pour obtenir un effet de réfrigération ou de refroidissement dans le serpentin évaporateur 32, et il est conçu pour donner une température très basse dans le serpentin évaporateur 32, par exemple -400C. L'évaporateur étant plongé dans le premier fluide à densité élevée, refroidit ce fluide qui est ensuite pompé à travers le premier circuit et dirigé sur la surface de la solution incongelable, de préférence avec une force bien supérieure à celle de la pesanteur.-En ce point, le transfert de chaleur liquide à liquide, se produit et, en effet, la solution incongelable se refroidit par le mélangeage intime du premier fluide froid à densité élevée, non miscible, avec la solution incongelable. A cause de la densité élevée du premier fluide, et à cause de sa non miscibilité, il décante vers le fond du récipient et, ainsi faisant, vient en contact d'échange thermique avec le serpentin froid évaporateur pour être ainsi refroidi, le premier fluide refroidi étant ensuite pompé de nouveau dans et à travers le premier circuit 40, 44, 46, 48 pour répéter le cycle. Le fond en pente du récipient permet de recueil- lir le fluide à densité élevée. Si on le désire, des chicanes peuvent être également prévues. Au fur et à mesure que le cycle ci-dessus se répète et que le refroidissement progresse, la température de la solution incongelable est abaissée jusqu'à ce que la glace com- mence à se séparer sous forme d'une suspension dansla solution incongelable. Au fur et à mesure que la glace se sépare donc de la solution incongelable, cette solution s'enrichit par rap- port au composant incongelable (c'est-à-dire l'alcool méthylique dans la réalisation préférée) et la température de séparation de la glace (point de fusion eutectique) s'abaisse progres- sivement (la glace en suspension étant en équilibre thermique avec toute la masse) jusqu'à ce qu'une température inférieure à zéro désirée de tout le contenu du récipient soit atteinte pour indiquer que la quantité désirée de glace a été produite sous forme d'une suspension dans la solution incongelable en-dessous de zéro. Selon l'application particulière, cette température inférieure à zéro peut être de l'ordre de -23 à -400C. Le système de réfrigération mécanique est alors arrêté et la glace stockée et le premier fluide froid sont alors disponibles pour être utilisés dans le refroidissement de l'intérieur de la camionnette 10. En supposant que le camion est chargé et est maintenu froid, les positions des robinets 44 et 56 sont modifiées, c'est-à-dire que le robinet 44 est fermé et le robinet 56 est ouvert, de sorte que le premier milieu 24 à densité élevée est pompé par la pompe 40 à travers le second circuit comportant le serpentin 18 de refroidissement qui alors est refroidi par le premier fluide. Le ventilateur 16 souffle de l'air sur le serpentin 18 pour refroidir l'inté- rieur de la camionnette et le premier fluide ayant absorbé un peu de la chaleur de l'air en question retourne vers le récipient pour être pulvérisé sur la surface du mélange de solution incongelable et de suspension de glace. La glace a une tempé- rature inférieure à zéro, fond progressivement à mesure qu'elle refroidit le fluide à densité élevée arrivant et qui s'infiltre à travers la suspension et descend vers le fond du récipient pour être de nouveau mis en circulation à travers le second circuit. Il faut remarquer que l'échange de chaleur liquide à liquide a lieu de nouveau par contact direct entre le premier et le second fluides. En se référant maintenant à la figure 2, le système qui y est montré est monté de manière telle que le mécanisme de réfrigération ne suit pas la camionnette bien que le récipient thermique 20 le fasse. Sur la figure 2, les éléments corres- pondant à ceux de la figure 1 portent les mêmes références. Sur la figure 2,.il est prévu un moyen de robinet 58 à la sortie et un moyen de robinet 60 à l'entrée pour le réci- Z487057 pient de stockage thermique 20, ces moyens de robinet étant montrés sousforme de robinets à deux voies qui permettent au premier fluide 24 plus dense d'être pompé à travers la conduite 62, un système de réfrigération 64 (contenant l'évaporateur refroidisseur 32) et la conduite 66 de retour sur la surface du second fluide 28 dans le récipient de stockage 20. Une fois que la quantité désirée de glace en suspension à la température basse désirée a été formée dans le second fluide 28, de la même façon que décrite ci-dessus, les positions des robinets 58 et 60 sont modifiées pour brancher le récipient 20 sur le second circuit comprenant le serpentin 18 de refroidissement, après quoi les conduites 62 et 66 sont débranchées du reste du système de stockage vers les raccords d'étanchéité appropriés 67 et 69. Avec le système ainsi rebranché, le fonctionnement de la pompe 40 fait circuler le fluide 24 à densité élevée à travers le' second circuit et le récipient de la même façon que décrite ci-dessus en relation avec la figure 1. Sur la figure 3 est représentée une camionnette 68 qui est équipée de l'appareil réalisant la présente invention, la partie de réfrigération mécanique étant indiquée par le bloc , et la partie stockage thermique étant indiquée par le bloc 72, tous les deux étant placés sous le plancher de la camion- nette. Avec ce dispositif, on peut convevoir que pendant le chargement (stockage de fabricationde la glace), un panneau 74 du plancher isolé thermiquement est mis en place qui ensuite, lorsque la camionnette est utilisée pour la livraison, peut être enlevé pour réaliser le refroidissement de l'intérieur de la camionnette. Sous ce rapport, il faut noter que tandis que le récipient de stockage est volontairement montré se développant verticalement sur les schémas des figures 1 et 2 en vue d'une meilleure explication, il est tout à fait possible qu'il soit relativement peu profond et pourvu encore d'une séparation avec couches de fluide appropriée. Un mélange alcool méthylique/eau a été indiqué comme étant la solution incongelable préférée, celle-ci étant préférée aux diverses saumures et solution saline bien connues qui sont extrêmement corrosives vis-à-vis d'un grand nombre de matériaux communs-utilisés dans les dispositifs réfrigérants. En outre, les saumures ont une densité supérieure à celle de l'alcool méthylique, par exemple, et par conséquent exigent un supplé- ment de poids plus grand désavantageux pour réaliser l'abais- sement donné du point de congélation de l'eau. D'autres exem- ples de solutions incongelables utilisables comprennent l'eau avec d'autres alcools tels que les alcools éthylique et propylique, et des glycols comme l'éthylèneglycol et le pro- pylèneglycol, peuvent aussi être utilisés. Le méthylchloroforme a été donné comme un exemple d'un fluide à densité élevée couramment préféré non miscible dans les solutions incongelables. Un facteur dans le choix du méthylchloroforme repose dans sa grande affinité pour l'al- cool méthylique dont la présence tend à empêcher la congélation ou l'encrassement du serpentin évaporateur froid due à un trans- port quelconque au-dessus de la solution incongelable provenant d'une séparation éventuelle incomplète dans le récipient de décantation. En outre, le méthylchloroforme est extrêmement peu coûteux et peu toxique. La présence d'alcool méthylique dans le méthylchloroforme sert également à abaisser davantage le point de congélation du méthylchloroforme (qui est de -330C) et de pouvoir ainsi obtenir des températures de l'évaporateur bien plus basses dans le cycle de congélation. En effet, les températures plus basses sont prévues dans le système liquide utilisé. Un autre liquide qui a une densité élevée, n'est pas miscible dans la solution incongelable, et qui est approprié pour être utilisé dans le cycle est le "R113" (le 1,1,2-trichlo- ro-1,2,2-trifluorométhane). Il est plus cher que le méthylchloro- forme mais il a une toxicité bien plus faible que ce dernier. Il faut remarquer que dans la réalisation de la présente invention, ce n'est pas simplement l'utilisation de la chaleur élevée de fusion pour la transformation de l'eau en glace, qui est utilisée, mais plutôt que la glace est produite à très basse température sous forme d'une suspension, par congé- lation de solutions incongelables à basse température même à une température décroissante. Si l'eau seule était utilisée dans le système, la glace ne pourrait jamais se produire ni se stocker ni être utilisée à une quelconque température inférieure à 00C. REVENDICATIONS 1. Procédé pour fabriquer de la glace à basse tempé- rature puis pour utiliser la chaleur latente de fusion de la glace pour le refroidissement, caractérisé parle fait qu'il comprend les stades suivants: le refroidissement d'un premier fluide ayant une densité relativement élevée qui est en communication par cir- culation de fluide avec une région inférieure dans un récipient thermiquement isolé; la circulation du premier fluide refroidi à la surface d'un second fluide dans le récipient, lequel second fluide comprend une solution incongelable ayant une densité inférieure à celle dudit premier fluide, étant non miscible avec ce dernier et qui, à cause de sa densité inférieure, occupe une région supérieure dans ledit récipient, ce qui fait que le premier fluide qui circule à la surface dudit second fluide descend par gravité à travers celui-ci et vers la région inférieure du récipient; la poursuite desdits stades de refroidissement et de circulation jusqu'à ce que la température dudit second fluide ait diminué suffisamment pour qu'une qualtité appropriée d'une suspension de glace ayant une température basse désirée soit formée dans ce second liquide; puis lorsque le refroidissement est exigé, la circulation du premier fluide à partir de la région inférieure du récipient dans une relation d'échange de chaleur avec le milieu à refroidir, puis son retour à la surface dudit second fluide contenant ladite suspension de glace, après quoi le premier fluide s'infiltre à travers la suspension de glace afin d'être ainsi refroidi et retourne vers ladite région inférieure du récipient pour être remis en circulation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit premier fluide est dirigé sur la surface dudit second fluide avec une force bien supérieure à la force de la pesanteur. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit premier fluide comprend le méthylchloroforme. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé parle fait que ladite solution incongelable comprend une solution d'alcool méthylique et d'eau. 5. Appareil pour effectuer le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par ledit récipient isolé thermiquement, contenant lesdits premier et second fluides, des moyens de réfrigération pour refroidir le premier fluide et un système de circulation relié à travers ledit récipient afin d'établir une communication ar circulation de fluide entre ladite région inférieure et un espace intérieur du récipient directement au-dessus du second fluide, ledit système de circulation comprenant une pompe pourle pompage du premier fluide à partir de ladite région inférieure vers ledit espace intérieur du récipient, et des moyens d'échange de chaleur pour transférer la chaleur du milieu à refroidir au premier fluide quand ce dernier est mis en circulation une fois que ladite suspension de glace s'est formée. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit système de circulation comprend deux boucles de circulation de fluide reliées en parallèle par rapport l'une à l'autre et toutes les deux en série avec ladite pompe et des moyens formant robinets positionnables pour diriger le premier fluide, quand il est pompé, à travers une desdites boucles pendant la formation de la suspension de glace, et à travers l'autre boucle pendant une opération de refroidissement, lesdits moyens d'échange de chaleur étant placés dans ladite autre boucle. 7. Appareil selon la revendication 5 ou 6, carac- térisé par le fait que ledit moyen de réfrigération comprend un évaporateur refroidisseurplacé dans le récipient isolé ther- miquement dans ladite région inférieure de celui-ci. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit moyen de réfrigération comprend un évapo- rateur refroidisseur placé à l'extérieur dudit récipient isolé thermiquement, et des moyens couplant thermiquement l'évaporateur refroidisseur à l'une desdites boucles de circulation de fluide. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'une desdites boucles de circulation de fluide 2487057' est reliée au moyen de couplage thermique par des raccords permettant au système de circulation d'être physiquement décon- necté du moyen de réfrigération- 10. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations 5 à 9, utilisable avec un véhicule de livraison sur petites distances, comportant un espace de chargement isolé thermiquement, caractérisé par le fait qu'au moins ledit récipient et une partie du système de circulation, comprenant ladite pompe et ledit moyen échangeur de chaleur, sont montés sur ledit véhicule, ledit moyen échangeur de chaleur étant placé en relation de transfert de chaleur avec ledit espace de char- gement.