Brevet FR2491607A1 — publié le 19820409

la présente invention a pour objets un procédé et un dispositif de stockage d'énergie thermique à basse température, le procédé étant dit à glace molle" ou "à glace douce, ainsi que l'application de ce procédé et de ce dispositif. les procédés classiques de stockage d'énergie à basse température (à OOC ou 2730 K) sont basés sur le principe du changement d'état (liquide A solide) d'un corps abondant et peu coû- teux : l'eaurtransformée en glace à 0 C à la pression atmosphérique. Une machine frigorifique, dont ltévaporateur est généralement réalisé par un tube-serpentin plongé dans une cuve contenant de l'eau, produit du froid par l'évaporation du fluide frigorigène circulant dans ce serpentin. Lorsque la température de l'eau est voisine de OOC, il y a formation de glace autour du serpentin (soit sur la surface de l'évaporateur).Un dispositif de mesure de l'épaisseur de glace stoppe la machine frigorifique lorsque la quantité optimale de glace est réalisée. L'utilisation de l'éner- gie thermique ainsi stockée sera obtenue par la circulation de l'eau (non prise en glace) de la cuve, via un échangeur de chaleur extérieur, et par son retour à température plus élevée dans la cuve. Au contact de cette eau, dont la température est alors supérieure à OOC, la glace présente dans la cuve se retransformera en eau, en absorbant 80 kcal par kg de glace. Le procédé selon l'invention est basé au départ sur le même principe, à savoir stockage d'énergie thermique par changemment d'état d'un corps (liquide -+ solide) et restitution de la chaleur latente de fusion de ce corps lors de son utilisation dans un échangeur de chaleur. Cependant, le présent procédé est original, du fait que le corps utilisé en changement de phase n'est plus l'eau, mais un mélange d'eau et d'un autre liquide, notamment un mélange d'eau et d'alcool, et le dispositif employé pour la mise en oeuvre du procédé est également original du fait que l'évaporateur de la machine frigorifique et la cuve de stockage dudit corps sont différents des matériels conventionnels. La présente invention a donc pour premier objet un procédé de stockage d'énergie thermique à basse température faisant intervenir un changement dtdtat de l'eau, passant de l'état liquide à l'état solide, par refroidissement au contact de l'évaporateur d'une machine frigorifique, cet évaporateur étant placé dans une enceinte contenant l'eau et l'eau refroidie étant destinée à être envoyée dans un échangeur de chaleur extérieur à l'enceinte contenant le mélange d'eau et de glace et à revenir ensuite dans ladite enceinte pour se refroidir à nouveau au contact de la glace, caractérisé en ce que l'on utilise, comme corps subissant le changement d'état un mélange d'eau et d'un autre liquide, le point de congélation de ce mélange à la pression atmosphérique étant inférieur à OOC et des cristaux de glace petits et non soudés entre eux, parce qu'ils sont enveloppés d'un film dudit liquide qui les isole, étant formés en abondance dans l'enceinte. De ce fait, il devient possible d'envoyer dans ledit échangeur de chaleur extérieur non seulement la fraction de l'eau, qui est refroidie sans etre prise en glace, mais encore cette eau refroidie chargée d'une partie au moins des petits cristaux de glace formés dans ladite enceinte, ce qui accrolt l'efficacité de l'échangeur Crefroidissement plus rapide). Comme cela a été indiqué ci-dessus, on pourra choisir avantageusement un mélange d'eau et d'alcool. Le point de congélation d'un mélange d'eau et d'alcool est inférieur à OOC ; on en verra plus loin les avantages. L'alcool employé est préférablement le plus courant, à savoir l'alcool éthylique. Toutefois, d'autres alcools utilisables sont l'alcool allylique CH2=CH-CH20H, l'alcool benzylique C6H5-CH20H, l'alcool butylique CH3 (CH2)2 CHOU, l'alcool propylique CH3 CH2 CH2OH, l'éthylene-glycol CH20H CH20H,le propanediol 1,2 CH3 CHOH CH20H. Un autre objet de l'invention est un dispositif pour la miseen oeuvre du procédé, qui est caractérisé en ce que l'évaporateur de la machine frigorifique associée à ladite enceinte est constitué par le fond de cette enceinte, sous lequel est soudé par points un double fond, et en ce qu'un agitateur est prévu, comportant des pales destinées à balayer la surface du fond de l'enceinte. L'invention a enfin pour objet l'application du procédé et du dispositif au refroidissement de toute substance solide, liquide ou gazeuse, et notamment au refroidissement instantané du lait, en vue du stockage de celui-ci à basse température apres la traite. Une forme particulière d'exécution du dispositif suivant l'invention est décrite ci-après a titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, en référence au dessin annelé sur lequel La figure 1 en est une vue schématique en coupe verticale axiale. La figure 2 en est une vue en coupe horizontale suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue à échelle agrandie d'un détail de la figure 1. La cuve de traitement et de stockage du corps destiné à changer d'état (mélange d'eau et d'alcool) est une cuve cylindrique verticale à double enveloppe isolée, une enveloppe intérieure 1 en acier inoxydable ou autre matériau non attaqué par l'eau et une enveloppe extérieure 2 en matériau porteur quelconque, d'une robustesse suffisante. Un matériau d'isolement 3, par exemple en mousse de polyuréthane injectée, remplit l'espace entre les deux enveloppes. Un couvercle 17, isolé ou non, hermétique ou non, amovible, protège le produit stocké tout en permettant l'accès aux mécanismes intérieurs. Le fond 4 de la cuve, en acier inoxydable ou autre matériau thermiquement conducteur, sert de surface d'échange entre le produit en changement d'état (un liquide avant la formation de glace, un solide + un liquide apres), en l'occurence un mélange eau/alcool, et le liquide frigorigene de la machine frigorifique. Un double fond 5 soudé par points sous le fond 4 constitue aux celui-ci l'évaporateur d'une machine frigorifique associée, c1est-à-dire l'échangeur de chaleur intérieur à la cuve. Quelques-uns de ces points de soudure 20 sont représentés symboliquement par de petits points sur la figure 2. Des lignes de soudure 21 forment des chicanes déterminant un trajet convenable du fluide frigorigene (tel qu'un ',Fréon") à l'intérieur du fond-évaporateur, c'est-à-dire un trajet utilisant au maximum le circuit de l'évaporateur.Le fluide frigorigène entre en phase liquide par la tuyauterie 6 et sort en phase gazeuse par la tuyauterie 7, en retirant les calories du produit introduit dans la cuve (la réalisation de l'évaporateur sur le fond de la cuve 4 pourra Etre différente de celle décrite et représentée). Un moto réducteur 8 à vitesse lente (par exemple 4 à 10 tours/mn) est destiné à entraîner en rotation un arbre 18 associé à une double pale 9 et dont ltextrémité peut éventuellement s'appuyer sur le fond de la cuve par le pivot 10. Cette double pale 9 (voir la figure 3) est destinée à balayer la surface de l'évaporateur'4-5. La distance e entre la partie infieu- re de la pale et le fond 4 de la cuve est la plus réduite possible, sans toutefois que la pale touche le fond. Des haubans il permettent le réglage en position des pales 9 et leur maintien pendant les opérations d'agitation du contenu de la cuve. Le moto-réducteur 8 est maintenu en position fixe sur un support rigide 12. Utilisation duqroduit stocké (glace + liquide) Un orifice 13 avec filtre à maille adaptée 19 prévu dans le fond 4 de la cuve permet l'extraction du liquide froid chargé ou non de petits cristaux de glace en 14, la glace étant retenue totalement ou partiellement. Une pompe non représentée propulse ce liquide vers un échangeur de chaleur extérieur (échangeur à plaques par exemple) non représenté, pour refroidir par chaleur sensible et éventuellement latente un corps liquide, solide ou gazeux, que l'on énvoie dans l'échangeur pour le trai ter par le froid (lait par exeple?. Le liquide réchauffé retourne dans la cuve par une tuyauterie 15 traversant le couvercle 17 (ou le support 12 du motoréducteur), ouSéventuellement, paT l'arbre 18, creux dans ce cas, du moto-réducteur. Pour la régulation thermique du dispositifs un thermostat, dont l'élément sensible 16 est fixé en partie basse sur la face externe de l'enveloppe intérieure 1 de la cuve, permet d'arrêter le compresseur de la machine frigorifique associée, lorsque la température mesurée est inférieure à la température de congé la tion du produit stocké dans la cuve. Exemple de fonctionnement du dispositif Un mélange eau/alcool l par exemple à 5 % en poids d'alcool éthylique, dont le point de congélation à la pression atmosphérique est d'environ -2,50C (270,50 Ka est introduit dans la cuve de traitement. L'installation frigorifique est mise en fonctionnement simultanément avec l'ensemble moto-réducteur/pales (8,18,9,11). Lorsque la température du produit liquide atteint -2,50C, de la glace se forme sur l'évaporateur (fond de cuve 4). Les cellules de glace ainsi formées ont la propriété de ne pas se souder les unes aux autres, car elles sont enveloppées d'une mince couche d'alcool, et de se décoller assez facilement du fond-évaporateur sous l'action des pales 9. Les cellules de glace, décollées du fond, remontent à la surface du liquide, jusqu'd ce que la presque totalité du mélange eau/alcool soit transformée en cristaux. A ce moment, la cuve est remplie de cristaux d'apparence neigeuse, non soudés les uns aux autres. Il y a une dissociation eau/alcool, qui est réalisée dans le fond de la cuve, où la concentration alcoolique augmente. L'élément sensible du thermostat 16 enregistre à ce moment une température inférieure à -2,50C et il stoppe la machine frigorifique. Le produit liquide froid (mélange eau/alcool à 5 t en poids d'alcool suivant l'exemple choisi) chargé ou non de petits cristaux de glace est alors pompé en 14 à travers le filtre 13. Il est envoyé dans l'échangeur de chaleur extérieur où il est réchauffé par le corps solide, liquide ou gazeux à traiter par le froid dans cet échangeur et il retourne à la cuve de traitement par la tuyauterie 15. La surface d'échange entre le produit liquide en retour et la glace en cristaux stockée dans la cuve est considérable et la température de sortie du produit liquide en 14 demeure très proche de la température de congélation du mélange eau/alcool, soit -2,50C dans l'exemple considéré. Quand la température remonte au-dessus de la température d'arret tout enétantinférieure audit point de congélation, le thermostat 16 régléen conséquence remet en route la machine frigorifique. Avantages de l'invention paT rapport aux procédés classiques 1) A performances égales, le cout de l'installation peut etre plus faible, à cause de la suppression du serpentin dans la cuve, remplacé par le double fond formant évaporateur. 2) A volume égal de la cuve de traitement, la quantité de glace stockée peut être plus importante, par suite de l'emploi d'un mélange eau-alcool, qui fournit des cristaux de glace petits, montant facilement à la surface du liquide et liberant ainsi rapidement le fond de la cuve, sur lequel de nouveaux cristaux vont se former. 3) La température du liquide envoyé dans l'échangeur de chaleur extérieur étant plus basse (-2,50C. au lieu de OOC), un produit altérable tel que le lait est refroidi instantanément à une température plus basse que par la méthode habituelle, ce qui anéantit ou neutralise plus sûrement les germes qu1il contient et réduit la puissance de la machine frigorifique, qui est ensuite nécessaire pour maintenir à basse température le produit altérable que lton stocke. 4) La vitesse de fonte de la glace lors de l'utilisation est beaucoup plus rapide, étant donné que la surface d'échange entre la glace et le liquide réchauffé revenant dans la cuve est considérable, compte tenu de la petite taille~des cristaux de glace avec le présent procédé, et le liquide qui va être à nouveau envoyé dans l'échangeur extérieur est ainsi refroidi plus vite. 5) Il est possible de stocker de l'énergie thermique à différentes températures, en modifiant le pourcentage du liquide (alcool) mélangé à l'eau, donc la température de congélation du mélange. Exemple d'application de l'invention Une application particulière intéressante est le refroidissement du lait à la ferme par la méthode dite du "refroidissement instantané". Le lait à 350C provenant du lactoduc de la salle de traite passe par un échangeur de chaleur (par exemple, du type à plaques de la Société ALFA-LASAL, FRANCE), il cède instantanément (le temps de séjour dans l'échangeur étant de l'ordre de quelques secondes) sa chaleur au liquide intermédiaire à basse température (par exemple-2,50C) provenant de la cuve du dispositif suivant l'invention et il arrive à la cuve de stockage du lait à une température inférieure à 40C, qui sera ensuite éventuellement maintenue au moyen d'une machine frigorifique de faible puissance. Ce procédé pourrait être utilisé sous d'autres formes et avec d'autres types d'échangeur, et,bien sûr, il s'applique au refroidissement de nombreuses substances autres que-le lait, ces substances pouvant être liquides, solides ou gazeuses. Des modifications de détail, du domaine des équivalents techniques, peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits ci-dessus, sans que l'on sorte pour cela du cadre de la présente invention. REEND I CATI ONS = = = = = = = ~ = = = = = = ~ = = = = .1.- Procédé de stockage d'énergie thermique à basse température faisant intervenir un changement d'état de l'eau, passant de l'état liquide à l'état solide, par~Te-roidissement au contact de l'évaporateur d'une machine frigorifique, cet évaporateur étant placé dans une enceinte contenant l'eau et l'eau refroidie étant destinée à être envoyée dans un échangeur de chaleur extérieur à l'enceinte contenant le mélange d'eau et de glace et à revenir ensuite dans ladite enceinte pour se refroidir à nouveau au contact de la glace, caractérisé en ce que l'on utilise, comme corps subissant le changement d'état, un mélange d'eau et d'un autre liquide, le point de congélation de ce mélange à la pression atmosphérique étant inférieur à OOC et des cristaux de glace petits et non soudés entre eux, parce qu'ils sont enveloppés d'un film dudit liquide qui les isole, étant formés en abondance dans l'enceinte. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on envoie dans ledit échangeur de chaleur extérieur l'eau refroidie, chargée d'une partie au moins des petits cristaux de glace formés dans ladite enceinte. 3.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit autre liquide est un alcool. 4.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit alcool est choisi parmi l'alcool éthylique, l'alcool allylique, l'alcool benzylique, l'alcool butylique, l'alcool propylique, l'éthylene-glycol, le propanediol-1,2. 5.- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'on emploie un mélange d'eau et d'alcool éthylique à 5 z en poids d'alcool, dont le point de congélation est d'environ -2,50C à la pression atmosphérique. 6.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'évaporateur de la machine frigorifique associée à ladite enceinte est constituérpar le fond (4) de cette enceinte, sous lequel est soudé par points un double fond (5), et en ce qu'un agitateur est prévu, comportant des pales (9) destinées à balayer la surface du fond (4) de l'enceinte. 7.- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'un thermostat (16) est monté sur la partie inférieure de l'enceinte pour commander le fonctionnement de la machine frigorifique, l'arreter lorsque la température mesurée est inférieure à la température de congélation du mélange d'eau et de l'autre liquide employé et la remettre en route lorsque cette température est supérieure à la température d'arret, mais inférieure audit point de congélation. 8.- Dispositif suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que des lignes de soudure (21) sont formées entre le fond (4) de l'enceinte et ledit double fond (5) pour former des chicanes déterminant le trajet du fluide frigorifique dans toute l'étendue de l'évaporateur. 9.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les pales (9) de l'agitateur sont reliées à l'axe d'entranement en rotation (18) de celui-ci par des haubans (11) réglant la position en hauteur des pales au-dessus de la surface de l'évaporateur. 10.- Application du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 et du dispositif suivant l'une quelconque des revendications- 6à 9. refroidissement de toute substance solide, liquide ou- gazeuse traversant- ledit échangeur de chaleur extérieur et, notamment, au refroidissement instantané du lait après la traite.