Brevet FR2524623A1 — publié le 19831007

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE PRE-REFROIDISSEMENT D'UNE INSTALLATION DE PRODUCTION D'AIR A BASSE TEMPERATURE. La présente invention concerne un procédé pour le pré-refroidissement d'installations permettant la production d'air à basse température, par exemple pour utilisation dans le domaine médical, le traitement des métaux.... ; elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Récemment, il a été proposé d'utiliser des gaz à basse température, plus particulièrement des gaz cryogéniques dont la température ne dépasse pas -100 C afin de refroidir les surfaces et arêtes de travail d'outils coupants lors de la coupe de métaux ou les parties malades lors de traitements médicaux. Un tel gaz cryogénique peut être facilement obtenu par l'utilisation de gaz cryogéniques liquifiés tels que l'azote liquide. Cependant, il n'est pas souhaitable pour la santé du corps humain d'avoir un dégagement de ce gaz dan la salle de traitement.Par suite, afin d'éviter cet inconvénient, il a été proposé d'utiliser un procédé dans lequel l'air est prélevé dans l'atmosphère et est refroidi au moyen d'un gaz cryogénique liquéfié tel que l'azote liquide ou similaire, l'air ainsi refroidi à basse température étant utilisé pour effectuer le traitement cryogénique. Dans un tel procédé et ainsi que cela est schématisé à la figure unique annexée, l'air est aspiré au moyen d'un dispositif conventionnel (1) tel qu'un ventilateur, un compresseur ou similaire et est introduit à l'intérieur d'un déshumidificateur (4) grâce à une conduite (3) équipée d'une soupape (2). Le déshumidificateur (4) est refroidi à une température proche de 0 C, par exemple à+l C, température à laquelle l'humidité contenue dans l'air aspiré, n'est pas congelée. A l'intérieur du déshumidificateur (4), l'eau contenue dans l'air est condensée et est éliminée au travers d'un conduit (5) équipé d'une soupape (6). L'air déshumidifié est alors introduit dans un four (8) qui est mis en action lorsque l'opération de régénération est réalisée, d'où il s'écoule grâce à une conduite (9) jusqu'à un séchoir (10) qui contient un agent de séchage tel qu'un gel d'alumine, de silice ou similaire. A l'intérieur du séchoir (10), l'eau contenue dans l'air est éliminée et l'air sec est alors introduit grâce aux conduites (11-12) à l'intérieur d'un échangeur de chaleur (13J auquel est amené un gaz liquéfié cryogénique tel que de l'azote liquide (point d'ébullition : -196 C). A l'intérieur de l'échangeur de chaleur (13), un échange tHermique entre l'air introduit et le gaz cryogénique liquéfié se produit, de telle sorte que l'air se trouve refroidi à une température basse prédéterminée et s'écoule alors au travers de la conduite (14), conduite sur laquelle se trouve une soupape (15) pour être amenée à destination. Ainsi, les conduites (3-7-9-11-12 et 14) forment un circuit à air. Dans le schéma annexé, les références 16 et 17 désignent des thermomètres prévus sur le trajet de la circulation d'air à proximité de la sortie du déshumidificateur (4) et de la sortie de l'échangeur de chaleur (13). Par ailleurs, le réfrigérant permettant le refroidissement de l'air, par exemple un gaz liquéfié cryogénique tel que de l'azote liquide, est amené à partir d'un réservoir (non représenté) et ce, au travers des conduites (18-19) de la soupape (20) et de la conduite (21) à l'intérieur de 1' échangeur de chaleur (13). La quantité de réfrigérant fourni est contrôlée en réglant de manière appropriée le degré d'ouverture de la soupape (20) en fonction de la température lue sur le thermomètre (17) afin que l'air soit amené à une température prédéterminée avant d'être transportée à destination au travers de la conduite (14) et de la soupape (15). Après que l'azote liquide ait refroidi l'air à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (13), il est amené, au travers des conduites (22-23) à l'intérieur du déshumidificateur (4) afin d'être refroidi.L'azote gazeux est alors évacué dans l'atmosphère grâce à une conduite (24) et une soupape (25). Par suite, les conduites (19-21-22-23-24) constituent un circuit de passage du gaz. Il est nécessaire de maintenir la température du déshumidificateur (4) à environ +1 C comme indiqué précédemment. Lorsque le débit d'azote gazeux au travers des conduites (22) et (23) devient trop important, cela a tendance à refroidir le déshumidificateur (4) à une température inférieure à +1 C. En consé- quence, l'excès d'azote gazeux peut être éliminé en ouvrant une soupape (27) prévue sur un conduit de dérivation (26) et relié à un conduit (35) permettant l'évacuation dans l'atmophère.En revanche, lorsque le débit d'azote gazeux à travers le conduit (23) est insuffisant et que, par suite, la température du déshumidificateur (4) va devenir supérieure à 1 C, de l'azote liquide est amené en ouvrant une soupape (29) prévue sur la conduite d'amenée d'azote liquide (18) reliée au réservoir (non représenté) sur une conduite de dérivation constituée des conduits (28) et (30) et reliée à la conduite (22). Ainsi, le contrôle de la température du déshumidificateur ainsi à la sortie de la soupape (15) prévue sur la conduite (14) de l'air à une température basse prédéterminée, température habituellement de l'ordre d'environ -100"C. Durant la production d'air à basse température, le sèchoir (10) absorbe la vapeur d'eau contenue dans l'air et, en outre, l'eau contenue dans l'air est condensée et réfrigérée lors du passage de l'air à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (13). En conséquence, un traitement de régénération est exigé pour éliminer l'eau et la glace collectées à l'intérieur du séchoir(10) et de l'échangeur de chaleur (13) après une période prédéterminée de fonctionnement de l'installation. Lors de cette opération de régénération, l'amenée d'azote liquide est stoppée en fermantles soupapes (20) et (29) et l'air qui est amené au moyen de l'organe d'admission (1) à l'intérieur du circuit d'air, est chauffé en actionnant le four (8) pour être ensuite amené au four (10) pour chauffage.L'air s'écoule ensuite au travers d'une conduite (11) et, grâce à un conduit d'é- vacuation (31) et une soupape (32), il est ensuite évacué dans l'atmosphère. L'air restant est introduit grâce à la conduite (12) à l'intérieur du circuit d'air de l'échangeur de chaleur (13) où il est chauffé, la glace formée étant fondue et l'eau produite étant évacuée au travers des conduites (14) et (33), de la soupape (34) et de la conduite (35) pour être évacué dans l'atmosphère. Lorsque l'opération de régénération thermique précitée est terminée, l'installation peut être redémarrée. Cependant, lors de la production d'air à une température faible prédéterminée, il est nécessaire de prérefroidir l'installation pendant une certaine période de temps. Pour cela, l'azote liquide est envoyé à travers le circuit gazeux, passe à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (13) et du déshumidificateur (4) et l'air, est introduit par le système d'amenée (1) à l'intérieur du circuit d'air et est refroidi et évacué dans l'atmosphère en ouvrant la soupape (34). Après avoir vérifié sur lethermomètre (17) que la température de l'air qui traverse la soupape (34) a été amenée à une température prédéterminée par le pré-refroidissement au bout d'une période de temps suffisante, la fourniture d'air à basse température est recommencée en fermant la soupape (34) et en ouvrant la soupape (15). Dans une installation du type précédemment décrit, permettant la fourniture d'air à basse température, l'air ayant une température supérieure à la normale est introduit directement à l'intérieur du séchoir (10) en pré-refroidissant l'installation et ainsi, l'humidité dans l'air introduite ne peut pas être éliminée suffisamment de telle sorte que de telles installations présentent comme inconvénient majeur de donner une condensation de l'eau dans l'échangeur de chaleur (13). La présente invention vise à éliminer les inconvénients précités dans le pré-refroidissement des installations permettant la production d'air à basse température. D'une manière générale, l'invention concerne un procédé et un dispositif permettant le pré-refroidissement d'une installation de production d'air à basse température, procédé et dispositif qui permettent un pré-refroidissement rapide et efficace d'un four de réchauffement. Un autre objet de l'invention réside dans le pré-refroidissement d'une installation pour la produc tion d'air à basse température dans lequel l'installation peut être rapidement et efficacement refroidie aux températures nécessaires pour le fonctionnement normal ou pour la production d'air à basse température pour ce fonctionnement. Un autre objet de l'invention réside dans un procédé et dispositif pour le pré-refroidissement d'une installation de production d'air à basse température dans lequel la capacité d'absorption d'eau d'un four de séchage~est améliorée, ce qui permet d'augmenter la quantité maximum d'air qui peut être traitée. L'invention concerne également un procédé et dispositif pour le pré-refroidissement d'une installation permettant la production d'air à basse température, procédé qui peut être avantageusement mis en oeuvre avec une installation dans laquelle l'air est amené sous une basse pression et dans laquelle l'effet de déshumidification dans le déshumidifieur est bas. Enfin, l'invention vise à fournir un procédé et dispositif pour le pré-refroidissement d'une installation de production d'air à basse température permettant de réduire les coûts d'énergie nécessaires à son fonctionnement. D'une manière générale, l'invention concerne donc un procédé de pré-refroidissement d'une installation permettant la production d'air à basse température, procédé selon lequel l'air est amené sous pression au moyen d'un circuit d'air passant à travers un déshumidificateur, un organe de séchage et un échangeur de chaleur disposés les uns après les autres, un gaz liquéfié cryogénique étant amené à l'intérieur d'un circuit de passage de gaz à travers l'échangeur de chaleur au. déshumidificateur afin de permettre un échange de chaleur entre l'air sos pression et le gaz liquéfié de telle sorte que l'air sous pression soit refroidi afin d'obtenir une basse température, ce procédé se caractérisant en ce qu'il comporte les étapes suivantes:: - arrêt d'amenée d'air sous pression, - introduction du gaz cryogénique liquéfié dans le circuit de passage de gaz pour amener ledit gaz à travers l'échangeur de chaleur et ensuite au déshumidificateur et, - introduction subséquente dudit gaz. sortant du déshumidificateur à l'intérieur du circuit de passage d'air afin d'amener ledit gaz successivement à travers le déshumidificateur, l'organe de sèchage et l'échangeur de chaleur. Le dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention et qui permet de pré refroidirune installation de production d'air à basse température, se caractérise essentiellement en ce que la sortie du circuit de passage de gaz du déshumidificateur est reliée, par l'intermédiaire d'une soupape, à l'entrée du circuit de passage d'air dudit déshumidificateur. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, et qui est illustré par le schéma unique annexé. Ce mode de réalisation est le suivant. Après que le compresseur ou son ventilateur (1) permettant l'amenée d'air ait été stoppé, l'azote liquide est introduit , par ouverture-de la soupape (20) disposée sur le circuit d'amenée (21), à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (13). L'azote liquide se transforme donc en gaz à basse température, gaz qui est amené grâce au conduit (22 et 23) au déshumidificateur (4), ce qui permet de le refroidir. L'azote gazeux est alors évacué du déshumidificateur (4) au travers de la conduite (24) mais n'est pas évacué dans l'atmosphère à travers la soupape (25) mais, au contraire, est introduit grâce à un conduit de dérivation (101) et au travers d'une soupape (102) qui est ouverte seulement lors de l'opération de préchauffage dans une conduite (3) qui constitue l'un des éléments du circuit d'air.L'azote gazeux s'écoule ens-uite au travers du circuit d'air et passe successivement à l'intérieur du déshumidificateur (4) de l'organe de sèchage (10) et de l'échangeur de chaleur (13) pour être évacué, par ouverture de la soupape (34) prévue sur la conduite (14), dans l'atmosphère grâce aux conduites de dérivation (33) et (35). On continue l'opération jusqu'à ce que la température du déshumidificateur (4) soit amenée à +1 C. L'azote gazeux qui est introduit à travers le conduit (101) dans le circuit d'air est l'azote liquide vaporisé et contient une faible quantité d'humidité étant donné que le point de rosée de ce dernier n'est pas supérieur à -70 C (teneur d'eau : 2,5 PPM). Par suite, le pré-#refroidissement est réalisé en douceur en exer çant une faible contrainte sur l'ensemble de sèchage (10) et en n'entraînant pas de nuisance telle que par exemple une condensation de l'eau, dans l'échangeur de chaleur (13). En outre, l'organe de sèchage (10) peut être facilement pré-refroidi étant donné qu'il n'y a qu'une très faible adsorption de chaleur durant une telle opération de pré-refroidissement. Lorsque la température du déshumidificateur (4) atteint +1 C, la soupape (102) est fermée et le dispositif d'amenée d'air (1) est remis en route.Durant l'opération de pré-refroidissement décrite précédemment, une partie de l'azote gazeux qui a été évacuée de l'organe de sèchage (10) au travers de la conduite (11) peut être évacuée dans l'atmosphère en ouvrant une soupape (32) et ce, grâce aux conduites (31) et (35) ; dans un tel cas, le pré-refroidissement de l'organe de séchage (10) peut être accéléré. Ainsi que cela ressort clairement de la description qui précède, il est possible, grâce à la présente invention, d'éliminer les inconvénients des solutions antérieures et notamment le fait que l'eau est condensée dans l'échangeur de chaleur durant l'opération de prérefroidissement. Par ailleurs, le pré-refroidissement de l'ensemble de sèchage peut être réalisé en douceur. L'installation conforme à la présente invention peut être refroidie rapidement et efficacement aux températures nécessaires pour un fonctionnement normal. L'invention est particulièrement intéressante pour une installation de production à basse température dans laquelle le dispositif permettant l'amenée d'air travaille sous une faible pression, de l'ordre d'une colonne d'eau de plusieurs dizaines de millimètres de hauteur, tel que par exemple un ventilateur et que par suite, 1' elfes de déshumidification dans le déshumidificateur est faible. La présente invention permet en outre de diminuer les coûts résultant de la consommation d'énergie étant donné que le dispositif d'amenée d'air est arrêté durant l'opération de pré-refroidissement de l'installation. REVENDICATIONS 1/ Procédé de pré-refroidissement d'une installation permettant la production d'air à basse température, procédé selon lequel l'air est amené sous pression au moyen d'un circuit d'air passant à travers un déshumidificateur, un organe de sèchage et un échangeur de chaleur disposés les uns après les autres, un gaz liquéfié cryogénique étant amené à l'intérieur d'un circuit de passage de gaz à travers l'échangeur de chaleur au déshumidificateur afin de permettre un échange de chaleur entre l'air sous pression et le gaz liquéfié de telle sorte que l'air sous pression soit refroidi afin d'obtenir une basse température, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - arrêt d'amenée d'air sous pression, - introduction du gaz cryogénique liquéfié dans le circuit de passage de gaz pour amener ledit gaz à travers l'échangeur de chaleur (13) et ensuite au déshumidificateur (4) et, - introduction subséquente dudit gaz sortant du déshumidificateur (4) à l'intérieur du circuit de passage d'air afin d'amener ledit gaz successivement à travers le déshumidificateur (4), l'organe de séchage (10) et l'ëchangeur de chaleur (13). 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une partie du gaz sortant de l'organe de sèchage (10) est évacuée directement dans l'atmosphère. 3/ Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 permettant de pré-refroidir une installation-de production d'air à basse température caractérisé par le fait que la sortie du circuit de passage de gaz du déshumidificateur (4) est relié, par l'intermédiaire d'une soupape (102), à l'entrée du circuit de passage d'air dudit déshumidificateur (4). 4/ Dispositif selon la revendication 3, caracté risé par le fait que la sortie du passage du circuit d'air de l'organe de sèchage (10) communique au travers d'une soupape (32) dans l'atmosphère.