Brevet FR2582785A1 — publié le 19861205

La présente invention concerne une installation autonome de refroidissement d'un fluide gazeux tel que de l'air, et plus particulièrement une telle installation comportant des moyens de stockage d'un gaz cryogénique liquéfié sous pression, et des moyens pour détendre ce gaz cryogénique. On sait que les locaux dans lesquels sont installés certains équipements tels que des ordinateurs ou des onduleurs doivent être maintenus à température sensiblement constante pour assurer un fonctionnement satisfaisant de ces équipements. Cette température constante est assurée à l'aide d'installations de climatisation classiques utilisant comme source d'énergie l'électricité fournie par le réseau. I1 en résulte qu'en cas de panne du réseau, ces installations cessent de fonctionner et que la température dans le local peut augmenter jusqu'à un niveau qui ne peut être toléré par l'équipement qui y est installé. La présente invention vise à pallier cet inconvénient et a pour but à cet effet de fournir une installation autonome de refroidissement pouvant prendre le relais de l'installation de climatisation principale en cas de défaillance de cette dernière. On a déjà proposé de refroidir une enceinte close par détente dans cette enceinte d'un gaz stocké sous pression. Un tel dispositif ne peut toutefois pas donné satisfaction dans la mesure où il conduit à une grande inhomogénéité de la température dans l'enceinte et où il ne permet pas de contrôler la détente du gaz. La présente invention a par conséquent pour objet, une installation autonome de refroidissement d'un fluide gazeux tel que de l'air, comportant des moyens de stockage d'un gaz cryogénique liquéfié sous pression et des moyens pour détendre ledit gaz cryogénique, caractérisée par le fait qu'elle comprend, en aval desdits moyens de détente, le circuit primaire d'un échangeur de chaleur principal et une turbine à gaz en aval dudit circuit primaire, ladite turbine à gaz étant couplée à un ventilateur agencé pour faire circuler ledit fluide gazeux dans le circuit secondaire de l'échangeur principal, et que lesdits moyens de détente sont agencés pour détendre le gaz cryogénique à une pression telle que sa pression en amont de la turbine à gaz est supérieure à la pression ambiante. Ainsi, la vaporisation du gaz cryogénique s'effectue dans le circuit primaire de l'échangeur principal qui -constitue par conséquent un échangeur diphasique. La pression en amont de la turbine à gaz étant supérieure U la pression ambiante, la turbine peut entratner le ventilateur qui assure la circulation de l'air dans le circuit secondaire de cet échangeur diphasique. Cette installation est par conséquent autonome puisqu'elle ne nécessite aucun apport énergétique de l'extérieur, en particulier en vue de la circulation du fluide gazeux à réfroidir. Par ailleurs, elle est facilement adaptable à la durée de fonctionnement souhaitée, par le choix de la capacité de stockage du gaz cryogénique. Dans un mode de réalisation préféré, l'installation selon l'invention comporte un échangeur de chaleur auxiliaire dont le circuit primaire est disposé en amont des moyens de détente et le circuit secondaire est disposé en aval du circuit primaire de l'échangeur principal. Cet échangeur provoque par conséquent un sous refroidissement du fluide cryogénique en phase liquide préalablement à son passage dans l'échangeur principal, et une surchauffe du fluide cryogénique en phase gazeuse à sa sortie de cet échangeur principal. Il en résulte un abaissement de l'enthalpie du fluide cryogénique liquide, qui est ensuite récupérée à la sortie de l'échangeur principal. En d'autres termes, la température de vaporisation est abaissée d'où il résulte en particulier que l'échangeur principal fonctionne dans de meilleures conditions. Les moyens de détente sont de préférence constitués par une vanne de régulation dont l'ouverture est asservie sur la pression régnant dans le circuit primaire de l'échangeur principal. Cette vanne régule par conséquent le débit de gaz liquéfié dans le circuit primaire de l'échangeur principal, cette vanne étant ouverte lorsque la pression dans ce circuit est inférieure à une pression de référence. L'installation selon l'invention peut également comprendre en aval du circuit primaire de l'échangeur principal, une deuxième vanne de régulation, disposée par exemple en aval du circuit secondaire de l'échangeur auxiliaire, l'ouverture de cette deuxième vanne étant alors asservie à la pression de sortie dudit circuit secondaire de l'échangeur auxiliaire. Cette deuxième vanne régule par conséquent la pression dans le circuit primaire de l'échangeur principal, cette vanne étant ouverte lorsque la pression dans l'échangeur est supérieure à une pression de référence. Ces deux vannes de régulation sont avantageusement des vannes à commande par conduit capillaire, par exemple pneumatiques. En variante, les vannes de régulation pourraient être asservies à la température dans le circuit primaire de l'échangeur principal. L'installation selon l'invention peut également comprendre un ballon tampon entre ladite deuxième vanne de régulation et la turbine à gaz, ce ballon étant muni d'une soupape de régulation. La soupape de régulation est réglée à une pression légèrement inférieure à la pression d'alimentation du ballon, ce qui permet d'alimenter la turbine à gaz à une pression à peu près constante. En ce qui concerne le gaz cryogénique utilisé, il doit bien entendu posséder une chaleur latente de vaporisation importante et par ailleurs ne pas présenter de toxicité compte-tenu du fait qu'il est rejeté dans l'atmosphère. On pourra ainsi utiliser du gaz carbonique. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation particulier de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue schématique d'une installation selon l'invention. - la figure 2 est un diagramme d'état enthalpie-pression du gaz carbonique sur lequel est représenté un cycle possible pour le fluide cryogénique. L'installation de la figure 1 comprend des bouteilles de stockage 1 de gaz carbonique à la température ambiante de 200 C et sous une pression de 6 70 kg/cm2 (environ 7 x 106 Pa). Un conduit 2 relie la sortie des bouteilles 1 à l'entrée du circuit primaire 3 (faisceau liquide) d'un échangeur auxiliaire 4. La sortie du circuit 3 est reliée à l'entrée d'une vanne de régulation 5 dont la sortie correspond à l'entrée dans le circuit diphasique 6 d'un échangeur principal 7. L'ouverture et la fermeture de la vanne 5 est assurée au moyen d'un conduit capillaire 8 transmettant à la vanne 5 la pression dans le conduit 6 telle que détectée par un capteur de pression 9 a' membrane . La vanne 5 est réglée de telle sorte qu'elle s'ouvre lorsque la pression détectée en 9 est inférieure à une valeur prédéterminée choisie par exemple égale à 8 kg/cm2 (environ 8 x 105 Pa). La pression de régulation de la vanne 5 est de toute manière choisie supérieure à la pression de formation de neige carbonique telle qu'elle est déterminée sur le diagramme d'état. La sortie du circuit 6 est reliée à l'entrée du circuit secondaire 10 (faisceau gaz) de l'échangeur 4. Ainsi, de la chaleur est échangée entre le fluide cryogénique en phase liquide dans le circuit primaire 3 de ltéchangeur 4, et ce fluide en phase gazeuse dans le circuit secondaire 10. On verra ci-après sur le diagramme de la figure 2 le but de cet échangeur. Une deuxième vanne de régulation 11 est disposée en aval du circuit secondaire 10 de l'échangeur 4. Cette vanne 11 est similaire à la vanne 5 et son ouverture est commandée, par l'intermédiaire d'un conduit capillaire 13, par un capteur de pression 12 à membrane, disposé à la sortie du circuit 10 de l'échangeur 4. La vanne 11 s'ouvre lorsque la pression détectée en 12 dépasse une valeur prédéterminée, par exemple 8 kg/cm2 (environ 8 x 105 Pa). On constate par conséquent que la vanne 5 assure la régulation du débit dans le circuit 6 de l'échangeur 7, alors que la vanne 11 assure la régulation de pression dans ce même circuit. Le gaz sortant de la vanne 11 est dirigé vers un ballon tampon 14 dont la sortie est reliée à la turbine à gaz 15. Le ballon 14 est muni d'une soupape de régulation 16 assurant que la pression dans le ballon 14 ne dépasse pas la valeur admissible à l'entrée de la turbine 15, par exemple 6 kg/cm2 (environ 6 x 105 Pa). A la sortie de la turbine 15, le gaz cryogénique est rejeté à l'atmosphère en 17. Par ailleurs, la turbine 15 est couplée mécaniquement à un ventilateur 18 assurant la circulation de l'air à refroidir dans le conduit 19 formant le circuit secondaire de l'échangeur 7. On voit sur la figure 2 le cycle du gaz carbonique dans l'installation de la figure 1. Sur ce diagramme d'état, l'enthalpie H a été portée en abscisse et la pression P en ordonnée. On reconnatt sur ce diagramme la zone A "liquide", la zone B "gaz", la zone C "liquide + gaz" séparée des zones A et B par la courbe de vaporisation 21, et la zone D "solide" séparée de la zone C par l'isobare 22. Sur le diagramme de la figure 2, les seules courbes paramétriques indiquées sont les isothermes à 200 C, 50C, ODC et - 450C, les courbes à volume spécifique constant et à entropie constante ayant été supprimées pour une meilleure lisibilité. Sur le cycle du gaz carbonique, le segment ab représente -le refroidissement du liquide dans l'échangeur 4 à la pression constante de 70 kg/cm2 (environ 7 x 106 Pa). Dans l'exemple représenté, le liquide est ainsi refroidi sensiblement de 20 C à OOC. Le segment bc représente ensuite la détente adiabatique dans la vanne 5 jusqu'à la pression de 8 kg/cm2 (environ 8 x 10 Pa) pour laquelle il n'y a pas encore formation de neige carbonique. Au cours de cette détente, la température du gaz carbonique est abaissée Susqu'à - 450C. Le segment cd représente la vaporisation du gaz carbonique à température constante dans le circuit diphasique 6 de l'échangeur 7. Le gaz carbonique (en phase gazeuse) est alors réchauffé de - 450C à + 50C dans le circuit secondaire 10 de l'échangeur 4. Cet échauffement se fait également à pression constante du fait de la régulation. Le gaz est ensuite détendu (segment ef) jusqu'à la pression de 6 kg/cm2 (environ 6 x 105 Pa) dans le ballon 14, puis jusqu'à la pression ambiante (segment fg) dans la turbine 15 à la sortie de laquelle il est rejeté à l'atmosphère. On notera sur la figure 2, le double avantage de l'échangeur 4 de surrefroidissement du liquide et de surchauffe du gaz. En ce qui concerne le circuit primaire de cet échangeur, il permet d'abaisser l'enthalpie du fluide cryogénique liquide de la quantité ab qui est ensuite récupérée au début du segment cd lors de la vaporisation. Du côté du circuit secondaire, cet échangeur permet d'élever la température du gaz de - 450C à + 50C, et par conséquent de faire fonctionner la turbine à gaz dans des conditions plus favorables. Diverses variantes et modifications peuvent bien entendu être apportées à la description qui précède sans sortir pour autant du cadre ni de l'esprit de l'invention. C'est ainsi, en particulier, que l'on peut supprimer l'échangeur auxiliaire 4 à condition bien entendu de renoncer à ses avantages. Par ailleurs, on a supposé que le refroidissement de l'air dans l'échangeur 7 résultait uniquement de la vaporisation du gaz carbonique. Il est en fait possible de prévoir un début de réchauffement du gaz carbonique dans le conduit 6 de l'échangeur, auquel cas le point d de la figure 2 est décalé sur la droite en direction du point e. En outre, d'autres gaz cryogéniques que le gaz carbonique pourraient être utilisés, mais ce dernier posséde l'avantage de pouvoir être facilement stocké à la température ambiante, de présenter une chaleur latente de vaporisation importante et de ne pas être toxique. REVENDICATIONS 1 - Installation autonome de refroidissement d'un fluide gazeux tel que de l'air, comportant des moyens de stockage (1) d'un gaz cryogénique liquéfié sous pression et des moyens (5) pour détendre ledit gaz cryogénique, caractérisée par le fait qu'elle comprend, en aval desdits moyens de détente, le circuit primaire (6) d'un échangeur de chaleur principal (7) et une turbine à gaz (15) en aval dudit circuit primaire, ladite turbine à gaz étant couplée à un ventilateur (18) agencé pour faire circuler ledit fluide gazeux dans le circuit secondaire (19) de l'échangeur principal, et que lesdits moyens de détente sont agencés pour détendre le gaz cryogénique à une pression telle que sa pression en amont de la turbine à gaz est supérieure à la pression ambiante. 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend un échangeur de chaleur auxiliaire (4) dont le circuit primaire (3) est disposé en amont desdits moyens de détente et le circuit secondaire (10) est disposé en aval du circuit primaire de l'échangeur principal. 3 - Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que lesdits moyens de détente sont constitués par une vanne de régulation dont l'ouverture est asservie à la pression régnant dans le circuit primaire de l'échangeur principal. 4 - Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait qu'elle comprend, en aval du circuit primaire de l'échangeur principal, une deuxième vanne de régulation (11). 5 - Installation selon l'ensemble des revendications 2 et 4, caractérisée par le fait que ladite deuxième vanne de régulation est disposée en aval du circuit secondaire de l'échangeur auxiliaire, et que son ouverture est asservie à la pression de sortie dudit circuit secondaire de l'échangeur auxiliaire. 6 - Installation selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée par le fait que lesdites vannes de régulation sont des vannes à transmission de pression pneumatique par capillaire. 7 - Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée par le fait qu'elle comprend un ballon tampon (14) entre ladite deuxième vanne de régulation et la turbine à gaz, ledit ballon étant muni d'une soupape de régulation (16). 8 - Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que ledit gaz cryogénique est du gaz carbonique.