Brevet FR2619203A1 — publié le 19890210

PROCEDE ET INSTALLATION DE REFROIDISSEMENT CRYOGENIQUE UTILISANT DU DIOXYDE DE CARBONE LIQUIDE EN TANT QU'AGENT FRIGORIGENE La présente invention concerne le domaine technique de L'utilisation du dioxyde de carbone liquide en tant qu'agent frigorigène à fluide perdu, par exemple pour le refroidissement ou la surgélation de produits alimentaires ou pour le refroidissement rapide de produits ou de pièces industriels. Dans le domaine ci-dessus, Le dioxyde de carbone est, habituellement, liquéfié et stocké dans un réservoir isotherme, en étant maintenu, le plus souvent, à une pression comprise entre 17 et 25 bar absolu et à une température comprise entre 249 et 2610 K. La production frigorifique, à partir du dioxyde de carbone en phase liquide, est obtenue par détente de cette phase à une pression inférieure à celle du point triple dont les coordonnées sont 5,18 bar absolu et 216,5 K. Le plus souvent, la détente s'effectue à une pression proche de la pression atmosphérique. En-dessous d'une pression égale à 5,18 bar absolu, la détente du dioxyde de carbone, en phase liquide, ne peut produire qu'une phase solide et une phase gazeuse. La capacité frigorifique du dioxyde de carbone sous phase liquide est évaluée par la variation d'enthalpie entre un état final correspondant à une pression et une température de travail, et un état initial correspondant à une pression et une température de stockage. A titre d'exemple, un kilogramme de dioxyde de carbone liquide, prélevé sous 20,9 bar absolu et à 255 K et détendu sous phase gazeuse à un bar absolu et à 253 K, absorbe 73,8 kilocalories ou, en d'autres termes, produit 73,8 frigories (fg). La détente, dans les conditions ci-dessus, d'un kilogramme de liquide de dioxyde de carbone fournit 0,46 kg de solide et 0,54 kg de gaz. Or, on sait que, lors de cette détente, la capacité frigorifique du dioxyde de carbone est essentiellement concentrée dans la phase solide. Il y aurait donc un intérêt majeur à pouvoir récupérer au moins en partie la phase gazeuse produite par la détente. 2619 2 0 3 Dans les installations actuelles de stockage et de transformation, le dioxyde de carbone est stocké en phase liquide dans un réservoir principal d'o il est prélevé et véhiculé par une conduite, jusqu'à une enceinte d'utilisation, généralement calorifugée, dans laquelle il est détendu par un ajutage calibré. Le rapport solide-gaz obtenu à la détente dans l'enceinte calorifugée est, généralement, plus faible que celui donné précédemment et résultant du calcul, en raison des pertes thermiques intervenant le long de la conduite de transfert. Une telle installation n'est donc pas à même, bien au contraire, d'améliorer la capacité frigorifique pratique du dioxyde de carbone sous phase liquide. La technique antérieure connaît, également, une proposition consistant à produire la détente du dioxyde de carbone liquide dans une enceinte sensiblement à la pression atmosphérique, afin de fournir de la neige carbonique qui est ensuite transportée au point d'utilisation et dispersée mécaniquement dans l'enceinte d'utilisation. Cette solution n'est pas satisfaisante car la chaîne logistique qu'elle implique se heurte à des difficultés considérables tant en ce qui concerne le stockage que le transport et la mise en oeuvre au lieu d'utilisation (mottage, voûtage, sublimation, etc...). Un procédé également connu consiste à récupérer le dioxyde de carbone gazeux à la sortie d'une enceinte calorifugée après utilisation de son pouvoir frigorigéne, afin de le comprimer et le liquéfier à nouveau. Un tel procédé est extrêmement coûteux tant en investissement, car il nécessite des opérations complexes d'épuration et de séchage ajoutées à une compression multi-étapes, qu'en énergie, car le gaz récupéré se trouve généralement à une pression voisine de 1 bar absolu. Un tel procédé n'est pas économiquement intéressant. La présente invention vise, justement, à proposer une nouvelle technique de refroidissement permettant d'améliorer l'économie de refroidissement cryogénique, par récupération de la phase gazeuse produite, par la détente du dioxyde de carbone 261920 3 liquide. L'objet de l'invention est de proposer un procédé et une installation de refroidissement cryogénique permettant, avec un coût minimal, de récupérer la phase gazeuse produite Lors de La détente pour la recycler, après compression-liquefaction, dans le circuit de dioxyde de carbone liquide, en vue de sa réutilisation. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, le procédé de récupération conforme à l'invention consiste: - à provoquer la détente du dioxyde de carbone liquide dans au moins un appareil de détente et de séparation disposé en amont et, de préférence, à proximité immédiate d'une enceinte d'utilisation, - à prélever de cet appareil, d'une part, le dioxyde de carbone sous forme solide pour - l'expulser et le disperser dans l'enceinte et, d'autre part, le dioxyde de carbone sous forme gazeuse produit par la détente, - à comprimer la phase gazeuse prélevée, - et à liquéfier cette phase gazeuse comprimée en vue de sa réutilisation. L'invention vise, également, une installation de récupération de la phase gazeuse produite par détente du dioxyde de carbone liquide utilisé en tant qu'agent frigorigène, installation caractérisée en ce qu'elle comprend: en tant qu'organe de détente, au moins un appareil de détente et de séparation des phases solide et gazeuse, interposé entre la conduite et l'enceinte et comportant une sortie de phase gazeuse et une sortie de phase solide communiquant par un obturateur avec l'enceinte, - une canalisation de reprise de la phase gazeuse raccordée à la sortie de phase gazeuse de l'appareil, - un compresseur alimenté par la canalisation de reprise, - et un moyen de liquéfaction de la phase gazeuse en vue de sa réutiLisation. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexes qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue schématique d'une première installation de refroidissement selon l'invention. La fig. 2 est une coupe-élévation montrant, à plus grande échelle, un élément constitutif de l'installation. La fig. 3 est une coupe transversale prise selon la ligne III-III de la fig. 2. Les fig. 4 à 6 sont deux vues schématiques illustrant deux variantes de réalisation de l'installation selon la fig. 1. La fig. 7 est une vue schématique illustrant un développement de l'invention. La fig. 8 est une vue schématique illustrant un exemple pratique de mise en oeuvre de l'invention. La fig. 1 illustre une installation pour la mise en oeuvre du procédé de refroidissement à partir du dioxyde de carbone liquide utilisé en tant qu'agent frigorigène. Une telle installation comprend un réservoir de stockage principal 1 prolongé, à partir d'une tubulure de soutirage 2, par une conduite 3 menant à une enceinte d'utilisation 4 pourvue d'un évent 4a. La conduite 3 est équipée, en amont de l'enceinte d'utilisation 4, d'un appareil de détente-séparation 5 de tout type convenable, situé, de préférence, à proximité de l'enceinte 4 qui est réalisée de manière à constituer une capacité sinon isotherme du moins calorifugée. L'appareil 5, illustré par les fig. 2 et 3, est, par exemple, réalisé sous la forme d'un cyclone et comprend un corps tubulaire cylindro-tronconique 6 muni, dans sa partie cylindrique et à proximité de sa paroi transversale 7, d'un raccord tangentiel 8 pour le montage de la conduite 3. Le raccord 8 est pourvu d'un ajutage calibré 9 formant gicleur. La partie tronconique est raccordée à l'enceinte 4 par un obturateur 10 du type sphérique actionné par une commande 11 placée sous la dépendance d'un détecteur de niveau D porté par Le corps 6 ou d'une temporisation ou, encore, de tout dispositif de fonctionnement intermittent. La commande 11 est conçue pour assurer l'ouverture temporisée de l'obturateur 10 chaque fois que le corps 6 est, au moins en partie, rempli de neige carbonique. Le corps 6 est muni sur sa paroi 7 d'un raccord 12 pourvu d'un filtre 13 et d'un clapet anti-retour 14 taré ou lesté. Le raccord 12 est branché à une canalisation 15 de reprise menant à l'entrée d'un compresseur 16 dont la sortie est raccordée à l'échangeur d'une machine frigorifique 17, lui- même branché à une tubulure d'admission 18 du réservoir de stockage 1. De façon habituelle, le réservoir I assure le stockage d'une masse M de dioxyde de carbone en phase liquide, généralement maintenu à une pression comprise entre 17 à 25 bar absolu et à une température comprise entre 249 et 261 K. Selon l'invention, la phase liquide du dioxyde de carbone est prélevée, à partir du réservoir 1, par l'intermédiaire de la conduite de soutirage 3, par exemple sous 20,9 bar absolu et à 255 K. La phase liquide ainsi véhiculée est détendue dans l'appareil 5 par l'intermédiaire de l'ajutage calibré 9 dont les caractéristiques sont choisies pour entretenir une détente à une pression comprise entre 1 et 5, 18 bar absolu et, de préférence, entre 4,5 et 5,18 bar absolu. Cette détente produit la formation d'une phase solide P dans l'appareil 5 duquel elle est extraite, par l'ouverture temporaire de l'obturateur 10, pour être expulsée dans l'enceinte 4 dans laquelle règne une pression toujours inférieure à celle existant dans l'appareil 5. La fraction gazeuse, produite par la détente ainsi que par les pertes thermiques s'établissant le long de la conduite 3, est prise en charge par la canalisation de reprise 15 pour être amenée au compresseur 16 chargé de ramener cette phase gazeuse à une pression de l'ordre de celle de soutirage, par exemple, 20,9 bar absolu. A la sortie du compresseur, la phase gazeuse comprimée est liquéfiée en traversant l'évaporateur de la machine frigorifique 17 dont le condenseur est refroidi, soit par de l'eau, soit par de l'air, soit par tout autre moyen convenable. Selon une disposition de L'invention, la machine frigorifique 17 est du type entretenant à l'évaporateur une température de 238 à 233 K. Une telle machine peut, par exemple, être du type à pistons alternatifs ou à vis fonctionnant avec un fluide frigorigène désigné dans le commerce sous la marque fréon R 502 ou faire partie d'une unité fonctionnant à l'ammoniac comme cela est connu dans la technique de production de froid dans les entrepôts frigorifiques notamment. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, la phase gazeuse, prélevée à partir de l'appareil 5, est récupérée sous une pression de l'ordre de celle de détente, c'est-à-dire comprise, de préférence, entre 4,5 et 5,18 bar absolu. Le compresseur 16 chargé de ramener cette phase gazeuse à la pression originelle ,9 bar absolu ne doit, en conséquence, faire intervenir qu'un taux de compression relativement faible se situant entre 4,64 et 4,03. Une installation de ce type est peu coûteuse de conception et de fonctionnement et permet de recycler, sous phase liquide et en mettant à profit le fonctionnement d'une machine frigorifique, l'essentiel du dioxyde de carbone produit en phase gazeuse par la détente. Selon les conditions théoriques, un tel procédé peut être estimé apte à la récupération d'environ 50 % de la masse de dioxyde de carbone liquide soutiré et détendu dans l'appareil 5. De la sorte, il devient possible de considérer que, par la mise en oeuvre du procédé et d'une installation selon l'invention, on abaisse l'enthalpie du fluide cryogénique, de sorte que l'état du dioxyde de carbone utile, générant la capacité frigorifique, se trouve proche de l'état 100 % solide. Selon le procédé de l'invention, une fraction de la phase gazeuse, produite dans l'appareil 5 par la détente du dioxyde de carbone liquide, est conservée dans cet appareil en raison de la présence de l'obturateur 10 sous une pression qui peut être sensiblement la pression de détente. Cette phase gazeuse représente un agent moteur pour l'expulsion et la dispersion du dioxyde de carbone solide, dès l'ouverture de l'obturateur 10. Pour maintenir cette fraction de phase gazeuse à l'intérieur de l'appareil 5, l'obturateur étanche est généralement du type tournant à boisseau cylindrique, conique ou, de préférence, sphérique. Il convient de noter que la phase gazeuse comprimée, produite par le compresseur 16, se trouve à une température encore basse, de l'ordre de 313 K. Ainsi, il devient possible de produire sa liquéfaction par un simple passage dans l'évaporateur d'une machine frigorifique 17, de type, sinon ordinaire, du moins classique dans l'industrie. Par ailleurs, la phase gazeuse est prélevée dans l'appareil 5 situé en amont de l'enceinte 4 et se trouve, de ce fait, exempte de pollution en provenance de cette dernière. Un recyclage sans traitement peut ainsi être effectué. Pour améliorer les conditions de fonctionnement du compresseur 16, il pourrait être prévu de raccorder sa sortie, non pas directement mais par un échangeur 19, à la machine 17 et de faire traverser cet échangeur par la phase gazeuse prélevée par la canalisation 15 (fig. 1). La fig. 4 illustre une variante de l'invention consistant à raccorder la sortie du compresseur 16 à un réservoir 20 de stockage intermédiaire à partir duquel est établie la conduite de soutirage 3. Le réservoir de stockage intermédiaire est alimenté,à travers une vanne de détente 21, par le réservoir de stockage principal. Le réservoir intermédiaire 20 est associé aux évaporateurs 22 et 22a d'une machine frigorifique 23 de tout type approprié, capable d'entretenir, par son fonctionnement, la liquéfaction de la phase gazeuse comprimée fournie par le compresseur 16, ainsi que le maintien en phase liquide de la fraction de dioxyde de carbone fournie par le réservoir de stockage principal 1. Une machine frigorifique convenant particulièrement bien est du type capable d'entretenir un stockage intermédiaire sous phase liquide, à une pression voisine de 13 bar absolu et à une 261920 3 température inférieure à 241 K. Une telle machine doit posséder un évaporateur capable d'entretenir une température comprise entre 238 K et 233 K. Dans cette variante, l'énergie de compression dépensée par le compresseur 16 est abaissée par rapport à celle nécessaire dans le premier exemple décrit en référence à la fig. 1. Le taux de compression, entretenu par le compresseur 16, est alors ramené à une valeur nettement inférieure, par exemple comprise entre 2,88 et 2,5. Une réduction analogue du taux de compression pourrait, bien entendu, être également obtenue en procédant, tel qu'indiqué sur la fig. 5, à la liquéfaction par une machine frigorifique 24 de la phase gazeuse comprimée par le compresseur 16, cette liquéfaction étant réalisée à une pression sensiblement inférieure à celle du réservoir 1, par exemple 13 Bar. Une pompe 25 est alors prévue entre le liquéfacteur frigorifique 24 et le réservoir 1 pour y réintroduire le liquide. La fig. 6 illustre un développement mis en oeuvre pour entretenir un fonctionnement à charge constante du compresseur 16 et des moyens de liquéfaction 17 ou 23 éventuellement. Dans les installations, du type décrit précédemment, il est courant que l'utilisation du dioxyde de carbone, en tant qu'agent frigorigène, connaisse une irrégularité dans la demande. Pour éviter que cette irrégularité ne soit imposée au compresseur 16, la fig. 6 illustre un développement consistant à raccorder l'entrée du compresseur 16 à une canalisation de bouclage 30 équipée d'un régulateur 31 et branchée au réservoir de stockage 1 ou 20. La canalisation 30 est branchée dans la partie du réservoir située au-dessus du niveau de remplissage maximal de la phase liquide. Ainsi, en l'absence de phase gazeuse fournie par la canalisation de reprise 15, le compresseur 16 prélève directement, par la canalisation 30, la phase gazeuse nécessaire à l'établissement d'un fonctionnement continu régulier de compression et de liquéfaction. Une telle installation est rendue possible par la présence du clapet 14 s'opposant à une circulation canalisation 15 - appareil 5. La fig. 7 montre que le procédé de l'invention et l'installation pour sa mise en oeuvre peuvent être prévus pour l'alimentation et la récupération à partir de plusieurs appareils 5a... Sn. Dans un tel cas, les appareils 5 sont branchés en parallèle, à partir d'une conduite de soutirage 3, par des branches 3a... 3n munies de robinets 40a... 40n, et sont raccordés, également en parallèle, à la canalisation de reprise 15 par des dérivations 15a... 15n. Chaque dérivation 15a... 15n est équipée d'un clapet anti-retour 14 autorisant seulement une circulation de la phase gazeuse de dioxyde de carbone depuis l'appareil correspondant en direction du compresseur 16. La fig. 8 montre, à titre d'exemple, une installation de refroidissement cryogénique comprenant une enceinte calorifugée 4 de dimensions intérieures 900 mm x 900 mm x 700 mm pourvue de parois isolantes en mousse de polyuréthanne de 80 mm d'épaisseur, d'un motoventilateur 50 et d'un thermostat 51. L'enceinte 4 est raccordée à une installation du type de la fig. 1 par: - un système conventionnel (I) faisant intervenir un gicleur 52 interne à l'enceinte et une électrovanne 53, - par un système selon l'invention incluant un appareil 5 capable de délivrer en continu 10 kg/h de neige carbonique à partir de dioxyde de carbone liquide. A l'intérieur de l'enceinte et sur quatre niveaux distants de 80 mm, on a disposé des grilles 54 supportant au total vingt-quatre barquettes 55 non opercuLées de dimensions 265 mm x 325 mm x 50 mm l'une et chargées en produits alimentaires. La charge utile à refroidir est 0,8 x 24 = 19,2 kg. Toutes conditions égales au départ et à la fin de l'essai (soit + 60 C et - 10 C mesurés par un thermocouple 56 sur une barquette témoin), on a relevé les consommations moyennes suivantes, sur trois essais, par lecture de la variation du poids du réservoir I posé sur un système de pesage 57: - procédé conventionnel (I).......................... 23,3 kg - procédé suivant l'invention (II)................... 13,6 kg 2619 2 0 3 Il convient de citer, en tant qu'avantage supplémentaire de l'invention, que le débit de dioxyde de carbone gazeux et froid, quittant l'enceinte 4 par l'évent 4a après avoir cédé ses frigories, est sensiblement réduit par rapport au procédé conventionnel. De la sorte, les pertes de frigories résultant de l'échappement des gaz froids en sont substantiellement réduites. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. 2619 2 03 REVENDICATIONS: 1 - Procédé de refroidissement cryogénique utilisant du dioxyde de carbone liquide en tant qu'agent frigorigène, du type consistant à provoquer la détente du dioxyde de carbone, à partir d'un stockage sous forme liquide, caractérisé en ce qu'il consiste: - à provoquer la détente du dioxyde de carbone liquide dans au moins un appareil de détente et de séparation disposé en amont et, de préférence, à proximité immédiate d'une enceinte d'utilisation, - à prélever de cet appareil, d'une part, le dioxyde de carbone sous forme solide pour l'expulser et le disperser dans l'enceinte et, d'autre part, le dioxyde de carbone sous forme gazeuse produit par la détente, - à comprimer la phase gazeuse prélevée, - et à liquéfier cette phase gazeuse comprimée en vue de sa réutilisation. 2 - Procédé de refroidissement cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prélève la phase gazeuse entre deux phases successives d'expulsion de la phase solide produite par la détente à l'intérieur de l'appareil de détente et de séparation. 3 - Procédé de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la phase gazeuse récupérée, recomprimée et reliquéfiée est réintroduite dans le réservoir de stockage sous forme liquide. 4 - Procédé de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la phase gazeuse récupérée, recomprimée et reliquéfiée est introduite dans un réservoir de stockage intermédiaire alimenté par le réservoir de stockage principal. - Procédé de refroidissement selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il consiste à raccorder l'entrée du compresseur à un circuit de bouclage issu du réservoir de stockage. 6 - Procédé de refroidissement selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'on stocke sous forme Liquide le dioxyde de carbone dans un réservoir de stockage intermédiaire à une pression inférieure à celle du réservoir principal. 7 - Appareil de détente et de séparation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'un corps tubulaire (6) cylindrotronconique muni, sur sa face transversale (7) fermant la partie cylindrique, d'un raccord (12) de montage d'une canalisation (15) de reprise de phase gazeuse et, en retrait de cette face, d'un embout (8) de raccordement tangentiel équipé d'un gicleur (9) et raccordé à une canalisation de soutirage (3) et pourvu à son extrémité tronconique d'un obturateur (10) à ouverture séquentielle. 8 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le raccord (12) comporte un clapet anti-retour (14) s'opposant à une circulation canalisation de repriseappareil de détente et de séparation. 9 - Appareil selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il est muni d'un détecteur (D) de niveau de remplissage en phase solide, un tel détecteur pilotant l'ouverture séquentielle temporisée de l'obturateur (10). - Installation de refroidissement cryogénique utilisant du dioxyde de carbone liquide en tant qu'agent frigorigène, du type comprenant un réservoir de stockage (1), une conduite de soutirage (3) équipée d'un organe de régulation et une enceinte d'utilisation (4), caractérisée en ce qu'elle comprend: - en tant qu'organe de détente, au moins un appareil (5) de détente et de séparation des phases solide et gazeuse interposé entre la conduite (3) et l'enceinte (4) et comportant une sortie de phase gazeuse et une sortie de phase solide communiquant par un obturateur (10) avec l'enceinte, - une canalisation (15) de reprise de la phase gazeuse raccordée à la sortie de phase gazeuse de l'appareil (5), - un compresseur (16) alimenté par la canalisation de reprise (15), - et un moyen (17) de liquéfaction de la phase gazeuse en vue de sa réutilisation. 11 - Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'appareil de détente et de séparation est du type cyclone, comporte une arrivée tangentielle (3) de dioxyde de carbone liquide et possède un obturateur de sortie (10) à ouverture séquentielle pilotée par un détecteur (D) de niveau de remplissage en phase solide de l'appareil. 12 - Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que la sortie du moyen de liquéfaction (17) est raccordée au réservoir de stockage (1). 13 - Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le compresseur (16) est branché à un réservoir de stockage intermédiaire (20) associé à une machine frigorifique (23) et raccordé, d'une part, à l'appareil (5) et, d'autre part, au réservoir de stockage principal (1). 14 - Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que la machine frigorifique (23) possède un évaporateur (22) plongeant dans la phase liquide du réservoir de stockage intermédiaire (20). - Installation selon la revendication 12, 13 ou 14, caractérisée en ce que l'entrée du compresseur (16) est reliée, également, au réservoir de stockage par un circuit de bouclage (30).