Brevet FR2627101A1 — publié le 19890818

INSTALLATION D'EVAPORATION A BASSE TEMPERATURE COMPRENANT UN SYSTEME DE POMPE A CHALEUR ET AU MOINS UN CHANGEUR REGULATEUR La présente invention concerne l'évaporation à basse température de liquides quels qu'ils soient, et en particulier de jus de fruits ou d'agrumes en vue de leur concentration. Elle vise plus précisément une installation d'évaporation à basse température mettant en oeuvre un système de pompe à chaleur à fluide intermédiaire et au moins un échangeur placé sur le circuit du fluide intermédiaire en vue de réguler l'équilibre énergétique de l'installation au cours de son fonctionnement, y compris lors du démarrage. On connaît par le brevet français NO 982.957 une installation d'évaporation à basse température, par exemple de 00C à 15 C, comprenant un évaporateur et un condenseur fonctionnant sous vide en combinaison avec une machine frigorifique assurant d'une part le refroidissement du condenseur par détente d'un fluide frigorigène et d'autre part le chauffage de l'évaporateur au moyen de la chaleur engendrée par la recompression de ce fluide. A la connaissance de la demanderesse, l'installation décrite dans le brevet précité n'a pas eu de développement industriel, en quarante cinq années, malgré les réels avantages économiques apportés. Ceci est vraisemblablement dû aux difficultés , inhérentes au principe retenu , rencontrées au démarrage de l'installation puis pour en obtenir un fonctionnement stable. Or on a trouvé et c'est ce qui fait l'objet de l'invention une installation d'évaporation à basse température qui pallie les inconvénients précités à savoir qu'elle est facile à démarrer et qu'elle est d'un fonctionnement stable. Cette installation est du type connu par le brevet français NO 982.957, comportant un premier circuit sous vide partiel, pour le liquide à évaporer, qui comprend un évaporateur et un condenseur et un second circuit, pour un fluide caloporteur qui comprend un compresseur et un détendeur, dans lequel second circuit le fluide caloporteur détendu refroidit le condenseur et le fluide caloporteur comprimé réchauffe l'évaporateur. Selon l'invention, le second circuit comprend également au moins un échangeur assorti de moyens de régulation assurant l'équilibre énergétique de l'installation. Ainsi les moyens de régulation détectent les écarts de fonctionnement de l'installation par rapport au régime stable et commandent l'action du ou des échangeurs de manière à corriger les écarts constatés. Selon une première version de l'installation d'évaporation selon l'invention, l'échangeur apporte au fluide caloporteur de l'énergie - c'est donc un réchauffeur - et il est placé sur le second circuit après le détendeur et avant le compresseur, en parallèle avec le condenseur. L'action de ce réchauffeur permet de démarrer l'installation sans difficultés.En effet lors du démarrage d'une installation du type connu par le brevet N0 982.957, on a remarqué que dès la mise en marche du compresseur, on condense le fluide caloporteur, qui était précédemment à l'état gazeux, dans les canalisations passant par l'évaporateur. Or, dans l'évaporateur, le liquide à évaporer doit d'abord être réchauffé jusqu'à sa température d'ébullition avant d'émettre la vapeur, qui est dirigée vers le condenseur. Ainsi pendant la période de fonctionnement suivant immédiatement la mise en route du compresseur, il se produit une condensation du fluide caloporteur suivie de la détente du fluide condensé, mais le fluide caloporteur détendu ne peut être entièrement vaporisé, faute de chauffage du condenseur par la vapeur provenant de l'évaporateur. Il en résulte une diminution rapide de la pression à l'aspiration du compresseur et une demande d'énergie importante de ce dernier. En pratique le système de sécurité du compresseur arrête celui-ci, mais dans le cas contraire on risquerait d'avoir entraînement du fluide caloporteur sous forme liquide au compresseur, et donc risque de dégradation. Selon l'invention, le réchauffeur, placé sur le circuit du fluide caloporteur, en parallèle avec le condenseur, apporte au fluide caloporteur détendu la chaleur nécessaire à sa vaporisation, qui ne lui est pas apportée par la vapeur provenant du circuit du liquide à évaporer, lors du démarrage de l'installation. On comprend que le réchauffeur sera mis hors circuit dès que l'évaporateur générera la vapeur suffisant à l'évaporation du fluide caloporteur détendu , dans le condenseur. Ceci sera fait, en particulier, grâce à un moyen de régulation comprenant une prise de mesure de la pression à l'aspiration du compresseur et une vanne réglant l'action du réchauffeur en fonction de la valeur de la pression à l'aspiration mesurée.En effet en fonctionnement stable, la pression à l'aspiration du compresseur est approximativement constante, alors qu'au démarrage on a expliqué ci-dessus qu'elle diminuait. Ainsi la mesure de la pression à l'aspiration est faite à intervalles réguliers ou en continu et la vanne commande le passage du fluide caloporteur détendu dans le réchauffeur et/ou dans le condenseur en fonction de l'évolution de la pression. La mise hors circuit du réchauffeur est faite progressivement. Selon une deuxième version de l'installation d'évaporation selon l'invention, l'échangeur enlève au fluide caloporteur de l'énergie et il est placé sur le second circuit , en série avec l'évaporateur , après le compresseur et avant l'évaporateur. Dans la suite de la présente demande on désignera cet échangeur enlevant de l'énergie au fluide caloporteur sous le terme désurchauffeur, sachant qu'il assure non seulement une désurchauffe totale ou partielle mais éventuellement une légère condensation du fluide caloporteur comprimé. L'action de ce désurchauffeur permet d'obtenir un fonctionnement de l'installation stable dans le temps. On remarque que l'énergie disponible dans le fluide caloporteur comprimé est supérieure à l'énergie nécessaire à la vaporisation du même fluide condensé. Cette différence d'énergie , pour une installation donnée, dépend de la nature du fluide caloporteur, du type de compresseur et de son rendement interne, des niveaux de pression à l'aspiration et au refoulement.Cet excédent d'énergie est généralement utilisé pour le réchauffage du liquide à évaporer, de sa température d'alimentation jusqu a sa température d'ébullition.Pour une installation donnée, avec des débits et des concentrations donnés, il n'y a qu'une seule température du liquide à l'entrée de l'évaporateur qui puisse satisfaire à l'équilibre thermique de l'installation correspondant à un fonctionnement stable. Cette température d'équilibre est toujours inférieure à la température d'ébullition du liquide à évaporer. Lorsque la température du liquide à évaporer à son alimentation dans l'installation est supérieure à la température d'équilibre, il se crée dans l'évaporateur un excédent de vapeur pénétrant dans le premier circuit du condenseur. Cet excédent de vapeur,à basse température et sous vide important, entraîne dans le premier circuit une augmentation de la pression , de la température et une chute de vide, préjudiciables au fonctionnement de l'installation. Ainsi le désurchauffeur , placé sur le second circuit, retire du fluide caloporteur la chaleur excédentaire,ce qui permet d'obtenir la condensation du fluide caloporteur au niveau de l'évaporateur. Le moyen de régulation règle l'action du désurchauffeur de telle sorte que seule la chaleur excédentaire soit évacuée du fluide caloporteur. De préférence le moyen de régulation comprend une prise de mesure de la pression au refoulement du compresseur et des moyens de réglage du désurchauffeur en fonction de la valeur de la pression au refoulement mesurée.Les moyens de réglage du désurchauffeur dépendent du type de matériel utilisé ; dans le cas d'un aérotherme, il pourra s'agir d'un variateur réglant la vitesse de rotation du ventilateur ; dans le cas d'un échangeur à circulation d'un liquide de refroidissement il pourra s'agit d'une vanne réglant le débit du liquide de refroidissement. Ainsi la mesure de la pression au refoulement est faite à intervalles réguliers ou en continu , et les moyens de réglage commandent l'action du désurchauffeur en fonction de l'évolution de la pression. Le désurchauffeur, en série de l'évaporateur,est placé avant l'entrée dans l'évaporateur. En effet, on a remarqué que cette disposition améliorait le fonctionnement de l'évaporateur. On peut expliquer cette constatation de la manière suivante. La chaleur excédentaire éliminée dans le désurchauffeur est celle qui résulte au moins en partie de la surchauffe du fluide caloporteur comprimé. A la sortie du désurchauffeur, le fluide caloporteur est donc dans un état d'équilibre proche de la saturatiDn, ce qui contribue à améliorer la transmission de chaleur dans l'évaporateur et à éviter les points chauds sur la surface d'échange. Par contre lorsque la température du liquide à évaporer à son alimentation dans l'installation est inférieure à la température d'équilibre , la quantité de vapeur produite dans le premier circuit de l'évaporateur sera inférieure à la quantité de vapeur nécessaire à la vaporisation du fluide caloporteur condensé et détendu dans le second circuit du condenseur. Dans ce cas, on utilise un échangeur du type de celui décrit ci-dessus pour le démarrage , apportant au second circuit de la chaleur, en parallèle avec le condenseur.L'action de ce réchauffeur est réglée par un moyen de régulation , comprenant par exemple une prise de mesure de la pression à l'aspiration du compresseur et une vanne réglant l'action du réchauffeur en fonction de la valeur de la pression à l'aspiration mesurée.La vanne règle le passage du fluide caloporteur condensé et détendu dans le réchauffeur et/ou dans le condenseur de telle sorte que la pression d'aspiration soit approximativement égale à la pression de consigne correspondant à l'équilibre. Avantageusement , l'installation selon l'invention comprend deux échangeurs , placés sur le second circuit pour le fluide caloporteur, l'un étant un réchauffeur monté en parallèle avec le condenseur après le détendeur et avant le compresseur, et l'autre étant un désurchauffeur monté en série avec l'évaporateur après le compresseur et avant l'évaporateur. Cette disposition particulière permet d'assurer le bon fonctionnement de l'installation dans tous les cas de figure. Dans le cas où l'installation ne comporte qu'un seul échangeur du type désurchauffeur, avantageusement elle comprend un circuit dérivé du fluide caloporteur transférant une partie du fluide provenant du refoulement du compresseur au second circuit traversant le condenseur. Lorsque , et cela arrive très souvent, la vaporisation du fluide caloporteur est effectuée à une température inférieure à la température ambiante, l'échangeur en parallèle du condenseur pourra être un simple aérotherme prenant à l'air ambiant la chaleur complémentaire nécessaire à la vaporisation du fluide caloporteur. De même lorsque,et cela arrive très souvent, le fluide caloporteur comprimé et surchauffé se trouve à une température supérieure à la température ambiante , l'échangeur en série de l'évaporateur pourra être un simple aérotherme cédant à l'air ambiant la chaleur excédentaire à la condensation du fluide. On choisit comme fluide caloporteur l'ammoniac ou un fréon. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va maintenant être faite du mode préféré de réalisation de l'invention illustré par le dessin annexé dans lequel la figure unique est une représentation schématique de l'installation d'évaporation équipée de deux échangeurs sur le second circuit du fluide caloporteur. L'installation comprend un premier circuit correspondant à la circulation du produit à évaporer, sous forme liquide ou vapeur, et un second circuit correspondant au fluide caloporteur intermédiaire , de l'ammoniac ou du fréon, sous forme liquide ou gazeuse. Les circuits et le sens de circulation sont sur la figure représentés par des flèches : une flèche simple pour le premier et une flèche double pour le second, la circulation des produits s'effectuant dans le sens indiqué par la flèche. Le liquide que l'on veut évaporer en partie est alimenté en haut de l'évaporateur 2.A la sortie de l'évaporateur 2, un cyclone 3 permet de séparer la liqueur concentrée recueillie par la canalisation 4 de la vapeur dégagée et conduite par la canalisation 5 jusqu'au condenseur 6. A la sortie du condenseur 6 on recueille le condensat par la canalisation 7. La pompe à vide 8 permet de réaliser le vide d ans le premier circuit et ainsi de travailler à basse température. Le second circuit fonctionne en circuit fermé à basse pression. Le fluide caloporteur, ammoniac ou fréon, sortant du compresseur 9 passe dans le désurchauffeur 10 avant de pénétrer dans l'évaporateur 2. A la sortie de l'évaporateur , il est dirigé vers le détendeur il puis à partir de la vanne 12, soit pénétre dans le condenseur 6 et à la sortie du condenseur 6 repart vers le compresseur 9 , soit il passe dans le réchauffeur 13 et part vers le compresseur 9. Juste avant le compresseur 9, sur ce second circuit, on a placé une prise de mesure 15 de la pression d'aspiration. Juste après le compresseur 9, sur ce second circuit, on a placé une prise de mesure 14 de la pression de refoulement. La prise de mesure 14 est connectée par l'intermédiaire du comparateur 16 au désurchauffeur 10 . La prise de mesure 15 est connectée par l'intermédiaire du comparateur 17 à la vanne 12. L'installation fonctionne comme une pompe à chaleur dont la source froide serait le condenseur 6. Le condenseur, qui pour le fluide caloporteur joue le rôle d'évaporateur, condense la vapeur séparée de la liqueur concentrée. Le comparateur 16 a pour fonction de comparer la valeur transmise par la prise de mesure 14 à une valeur prédéterminée correspondant à la pression de refoulement à l'équilibre. Si la température du liquide à évaporer à l'alimentation est supérieure à la température d'équilibre de l'installation, le comparateur 16 commande l'action du désurchauffeur 10 lorsque la pression de refoulement mesurée est différente de la pression de refoulement à l'équilibre. Le comparateur 17 a pour fonction de comparer la valeur transmise par la prise de pression 15 à une valeur prédéterminée correspondant à la pression d'aspiration à l'équilibre. Dans tous les cas le comparateur 17 agit sur la vanne de détente 12 lorsque la pression mesurée est différente de la pression d'aspiration à l'équilibre. Ceci se passera uniquement au démarrage lorsque la température à évaporer à l'alimentation 1 est supérieure à la température d'équilibre de l'installation , et aussi en cours de fonctionnement lorsque cette température est inférieure à la température d'équilibre de l'installation. L'action sur le désurchauffeur 10 ou sur la vanne 12 est ajustée pour maintenir la pression de refoulement ou d'aspiration à leur valeur respective. Par exemple dans le cas du réchauffeur 13 commandé par la vanne 12, si la pression mesurée à la prise 15 est inférieure à la pression d'équilibre à l'aspiration , le comparateur 17 commande l'ouverture de la vanne 12 ; inversement si cette pression est supérieure à la pression d'équilibre à l'aspiration, le comparateur 17 commande la fermeture de la vanne 12, et ce tant que la pression mesurée n'est pas égale à la pression d'équilibre. A titre d'exemple on a utilisé l'installation ci-dessus dans les conditions suivantes. Le liquide à évaporer était un jus de pomme que l'on voulait concentrer à 72 Z de matière sèche Le fluide caloporteur était de l'ammoniac porté par le compresseur 9 à pression de 14,04 Bar absolu et à 700C, et détendu ensuite à une pression de 6,39 Bar absolu et à 100C. Le premier circuit était mis à une pression de 0,0331 Bar absolu par la pompe à vide 8 ; ainsi l'évaporation avait lieu à 25 C.Au démarrage du compresseur, la vanne 12 était ouverte et dirigeait l'ammoniac condensé vers le réchauffeur 13, consistant en un aérotherme amenant la chaleur de l'air ambiant à 180C vers l'ammoniac. La vanne 12 a été progressivement fermée , en 8 minutes, jusqu'à ce que la pression d'aspiration au compresseur 9 ait atteint son point d'équilibre soit une pression de 6,39 Bar absolu. La température du jus de fruit était de 4 C, donc supérieure à la température d'équilibre de l'installation qui était OOC. Pour arriver à un fonctionnement stable, le désurchauffeur 10 a été actionné en permanence . Il s'agissait d'un aérotherme évacuant vers l'air ambiant l'excédent de chaleur. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'etre décrit, mais en recouvre toutes les variantes. En particulier, lorsque l'installation est amenée à fonctionner en régime transitoire ou avec des variations de capacité, le moyen de régulation de l'échangeur qui enlève de l'énergie du fluide caloporteur peut consister en une prise de mesure de la pression d'évaporation placée sur le premier circuit. Dans ce cas, la régulation est réalisée de manière à ce que ladite pression d'aspiration soit maintenue égale à une valeur correspondant à la pression d'évaporation à l'équilibre. REVENDICATIONS 1. Installation d'évaporation à basse température du type comportant un premier circuit sous vide partiel pour le liquide à évaporer comprenant un évaporateur (2) et un condenseur (6) et un second circuit pour un fluide caloporteur , comprenant un compresseur (9) et un détendeur (11) dans lequel second circuit le fluide caloporteur détendu refroidit le condenseur (6) et le fluide caloporteur comprimé réchauffe l'évaporateur (2), caractérisé en ce que le second circuit comprend au moins un échangeur assorti de moyens de régulation, assurant l'équilibre énergétique de l'installation lors de son fonctionnement , y compris au démarrage. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur (13) apportant au fluide caloporteur de la chaleur, placé sur le second circuit après le détendeur (îî) et avant le compresseur (9) , en parallèle avec le condenseur (6). 3. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur (10) évacuant de l'énergie du fluide caloporteur , placé sur le second circuit, en série de l'évaporateur (2) après le compresseur (9) et avant l'évaporateur (2). 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comprend un premier échangeur (13) qui est un réchauffeur, placé sur le second circuit après le détendeur 5. Installation selon les revendications 2 et 4 caractérisée en ce que le moyen de régulation de l'échangeur(13) en parallèle du condenseur (6) comprend une prise de mesure (15) de la pression à l'aspiration et une vanne (12) dont l'action est commandée en fonction de la pression à l'aspiration mesurée. 6. installation selon l'une des revendications 3 et 4 caractérisée en ce que le moyen de régulation de l'échangeur (10) en série de l'évaporateur comprend une prise (14) de mesure de la pression de refoulement et des moyens de réglage dudit échangeur (10) dont l'action est commandée en fonction de la pression de refoulement mesurée. 7. Installation selon l'une des revendications 3 et 4 caractérisée en ce que le moyen de régulation de l'échangeur (10) en série de l'évaporateur (2) comprend une prise de mesure, de la pression d'évaporation, placée sur le premier circuit et des moyens de réglage dudit échangeur (10) dont l'action est commandée en fonction de la pression d'évaporation mesurée. 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que l'échangeur (10,13) est un aérotherme fonctionnant à température ambiante. 9. Installation selon la revendication 3 caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit dérivé pour le fluide caloporteur transférant le fluide comprimé du refoulement du compresseur (9) jusqu'un condenseur (6).