Brevet FR2679985A1 — publié le 19930205

i La présente invention concerne des procédés et des appareils de refroidissement, et en particulier des systèmes de refroidissement utilisant des fluides secondaires de transfert de chaleur. Le nombre defluides réfrigérants volatils usuels qu'on peut utiliser est constamment réduit par la législation et en raison des problèmes généraux résultant de la contribution apparente de certains réfrigérants très utilisés à l'appauvrissement de la couche d'ozone et, en outre, de la contribution de ces réfrigérants au réchauf- fement global par effet de "serre". Il existe donc un besoin de réduction de l'u- tilisation de tels réfrigérants ou de leur remplacement par des fluides qui n'ont pas de pouvoir d'appauvrisse- ment de l'ozone, ou au moins un pouvoir minime, et qui ne contribuent pas anormalement à l'effet de serre. Un moyen possible de réduction de l'utilisation de ces réfrigérants potentiellement nocifs consiste à utiliser un volume relativement petit de réfrigérant pri- maire volatil pour refroidir un volume beaucoup plus grand de liquide de transfert de chaleur secondaire qui peut être envoyé par pompage aux endroits o le refroi- dissement est requis De cette manière, on réduit le volume total de réfrigérant, puisque la distribution de refroidissement aux endroits désirés est effectuée au moyen du liquide de transfert de chaleur secondaire Cet- te méthode est couramment employée dans les systèmes de climatisation qui utilisent l'eau comme liquide de transfert de chaleur Lorsqu'un refroidissement au-dessous du pointde congélation est requis, on peut employer diver- ses solutions aqueuses, telles que propylène glycol, éthy- lène glycol et saumure dechlorure de calcium, comme li- quide de transfert de chaleur secondaire Aux températu- res encore plus basses, la viscosité de ces solutions aqueuses augmente, ce qui nécessite l'emploi de liquides tels que le trichloroéthylène Toutefois, les substances telles que le trichloroéthylène tendent à être toxiques et sont souvent très corrosives. Le brevet US-4 344 296 (Staples) décrit un système de réfrigération à deux étages comprenant un cir- cuit réfrigérant primaire à compression de vapeur et un circuit de transfert de chaleur secondaire Le circuit de transfert de chaleur secondaire comprend un condenseur (qui est refroidi par l'évaporateur du circuit réfrigé- rant primaire) et un évaporateur secondaire qui fournit le refroidissement à un endroit désiré L'ammoniac est proposé comme fluide réfrigérant pour le circuit de réfri- gération primaire Toutefois, l'ammoniacest potentielle- ment dangereux L'utilisation d'un circuit secondaire per- met d'employer un fluide réfrigérant moins toxique Un fluide réfrigérant 22 est proposé comme fluide de trans- fert de chaleur secondaire Toutefois, le fluide réfrigé- rant 22 est de type fluorocarbure et il possède un cer- tain pouvoir d'appauvrissement de l'ozone et de réchauf- fement global. Le brevet US-3 683 640 décrit de façon similaire un circuit de réfrigération secondaire qui utilise un mé- lange de fluides de transfert de chaleur volatils qui est refroidi par un réfrigérateur primaire de type Electrolux. Un mélange de fluide réfrigérant 12 et de fluide réfri- gérant 13 est proposé comme fluide de transfert de chaleur secondaire volatil Ces fluides réfrigérants sont égale- ment des fluorocarbures inacceptables pour l'environnement. Un objet de la présente invention est d'effec- tuer un refroidissement au moyen d'un système de transfert de chaleur secondaire et, en particulier, d'utiliser la chaleur latente d'un fluide de transfert de chaleur secon- daire volatil acceptable pour l'environnement, afin de mi- nimiser le volume de fluide requis pour produire un re- froidissement satisfaisant. La présente invention procure un appareil de refroidissement qui comprend: un circuit de réfrigération primaire; un circuit de transfert de chaleur secondaire comportant un condenseur, refroidi par le circuit de réfri- gération primaire, et un évaporateur pour refroidir un en- droit désiré; le circuit de transfert de chaleur secondaire contenant un fluide de transfert de chaleur secondaire vo- latil qui est le dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone étant sous une pression telle qu'il est liquéfié dans le condenseur secondaire et s'évapore dans l'évaporateur se- condaire. L'invention procure également un procédé cor- respondant de fonctionnement d'un appareil de refroidisse- ment D'une manière générale, le dioxyde de carbone ou Co 2 liquide sous pression est pompé, au moyen d'une pompe de circulation (qui n'a pas besoin d' effectuer un travail pour la condensation du dioxyde de carbone), du condenseur secondaire à l'évaporateur secondaire o le Co 2 liquide traverse des moyens de détente (tels qu'une buse ou un tube capillaire) pour abaisser la pression du fluide ré- frigérant à la pression d'évaporation désirée Dans l'éva- porateur, le fluide de transfert de chaleur secondaire qui s'évapore prend la chaleur de l'ambiance et est ensui- te renvoyé au condenseur secondaire. De cette manière, le volume de réfrigérant primaire utilisé peut être sensiblement plus faible que celui du fluide de transfert de chaleur secondaire. On utilise le dioxyde de carbone comme fluide de transfert de chaleur secondaire Il est facilement dis- ponible, non polluant, non toxique et il a un impact mi- nimal sur l'environnement, dans les volumes requis Il est nécessaire de faire circuler le dioxyde de carbone réfrigérant sous une pression relativement élevée, la pression de saturation du dioxyde de carbone liquide- vapeur à 00 C étant de 33,8 x 105 Pa Cette valeur est su- périeure aux pressions normales de fonctionnement des sys- tèmes de réfrigération mais bien dans les possibilités des tuyauteries usuelles Un avantage important de l'utilisa- tion d'une substance volatile comme fluide de transfert de chaleur secondaire est que le volume de dioxyde de carbone requis est relativement faible, puisque le trans- fert de chaleur s'effectue principalement par l'intermé- diaire de la chaleur latente d'évaporation Le dioxyde de carbone a en outre une chaleur latente relativement grande De plus, le dioxyde de carbone a une viscosité très faible et il ne gèle qu'au-dessous de -560 C et on peut donc l'utiliser dans des applications allant de la climatisation (habituellement avec une température d'éva- poration comprise entre -50 C et 50 C) à la congélation à basse température et au stockage froid (de façon typique avec une température d'évaporation comprise entre -300 C et -500 C) Un autre avantage de l'utilisation de faibles volumes d'un fluide de transfert de chaleur secondaire sous pression relativement élevée est que les besoins en ce qui concerne le diamètre des tuyauteries sont réduits. Dans un mode de mise en oeuvre de la présente invention, l'appareil peut comporter un circuit secondai- re dérivé utilisable pour dégivrer le circuit secondaire. On peut transférer de la chaleur perdue du circuit de ré- frigération primaire au fluide de transfert de chaleur se- condaire, à la pression de la pompe de circulation La vapeur chauffée peut être envoyée à l'unité de refroidis- sement et condensée dans celle-ci pour fondre le givre qui a pu se former sur l'extérieur de l'évaporateur se- condaire. Outre les dispositions qui précèdent, l'inven- tion comprend encore d'autres dispositions qui ressorti- ront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du com- plément de description ci-après,qui se réfère au dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une représentation schématique d'un système de refroidissement conforme à un mode préfé- ré de mise en oeuvre de la présente invention. Il doit être bien entendu, toutefois, que ce dessin et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Le dessin représente schématiquement un système de refroidissement 10 conforme à un mode préféré de mise en ouvre de la présente invention Le système 10 comprend un circuit de réfrigération primaire 12 et un circuit de réfrigération secondaire 14. Le circuit primaire 12, représenté en traits mixtes, comprend un évaporateur 16, un condenseur 18, un compresseur de vapeur 20 et un détendeur 22 Le circuit 12 contient un réfrigérant primaire volatil de composition usuelle. Dans le circuit de réfrigération secondaire 14, représenté en traits continus, le refroidissement du con- denseur secondaire 26 est effectué par l'évaporateur pri- maire 16 A partir du condenseur 26, le fluide de trans- fert de chaleur secondaire liquéfié est pompé, au moyen d'une pompe de circulation 28, vers des unités de refroi- dissement 30 situées aux endroits o une réfrigération est requise Avant d'entrer dans les unités de refroidissement 30, le fluide de transfert de chaleur secondaire traverse un dispositif de détente 32 pour réduire la pression du réfrigérant à la pression d'évaporation nominale Dans les unités de refroidissement 30, le fluide de transfert de chaleur qui s'évapore prend la chaleur de l'ambiance puis il revient au condenseur secondaire 26 qui est re- froidi, comme déjà indiqué, par le circuit primaire 12. Le fluide de transfert de chaleur secondaire se recondense alors Il est prévu des vannes d'isolement 40. Le fluide de transfert de chaleur secondaire est le dioxyde de carbone sous pression, qui présente de nombreux avantages de fonctionnement Le dioxyde de car- bone est facilement disponible, peu coûteux, non toxique, non polluant, il n'est pas considéré comme contribuant à l'appauvrissement de l'ozone atmosphérique et, bien qu'il soit un gaz "à effet de serre" reconnu, il a un effet de serre qui est de nombreux ordres de grandeur plus faible que celui des réfrigérants usuels de type halogénu- re de carbone Il faut maintenir le dioxyde de carbone à une pression relativement élevée; à O C, la pression de saturation du liquide et de la vapeur de dioxyde de carbone est de 33,8 x 105 Pa Ces pressions sont supérieu- res à la plage de pression normale des systèmes de réfri- gération usuels mais elles sont bien dans les possibilités de fonctionnement des tuyauteries usuelles. Comparativement aux systèmes utilisant des li- quides de transfert de chaleur secondaires non volatils, le débit massique de dioxyde de carbone requis pour pro- duire le même effet de refroidissement est sensiblement plus faible, du fait de la chaleur latente élevée du dio- xyde de carbone, par rapport aux chaleurs spécifiques re- lativement faibles des liquides de transfert de chaleur usuels En outre, du fait des pressions relativement éle- vées auxquelles s'effectue le retour de la vapeur évapo- rée, les dimensions des tuyauteries du circuit secondaire sont sensiblement réduites. Un autre avantage de l'utilisation d'un fluide réfrigérant secondaire volatil est que le dégivrage des unités de refroidissement 30 peut être effectué relative- ment facilement par vaporisation du Co 2 liquéfié, à la pression d'une pompe de dégivrage 39, par échange de cha- leur dans un pot de vaporisation 21 avec la chaleur reje- tée du système de réfrigération primaire Ce circuit de dégivrage est indiqué sur le dessin par les traits mixtes 36 et 38 La ligne 36 représente le système de circulation de la chaleur primaire rejetée, aiguillée au moyen de van- nes 37, et la ligne 38 indique l'autre chemin du réfri- gérant secondaire qui évite le dispositif de détente secon- daire 32 La vapeur de dioxyde de carbone relativement chaude est envoyée directement à l'unité de refroidisse- ment 30 et condensée à la pression de cette unité pour fondre le givre qui a pu se former sur l'extérieur de l'unité Les vannes nécessaires pour permettre l'établis- sement de la pression dans les unités de refroidissement et les moyens d'évacuation du CO 2 condensé dans les unités de refroidissement à la basse pression d'aspiration de la pompe n'ont pas été représentés, pour plus de clarté Tou- tefois, ce sont des éléments normaux des systèmes de ré- frigération comportant un dégivrage par gaz chaud et la réalisation d'un dispositif approprié sera évidente pour un homme de l'art. Le mode de mise en oeuvre décrit ci-dessus con- vient très bien pour l'utilisation dans un système de con- ditionnement d'air ou de climatisation, bien qu'on puisse également utiliser un système similaire dansdes applica- tions à basse température, par exemple en congélation et stockage froid à basse température, puisque le dioxyde de carbone a une très faible viscosité et ne gèle qu'au- dessous de -560 C De façon typique, pour des applications de climatisation, le CO 2 serait évaporé à une température de 00 C + 21 C et sous une pression de 34,85 x 10 Pa Pour des applications de congélation, le CO 2 serait évaporé de façon typique à une température de -40 QC + 20 C et sous une pression de 10,05 x 105 Pa. La description ci-dessus montre clairement que la présente invention procure un système relativement non nuisible à l'environnement et qui présente également de nombreux avantages par rapport aux systèmes usuels de transfert de chaleur secondaire. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre et d'application qui viennent d'être dé- crits de façon plus explicite; elle en embrasse au con- traire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention Le circuit de réfrigération primaire 12 décrit ci-dessus est de type classique mais il pourrait également utiliser un cycle de réfrigération différent et donc comporter des éléments de circuit de réfrigération différents. REVENDICATIONS 1. Appareil de refroidissement qui comprend un circuit de réfrigération primaire ( 20,18,12, 22,16); un circuit de transfert de chaleur secondaire comportant un condenseur secondaire ( 26),refroidi par le circuit de réfrigération primaire, et un évaporateur ( 30, 32) pour refroidir un endroit désiré; caractérisé en ce que le circuit de transfert de chaleur secondaire contient un fluide de transfert de chaleur secondaire vo- latil qui estle dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone étant sous une pression telle qu'il est liquéfié dans le condenseur secondaire et s'évapore dans l'évaporateur se- condaire. 2. Appareil suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de circu- lation ( 28) pour faire circuler le dioxyde de carbone liquide du condenseur à l'évaporateur. 3 Appareil suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit primaire est un cir- cuit de réfrigération à compression de vapeur et comprend un compresseur de vapeur ( 20), un condenseur primaire ( 18) pour recevoir et refroidir la vapeur comprimée, et un évaporateur primaire ( 16) dans lequel la vapeur com- primée refroidie est évaporée; l'évaporateur primaire étant agencé de manière à refroidir le condenseur secon- daire. 4. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit secondaire comprend en outre un circuit de dégivrage comportant un vaporiseur ( 21) et des moyens d'aiguillage ( 39) pour dériver du di- oxyde de carbone liquide sortant du condenseur secondaire à travers le vaporiseur, de sorte que la vapeur de dio- xyde de carbone est envoyée à l'évaporateur ( 30) pour son dégivrage; un circuit de circulation de chaleur primaire rejetée ( 36) étant prévu pour faire circuler de la vapeur de fluide réfrigérant comprimée du circuit primaire au vaporiseur afin de fournir de la chaleur à ce dernier.