Brevet FR2706982A1 — publié le 19941230

PROCEDE ET DISPOSITIF DE STOCKAGE D'UN FLUIDE FRIGO-PORTEUR EN EQUILIBRE DE FUSION La présente invention concerne le stockage d'un fluide frigo-porteur comprenant deux phases d'un même corps en équilibre de fusion, par exemple de l'eau additionnée d'un agent anti-gel, tel que du sel, de l'alcool, du monoéthylène-glycol, ou du monopropylène-glycol. Ce corps en équilibre de fusion peut également être un eutectique. Les fluides frigo-porteurs considérés selon l'invention sont donc obtenus, transportés, et utilisés sous forme diphasique, en particulier dans une consistance proche de celle d'un sorbet. Conformément au document EP-A-0 427 648, on a déjà décrit, de manière générale, un dispositif de transfert de froid dans une pluralité d'enceintes à refroidir, comprenant un circuit ou boucle de circulation intermédiaire d'un fluide frigo-porteur tel que défini précédemment, un moyen d'échange de chaleur entre le fluide frigo-porteur et un fluide frigorigène, et associé à chaque enceinte à refroidir, un circuit de dérivation comprenant un échangeur de chaleur disposé dans l'enceinte à refroidir, dont l'entrée et la sortie communiquent avec le circuit de circulation intermédiaire. Toujours selon ce même document, sur le circuit de circulation intermédiaire est branché un récipient isolé thermiquement, "tampon", de génération et stockage du fluide frigo-porteur, à l'état diphasique, et en équilibre de fusion. Ce récipient comporte, d'une part un moyen d'introduction du fluide frigo-porteur à stocker, à un niveau situé à la partie inférieure dudit récipient, et d'autre part, un moyen d'extraction du fluide frigo-porteur à déstocker, à un niveau situé en hauteur à la partie supérieure dudit récipient, lesdits moyens d'introduction et d'extraction communiquant chacun avec le circuit de circulation intermédiaire du fluide frigo-porteur. Plus précisément, le moyen d'extraction est équipé d'une vis sans fin d'apport du fluide frigo-porteur, à l'état diphasique homogène, du côté de l'aspiration de la pompe du circuit de circulation intermédiaire du fluide frigo-porteur; et le moyen d'extraction du fluide frigo-porteur communique avec le circuit intermédiaire, en amont de la jonction entre le moyen d'introduction et le circuit intermédiaire. A ce récipient de stockage est associé un circuit de recyclage diphasique et refroidissement du fluide frigo-porteur, comprenant un point de soutirage en partie inférieure dudit récipient, un point d'introduction du fluide recyclé et refroidi, en partie supérieure dudit récipient, et un moyen de recyclage tel qu'une pompe. A ce circuit de recyclage est associé un groupe frigorifique dans lequel circule un fluide frigorigène, avec un échangeur de chaleur prévu entre le fluide frigo-porteur recyclé et le fluide frigorigène, par exemple en cours de vaporisation; cet échangeur de chaleur est par exemple un échangeur à surface raclée ou un échangeur multi-tubulaire spécial, permettant de sur-refroidir le fluide frigo-porteur. En fonctionnement, dans l'enceinte délimitée par le récipient de stockage du fluide frigo-porteur stocké, ce dernier se décante en une couche inférieure relativement liquide et une couche supérieure relativement solide. Le fluide frigo-porteur occupe la totalité du volume disponible dans l'enceinte. On introduit le fluide frigo-porteur à stocker, à partir du circuit de circulation intermédiaire, au niveau de la couche inférieure du fluide frigo-porteur stocké. Et on extrait de l'enceinte le fluide frigo- porteur à déstocker, au niveau de la couche supérieure, grâce à la vis sans fin prévue sur le moyen d'extraction. De manière, d'une part, à maintenir une turbulence entre les deux phases du fluide frigo-porteur favorisant l'homogénéisation, et d'autre part à refroidir en permanence ce dernier, on recycle le fluide frigo-porteur contenu dans l'enceinte de stockage, en soutirant ledit fluide au niveau de sa couche inférieure relativement liquide, et en le réintroduisant au niveau de la couche supérieure relativement solide dans l'enceinte, et ceci en ayant refroidi le fluide recyclé entre son point de soutirage et son point de réintroduction. De tels systèmes de transfert de froid permettent de véhiculer une puissance frigorifique très importante, sous un débit relativement faible, grâce à l'utilisation de la chaleur latente de fusion du fluide frigo-porteur. Par exemple, avec un fluide frigo-porteur dont la phase solide représente 30 % en poids, et avec un circuit intermédiaire présentant une section de diamètre égal à15 90 mm, on peut disposer d'une puissance frigorifique de 960.000 frigories/heure, avec un débit de 40 m3/heure. L'association d'un récipient ou enceinte de stockage du fluide frigo-porteur au circuit de circulation intermédiaire de ce dernier, permet de limiter le dimensionnement du circuit intermédiaire, et en particulier du groupe frigorifique, à partir des conditions d'exploitation suivantes: - pendant la nuit, et en particulier en bénéficiant du tarif de consommation électrique dit "d'heures creuses", on peut générer et stocker du fluide frigo-porteur, exploité ensuite pendant la journée - le fluide frigorigène stocké, permet d'écrêter les pointes de consommation frigorifique, se produisant par exemple pendant quelques heures pendant une même journée, ou pendant les périodes particulièrement chaudes ou de pleine activité. Ceci étant, le stockage du fluide frigo-porteur, dans le récipient ou enceinte de stockage pose différents problèmes, liés à sa séparation, comme décrit précédemment, en une couche inférieure relativement liquide et une couche supérieure relativement solide, flottant à la surface de la couche inférieure en quelque sorte. En pompant la couche supérieure, par le moyen d'extraction du fluide frigo-porteur à déstocker, on obtient ce dernier essentiellement en phase liquide. En effet, la phase solide a tendance à s'agglomérer sous la forme d'une neige compacte, et la phase liquide crée des passages préférentiels dans la masse ainsi formée, de telle sorte que c'est uniquement elle qui est soutirée. La présente invention a donc pour objet de remédier à cet inconvénient. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé ou dispositif de stockage d'un fluide frigo-porteur, permettant de manière simple, d'extraire ce15 dernier, sous une forme diphasique homogène, pouvant être, par exemple, pompée directement. La présente invention procède de la découverte selon laquelle, en pratique, le fluide frigo-porteur diphasique a un comportement tixotropique, ce qui veut dire que ce fluide se comporte normalement sous forme relativement visqueuse ou compacte en l'absence d'agitation, et sous forme relativement fluide, a l'état agité ou en mouvement. Les dispositions selon l'invention font application de cette découverte, selon les modalités suivantes. S'agissant du procédé de stockage, en combinaison, d'une part on établit un ciel gazeux entre la couche supérieure relativement solide du fluide frigo-porteur, et30 la paroi supérieure de l'enceinte, et d'autre part, on extrait le fluide frigo-porteur diphasique à déstocker, à partir d'une zone de soutirage située dans l'enceinte de stockage au niveau de l'interface entre la couche supérieure et le ciel gazeux, par un écoulement vertical issu de ladite zone de soutirage, en générant dans cette dernière un tourbillon du fluide frigo-porteur. Un tel procédé peut être notamment mis en oeuvre par un dispositif de stockage présentant en combinaison les caractéristiques techniques suivantes: - une source gazeuse est associée au récipient, pour établir un ciel gazeux à la partie supérieure du récipient - et le moyen d'extraction du fluide frigo-porteur diphasique est disposé verticalement à l'intérieur du récipient, et comprend un conduit vertical se terminant par un cône de déversement du fluide frigo-porteur. Grâce à l'invention, on est assuré de soutirer le fluide frigo-porteur sous forme diphasique homogène, par la conjonction des deux fonctions suivantes: - le ciel gazeux permet d'isoler la phase solide de la partie supérieure du récipient, en supprimant tout compactage dû à la compression de cette même phase sur le haut du récipient - l'écoulement avec tourbillon du fluide frigo-porteur prélevé et déstocké, fluidifie ce dernier au fur et à mesure de son soutirage, et ceci à l'endroit même du puisage. La présente invention est maintenant décrite par référence au dessin annexé, dans lequel: - la figure 1 représente un premier mode d'exécution de l'invention, sous forme schématique - la figure 2 représente un deuxième mode d'exécution de l'invention, toujours de manière schématique - la figure 3 représente selon un troisième mode d'exécution de l'invention, le récipient de stockage appartenant à un dispositif selon l'invention. Conformément à la figure 1, un dispositif de stockage selon l'invention comprend: - un récipient 2 de stockage du fluide frigo-porteur 1, formant enceinte de stockage de ce dernier, isolé thermiquement; ce récipient est équipé éventuellement à sa partie supérieure d'une porte de visite 22 - un moyen 3 d'introduction du fluide frigo-porteur à stocker, en provenance du circuit de circulation intermédiaire du fluide frigo-porteur; ce moyen consiste en un simple piquage à la partie inférieure du récipient 2, contrôlé par une vanne 23 - un moyen d'extraction 4 du fluide frigo-porteur à déstocker, par descente vers le bas, disposé verticalement à l'intérieur du récipient 2, et comprenant un conduit vertical 7 contrôlé par une vanne de sortie 24, se terminant en partie supérieure, par un cône 8 en forme d'entonnoir de déversement du fluide frigo-porteur; un moyen d'agitation 9, sous forme de pales, ma par un moteur 25 est disposé et agit à l'intérieur du cône de déversement 8 - une source gazeuse 5 associée au récipient 2, par l'entremise d'un circuit 13 de recyclage gazeux; ce dernier comprend un point 14 de piquage en partie supérieure du récipient 2, un moyen d'injection 15 sous la forme d'une rampe perforée orientant l'atmosphère recyclée vers les parois du récipient 2, en partie inférieure de ce dernier, et un moyen 16 de circulation de l'atmosphère gazeuse recyclée entre le point de piquage 14 et le moyen d'injection 15, la source gazeuse 5, sous la forme d'une bouteille d'un gaz inerte sous pression, étant branchée sur le circuit de recyclage en aval du moyen de circulation 16; l'injection de l'atmosphère gazeuse recyclée peut être faite à différents niveaux du récipient 2, suivant la concentration en phase solide du fluide diphasique selon la hauteur - différents organes de contrôle de la circulation gazeuse, comprenant d'une part, en partie supérieure du récipient 2 un piquage 26, contrôlé par une vanne en relation avec un manomètre et une soupape de sécurité, et d'autre part un clapet anti-retour 27, prévu sur le circuit de recyclage 13, empêchant tout retour de phase liquide et/ou solide dans le récipient 2 - un circuit 17 de recyclage diphasique du fluide frigo- porteur, comprenant un point 18 de soutirage en partie inférieure du récipient, et un moyen 30 de réintroduction tangentielle du fluide recyclé, propre à générer un tourbillon dans la couche supérieure la, situé en partie supérieure du récipient, à l'écart du point de soutirage 18; ce circuit de recyclage est contrôlé par des vannes 28 et 29 - un groupe frigorifique 20 associé au récipient 2 de stockage, dans lequel circule un fluide frigorigène, avec un échangeur de chaleur 21, à surface raclée, entre le fluide frigo-porteur recyclé et le fluide frigorigène - un conduit de vidange 19 du récipient 2. Le dispositif représenté à la figure 2, selon un deuxième mode d'exécution de l'invention, diffère du premier, par le fait que le moyen d'introduction 3 du fluide frigo-porteur comprend un conduit vertical 10,20 concentrique avec le conduit vertical 7 d'extraction du fluide frigo-porteur, et se termine en partie supérieure du récipient 2, par un moyen 11 d'éjection du fluide frigo-porteur introduit. Plus précisément, ce moyen d'éjection 11 consiste en deux rampes alignées lla et 11b, tournant autour d'un seul et même axe vertical correspondant aux conduits 7 et 10, pourvues chacune d'une pluralité de buses 12 d'éjection selon une direction horizontale et/ou verticale. Les sens d'éjection des rampes lla et llb sont respectivement opposés, de manière à générer une rotation desdites rampes, au moment de l'introduction du fluide frigo-porteur dans le récipient 2. Grâce aux dispositifs décrits respectivement par référence aux figures 1 et 2, en fonctionnement: - dans le récipient 2 formant enceinte de stockage, le fluide frigo-porteur stocké se décante en une couche inférieure lb relativement liquide, et une couche supérieure la relativement solide - on introduit le fluide frigo-porteur à stocker, soit à la partie inférieure du récipient (cf figure 1), soit au centre et en partie supérieure (cf figure 2), après l'avoir dirigé verticalement, avec agitation et brassage de la couche supérieure relativement solide, grâce à la rotation de la rampe lla-llb, et l'action des jets horizontaux et/ou verticaux du fluide frigo-porteur - par l'action conjointe de la source gazeuse 5 et du circuit de recyclage 13 gazeux, on établit un ciel gazeux 6 entre la couche supérieure la et la paroi supérieure de l'enceinte 2 on extrait de l'enceinte le fluide frigo-porteur à déstocker, au niveau de la couche supérieure la, la zone de soutirage s'établissant dans l'enceinte de stockage, au niveau de l'interface entre la couche supérieure la et le ciel gazeux 6; l'écoulement vertical descendant dans le conduit 7 de la zone de soutirage, génère dans cette dernière un tourbillon du fluide frigo- porteur, éventuellement augmenté par l'agitation propre au moyen d'agitation 9. Selon le mode d'exécution propre à la figure 2, le fluide frigo-porteur est introduit dans une zone d'entrée située dans l'enceinte de stockage, au niveau de la couche supérieure la, par un écoulement vertical ascendant dans le conduit 10, succédant à l'introduction en partie inférieure du récipient 2, se terminant par une distribution 11 du fluide frigo-porteur selon une pluralité de jets. En permanence, d'une part on recycle l'atmosphère gazeuse présente dans le ciel gazeux 6 dans l'enceinte 2 de stockage, à un niveau situé en hauteur, au moins au niveau de la couche inférieure lb, et d'autre part on recycle dans l'enceinte de stockage 2, le fluide frigo- porteur soutiré au niveau de la couche lb inférieure, en le réintroduisant dans l'enceinte 2, au niveau de la couche supérieure la selon la figure 1, et tangentiellement. Ces deux dispositions de recyclage sont à même de développer et maintenir un état turbulent ou agité à l'intérieur de l'enceinte de stockage. Bien entendu, le dimensionnement du cône de déversement 8 et du conduit vertical 7 est calculé et déterminé de manière à pouvoir véhiculer sans blocage ou obstruction le fluide diphasique homogène, avec une vitesse suffisante. Les brassages ou turbulences entretenus dans le récipient 2, tant en raison du recyclage du fluide frigo-porteur que de celui de l'atmosphère gazeuse, mais aussi en raison de la localisation et du mode d'introduction de ces derniers, ont pour effet de faire remonter une partie de la phase liquide en surface, et de disloquer la phase solide, notamment en périphérie du réservoir. En cas d'obstruction du récipient de stockage, le branchement direct de la source gazeuse 5 sous pression sur le récipient, par le moyen d'introduction 15, permet de créer une surpression importante, à même de disloquer la phase solide compacte, pour permettre un nouveau brassage et la remontée de la phase liquide. Selon la figure 3, le fluide frigo-porteur est extrait en partie haute de la cuve 2, par aspiration par le haut, en relation avec un cône 8 de déversement, suspendu à l'extrémité du conduit vertical 7. Cette extrémité communique par des ouvertures 7a avec l'intérieur du cône 8. Selon la figure 3, l'atmosphère gazeuse est recyclée par trois rampes d'injection 151 à 153, étagées selon la hauteur du récipient 2. REVENDICATIONS 1) Procédé de stockage d'un fluide frigo-porteur (1) comprenant deux phases (la,lb) d'un même corps en équilibre de fusion, selon lequel: - on dispose d'une enceinte (2) de stockage dudit fluide, isolée thermiquement, dans laquelle le fluide frigo-porteur stocké se décante en une couche inférieure (lb) relativement liquide, et une couche supérieure (la) relativement solide - on introduit (3) dans l'enceinte (2) le fluide frigo-porteur à stocker, au niveau de la couche inférieure (lb) relativement liquide - on extrait (4) de l'enceinte le fluide frigo-porteur à déstocker, au niveau de la couche supérieure (la) caractérisé en ce que, en combinaison, d'une part on établit un ciel gazeux (6) entre la couche supérieure (la) et la paroi supérieure de l'enceinte (2), et d'autre part, on extrait le fluide frigo-porteur à déstocker, à partir d'une zone de soutirage (8) située dans l'enceinte de stockage au niveau de l'interface entre la couche supérieure (la) et le ciel gazeux (6), par un écoulement (7) vertical issu de ladite zone de soutirage, en générant dans cette dernière un tourbillon du fluide frigo-porteur. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on extrait le fluide frigo-porteur à déstocker, par au moins l'un des modes suivants d'écoulement vertical, à savoir une aspiration par le haut et une descente vers le bas dudit fluide. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit (3) le fluide frigo-porteur à stocker, dans une zone d'entrée située dans l'enceinte (2) de stockage au niveau de la couche inférieure (lb). 4) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, après avoir introduit le fluide frigo-porteur à stocker, on dirige ce dernier verticalement, et on le distribue (11) selon une pluralité de jets dirigés horizontalement et/ou verticalement. 5) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on recycle (13) l'atmosphère gazeuse présente dans le ciel gazeux (6) dans l'enceinte (2) de stockage, au moins au niveau de la couche inférieure (lb), et préférentiellement sur plusieurs niveaux étagés dans l'enceinte. 6) Procédé selon la revendication 1, selon lequel on recycle (17) dans l'enceinte (2) de stockage, le fluide frigo-porteur soutiré au niveau de la couche (lb) inférieure, et refroidi à l'extérieur de l'enceinte (2), caractérisé en ce qu'on réintroduit dans l'enceinte de stockage, le fluide frigo-porteur soutiré, au niveau (lb) de la couche supérieure. 7) Dispositif de stockage d'un fluide frigo-porteur (1) comprenant deux phases (la,lb) d'un même corps en équilibre de fusion, comportant: - un récipient (2) de stockage formant enceinte de stockage dudit fluide, isolé thermiquement - un moyen (3) d'introduction du fluide frigo-porteur à stocker, à un niveau situé en hauteur au moins à la partie inférieure du récipient - un moyen d'extraction (4) du fluide frigo-porteur à déstocker, à un niveau situé en hauteur à la partie supérieure du récipient caractérisé en ce qu'en combinaison, d'une part une source gazeuse (5) est associée au récipient, pour établir un ciel gazeux (6) à la partie supérieure dudit récipient, et d'autre part, le moyen d'extraction (4) est disposé verticalement à l'intérieur du récipient, et comprend un conduit vertical (7) se terminant par un cône (8) de déversement du fluide frigo-porteur. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'extraction (4) du fluide frigo-porteur à déstocker comporte un moyen d'agitation (9) agissant à l'intérieur du cône de déversement. 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen (3) d'introduction du fluide frigo-porteur à stocker comprend un conduit vertical (10) se terminant en partie supérieure du récipient par un moyen (11) d'éjection dudit fluide. 10) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen d'éjection du fluide frigo-porteur à stocker comprend une rampe (11a, llb), éventuellement rotative autour d'un axe vertical, pourvue d'une pluralité de buses (12) d'éjection du fluide frigo- porteur, selon une direction horizontale et/ou verticale. 11) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit (13) de recyclage gazeux associé à la source gazeuse (5), comprenant un point (14) de piquage en partie supérieure du récipient, au moins un moyen d'injection (15) de l'atmosphère gazeuse recyclée, notamment une rampe, en20 partie inférieure du récipient, et un moyen de circulation (16) de l'atmosphère gazeuse recyclée entre le point de piquage et le point d'injection, la source gazeuse (5) étant branchée sur le circuit de recyclage en aval du moyen de circulation. 12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le circuit (13) du recyclage gazeux comprend plusieurs moyens (15) d'injection, disposés respectivement à plusieurs niveaux étagés dans le récipient (2). 13) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit (17) de recyclage et refroidissement du fluide frigo-porteur, comprenant un point (18) de soutirage en partie inférieure du récipient, et un moyen (30) d'introduction du fluide frigo-porteur refroidi, caractérisé en ce que le moyen d'introduction (30) du fluide recyclé est situé en partie supérieure du récipient, à l'écart du point de soutirage (18), et est notamment un moyen d'introduction tangentielle. 14) Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend un groupe frigorigène (20) associé au circuit de recyclage, dans lequel circule un fluide frigorigène, avec un échangeur de chaleur (21) entre le fluide frigo-porteur recyclé et le fluide frigorigène.