Brevet FR2741941A1 — publié le 19970606

DESCRIPTION Le procédé selon l'invention a pour objet l'amélioration des groupes frigorifiques et des pompes à chaleur lorsque le fluide à refroidir présente un gradient thermique. Cette invention est applicable aussi bien aux groupes frigorifiques qu'aux pompes à chaleur. Pour des raisons de commodité et de simplification nous ne la décrirons que pour les groupes frigorifiques sans pour autant en restreindre la portée. Le moyen le plus usuel de refroidir un fluide à une température inférieure à la température ambiante ( eau de refroidissement ou air ambiant) est l'utilisation d'un groupe frigorifique mécanique. Celui-ci comprend une étape de vaporisation du fluide frigorigène sous basse pression. Cette vaporisation absorbe de la chaleur qui est soutirée au fluide à refroidir au moyen d'un échangeur indirect de chaleur. La vapeur ainsi produite est alors comprimée à une pression telle qu'elle puisse être condensée à température ambiante avec l'eau ou l'air de condensation. Le fluide frigorigène ainsi condensé est détendu le plus souvent dans une vanne jusqu'à la basse pression pour s'évaporer à nouveau. Un tel cycle frigorifique est schématiquement montré sur la figure 1. Y figurent les 4 organes où ont lieu les 4 étapes du cycle, à savoir dans l'ordre : l'évaporateur (1), le compresseur (2), le condenseur (3) et la vanne de détente (4). Si le fluide frigorigène est un corps pur et si l'évaporation se fait à pression constante (en négligeant les pertes de charge dans l'évaporateur), l'évaporation se fait à température constante. On peut représenter le diagramme d'échange thermique de l'évaporateur ainsi que montré sur la figure 2. En abscisse est portée la température T et en ordonnée la quantité de chaleur échangée Q. L'évaporation du fluide frigorigène étant isotherme, elle est représentée par une droite (a) parallèle à l'axe des ordonnées. Si le fluide à refroidir présente un gradient de température, il sera représenté par une droite de type (b). Si la technologie de l'échangeur impose un certain écart DT de température minimum entre les fluides en échange thermique, il apparait clairement que la température d'évaporation TE est imposée par la température froide T2 avec TE = T2-DT. Par contre, l'écart de température T1-TE est supérieur au minimum DT autorisé par la technologie. On sait par ailleurs que la pression d'évaporation est une fonction croissante de la température. La température T2 impose donc une pression d'évaporation plus basse que ne le ferait T1 et donc un travail de recompression supérieur à celui qu'imposerait Tl. Il s'ensuit donc un gaspillage d'autant plus important que le gradient thermique de T1 à T2 est plus fort. De façon plus générale, P. Le Goff dans son ouvrage Energétique industrielle Analyse thermodynamique et mécanique des économies d'énergie a quantifié en terme d'entropie les pertes d'énergie qui apparaissent dans un échangeur. Il y montre qu'elles sont d'autant plus importantes que l'écart de température entre les deux fluides est grand et que toute économie d'énergie passe par la diminution de cet écart. Il existe plusieurs méthodes pour diminuer cet écart afin de procéder à des économies d'énergie. La première consiste à évaporer le fluide dans deux évaporateurs à deux températures différentes TE1 et TE2 dont le diagramme d'échange total est montré sur la figure 3. La pression correspondant à TEl est supérieure à celle correspondant à TE2 si bien que la compression du fluide vaporisé à TE1 est moins coûteuse en énergie. Si cette méthode permet effectivement d'économiser de l'énergie, elle présente néanmoins l'inconvénient de requérir deux évaporateurs, conduisant à un surcoût non négligeable. Une autre solution est celle des cycles utilisant des mélanges non azéotropiques. On sait qu'un tel mélange binaire bout à une température non constante mais sur un gradient dont les températures extrèmes dépendent de la composition et de la pression d'évaporation. On obtient ainsi un diagramme dont l'allure est celle de la figure 4. On notera qu'un phénomène similaire se produit à la condensation, ajoutant encore aux économies d'énergie. On appelle de tels cycles des cycles de Lorenz. Ces cycles ont fait l'objet, depuis une quinzaine d'années, de nombreuses études dont les publications se sont l'écho (par exemple aux congrès de l'institut International du Froid, Paris 1983 ou Montréal 1991). Malgré de réelles économies d'énergie, leur diffusion dans l'industrie n'est pas aussi large que prévisible. Cela tient en premier lieu à ce qu'il requièrent un cycle complet de recherche (études thermodynamiques, détermination des propriètés de transfert, compatibilité avec les matériaux) ; toutes recherches longues et coûteuses. En second lieu, les appoints pour compenser les fuites sont délicats dans la mesure où , les deux phases ayant des compositions différentes, une fuite dans une des deux phases modifie la composition de l'ensemble. Chaque appoint requiert donc une analyse du fluide restant qui alourdit le coût de l'entretien. La présente invention a pour objet d'améliorer les performances énergétiques des cycles frigorifiques et des pompes à chaleur dans le cas où le fluide à refroidir présente un gradient thermique sans pour autant subir les inconvénients ci-dessus et en utilisant préférentiellement un fluide frigorigène pur. Le principe de ce procédé est montré sur la figure 5. Le fluide frigorigène à haute pression au refoulement du compresseur (10) est condensé dans le condenseur (11) par échange de chaleur indirect avec de l'eau ou de l'air de refroidissement. Il est alors détendu à une première pression P1 dans la vanne (12). Les phases liquide et vapeur engendrées par la détente sont séparées dans le séparateur (13). La phase vapeur est conduite par le tuyau (14) à une pression intermédiaire du compresseur (10). La phase liquide est détendue dans la vanne (15) jusqu'à une basse pression P2. Les phases vapeur et liquide engendrées par la détente sont séparées dans le séparateur (16). La phase vapeur est retournée à l'aspiration du compresseur (10) par la conduite (17).La phase liquide est pompée à une pression supérieure à celle du séparateur (16) et au moins égale à celle du séparateur (13) dans la pompe (18). Le fluide à refroidir (19) est refroidi dans l'échangeur (20) par fluide frigorigène pompé en (18). Celui-ci s'échauffe et peut partiellement être vaporisé avant d'être retourné au séparateur (13) où les phases liquide et vapeur sont séparées. Si on suppose que la température d'entrée T1 du fluide à refroidir (19) est supérieure à celle du séparateur (13) et que le liquide issu du séparateur (16) est pompé à la pression de (13), le diagramme d'échange de l'échangeur (20) a l'allure montrée sur la figure 6. On peut aisément régler le débit de la pompe (18) de façon que, dans sa partie inférieure, le diagramme présente deux droites parallèles avec un écart minimum de température DT = T2 - TE1. Il apparait clairement que l'écart moyen de température de l'échangeur (20) représenté sur la figure 6 est inférieur à celui de l'échangeur (1) de la figure 2 permettant ainsi des économies d'énergie. Celles-ci sont matérialsées par le fait que la vapeur produite dans l'échangeur (20) est à la pression intermédiaire Pi du séparateur (13) et non à la pression d'aspiration P2 du compresseur (10). Un avantage particulier de cette invention tient au le fait que l'échangeur (20) peut être d'une technologie entrainant de fortes pertes de charge avec une pénalité plus faible que pour l'art antérieur de la figure (1). En particulier, on peut utiliser différentes sortes d'échangeurs à plaques, dont les échangeurs plaques et joints facilement démontables et nettoyables. Cette invention est particulièrement bien adaptée aux cycles à compression de type "compound" tel que représenté en pointillé sur la figure 5. A la pression intermédiaire de (13), le fluide frigorigène est soutiré du compresseur (10) et est refroidi jusqu'à la température de (13) avant d'être retourné par le tuyau (14) au compresseur (10). Dans tout ce qui précède, il n'a été question de cycles frigorifiques ou de pompe à chaleur à compression. Le procédé selon l'invention est applicable aux cycles frigorifiques et aux pompes à chaleur à absorption. La description qui suit convient particulièrement au cycle utilisant le binaire eau-ammoniac mais peut s'étendre à d'autres mélanges, en particulier le binaire eau-bromure de lithium. Dans ce dernier cas, la colonne (120) ultérieurement décrite sera un simple régénérateur par chauffage, à simple ou double effet. Dans un cycle à absorption, la compression du frigorigène est obtenue par dissolution dans un composé lourd, la solution résultante étant ensuite pompée. A la haute pression, les composés sont séparés par chauffage et/ou distillation et le fluide frigorigène est condensé. L'application de la présente invention au cycle à absorption est montrée sur la figure 7. Le frigorigène issu de la colonne à distiller (120) est condensé dans le condenseur (121) puis détendu dans la vanne (122) jusqu'à une première pression P1. Les phases liquide et vapeur engendrées par la détente sont séparées dans le séparateur (123). Le liquide est ensuite à nouveau détendu jusqu'à une pression P2 dans la vanne (124) et les phases liquide et vapeur engendrées par la detente sont séparées dans le séparateur (125). Le liquide issu de (125) est pompé par la pompe (126) jusqu'à une pression au moins égale à P1, refroidit le fluide à refroidir (127) dans l'échangeur (128) et est retourné après éventuellement vaporisation partielle au séparateur (123). La vapeur issue du séparateur (125) est absorbée par le liquide pauvre (129) issu de la colonne (120) et condensé en (130).Le liquide (131) produit est pompé et est suffisament riche en constituant lourd pour permettre l'absorption en (132) de la vapeur issue du séparateur (123). I1 y ainsi économie de liquide pauvre conduisant à une moindre consommation d'énergie dans la colonne (120). Dans les descriptions qui précèdent, le nombre de pression P1 et P2 et de séparateurs intermédiaires (13) / (16) et (123) / (125) a été volontairement limité à deux pour la clarté de l'exposé. Il apparaîtra à l'homme de l'art que pour de forts gradients thermiques du fluide à refroidir (19)/(127), un nombre supérieur de pressions et de séparateurs intermédiaires peut être économiquement justifié, que ce soit pour les cycles à compression ou pour ceux à absorption. Il est fréquent que l'industrie frigorifique soit amenée avec un seul groupe frigorifique à produire du froid à deux températures différentes. Il suffit alors de reproduire deux circuits (18), (20), (13), dont certains éléments peuvent être communs, à deux pressions différentes. Une autre application possible concerne les usines de traitement de gaz par voie cryogénique. La plupart des gaz traitées par voie cryogénique contiennent de l'eau et du gaz carbonique qui, s'ils restent dans le gaz, condensent et cristallisent à basse température. Ils bouchent alors les tuyauteries et les équipements froids. L'eau et le gaz carbonique doivent donc être retirés du gaz préalablement au traitement cryogénique par adsorption sur alumine et / ou tamis moléculaire. Pour diminuer la taille de ces unités d'épuration, il est souvent économique de refroidir le gaz en amont jusqu'à une température comprise de préférence entre 5 et 200C afin de condenser l'eau. Comme ces gaz se refroidissent suivant un gradient thermique, on est alors dans le domaine d'application de l'invention. L'exemple suivant montre les avantages énergètiques qu'on tirer de ce procédé de production de froid. Considérons le refroidissement linéaire d'un fluide de la température ambiante (440C) à -130C. On suppose que les écarts minimum de température aux échangeurs sont de 50C et que le fluide frigorigène est l'ammoniac. Le cycle est à compression. Le cycle de base est montré sur la figure 1. L'vaporation se fait en (1) à 2,1 bar et -180C. La consommation énergétique est la base 100 de la comparaison. Dans l'utilisation du cycle de la figure 5 hors variante compound, la pression intermédiaire est fixée à 5,5 bar et la basse pression de la détente à 2,1 environ. La pompe (18) recircule environ 4,4 fois le débit du compresseur (10) à une pression de 5,5 bar abs à laquelle il est partiellement vaporisé avant de retourner vers le séparateur (13). Sur ces bases, la consommation d'énergie du cycle de l'invention s'établit à 71, soit une économie de 29%. REVENDICATIONS 1 Procédé de vaporisation d'un fluide frigorigène d'un cycle frigorifique ou d'une pompe à chaleur dans lequel le fluide frigorigène condensé est une première fois détendu dans la vanne (12)/(122), les phases liquide et vapeur engendrées par la détente séparées dans le séparateur (13)/(123), ladite vapeur est retournée vers la compression, le liquide est à nouveau détendu dans la vanne (15)/(124), les phases liquide et vapeur engendrées par cette seconde détente sont séparées dans le séparateur (16)/(125), ladite phase vapeur étant retournée à la compression et la phase liquide est pompée par la pompe (18)/(126), s'échauffe en refroidissant le fluide (19)/(127) par échange indirect de chaleur dans l'échangeur (20)/(128) et est retourné au séparateur (13)/(123) caractérisé en ce que la pression du séparateur (13)/(123) est supérieure à celle du séparateur (16)/(125). 2 Procédé selon la revendication (1) caractérisé en ce que le nombre de pressions intermédiaires et de séparateurs du type (13)/(123) et (16)/(125) est supérieur à deux 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il il y plusieurs échangeurs de type (20)/(128) associés à plusieurs séparateurs de type (13)/(123) fonctionnant à des pressions différentes et produisant du froid à des températures différentes. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le cycle frigorifique ou la pompe à chaleur est à compression. 5 Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le cycle frigorifique ou la pompe à chaleur est du type compound. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le cycle frigorifique est à absorption à régénération à simple ou à double effet ou par distillation. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le groupe frigorifique est destiné à refroidir le gaz de charge d'une unité cryogénique de séparation de gaz. 8 Installation de vaporisation d'un fluide frigorigène comprenant un premier séparateur (13)/(123), un deuxième séparateur (16)/(125), une pompe (18)/126) et un échangeur de chaleur (20)/(128) caractérisée en ce que la sortie de l'échangeur (20)/(128) est reliée au séparateur (13)/(123). 9 Installation selon la revendication 8 caractérisée en ce que le cycle frigorifique ou la pompe à chaleur comprend un compresseur (10). 10 Installation selon la revendication 8 d'un cycle frigorifique ou d'une pompe à chaleur à absorption comprenant une colonne ou un régénérateur (120) et une pompe (131) caractérisée en ce qu'elle comprend des absorbeurs (130) et (132).