Brevet FR2778455A1 — publié le 19991112

L'invention vise un procédé économique énergétiquement de congélation d'une piste, par exemple une patinoire. L'invention vise également une installation mettant en pratique ce procédé. Le domaine technique de l'invention est le domaine des machines, installations ou systèmes frigorifiques, plus particulièrement appliqué à des installations munies d'un dispositif pour créer et maintenir une piste gelée, comme les patinoires. De telles pistes gelées sont habituellement munies d'un réseau de tubulures facilitant l'échange thermique entre la piste et un fluide frigorigène étant à une température proche de -10 C. Ce fluide se réchauffe en passant sous la piste dans les tuyauteries faisant échangeur thermique et est refroidi par un cycle traditionnel d'évaporation, compression, condensation, puis à nouveau évaporation. Ce dispositif antérieur est décrit dans le brevet US-3.485.057. Dans un autre type d'une telle installation, on peut également disposer de deux circuits. Un circuit secondaire en contact directe avec la piste dans lequel circule un fluide frigoporteur, ce circuit étant lui même en contact avec un circuit primaire dans lequel circule un fluide frigorigène. La piste est donc refroidie par échange thermique avec le fluide frigoporteur, lui même refroidi par échange thermique avec le fluide frigorigène. Le fluide frigorigène est refroidi, comme pour le type d'installation précédante, par un cycle traditionnel d'évaporation, compression, condensation, puis à nouveau évaporation. Le cycle de refroidissement du fluide frigorigène est évidemment très coûteux en énergie car la piste, pour être maintenue à une température assez basse, doit constamment échanger son énergie calorifique avec: soit le fluide frigorigène soit le fluide frigoporteur suivant le type d'installation. De plus, les pistes gelées destinées à recevoir des personnes ou/et des véhicules, comme les patinoires par exemple, doivent faire l'objet d'un surfaçage régulier afin de conserver à la piste un état de surface convenable. Ce surfaçage évacue des rebuts provenant de la piste qui sont soient stockés, soit directement jetés. Par exemple, dans les patinoires, une fosse à neige est nécessaire pour stocker la neige créée par le surfaçage de la piste. Cette neige fond dans la fosse qui est en suite vidangée dans le système d'évacuation d'eaux usées. La présente invention vise à mettre à profit ces rebuts provenant du surfaçage afin de refroidir le fluide frigorigène à la sortie du condenseur. Cette invention permet donc d'économiser au maximum l'énergie dépensée par le cycle de refroidissement du fluide frigorigène. Le premier objet de l'invention est donc un procédé économique en énergie pour réaliser et maintenir une piste gelée. La piste est réfrigérée par échange thermique avec un circuit dans lequel circule un fluide qui augmente en température en passant dans la partie du circuit faisant échangeur thermique, et est refroidi dans l'autre partie du circuit. Le refroidissement de ce fluide s'effectue au moins en partie par échange thermique avec les produits à faible température provenant du surfaçage de la piste. Selon une caractéristique de l'invention, le refroidissement du fluide réfrigérant la piste (9) est effectué en partie seulement par échange thermique avec des produits à faible température provenant du surfaçage de la piste, la fusion de ces produits étant utilisée pour refroidir ce fluide. Dans un mode de réalisation de l'invention, la piste est réfrigérée grâce à un fluide frigorigène par échange thermique. Le fluide frigorigène est refroidi par un cycle d'évaporation, compression, condensation, et est sous- refroidi par échange thermique avec les produits provenant du surfaçage de la piste. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la piste est réfrigérée grâce à un fluide frigoporteur par échange thermique, ce fluide frigoporteur étant refroidi par échange thermique avec un fluide frigorigène. Le fluide frigorigène est véhiculé et refroidi par un cycle d'évaporation, compression, condensation, et sous- refroidi par échange thermique avec les produits provenant du surfaçage de la piste. Un deuxième objet de l'invention est une installation économique en énergie pour réaliser et maintenir une piste gelée, utilisant le procédé décrit précédemment. Dans un mode de réalisation de l'installation, la piste est réfrigérée par un réseau tubulaire dans lequel circule un fluide frigorigène. Ce réseau comprend une partie faisant échangeur thermique entre la piste et le fluide frigorigène et une partie comportant: un cycle frigorifique et un dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste. Dans un autre mode de réalisation de l'installation, la piste est réfrigérée par un réseau tubulaire secondaire dans lequel circule un fluide frigoporteur. Ce réseau comprend une partie faisant échangeur thermique entre la piste et le fluide frigoporteur et une partie faisant échangeur thermique entre le fluide frigoporteur et un fluide frigorigène. Le fluide frigorigène circule lui même dans un réseau tubulaire primaire composé d'une partie faisant échangeur thermique entre le fluide frigorigène et le fluide frigoporteur et une partie comportant: un cycle frigorifique et un dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste. Le cycle frigorifique est constitué d'un compresseur, d'un condenseur et d'une bouteille basse pression montés en-série. Le fluide frigorigène circulant dans le réseau grâce à une pompe qui aspire le fluide par le bas de la bouteille basse pression et le rejette, partiellement vaporisé, après son passage dans le réseau dans la partie haute de la bouteille. Le fluide frigorigène se trouve dans la bouteille basse pression en dessous d'un niveau, sensiblement constant, à l'état fluide et à une température correspondant à la pression maintenue par le compresseur qui attire les vapeurs formées au dessus dudit niveau. Un premier mode de réalisation du dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste comporte une cuve de stockage des produits provenant du surfaçage de la piste et un circuit intermédiaire dans lequel circule un fluide caloporteur, comportant: - une extrémité munie d'un échangeur thermique entre le caloporteur et le fluide frigorigène, - un extrémité munie d'un échangeur thermique entre le caloporteur et les produits provenant du surfaçage de la piste. Un autre mode de réalisation du dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste comporte une cuve de stockage des produits provenant du surfaçage de la piste et un dispositif muni d'un échangeur thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste. selon une caractéristique de ces deux modes de réalisation, le fluide créé par la fonte des produits provenant du surfaçage de la piste est puisé au fond de la fosse, ou dans un puisard aménagé au fond de la fosse, par un pompe et conduit vers une ou plusieurs rampes d'aspersion permettant d'arroser les produits provenant du surfaçage de la piste sensiblement au dessus de la fosse. Selon une autre caractéristique de ces deux modes de réalisation, l'échangeur thermique entre le fluide et les produits provenant du surfaçage de la piste, comporte une ou plusieurs surfaces d'échange qui sont implantées dans la fosse de telle sorte que certaines d'entre elles soient sensiblement horizontales, et/ou d'autre soient sensiblement verticales, et/ou d'autre soient sensiblement verticales et sensiblement proches d'une des parois de la fosse. Un autre mode de réalisation du dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste comporte une cuve de stockage des produits provenant du surfaçage de la piste et un circuit intermédiaire dans lequel circule le fluide créé par la fonte des produits provenant du surfaçage de la piste. Ce circuit intermédiaire comporte: - une extrémité munie d'un échangeur thermique entre le fluide frigorigène et le fluide créé par la fonte des produits provenant du surfaçage de la piste, - une pompe pour faire circuler le fluide créé par la fonte des produits provenant du surfaçage de la piste, - une extrémité de retour du fluide créé par la fonte des produits provenant du surfaçage de la piste. Selon une caractéristique de ce mode de réalisation, l'extrémité de retour du fluide créé par la fonte des produits provenant du surfaçage de la piste est munie d'une ou de plusieurs rampes d'aspersion permettant d'arroser les produits provenant du surfaçage de la piste sensiblement au dessus de la fosse. Selon une caractéristique de ces trois modes de réalisation du dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste, la fosse à neige est munie entre autre d'une vanne située sensiblement au fond de la fosse permettant de vidanger cette fosse. Selon une autre caractéristique de ces trois modes de réalisation du dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste, la fosse à neige est munie entre autre d'au moins un trop plein situé sensiblement en haut d'une paroi de la fosse, et se déversant par exemple, directement dans le réseau d'eaux usées. Selon une caractéristique commune à tous les modes de réalisation de l'invention, les surfaces d'échange formées par les différentes parties du dispositif faisant échangeur thermique, peuvent être constituées selon différentes formes permettant des surfaces développées plus importantes que la surface plane, telle que par exemple: surfaces en V, surfaces ondulées, faisceau de tubes en une ou plusieurs nappes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, et qui est donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexes. La figure 1 est un schéma simplifié d'une installation de réfrigération à circulation de fluide frigorigène. La figure 2 est un schéma simplifié d'une installation à circulation de fluide frigoporteur et de fluide frigorigène. La figure 3 est un schéma représentant un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel le fluide frigorigène est refroidi par un circuit comportant un caloporteur, en contact avec la fosse à neige. La figure 4 est un schéma simplifié d'une fosse à neige équipée de moyens de refroidissement du fluide caloporteur par fusion de la neige. La figure 5 est un schéma représentant un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le fluide frigorigène est refroidi par la neige contenue dans la fosse. La figure 6 est un schéma représentant un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le fluide frigorigène est refroidi par un circuit ou circule l'eau provenant de la fonte de la neige stockée dans la fosse. La figure 1 représente une installation traditionnelle avec circulation de fluide frigorigène. Le compresseur 1 comprime les vapeurs de frigorigène provenant de l'évaporation, ces vapeurs étant refoulées vers le condenseur 2 au passage duquel elles se condensent. Le fluide ainsi formé arrive, via la vanne d'alimentation 3, à la bouteille basse pression 4 dans laquelle un niveau H est maintenu sensiblement constant. Dans la bouteille basse pression 4, le fluide frigorigène se trouve en dessous du niveau H à l'état fluide 5 et à une température correspondant à la pression maintenue par le compresseur 1 qui aspire les vapeurs 6 formées au dessus du niveau H. La pompe 7 met en circulation le fluide frigorigène à environ -10 C dans le réseau de la piste 9. Ce fluide frigorigène revient partiellement vaporisé à la bouteille basse pression 4. La charge thermique de vaporisation du fluide contenu dans la bouteille basse pression provient donc du refroidissement de la piste 9. Les vapeurs 6 situées dans la partie supérieure de la bouteille basse pression 4 (c'est à dire au dessus du niveau H) sont alors aspirées par le compresseur 1 qui élève la pression desdites vapeurs pour permettre à nouveau la condensation. Le refroidissement nécessaire à la condensation est obtenue le plus souvent par ventilation d'air extérieur sur le condenseur 2 grâce à un ventilateur 10. La température de condensation est conditionnée entre autre, par les conditions climatiques (température de l'air extérieur par exemple), les limites de bon fonctionnement notamment du compresseur 1, la pression de condensation minimum, etc. La température de condensation se situe le plus souvent entre 45 C et 25 C. Plus le fluide frigorigène issu de la condensation sera froid, moins, pour une même charge thermique du réseau 8 de la piste 9, la puissance de compression sera importante, le débit massique du frigorigène étant lié à l'écart d'enthalpie entre le fluide en amon de la pompe 3, à l'entrée de la bouteille basse pression 4 et la vapeur 6 à la sortie vers le compresseur 1. La figure 2 représente sensiblement un autre type d'installation traditionnelle dans laquelle le fluide frigorigène ne circule pas dans la piste 9 (comme pour l'installation représentée dans la figure 1) mais dans un circuit primaire 11. Un échangeur 12, comportant deux parties 12a et 12b, permet le refroidissement d'un fluide frigoporteur par le fluide frigorigène. Le fluide frigoporteur circule dans un circuit secondaire 13 et est composé, par exemple, d'eau additionnée à un antigel. Le frigoporteur est mis en circulation par la pompe 7 dans le réseau 8 de tuyauteries de la piste 9 formé par le circuit secondaire 13. Ce système de double circuit de refroidissement permet de réduire la quantité de frigorigène contenue dans l'installation. La figure 3 représente une installation suivant les figures 1 ou 2 sur laquelle est réalisé un sous-refroidissement du fluide frigorigène issu de la condensation conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. Le frigorigène sort du condenseur 2 à une température comprise entre 25 C et 45 C. Le frigorigène cède de la chaleur au passage dans le primaire 15 d'un échangeur 14 pour sortir à une température comprise entre 15 C et 5 C. La chaleur perdue par le frigorigène est absorbée au secondaire 16 de l'échangeur 14 par la circulation d'un fluide caloporteur mis en circulation dans un circuit intermédiaire 17 par la pompe 18. Au passage dans l'échangeur 14, le fluide caloporteur gagne de l'énergie calorifique. Le fluide caloporteur nécessite donc un refroidissement qui s'effectue par la fusion de la neige issue du surfaçage de la piste 9. Au passage dans l'échangeur 19, le fluide caloporteur perd de l'énergie calorifique, qui est transmise à la neige 20 présente dans la fosse 21. La figue 5 représente une installation suivant les figures 1 ou 2 sur laquelle est réalisé un sous-refroidissement du fluide frigorigène issu de la condensation conforme à un autre mode de réalisation de l'invention. Le frigorigène sort du condenseur 2 à une température comprise entre 25 C et 45 C. Le frigorigène cède de la chaleur au passage dans l'échangeur 19 pour sortir à une température comprise entre 15 C et 5 C. La chaleur perdue par le frigorigène est absorbée par la neige 20 présente dans la fosse à neige 21 dans laquelle est inséré l'échangeur 19 comme présenté sur la figure 4, sous la réference 25. La figue 6 représente une installation suivant les figures 1 ou 2 sur laquelle est réalisé un sous-refroidissement du fluide frigorigène issu de la condensation conforme à un autre mode de réalisation de l'invention. Le frigorigène sort du condenseur 2 à une température comprise entre 25 C et 45 C. Le frigorigène cède de la chaleur au passage dans le primaire 15 d'un échangeur 14 pour sortir à une température comprise entre 15 C et 5 C. La chaleur perdue par le frigorigène est absorbée au secondaire 16 de l'échangeur 14 par la circulation d'un fluide mis en circulation dans un circuit intermédiaire 17 par la pompe 23. Le fluide en circulation dans le circuit intermédiaire 17 provient directement de la fusion de la neige 20 présente dans la fosse 21. La neige 20 crée, en fondant, une couche fluide 22 au fond de la fosse 21. Ce fluide est puisé par une pompe 23, il circule dans le circuit intermédiaire 17, passe dans l'échangeur 14 dans lequel sa température augmente, puis est rejeté sensiblement au dessus de la fosse à neige par une ou plusieurs rampe d'aspersion 24. l1 La figure 4 représente une fosse à neige 21 équipée des moyens de refroidissement d'un fluide (fluide caloporteur, fluide frigorigène, fluide provenant de la fusion de la neige ou tout autre fluide suivant le mode de réalisation choisi) par fusion de la neige 20 provenant du surfaçage de la piste 9. Le fluide frigorigène circule dans un échangeur, constitué de une ou plusieurs surfaces d'échange 25, implantées dans la fosse à neige 21. Les surfaces d'échange 25 sont disposées de façon à permettre un contact le meilleur possible entre la neige 20 et le fluide frigorigène. Ainsi, les surfaces d'échange 25 sont disposées pour certaines d'entre elles horizontalement, et/ou pour d'autre verticalement, et/ou pour d'autre verticalement sensiblement contre une paroi de fosse 21. Les surfaces d'échange 25 peuvent être constituées selon différentes formes permettant des surfaces développées plus importantes que la surface plane, telle que par exemple: surfaces en V, surfaces ondulées, faisceau de tubes en une ou plusieurs nappes. Le fluide crée par le fonte de la neige 20 est puisé au fond de la fosse 21, ou dans un puisard 26 aménagé au fond de la fosse 21, par une pompe 27. Ce fluide est ensuite conduit vers une ou plusieurs rampes d'aspersion 24 permettant d'arroser la neige 20 avec le fluide sensiblement au dessus de la fosse 21 à neige. REVEND I CATIONS 1. Procédé économique en énergie pour réaliser et maintenir une piste (9) gelée, telle que patinoire, la piste (9) étant réfrigérée par échange thermique avec un circuit dans lequel circule un fluide qui augmente en température en passant dans la partie du circuit faisant échangeur thermique avec la piste (9), et est refroidi dans l'autre partie du circuit, caractérisé en ce que le refroidissement de ce fluide s'effectue au moins en partie par échange thermique avec des produits (20) à faible température provenant du surfaçage de la piste (9). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le refroidissement du fluide réfrigérant la piste (9) est effectué en partie seulement par échange thermique avec des produits (20) à faible température provenant du surfaçage de la piste (9), la fusion des produits (20) étant utilisée pour refroidir ce fluide. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la piste (9) est réfrigérée grâce à un fluide frigorigène par échange thermique, ce fluide étant véhiculé et refroidi par un cycle d'évaporation, compression, condensation, et sous- refroidi, après la phase de condensation, par échange thermique avec les produits (20) provenant du surfaçage de la piste. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la piste (9) est réfrigérée grâce à un fluide frigoporteur par échange thermique, ce fluide frigoporteur étant refroidi par échange thermique avec un fluide frigorigène, le fluide frigorigène étant refroidi par un cycle d'évaporation, compression, condensation, et sous- refroidi, après la phase de condensation, par échange thermique avec les produits (20) provenant du surfaçage de la piste. 5. Installation économique en énergie pour réaliser et maintenir une piste gelée, telle que patinoire, utilisant le procédé conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la piste (9) est réfrigérée par un réseau tubulaire dans lequel circule un fluide frigorigène, ce réseau comprenant une partie (8) faisant échangeur thermique entre la piste et le fluide frigorigène et une partie comportant: un cycle frigorifique et un dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits (20) provenant du surfaçage de la piste. 6. Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que la piste est réfrigérée par un réseau tubulaire secondaire (13) dans lequel circule un fluide frigoporteur, ce réseau comprenant une partie (8) faisant échangeur thermique entre la piste et le fluide frigoporteur et une partie (12b) faisant échangeur thermique entre le fluide frigoporteur et un fluide frigorigène, le fluide frigorigène circulant lui même dans un réseau primaire composé d'une partie (12a) faisant échangeur thermique entre le fluide frigorigène et le fluide frigoporteur et une partie comportant: un cycle frigorifique et un dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits (20) provenant du surfaçage de la piste. 7. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le cycle frigorifique est constitué d'un compresseur (1), d'un condenseur (2) et d'une bouteille basse pression (4) montés en série, le fluide frigorigène circulant dans le réseau grâce à une pompe (7) qui aspire le fluide par le bas de la bouteille basse pression (4) et le rejette après son passage dans le réseau, partiellement vaporisé, dans la partie haute de la bouteille (4). 8. Installation selon l'une des revendications 5 à 7 caractérisée en ce que le fluide frigorigène se trouve dans la bouteille basse pression (4) en dessous d'un niveau (H), sensiblement constant, à l'état fluide et à une température correspondant à la pression maintenue par le compresseur (1) qui attire les vapeurs (6) formées au dessus dudit niveau (H). 9. Installation selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisée en ce que le dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste (9) comporte une cuve (21) de stockage des produits (20) provenant du surfaçage de la piste et un circuit intermédiaire dans lequel circule un fluide caloporteur, comportant: - une extrémité munie d'un échangeur thermique (14) entre le caloporteur et le fluide frigorigène, - un extrémité munie d'un échangeur thermique entre le caloporteur et les produits (20) provenant du surfaçage de la piste. 10. Installation selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisée en ce que le dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits (20) provenant du surfaçage de la piste (9) comporte une cuve (21) de stockage des produits (20) provenant du surfaçage de la piste et un dispositif muni d'un échangeur thermique entre le fluide frigorigène et les produits provenant du surfaçage de la piste. 11. Installation selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisée en ce que le fluide créé par la fonte des produits (20) provenant du surfaçage de la piste (9) est puisé au fond de la fosse (21), ou dans un puisard (26) aménagé au fond de la fosse (21), par une pompe (27) et conduit vers une ou plusieurs rampes d'aspersion (27) permettant d'arroser les produits (20) provenant du surfaçage de la piste sensiblement au dessus de la fosse (21). 12. Installation selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisée en ce que les surfaces d'échange thermique (25) entre le fluide et les produits (20) provenant du surfaçage de la piste, sont implantés dans la fosse (21) de telle sorte que certaines d'entre elles soient sensiblement horizontales, et/ou d'autres soient sensiblement verticales, et/ou d'autres soient sensiblement verticales et sensiblement proches d'une des parois de la fosse (21). 13. Installation selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisée en ce que le dispositif d'échange thermique entre le fluide frigorigène et les produits (20) provenant du surfaçage de la piste comporte une cuve de stockage (21) des produits (20) provenant du surfaçage de la piste et un circuit intermédiaire (17) dans lequel circule le fluide créé par la fonte des produits (20) provenant du surfaçage de la piste, ce circuit intermédiaire (17) comportant: - une extrémité munie d'un échangeur thermique entre le fluide frigorigène et le fluide créé par la fonte des produits (20) provenant du surfaçage de la piste, - une pompe (23) pour faire circuler le fluide créé par la fonte des produits (20) provenant du surfaçage de la piste, - une extrémité de retour du fluide créé par la fonte des produits (20) provenant du surfaçage de la piste. 14. Installation selon la revendication 13 caractérisée en ce que l'extrémité de retour du fluide créé par la fonte des produits (20) provenant du surfaçage de la piste est muni d'une ou de plusieurs rampe d'aspersion permettant d'arroser les produits (20) provenant du surfaçage de la piste sensiblement au dessus de la fosse. 15. Installation selon l'une des revendications 9 à 14 caractérisée en ce que la fosse (21) est munie entre autre d'une vanne (28) située sensiblement au fond de la fosse permettant de vidanger cette fosse. 16. Installation selon l'une des revendications 9 à 14 caractérisée en ce que la fosse (21) est munie entre autre d'au moins un trop plein (29) situé sensiblement en haut d'une paroi de la fosse (21), et se déversant par exemple, directement dans le réseau d'eaux usées. 17. Installation selon l'une des revendications 5 à 16 caractérisée en ce que les surfaces d'échange formées par les différentes parties du dispositif faisant échangeur thermique, peuvent être constituées selon différentes formes permettant des surfaces développées plus importantes que la surface plane, telle que par exemple: surfaces en V, surfaces ondulées, faisceau de tubes en une ou plusieurs nappe.