Brevet FR2781037A1 — publié le 20000114

La présente invention est relative au domaine du stockage et de la distribution de dioxyde de carbone, destiné à des fins d'utilisation diverses, à partir d'une phase gazeuse ou liquide, indifféremment. Les conditions optimales de distribution ne sont pas toujours en adéquation avec les conditions de stockage. Il est donc nécessaire d'adjoindre, à de telles unités, des moyens techniques qui permettent de répondre aux conditions spécifiques d'utilisation de telles unités. C'est ainsi qu'il est connu d'adjoindre, à une unité, un groupe producteur de frigories, de manière à pouvoir refroidir la phase gazeuse au sein d'un réservoir pour éviter une montée en pression trop importante. Cependant, rien alors n'est prévu lorsqu'il convient de répondre à une exigence de remontée en pression lorsque cette dernière baisse en dessous d'un seuil admissible, lors de l'utilisation. C'est ainsi qu'il est connu, également, d'adjoindre, à une telle unité, une ou plusieurs machines chargées d'apporter des frigories au dioxyde de carbone liquide, en vue de le sous-refroidir pour favoriser son utilisation dans la forme liquide. Cependant, il s'agit, là encore, d'un équipement spécifique qui n'est pas à même de répondre à une autre situation spécifique de la mise en utilisation d'une unité de stockage et de distribution de dioxyde de carbone liquide. C'est ainsi encore, qu'il est connu de devoir répondre à une exigence de fourniture de dioxyde de carbone liquide qui doit, cependant, être vaporisé juste en amont d'un poste d'utilisation devant être alimenté en dioxyde de carbone en phase gazeuse. A cette fin, il est connu d'avoir recours à un réchauffeur électrique qui constitue un équipement spécifique exigeant la disponibilité d'une énergie propre, ou à un réchauffeur atmosphérique dont le principal inconvénient est la nécessité de recourir à un dégivrage cyclique. En d'autres termes, pour satisfaire à toutes les exigences d'utilisation possibles d'une unité de stockage-distribution de dioxyde de carbone liquide, il est nécessaire de disposer d'une gamme relativement importante d'équipements spécifiques qui font naître des problèmes de stockage, de disponibilité face à la demande, d'entretien d'énergie propre dont l'incidence pratique est de renchérir le coût d'achat et d'entretien d'une unité de stockage-distribution. Le besoin se fait donc sentir de pouvoir disposer d'un moyen technique qui pourrait être fourni avec chaque unité de stockage-distribution de dioxyde de carbone liquide et qui offrirait une adaptabilité fonctionnelle telle qu'il serait à même de répondre à chacune des exigences spécifiques relevant de l'application particulière à laquelle l'unité serait destinée. C'est l'un des objets de l'invention que de répondre à ce besoin en proposant une installation de régulation fonctionnelle qui soit aisément adaptable sur les unités de stockage- distribution de dioxyde de carbone, qui soit relativement simple d'implantation et qui permette d'utiliser des moyens techniques ayant pour propriétés de réduire les dépenses d'investissement, d'entretien et d'énergie qui sont imposées à l'utilisateur par les moyens techniques offerts par l'art antérieur pour répondre aux conditions spécifiques d'utilisation. Pour atteindre les objectifs ci-dessus, l'installation de régulation fonctionnelle d'une unité de stockage-distribution de dioxyde de carbone est caractérisée en ce qu'elle comprend: - une machine frigorifique réversible, - un premier circuit d'échange comprenant un échangeur disposé dans la partie du réservoir occupée par la phase gazeuse de dioxyde de carbone, - un deuxième circuit d'échange comprenant un échangeur disposé sur la ligne de soutirage, - et deux vannes de contrôle à commandes inverses conjuguées, respectivement placées entre la machine frigorifique, d'une part, et les premier et deuxième circuits, d'autre part. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation de l'objet de l'invention. Les fig. 1, la et lb sont des schémas illustratifs de l'installation de régulation fonctionnelle selon l'invention. Les fig. 2 à 6 illustrent certaines phases caractéristiques de régulation fonctionnelle. La fig. 1 montre l'installation de régulation fonctionnelle selon l'invention, adaptée à une unité I de stockage- distribution de dioxyde de carbone. Une telle unité comprend un réservoir 1 en partie rempli d'une masse 2 de dioxyde de carbone liquide, surmontée d'un ciel 3 occupé par une phase gazeuse sous pression de dioxyde de carbone. Le réservoir 1 est raccordé à une canalisation de soutirage 4 menant à un appareillage d'utilisation qui ne fait pas partie directement de l'objet de l'invention, mais dont le caractère spécifique exige, soit une alimentation en dioxyde de carbone liquide, comme cela est schématisé par la branche 4a, soit une alimentation en dioxyde de carbone en phase gazeuse, comme cela est schématisé par la branche 4b comprenant alors, en amont dudit appareil non représenté, un échangeur atmosphérique 5 de vaporisation du dioxyde de carbone. L'installation de régulation fonctionnelle, désignée dans son ensemble par la référence II, comprend une machine frigorifique réversible 6 qui possède une première ligne de circulation 7, ainsi qu'une seconde ligne de circulation 8 entre lesquelles se trouve disposé un compresseur 9 comprenant une tubulure de sortie ou de refoulement 10 et une tubulure d'entrée ou d'admission 11. La machine 6 possède un échangeur 12 disposé sur la première ligne 7 qui est raccordée, de même que la ligne 8, à un bloc inverseur 13 auquel aboutissent également les tubulures 10 et 11 du compresseur. Le bloc inverseur 13 est conçu de manière à pouvoir assurer le raccordement entre la ligne 8 et la tubulure 11 et, simultanément, entre la tubulure 10 et la ligne 7 en amont de l'échangeur 12, comme cela est illustré par la fig. la. Le bloc inverseur 13 est aussi conçu de manière à pouvoir établir le raccordement entre la ligne 8 et la tubulure 10 et, simultanément, entre la tubulure 11 et la première ligne 7, comme cela est illustré par la fig. lb. L'installation II comprend, par ailleurs, un premier circuit d'échange 20 incluant un échangeur 21 qui est disposé dans le ciel 4 du réservoir 2. L'échangeur 21 est branché à deux canalisations 22 et 23 qui sont raccordées, par l'intermédiaire de vannes 24 et 25, respectivement aux lignes 7 et 8 de la machine 6. L'installation comprend également un second circuit d'échange 30 comportant un échangeur 31 dont les canalisations 32 et 33 sont aussi raccordées aux lignes 7 et 8 par l'intermédiaire des vannes 24 et 25. Pour cette raison, les vannes 24 et 25 sont des vannes du type trois voies, par exemple à commande électrique ou pneumatique, qui présentent la caractéristique de faire l'objet de commandes inversées conjuguées, comme cela sera apprécié dans ce qui suit. L'échangeur 31 est placé dans une chambre 35 qui est disposée sur une boucle de dérivation 36 branchée par des points de raccordement 37 et 38 sur la ligne de soutirage 4. Le point de raccordement 37 est disposé en aval d'un robinet 39 placé sur la ligne de soutirage 4, à la sortie du réservoir 1. La ligne de soutirage 4 possède, entre les points de raccordement 37 et 38, une vanne de fermeture-réglage 40. Selon une autre disposition de l'invention, la boucle de dérivation 36 est reliée au ciel de réservoir 4 par un branchement 41 pourvu d'un robinet d'isolement 42. L'installation comporte encore, de préférence, des moyens de régulation fonctionnelle automatique 43 qui sont pilotés, notamment, par un capteur de pression 44 placé sur le branchement 41 entre le réservoir 1 et le robinet 42 et par un capteur de température 45 disposé sur la ligne 4 en aval du point de raccordement 38. L'installation de régulation fonctionnelle décrite ci-dessus permet de faire intervenir les conditions de fonctionnement suivantes. La fig. I illustre une situation de fonctionnement dans laquelle la machine frigorifique réversible 6 est à l'arrêt et dans laquelle le robinet 42 est fermé, alors que le robinet 39 et la vanne 40 sont ouverts. Le robinet 39 dont la fonction est de permettre un isolement pour favoriser les opérations d'entretien est, à priori, toujours ouvert. La ligne de soutirage 4 fournit alors, à l'utilisateur, du dioxyde de carbone sous phase liquide, qui peut alimenter un appareil d'utilisation par la branche 4a ou par la branche 4b. Il peut se faire qu'un mode de fonctionnement antérieur ait conduit l'échangeur 12 à un stade de givrage qu'il conviendrait de pouvoir éliminer, en vue d'une utilisation optimale ultérieure. La fig. 2 illustre la mise en service de l'installation pour résoudre ce problème en considérant le mode fonctionnel précédent, c'est-à-dire du soutirage de dioxyde de carbone liquide. Selon la fig. 2, l'installation est placée dans une situation telle que la vanne 42 reste fermée, la vanne 39 reste ouverte et la vanne 40 devient fermée. En même temps, les vannes 24 et 25 sont commandées pour relier la machine 6 au circuit 30 et le bloc 13 est manoeuvré pour que la tubulure 10 soit raccordée à l'échangeur 12, alors que la tubulure 11 est raccordée à la ligne 8. Le dioxyde de carbone liquide emprunte alors la boucle 36 pour être amené à traverser la chambre 35. La mise en service de la machine 6 a pour conséquence de fournir à la ligne 7 un fluide sous forme gazeuse comprimée qui traverse l'échangeur 12 au niveau duquel il subit une condensation, tout en provoquant le dégivrage dudit échangeur. Les frigories, emmagasinées par ce fluide, sont cédées sans incidence aucune au sein de l'échangeur 31 qui baigne à l'intérieur de la chambre 35 dans le dioxyde de carbone liquide. Cette phase de fonctionnement peut être mise à profit pour assurer un sous- refroidissement du dioxyde de carbone liquide, par exemple destiné à alimenter un appareil d'utilisation par la branche 4a, comme cela est illustré par la fig. 3. Dans un tel cas, il peut aussi être avantageux de régler l'ouverture de la vanne 42, de manière à admettre une fraction de dioxyde sous forme gazeuse dans le but de réguler la température du dioxyde de carbone fourni par la canalisation 4. La régulation d'ouverture de la vanne 42 peut être placée sous la dépendance du capteur de température 45. Cette phase de fonctionnement peut aussi être mise à profit pour une distribution de dioxyde de carbone par la voie 4b destinée à alimenter un appareil en dioxyde sous forme gazeuse fournie par le réchauffeur 5. Dans ce dernier cas, la mise en service du réchauffeur 5 conduit, au bout d'un certain temps, à un givrage qu'il convient de pouvoir contrôler à terme, afin de disposer de conditions d'utilisation optimale fournissant le dioxyde de carbone en phase gazeuse à l'appareil d'utilisation. Afin de pouvoir répondre à terme à cette exigence, l'installation est placée dans le mode fonctionnel illustré par la fig. 4, selon lequel la machine 6 est commandée pour être toujours en relation avec le circuit 30 mais de façon inversée par rapport à la situation précédente. A cette fin, le bloc 13 est commandé pour relier la tubulure à la ligne 8 et la tubulure 11 à la ligne 7. De même, les vannes 40 et 42 sont ouvertes pour raccorder la boucle 36 au branchement 41. Dans une telle situation, le fonctionnement de la machine 6 a pour effet de faire fonctionner l'échangeur 31 en mode condenseur et l'échangeur 12 en mode évaporateur, tandis qu'une partie du dioxyde de carbone liquide emprunte la boucle 36 pour être recyclée vers le réservoir 1. Lors de son passage dans la chambre 35, cette partie de dioxyde de carbone liquide est vaporisée et vient accroître la pression de la phase gazeuse dans le ciel 3 du réservoir 1. Cette phase fonctionnelle peut être contrôlée par l'intermédiaire du capteur de pression 44. Lorsque le besoin se fait sentir de devoir dégivrer le réchauffeur atmosphérique , le cycle de dégivrage débute par la fermeture de la vanne 40, comme illustré par la fig. 5. Dans cette situation, la ligne 4 est alors branchée, par la boucle 36 et le branchement 41, directement avec le ciel 3 du réservoir 1, lequel fournit, à ladite ligne, du dioxyde de carbone en phase gazeuse chargé de provoquer le dégivrage du réchauffeur 5. Dans un tel état, la ligne 4 est alimentée uniquement en phase gazeuse même alors que le robinet 39 est ouvert étant donné que le débit de la phase liquide est désamorcé par la sortie de la phase gazeuse par le branchement 51 en raison de la direction verticale de la branche de la boucle 36 raccordée entre le robinet 39 et la vanne 40. Dans un tel mode fonctionnel, la machine 6 continue à fonctionner comme dit précédemment en relation avec la fig. 4. Il peut arriver que, dans un tel mode, le soutirage de l'appareil d'utilisation fasse intervenir un faible débit à partir du ciel 3. Dans un tel cas, le système de régulation de la machine 6 devrait interrompre son fonctionnement en raison d'un bilan d'échange défavorable au sein de l'échangeur 31. Afin d'éviter un tel arrêt inopiné, il est prévu de commander, par l'intermédiaire du signal fourni par le capteur de température 45, l'ouverture partielle de la vanne 40 qui permet d'admettre, par la boucle 36 et à partir du point de raccordement 37, comme cela est représenté en traits interrompus, une fraction de dioxyde de carbone liquide amené à se mélanger à la phase gazeuse et à traverser la chambre 35. Enfin, pour terminer, il convient de considérer un état de non utilisation de l'unité dans lequel aucun soutirage de dioxyde de carbone n'est effectué. Selon les conditions ambiantes, il peut se produire une montée en pression excessive dans le ciel 3 du réservoir 1. Pour réguler cette pression, susceptible d'être détectée par le capteur 44, l'installation selon l'invention est mise en service comme cela est illustré par la fig. 6. La machine 6 est commandée par les vannes 24 et 25 pour être en relation avec le circuit 20, alors que le bloc 13 est manoeuvré pour relier la ligne 8 à la tubulure 11 et la ligne 7 à la tubulure 10. Dans un tel cas, le fluide frigorigène, mis sous pression par le compresseur 9, est conduit à traverser l'échangeur 12 qui agit en tant que condenseur pour amener ce fluide frigorigène par la canalisation 22 à l'échangeur 21 qui se comporte alors comme un évaporateur pour refroidir la phase gazeuse occupant le ciel 4 et faire diminuer la pression à l'intérieur du réservoir 2 pour la maintenir à une valeur optimale. Le fluide, issu de l'évaporateur 21, emprunte la canalisation 23 pour être acheminé, par l'intermédiaire de la vanne 25 dans la seconde ligne 8 et être ramené par la canalisation 15 à la tubulure d'admission du compresseur 9. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Installation de régulation fonctionnelle d'une unité de stockagedistribution de dioxyde de carbone, du type comprenant un réservoir de stockage (1) et une ligne de soutirage (4) issue du réservoir, caractérisée en ce qu'elle comprend - une machine frigorifique réversible (6), - un premier circuit d'échange (20) comprenant un échangeur (21) disposé dans la partie (3) du réservoir occupée par la phase gazeuse de dioxyde de carbone, - un deuxième circuit d'échange (30) comprenant un échangeur (31) disposé sur la ligne de soutirage (4), - et deux vannes de contrôle (24, 25) à commandes inverses conjuguées, respectivement placées entre la machine frigorifique, d'une part, et les premier et deuxième circuits, d'autre part. 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la machine frigorifique réversible (6) comprend: - une première ligne de circulation (7) pourvue d'un échangeur (12) et une seconde ligne de circulation (8), - un compresseur (9), - et un bloc inverseur (13) susceptible d'assurer le raccordement 20. soit entre la sortie (10) du compresseur et la seconde ligne (8) et, simultanément, entre l'entrée (11) du compresseur et la sortie de l'échangeur (12) de la première ligne (7), soit entre la sortie (10) du compresseur et l'entrée de l'échangeur (12) de la première ligne (7) et, simultanément, l'entrée (11) du compresseur et la seconde ligne (8). 3 - Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la première et la seconde ligne (7 et 8) de la machine frigorifique (6) sont raccordées par deux vannes trois voies (24 et 25), respectivement aux deux circuits d'échange (20 et 30). 4 - Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le deuxième circuit d'échange (30) comprend un échangeur (31) qui est placé dans une chambre (35) disposée sur une boucle de dérivation (36) placée sur la ligne de soutirage (4) qui comporte une vanne de fermeture- réglage (40) disposée entre les deux raccordements (37 et 38) de la boucle sur la ligne (4). - Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la boucle de dérivation (36) est raccordée au ciel (3) du réservoir par un branchement (41) pourvu d'un robinet d'isolement (42). 6 - Installation selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que la boucle de dérivation (36) est disposée sur la ligne de soutirage (4) en aval d'un robinet d'isolement (39). 7 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur de température (45) pilotant des moyens (43) de régulation fonctionnelle et placé sur la ligne de soutirage (4). 8 - Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur de pression (44) placé sur le branchement (41) et chargé de piloter des moyens (43) de régulation fonctionnelle.