Brevet FR2838180A1 — publié le 20031010

orthogonalement, par rapport aux premiers motifs diffusants. -1 s INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES BASSE TENfPERATU DE SURGELATION ET DE STOCKAGE. DESCRIPTION Domaine technique de l'invention: Chaque fois que l' on doit surgeler des produits à une température à c_ur de -45 C et moins et chaque fois que l'on doit descendre fréquemment des chambres froides de stockage à des températures de 0 C qu'il s'agisse d'une installation frigorifique à terre ou à bord d'un navire. L'exemple type est bien sur le thonier congélateur qui traite le sashimi, ce fameux thon rouge dont raffolent les japonais. Ces basses températures permettent au thon surgelé de conserver les mêmes propriétés organoleptiques que le thon frais.... Ces basses températures de congélation et de stockage ne sont pas le domaine exclusif de l'industrie agroalimentaire et peuvent être utilisées dans d'autres domaines comme la chimie, la métallurgie... Etat de la technique antérieure: La congélation traditionnelle ou l'on recherche des températures à c_ur de -1 8 C est bien ma^trisée par les professionnels du froid qui utilisent couramment les systèmes suivants: - Installations à simple étage: Certain s fl uide s comme le R4 04a s ont bi en appropri és pour c ette uti l i s ati on car la température en fin de compression reste acceptable. Ce système est utilisé généralement pour les installations de petite puissance lorsque l' on recherche la simplicité avant le rendement de l'installation. Effectivement l' augmentation de l 'écart de température entre le condenseur et l'évaporateur entraîne une augmentation du taux de compression ce qui a pour effet de diminuer le rendement volumétrique du compresseur. - Installations avec compresseurs à vis et économiseur: On utilise la particularité du compresseur à vis qui permet d'avoir un orifice à une position o la pression dans la chambre de compression fermoe se situe entre la pression à l'entrée et à la sortie. Grâce à la température plus basse établie par l'économiseur, l'enthalpie disponible dans l'évaporateuraugmentera. -2 La puissance frigorifique augmentera pour une augmentation moins prononcée pour la puissance absorbée. l 0 Le rendement de l'installation =Recette/ Dépense =Puissance frigoriflque / Puissance absorbée appelé aussi COP ( coefficient de performance) sera important notamment avec une basse température de condensation. Ce procédé est largement utilisé dans la profession ou il allie simplicité et bon rendement. Lorsque la température à c_ur des produits recherchée est de -45 C et moins avec des lS températures de -60 C pour les chambres froides de stockage, d'autres systèmes permettant une température plus basse sont utilisés. Systèmes à double étage avec bouteille intermédiaire: Ces installations appelées aussi booster sont constituées de compresseurs à simple étage basse pression ( compresseurs bp) et de compresseurs à simple étage Haute Pression ( compresseurs HP) séparés qui peuvent être à vis ou à pistons. Dans le cycle à injection partielle, le débit masse de fluide déplacé par le compresseur bp est sous-refroidi sous la pression de condensation dans un échangeur immergé dans le liquide de la bouteille intermédiaire. C'est uniquement la différence des masses HP et bp qui subit la détente de la pression HP à la pression intermédiaire d' ou son nom d'ailleurs d' injection partielle. En raison des grands volumes massiques des vapeurs à l' aspiration des compresseurs basse pression, on peut être amené à préLérer le système ci-après. -Svstème cascade avec deux svstèmes séparés: Dans ce système bien connu des frigoristes, le condenseur de l'un cède la chaleur à l'évaporateur de celui qui le suit immédiatement dans le sens des températures croissantes. L'évaporateur du premier système basse température absorbe la chaleur du milieu à refroidir, le condenseur du dernier système haute température est refroidi par eau ou par air. Chacun des systèmes utilise un fluide frigorigène différent dont les caractéristiques sont adaptées au domaine de températures et sont compatibles avec la protection de l'environnement. Actuellement, c'est le couple R23/ R404a qui est retenu. Si ce système permet d'obtenir des rendements élevés, il présente les inconvénients suivants: - Deux fluides frigorigènes différents sur la même installation frigorifque. Nécessité de prévoir pour l'étage bp, un réservoir de volume suffsant pour renfermer l'ensemble de l'installation sous une pression modérée. Ceci est un inconvénient majeur lorsque l'on ne dispose que d'une place modérée, comme à bord d'un navire de pêche, par exemple. On voit d'ailleurs tout l'intérêt que l'on a à minimiser la charge de fluide frigorigène - Installation relativement complexe. -3 3- EXPOSe de la solution technique au problème nosé: Constatations: - Le système cascade est relativement complexe. - Le système à deux étages du type booster nécessite des machines ayant des volumes balayés relativement importants - Rappel théorique, exemple de la congélation de lkg de thon de +30 C à 45 C à c_ur. a) Puissance nécessaire pour le passage du produit de +30 C à-18 C: 78,8 kcal. b) Puissance nécessaire pour le passage du produit de -18 C à -45 C: 11, 07kcal. La puissance du a représente 87% de la puissance totale nécessaire à la surgélation. Ceci est bien sûr logique puisque l'incidence de la chaleur latente de congélation est comprise dans le a. Innovation: La congélation des produits se ferait en deux étapes successives: Phase 1: Congélation du produit jusqu'à -18 C à c_ur: Nous utiliserons un circuit classique avec compresseur à vis et économiseur fermé avec un évaporateur calculé pour cette opération. Phase 2: Sous-refroidissement du produit de -18 C à-45 C La température à c_ur du produit ( ou la température d'évaporation de l' installation) étant atteinte, l'évaporateur est connecté automatiquement sur le circuit bp du booster -65 C / C. La partie compresseurs à vis +bouteille économiseur sert alors d'étage HP au booster dont la partie bp n'est plus calculée pour l'intégralité de la surgélation mais uniquement pour assurer le sous refroidissement des produits à partir de -18 C. Avantaes du svstème: - Par rapport au système cascade, un seul fluide frigorigène commun à toute l'installation: le R404a avec bien sur absence de réservoir d' expansion. - Schéma frigorifque d'une grande simplicité, qui est un mixage d'un booster et d'une installation classique, compresseur à vis avec économiseur en circuit fermé. Les compresseurs à pistons bp sont calculés uniquement pour assurer le sous refroidissement des produits de -18 C à -45 C ou plus bas. - La mise en service de l'étage bp se fait dans des conditions idéales puisque l'installation frigorifque est déjà en régime avec une bouteille économiseur à -20 C et un tunnel dont la température est de l'ordre de -35 C. L'évaporateur passe successivement et automatiquement du circuit de congélation classique au circuit de congélation basse température. - La puissance frigorifque de la phase 2 étant plus faible que la puissance frigorifique de la phase 1, le delta T. différence entre la température d'évaporation et la température de l'air à l'entrée de l'évaporateur s'abaisse donc nettement en phase 2, ce qui assure un excellent rendement de l'installation. - Encombrement réduit de l'installation. - Installation fable et performante -4 Présentation des FIG.: FIG. 1: Installation frigorif que à un étage de compression mécanique. FIG.2: Installation frigorifque avec un compresseur à vis fonctionnant avec un économiseur fermé. FIG.3: Installation frigorifique avec un système à double étage de compression mécanique appelé aussi booster. FIG.4: Installation frigorifique avec machines frigorifques fonctionnant en cascade: deux systèmes séparés. FIG.5: Installation frigorifque mixte avec soit: - Un compresseur à vis fonctionnant avec un économiseur fermé. ( les vannes de couleur noires sont fermées, les vannes de couleur blanches sont ouvertes) - Un système à double étage de compression avec un compresseur à pistons en bp et le méme compresseur à vis en HP, fonctionnant cette fois en simple étage. (les vannes de couleur noire sont ouvertes, les vannes de couleur blanches sont fermées.) FIG.6:Schéma de principe du thonier basse température avec les points caractéristiques de fonctionnement reportés sur le diagramme H = f ( log p). FIG.7: Diagramme H= f ( log p) du R404a; document ASHRAE. FIG.8: Propriétés physiques du R404a; document ASHRAE. FIG.9a: Schéma frigorifique de réalisation suivant l'invention. FIG.9b: Schéma frigorifque de réalisation suivant l'invention. FIG.9c: Schéma frigorifque de réalisation suivant l'invention. FIG.9d: Schéma frigorifque de réalisation suivant l'invention. FIG.9e: Schéma frigorifque de réalisation suivant l'invention. -5 En référence aux FIG.S et FIG.6, nous allons décrire un mode de réalisation: Le sYstème frigoriBlque d'un thonier lone liner. Les FIG.9a, FIG.9b, FIG.9c, FIG.9d, FIG.9e, représentent le schéma frigorifque d'exécution. Process: Ce bateau part en péche pour une durée de quinze j ours environ. - A chaque départ du port, on doit descendre les cales qui sont remontées à la température ambiante à-60 C. 1 5 En péche, on charge le premier tunnel lui aussi à la température ambiante, en thon frais. Celui-ci étant rempli, on lance la congélation. ( Phase 1, puis phase 2). - Le cycle de congélation terminé, le thon congelé est alors acheminé dans la cale de stockage à-60 C. Bases de calcul cahier des charges: - Tunnel N 1: capacité de congèlation: 2 tonnes par cycle à -45 C à c_ur. - Tunnel N 2: id - Cale N 1: 100 m3 à-60 C. - Cale N 2: 80 m3 à 60 C. - Cale appats: 10 m3 à-20 C. Température extérieure: 35 C. Hygrométrie extérieure: 80%. Coefficient d'Isolation thermique des locaux réPrigérés: K=0,2 kcal / h. rn2. C. Bilan thermique détaillé d'un tunnel en phase 1:Thon +30 C à -18 C Dimensions intérieures: 4,1.3,6.h=1,7m. Dimensions extérieures: 4,7.4,2.h=2,3m. - déperditions: 23876 kcal/21h - renouvellement d'air: 908 kcal/21h. - équivalent thermique du travail des moto ventilateurs: 119196kcal/21h. - 2028kg de thon de +30 C à-18 C: 177855 kcaV21h. - TOTAL: 321855kcaV21h soit: 15325 kcal/h. Bilan therrnique détaillé d'un tunnel en phase 2: sous-refroidissement du thon de -18 C à = 45 C. - déperditions: 10000kcal/6h. - équivalent thermique du travail des moto ventilateurs: 22704kcaV6h. - 2028 kg de thon de -18 C à -45 C: 22450 kcal/6h. - TOTAL: 55154 kcaV6h. Résumé du bilan thermique des différents postes: Tunnel N 1 ou N 2: Phase 1, congélation à-18 C à c_ur. Durée: 21h; Puissance nécessaire: 17,8 kW. -6 Phase 2, sous-retroidissement de - 18 C à - 45 C à c_ur. Durce: 6h, Puissance nécessaire: 10,7kW. Cale de 100m3: Puissance nécessaire: 8,3kW. Cale de 80m3: Puissance nocessaire: 7,5kW. Cale de 10m3: Puissance nécessaire: 1,6kW. Choix des machines: Groupes moto compresseurs bp. à pistons: nombre de machines: 2 Marque: Mycom. Type: F8WA Fluide: R404a Vitesse de rotation: 1450rpm. Régime de fonctionnement: -65 C / -20 C. Caractéristiques unitaires: Puissance frigorifique: 16,7kW. Puissance absorbée: 16,5kW. Compresseurs avec régulation de puissance: 50, 75, 100%. Puissance du moteur électrique d'entranement forme B3: 22kW. Groupes moto compresseurs HP à vis: nombre de machines 3, dont 1 en secours, ou appoint. Marque: Bitzer. Type: OSN5361 -K Fluide: R404a. Vitesse de rotation: 2900rpm. Régimes de fonctionnement: Phase 1: -34 / 40 C avec économiseur. Caractéristiques unitaires: Puissance frigorifique: 34,7kW. Puissance absorbée: 23,5kW. Phase 2: -20 / +40 C sans économiseur. Caractéristiques unitaires: Puissance frigorifique: 45,3kW. Puissance absorbée: 23,1kW. Compresseurs avec régulation de puissance: 75 et 100%. Puissance du moteur électrique d'entramement forme B35: kW -7 Le schéma frigorifque d'exécution montre la réalisation d'un thonier dont les tunnels et les cales de stockage à 0 C fonctionnent suivant les schémas théoriques des FIG.SetFIG6. Postes de froid: T1: Tunnel de surgélation N 1. selon la FIG.9a. T2: Tunnel de surgélation N 2. " " Chacun des tunnels est équipé d'une batterie ventilée, 1, alimentée en détente directe et à dégivrageà air. Des vannes électriques placées sur les lignes liquide, 3, et aspiration, 4, permettent de passer automatiquement du circuit de congélation classique au circuit de sous-refroidissement intense. Afin d'éviter les pertes de charge, les vannes électriques d'aspiration, 4, sont des vannes à passage intégral motorisces. Chaque évaporateur est équipé d'un échangeur Liquide-Vapeur,5, afin que la température des gaz aspirés par les compresseurs à pistons bp ne soit pas inférieure à -50 C. (I1 s'agit d'une préconisation du fabricant de compresseurs). C1: Cale N 1 à-60 C. selon les FIG.9a, FIG.9b. C2: Cale N 2 à - 0 C. " " Chaque cale est équipée d'une batterie ventilée, 6, alimentée en détente directe et à dégivrage électrique. De ce fait ces batteries sont équipées chacune d'un thermostat de sécurité, 7, qui 3 0 coupe l' alimentation des résistances en cas de température haute de l' évaporateur. Des vannes électriques placées sur les lignes liquide, 8, et aspiration, 9, permettent là aussi de commencer à descendre les cales à-25 C avant le départ en péche en utilisant le circuit compresseurs à vi s avec économiseur,avant d' utiliser le circuit bp du booster pour atteindre la température de-60 C. Comme pour les tunnels et pour les mémes raisons chaque évaporateur est équipé d'un échangeur Liquide-Vapeur, 10. C3: Cale N 3 à -20 C.selon la FIG.9b. Cette cale est équipée d'une batterie ventilée, 11, alimentée en détente directe et à dégivrage électrique. Cette batterie est bien sur connoctée uniquement sur le circuit compresseurs à vis avec économiseur. Chacun de ces postes est équipé d'un thermostamètre,12, (thermostat +indication de la température). Les cales à -60 C sont en outre équipées d'un enregistreur de température permettant un contrôle par l'acheteur de la cargaison.... Salle des machines: Compresseurs bp: 13, selon la FIG.9c. -8 - Ils sont munis d'une bouteille anti-coup de liquide, 14, avec serpentin sous refroidisseur de liquide et sont équipés chacun: D'un refroidisseur d'huile, 15, alimenté en détente directe. - D'un contrôleur de niveau d'huile, 16, dans le carter.Le surplus éventuel d'huile dans les carters des compresseurs, sera injecté à l'aspiration du compresseur à vis prioritaire. D'un séparateur d'huile, 17. Bouteille intermédiaire-Economiseur: 18, selon la FIG.9d. Elle est munie d'un pot de refroidissement des gaz refoulés par les compresseurs bp, d'une alimentation en liquide HP, avec un niveau de liquide contrôlé par un interrupteur à flotteur,19. Un second interrupteur à flotteur, 20, assure la sécurité des compresseurs lorsque le niveau est kop haut. Elle est munie d'une vanne à pression constante, 21, afin de limiter la pression à-20 C dans le cas présent. On rekouve les éléments classiques tel que soupape de sûreté, voyant liquide... Tri-unit:selon la FIG.9d. Cette unité comprend trois moto compresseurs à vis identiques, 22, pouvant fonctionner aussi bien au régime de congélation classique adopté lors de la phase 1, c'est à dire -34 C +40 C avec économiseur, soit en simple étage sans économiseur au régime de -20 C +40 C lorsqu'il assure le fonctionnement de l'étage du booster, lors de la phase 2 des Tunnels, phase de sous-refroidissement intense ou lorsqu'il permet le retroidissement des cales à-60 C. Cette unité est équipée d'un séparateur d'huile, 23, commun ce qui facilite grandement les retours d'huile automatiques et d'un refroidisseur d'huile unique, 24. Les compresseurs sont eux aussi munis d'une bouteille anti coup de liquide, 25, avec serpentin sous-refroidisseur de liquide. Un décocteur d'huile, 26, placé sur le refoulement général permet une récupération automatique de l'huile dissoute dans le fréon de la bouteille intermédiaire, grâce à un système d'éjecteur, 27. Condenseur multitubulaire formant réservoir:selon la FIG.9e. La condensation des gaz refoulés est assurée par un condenseur multitubulaire à eau de mer. Ce condenseur fait office de réservoir et permet en outre l'alimentation en flood du retroidisseur d'huile. Fonctionnement de l'installation: L'installation frigorifique permet bien sûr le fonctionnement simultané de tous les postes dans tous les cas de figure: Par exemple, cales de stockage du thon à -60 C,cale appâts, en service, Tunnel N 1 en phase de sous-refroidissement intense ( Phase 2), et Tunnel N 2 en phase de congélation classique, ( Phase 1). s La durée de fonctionnement des tunnels en phase 1, vannes électriques 3 et 4 de couleur blanche ouvertes 7 vannes électriques de couleur noire fermées selon la FIG.9a, peut êhe réglée par une horloge type " coupatan " ? qui une fois le temps affiché écoulé fait passer le méme l O tunnel en phase 2: Les vannes électriques 3 et 4 de couleur noire sont alors ouvertes, celles de couleur blanche fermées, selon la FIG.9a. La régulation de puissance des compresseurs bp, se fait grâce au capteur de pression 28 selon la FIG.9b. La régulation de puissance des compresseurs HP se fait grâce au capteur de pression 29 selon laFIG.9d. La régulation de puissance des compresseurs fonctionnant en économiseur se fait grâce au capteur de pression 30 selon la FIG.9c. Chacun des trois compresseurs à vis 22 selon la FIG.9d, peut aussi bien fonctionner en étage PP du système booster, vanne électrique 3 l ouverte, 32 et 33 fermées, qu'en système avec économiseur, vannes électriques 32 et 33 ouvertes, vanne électrique 31 fermée. -10 REVENDIC AT I ON S. 1 -Dispositif frigorifique basse température de surgélation et de stockage caractérisé en ce qu'il comprend: - Un premier circuit ( A) de congélation jusqu'à -1 8 C à c_ur, - Suivi d'un deuxième circuit ( B) de sous-retroidissement de -1 8 C à -45 C, ce dernier ayant le même évaporateur que celui du premier circuit ( A). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier circuit ( A), est un circuit classique avec compresseur à vis et économiseur. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième circuit ( B), est un circuit classique avec compresseur à pistons composant l'étage bp d'un booster. 4 - Dispositif selon la revendication 1, 2, ou 3 caractérisé en ce que l'évaporateur est connecté automatiquement sur le deuxième circuit ( B) lorsque le premier circuit ( A) a permis d'atteindre la température de - 18 C à c_ur du produit. - Dispositif selon la revendication 1, 2, ou 3 caractérisé en ce que l'économiseur et la bouteille intermédiaire sont une seule et même capacité.