Brevet FR2859691A1 — publié le 20050318

B11116 FR PROCEDE DE RAFRAICHISSEMENT DE WAGONS DE METRO NE REJETANT PAS DE CHALEUR DANS LE SOUTERRAIN ET POUVANT MEME CONTRIBUERA REFROIDIR LES STATIONS Il est connu que le refroidissement d'un volume quelconque (wagon, immeuble, souterrain,...) à un niveau de température inférieure à la température ambiante atmosphérique impose de rejeter cette chaleur à l'extérieur dudit volume et à un niveau légèrement supérieur à la température ambiante pour que l'échange thermique puisse se faire. La thermodynamique enseigne donc qu'on ne refroidit un volume donné qu'en ôtant de la chaleur. Ce principe a pour conséquence que refroidir un train dans son parcours à l'air libre ne pose pas de difficulté puisque la chaleur est rejetée à l'atmosphère. Par contre, dans un souterrain comme le circuit d'un métro, le rafraîchissement des wagons et des passagers qui l'occupent implique que la chaleur qui est extraite est rejetée dans les tunnels et stations augmentée de plus de l'énergie fournie au système frigorifique, ce qui s'exprime simplement pour les systèmes frigorifiques à compression par la relation: Q rejetée = Q frig + P élec Où . Q_frig est la puissance frigorifique fournie pour 20 maintenir la température au niveau désiré en Watt 2859691 2 W-elec la puissance électrique consommée par le(s) compresseur(s) et les ventilateurs en Watt Q-rejetée la puissance calorifique rejetée à l'extérieur du wagon en Watt. Pour un système efficace et pour un écart de température entre le volume refroidi et l'extérieur de l'ordre de 20 C P_élec représente typiquement entre 30 et 40 % de la puissance frigorifique. Donc, pour une production de 1 unité, il est rejeté au moins 1,3 à l'extérieur. Ceci implique une élévation de température très substantielle dans l'ensemble du réseau souterrain et en particulier dans les stations, comme cela peut se vérifier dans le métro de New-York où les rames sont climatisées mais ni les stations ni les tunnels. Caractéristiques de l'invention Le procédé objet de l'invention vise à refroidir l'ensemble des wagons sans rejeter la chaleur dans le réseau souterrain. De plus, la production frigorifique embarquée dans les wagons peut contribuer au rafraîchissement des stations et du réseau de tunnels. L'invention concerne un procédé de rafraîchissement de wagons de métro ne rejetant pas de chaleur dans le souterrain et pouvant même contribuer à refroidir les stations. Le procédé comprend l'étape de stocker du froid dans de la glace molle, notamment résultant de la coexistence d'un mélange d'eau et de glycol. Il est ainsi possible de pomper ladite glace molle en vue de la transférer d'un volume de stockage à un volume d'utilisation. La base du procédé de réfrigération utilise du froid stocké dans de la glace molle coexistant avec une phase liquide. Cette glace molle se trouve typiquement lorsqu'on fait coexister un mélange d'eau et de glycol. La température de fusion de cette glace molle peut d'ailleurs être contrôlée en fonction de la composition du mélange eau-glycol. Cette glace molle est appelée en anglais slurry qui peut être traduit en français par sorbet liquide. Cet état de la matière de la glace molle permet 2859691 3 de rendre le mélange liquide-solide pompable, il peut donc être transféré d'un volume de stockage à un volume d'utilisation, il peut aussi circuler dans des échangeurs. Le système global est présenté figure 1. Les éléments représentés sur la figure 1 sont les suivants: 1: condenseur 2: compresseur 3: canalisation de l'alimentation l'évaporateur en frigorigène (avec son détendeur) 4: canalisation d'aspiration de frigorigène 5: évaporateur produisant un mélange liquide - glace pompable 6: pompe d'alimentation en mélange glace molle - liquide du réservoir 7: pompe de recirculation liquide - glace molle 8: réservoir de stockage du mélange glace molle - liquide 9: vanne trois voies permettant de régler la quantité de glace dans le mélange liquide-glace molle 10: pompe de recharge de l'échangeur embarqué 11: canalisation d'alimentation liquide de la pompe 10 12: canalisation fixe d'alimentation glace molle de la pompe 10 13: canalisation fixe d'alimentation liquide-glace molle du système embarqué 14: canalisation de retour liquide du système embarqué vers le réservoir 8 15: wagon 16: système frigorifique embarqué La fusion de la glace est utilisée lors de la circulation souterraine en tunnel et en stations. Le procédé permet de refroidir les wagons et même de souffler de l'air froid dans les tunnels et stations selon un ratio à définir pour 35 contribuer au refroidissement global du réseau souterrain. 2859691 4 Le mélange liquide-glace est produit soit aux terminus des lignes, soit à bord pour des lignes de métro qui présentent une partie significative de circulation à l'air libre. Une description détaillée du procédé et du système basé sur des illustrations permettra de mieux comprendre l'invention. Description détaillée du procédé La figure 2 montre une vue de l'échangeur de refroidissement d'un wagon, doté des caractéristiques techniques essentielles pour utiliser un tel procédé. Les éléments 10 représentés sur la figure 2 sont les suivants: 17: échangeur de refroidissement du wagon 18: ailettes permettant d'améliorer l'échange 19: pompe de circulation du mélange liquide-glace molle 20: ventilateur de zone 21: ventilateur de recirculation 22: boîte de mélange air repris/air refroidi 23: reprise d'air 24: condenseur du système frigorifique embarqué (optionnel) 25: compresseur du système frigorifique embarqué (optionnels) 26: évaporateur frigorigène - glace molle pour système frigorifique embarqué (optionnel) 27: canalisation embarquée pour le remplissage en liquide - glace molle de l'échangeur 17 28: canalisation embarquée pour le vidage du liquide de l'échangeur 17 29: partie inférieure du plénum Le condenseur (24), le compresseur (25) et l'évaporateur (26) ne sont installés dans chaque wagon que pour les lignes de métro qui ont un parcours partiel à l'air libre. Ces composants ne sont donc pas installés pour les lignes de métro entièrement souterraines, l'échangeur (17) est alors 2859691 5 rechargé en mélange liquide - glace molle par la canalisation (27) et vidé de son liquide par la canalisation (28). Il est connu que la place est extrêmement limitée à l'intérieur des wagons et même parfois dans les tunnels, donc l'échangeur doit être de faible hauteur, mais peut occuper avantageusement l'essentiel de la largeur et de la longueur disponible du toit du wagon. D'autre part, il est essentiel de pouvoir répartir la fraîcheur dans l'ensemble du volume, c'est la raison pour laquelle le système de circulation du mélange liquide / glace molle doit utiliser des tubes d'un diamètre suffisant, typiquement entre 50 et 100 mm, ces tubes ayant un double rôle de transfert de froideur à l'air circulant à l'extérieur au moyen de ventilateurs et un rôle de stockage de l'énergie. Pour donner un ordre d'idée sur les tailles, les puissances et l'énergie stockée d'un tel système, pour un wagon contenant 170 passagers, éclairé avec une puissance électrique de l'ordre de 1 kW, et donc produisant une puissance thermique de 20 kW pour un trajet d'une heure, il faut donc extraire une énergie de 20 kWh, ce qui représente le réchauffement d'une quantité de l'ordre de 410 kg de glace molle et de liquide de 0 à + 10 C intégrant la fusion de la glace. Pour un mélange glace molle / liquide de 40 % en masse de glace molle, l'énergie froide stockée Q en kJ ou kWh se calcule selon la formule: Q = 0,4 x mt x lfgm+mtx cpegx t avec Q en kJ mt: masse totale (eau + glace molle) en kg lfgm: chaleur latente de fusion de la glace molle en cpeg: capacité calorifique du mélange eau + glycol en At: écart entre les températures initiale finale en Pour des métros dont les lignes sont entièrement 35 souterraines, le système est rechargé au terminus par un système 2859691 6 de charge extrêmement rapide, typiquement avec un débit de 20 1/s permettant de recharger de la quantité de glace voulue via les canalisations fixe (13) et embarquée (27) , typiquement de l'ordre de 50 % en volume, pendant que le volume liquide correspondant est évacué via les canalisations embarquée (28) et fixe (14) . L'opération dure moins d'une minute et implique un système d'arrimage automatique mâle/femelle des canalisations (13) et (27) d'une part et (14) et {28) d'autre part. La rigueur de la charge s'effectue par un dispositif volumétrique permettant d'extraire le volume de liquide correspondant juste au volume de glace chargé. Ce contrôle volumétrique est continu et se fait typiquement en remplissant et en vidant les volumes externes contrôlables. Pour les lignes de métro où la circulation à l'air libre représente Il à 1/3 du temps total de circulation, il est alors possible de produire le mélange liquide / glace molle par un système frigorifique embarqué comportant un condenseur (21), un ou plusieurs compresseurs (22), un évaporateur frigorigène / glace molle (23), ledit système frigorifique produit le mélange liquide - glace molle qui permet de reconstituer la quantité de glace utilisée dans la partie souterraine. D'autre part, le procédé peut dans une certaine mesure contribuer au refroidissement global des tunnels et des stations par un soufflage modulé à l'extérieur du wagon, conjointement au rafraîchissement produit à l'intérieur du wagon. Description du système Pour créer des conditions de confort pour les passagers à l'intérieur du wagon, l'air doit être soufflé au plus froid à une température de 8 C et jusqu'à une température typique de 14 C. Compte tenu du fait que la température de surface des tubes échangeurs peut être réglée soit inférieure à 0 C, soit à 0 C, il est utile de disposer d'un système de recirculation d'air permettant en mélangeant l'air repris et l'air s'étant refroidi sur la surface des tubes pour maîtriser 2859691 7 la température de soufflage dans le wagon, garantissant ainsi les conditions de confort pour les passagers. De plus ce système de climatisation doit être doté d'un compte passagers disposé sur chaque porte permettant de connaître avec une précision suffisante le nombre de passagers entrants et sortants et donc par différence le nombre de passagers présents dans la rame et ce, pour chacune des zones du wagon, permettant ainsi une régulation par zone. Cette régulation par zone est effectuée par les ventilateurs zonaux (20) dont la vitesse est variable. En dessous des tubes sont situés des collecteurs permettant de récupérer l'eau de condensation atmosphérique et qui empêche cette eau de ruisseler sur la partie inférieure du plénum (29). Le système de transfert de la fraîcheur comprend donc: Des tubes ailetés de large diamètre constituent l'échangeur de refroidissement du wagon (17). Ces tubes servent à la fois au stockage et à l'échange entre l'air / et le mélange glace molle. Une pompe (19) permettant la mise en circulation du mélange liquide / glace molle. Un réservoir (8) permettant les transferts rapides de charge et de décharge pour les systèmes à production de froid déportés au terminus. Le système de ventilation comprend des ventilateurs de recirculation (21) qui assurent une reprise d'air intérieur et une mise en légère surpression du plénum, le plénum étant le volume du wagon délimité par le toit et le revêtement intérieur qui peut être perforé pour assurer une distribution de l'air dans l'ensemble du volume. Cette perforation est d'ailleurs adaptée en fonction de la présence de passagers assis ou debout correspondant à l'aménagement intérieur du wagon (siège et circulation). De plus, la circulation de l'air du haut vers le bas, 35 permettant à la fois le refroidissement de l'air sur les tubes 2859691 8 ailetés et de diffusion de l'air à travers le plafond diffusant est assurée par les ventilateurs de zone (20). D'autre part, si il est choisi de refroidir non simplement le wagon mais aussi le souterrain et les stations, des volets sont ménagés en partie supérieure ainsi que des conduits internes permettant de diffuser une partie du débit vers l'extérieur du wagon. Dans ce cas, bien sûr, mais aussi selon le niveau de charge thermique, le mélange liquide / glace molle peut voir sa température significativement diminuée, jusqu'à - 10, 15 C pour stocker une plus grande quantité d'énergie frigorifique. Le système de régulation prend en compte le nombre de passagers, la température d'air dans le souterrain et fixe ainsi en fonction de la proportion air neuf / air repris le débit d'air à souffler sur l'échangeur et vers le wagon, et éventuellement à l'extérieur du wagon. Le contrôle de la quantité de glace résiduelle peut s'effectuer de deux manières. Une première, frustre, par suivi de la température de départ du mélange liquide / glace molle. Lorsque cette température de départ (après la pompe à l'entrée de l'échangeur) passe nettement au-dessus de 0, typiquement 1 à 2 C, la glace est alors complètement fondue et il reste une réserve de froid qui est encore de l'ordre de 5 kW et qui permet un régime de rafraîchissement limité jusqu'au prochain rechargement en station ou jusqu'au prochain passage à l'air libre pour pouvoir faire fonctionner le système frigorifique. Il est possible d'utiliser un système optique basé sur la variation de l'indice de réfraction du liquide comparativement à la glace molle, permettant alors de prévoir la quantité résiduelle de glace avant qu'elle ne soit épuisée. Ce niveau de réserve peut alors être connu et donc transféré au système de régulation global. NOMENCLATURE Groupe nominal Réf. Num. Condenseur 1 Compresseur 2 Canalisation de l'alimentation 3 l'évaporateur en frigorigène (avec son détendeur) Canalisation d'aspiration frigorigène 4 Evaporateur produisant un mélange liquide 5 - glace pompable Pompe d'alimentation en mélange glace 6 molle liquide du réservoir Pompe de recirculation liquide - glace 7 molle Réservoir de stockage du mélange glace 8 molle - liquide Vanne trois voies permettant de régler la 9 quantité de glace dans le mélange liquide glace molle Pompe de recharge de l'échangeur embarqué 10 Canalisation d'alimentation liquide de la 11 pompe 10 Canalisation d'alimentation glace molle de 12 la pompe 10 Canalisation fixe d'alimentation liquide- 13 glace molle du système embarqué Canalisation fixe de retour liquide du 14 système embarqué vers le réservoir 8 Wagon 15 Système frigorifique embarqué 16 Echangeur de refroidissement du wagon 17 Ailettes permettant d'améliorer l'échange 18 Pompe de circulation du mélange liquide- 19 glace molle 2859691 10 Ventilateur de zone 20 Ventilateur de recirculation 21 Boîte de mélange air repris/air refroidi 22 Reprise de l'air 23 Condenseur du système frigorifique 24 embarqué (optionnel) Compresseur du système frigorifique 25 embarqué (optionnel) Evaporateur frigorigène - glace molle pour 26 système frigorifique embarqué (optionnel) Canalisation embarquée pour le remplissage 27 en liquide - glace molle de l'échangeur 17 Canalisation embarquée pour le vidage du 28 liquide de l'échangeur 17 Partie inférieure du plénum 29 REVENDICATIONS 1. Procédé de rafraîchissement de wagons de métro ne rejetant pas de chaleur dans le souterrain et pouvant même contribuer à refroidir les stations; ledit procédé comprenant l'étape de stocker du froid dans de la glace molle, notamment résultant de la coexistence d'un mélange d'eau et de glycol; de sorte qu'il est ainsi possible de pomper ladite glace molle en vue de la transférer d'un volume de stockage à un volume d'utilisation.