Brevet FR2912810A1 — publié le 20080822

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de gestion d'un circuit frigorifique dans lequel circule un agent frigorifique à un ou plusieurs composants, de préférence un agent frigorifique contenant de l'azote et de manière particulièrement préférentielle de l'azote même, selon lequel on détend au moins une veine partielle de l'agent frigorifique. Etat de la technique Les procédés du type défini ci-dessus pour gérer des circuits frigorifiques sont connus depuis longtemps dans l'état de la technique. Dans de tels circuits frigorifiques on génère une puissance frigorifique isotherme par évaporation de l'agent frigorifique à un ou plusieurs composants. Pour cela, on détend l'agent frigorifique à un ou plusieurs composants dans une turbine de détente. Jusqu'à présent, 15 toutefois de tels circuits frigorifiques, on n'utilise qu'une turbine de dé-tente. En utilisant seulement une turbine, on ne peut éviter qu'une partie non négligeable de la puissance frigorifique de cette turbine de détente corresponde à la température de condensation de l'agent frigorifique à détendre et ne puisse être utilisée. 20 But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro-cédé du type défini ci-dessus pour la gestion d'un circuit frigorifique, évitant les inconvénients des solutions connues et permettant notamment de réaliser un circuit frigorifique dont le rendement soit plus élevé 25 que celui de circuits frigorifiques comparables. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on détend l'agent frigorifique dans au moins deux turbines de détente en série et la température de l'agent 30 frigorifique à la sortie des turbines de détente ou au moins à l'une des sorties des turbines de détente dépasse la température de saturation de l'agent frigorifique. Comme dans le cas du procédé de l'invention, pour gérer un circuit frigorifique une partie considérablement plus importante (par 35 comparaison au procédé de l'état de la technique) de la puissance frigo-rifique correspond aux turbines de détente en dessous de la température de condensation de l'agent frigorifique à un ou plusieurs composants, utilisé, on peut se servir de cette puissance pour la condensation. Cela se traduit par une augmentation importante du rendement obtenu par le procédé de l'invention pour la gestion d'un circuit frigorifique. Si la puissance calorifique était créée au-dessus de la température de condensation, cette puissance ne pourrait être dégagée qu'à l'atmosphère sans être utilisée. D'autres développements avantageux du procédé de ges-tion d'un circuit frigorifique sont caractérisés par les moyens suivants : - aux sorties des turbines de détente ou au moins à l'une des sorties des turbines de détente, la température de l'agent frigorifique est au-dessus de la température de saturation de l'agent frigorifique à moins de 10 C, de préférence à moins 5 C et notamment à moins de 15 2 C, - la température de l'agent frigorifique aux sorties des turbines de dé- tente dépasse la température de saturation de l'agent frigorifique, - le côté de sortie de la première turbine de détente peut être relié au côté haute pression et/ou au côté basse pression du circuit frigorifi- 20 que. Le procédé selon l'invention de gestion d'un circuit frigorifique ainsi que d'autres développements du procédé seront présentés ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans l'unique figure annexée. 25 L'exemple de réalisation présenté dans la figure utilise cinq échangeurs de chaleur El-E5, une unité de compression V à un ou plusieurs étages, un séparateur A, deux vannes de détente a et b, deux turbines d'expansion X, X' ainsi que les conduites 1 à 16 reliant les conditions présentées ci-dessus. 30 Les indications de température de pression et de débit données ci-après à titre d'exemple s'appliquent à la conception du circuit frigorifique décrit comme circuit frigorifique utilisant de l'azote pur. En sortie du séparateur A par lequel se fait un échange de chaleur avec un milieu quelconque, l'agent frigorifique réchauffé est 35 extrait à une température de 80,8 K sous une pression de 150 kPa. L'apport de chaleur dans le séparateur A était de 32 kW. Par les segments de conduites 12-16, l'agent frigorifique traverse les échangeurs de chaleur E4-El pour être réchauffé à une température de 300 K. Dans les échangeurs de chaleur E4-El traversés successivement en- suite, on réchauffe l'agent frigorifique extrait du séparateur A, par échange à contre-courant avec l'agent frigorifique, compressé, fourni par les segments de conduite 3, 4, 9, 10 aux échangeurs de chaleur E 1-E4. Avant d'arriver dans une unité de compression V à un ou plusieurs étages, l'agent frigorifique réchauffé est à une pression de 130 kPa. Dans l'unité de compression V on comprime l'agent frigorifique à la pression souhaitée pour le circuit, à savoir 1520 kPa. L'agent frigorifique comprimé alimente l'échangeur de chaleur E5 par la conduite 1. Dans l'échangeur de chaleur on évacue la chaleur de compression en l'échangeant avec un milieu de refroidisse-ment passant par la conduite 2 à travers l'échangeur de chaleur 5 ; ce milieu de refroidissement est par exemple de l'eau. L'agent frigorifique sortant de l'échangeur de chaleur E5 est à une température de 302 K. Le débit était de 828 g/azote. L'agent frigorifique comprimé, après évacuation de la chaleur de compression dans l'échangeur de chaleur E5, est fourni à travers la conduite 3 à l'échangeur de chaleur El dans lequel le fluide se refroidit de lui-même. Après l'échangeur de chaleur El on sépare l'agent frigorifique en deux veines partielles d'agent frigorifique ; une veine partielle passe par la conduite 4 pour arriver dans l'échangeur de chaleur E2 alors que la seconde veine partielle passe par la conduite 5 pour arriver dans la première des deux turbines de détente X, X'. Le dé-bit de la première veine partielle d'agent frigorifique était de 168 g/azote/s et la seconde veine partielle d'agent frigorifique était de 660 g/azote/s. La première veine partielle d'agent frigorifique est refroidie par elle-même dans l'échangeur de chaleur E2 pour être fournie en-suite par les conduites 9 et 10 aux échangeurs de chaleur E3 et E4 pour y être également refroidi par rapport à elle-même. Enfin, cette veine d'agent frigorifique se détend dans le séparateur A par la vanne de détente (b) équipant la conduite 11. La seconde veine partielle de l'agent frigorifique, extraite de l'échangeur de chaleur 1 est fournie sous une pression de 1490 kPa et à une température de 130 K, par la conduite 5 à la première turbine de détente X. Dans cette turbine on effectue une détente à une pression intermédiaire de 532 kPa. La veine partielle d'agent frigorifique détendue, à la sortie de la turbine de détente X est à une température de 99 K ; elle est fournie par la conduite 6 à l'échangeur de chaleur E3 et dans celui-ci cette veine est réchauffée à une température de 111 K par rapport à la première veine partielle d'agent frigorifique de refroidisse-ment qui arrive dans l'échangeur de chaleur E3 par la conduite 4. Par la conduite 7, on fournit la seconde veine d'agent frigorifique, ensuite à la seconde turbine de détente X' (à l'entrée de la turbine de détente X' cette veine partielle est à une pression d'environ 530 kPa) et dans cette turbine la détente se fait à la pression finale ou basse pression de 150 kPa. Selon l'invention, les deux turbines de détente X, X' sont installées pour que la température de l'agent frigorifique à la sortie des deux turbines de détente X, X' dépasse la température de saturation. La température de l'agent frigorifique dépasse la température de saturation de l'agent frigorifique de moins de 10 C et de préférence moins de 5 C et tout particulièrement moins de 2 C. La veine partielle d'agent frigorifique, détendue, qui est à une température de 82 K, est ensuite mélangée par la conduite 8 à la veine partielle d'agent frigorifique extraite du séparateur A dans la con-duite 12. La figure montre en trait interrompu deux conduites 17, 18 et dans chacune de celles-ci une vanne de régulation c, d également en trait interrompu. Ces conduites et vannes de régulation permettent de relier la sortie de la première turbine de détente X au côté haute pression et/ou au côté basse pression du circuit frigorifique. A l'aide de ces conduites et vannes de régulation, on peut optimiser la pression entre les turbines de détentes X, X' d'une manière comparativement simple de façon que les températures de l'agent frigo- rifique (veine partielle) 6 et 7 aux sorties des deux turbines de détente X, X' se situent juste au-dessus de la température de saturation de l'agent frigorifique. La vanne de régulation(a) représentée dans la conduite 5 sert au démarrage et à l'arrêt des turbines de détente X, X' ainsi qu'à l'étranglement de la veine d'agent frigorifique fournie aux turbines de détente X, X' en cas de charge partielle. Le procédé selon l'invention de gestion d'un circuit frigorifique convient notamment à des circuits frigorifiques dans lesquels 10 circule de l'azote ou un agent frigorifique contenant de l'azote. 15 20 REVENDICATIONS 1 ) Procédé de gestion d'un circuit frigorifique dans lequel circule un agent frigorifique à un ou plusieurs composants, de préférence un agent frigorifique contenant de l'azote et de manière particulièrement préfé-rentielle de l'azote même, selon lequel on détend au moins une veine partielle de l'agent frigorifique, caractérisé en ce qu' on détend l'agent frigorifique dans au moins deux turbines de détente en série (X, X') et la température de l'agent frigorifique à la sortie des turbines de détente (X, X') ou au moins à l'une des sorties des turbines de détente (X, X') dépasse la température de saturation de l'agent frigorifique. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' aux sorties des turbines de détente (X, X') ou au moins à l'une des sorties des turbines de détente (X, X'), la température de l'agent frigorifique est au-dessus de la température de saturation de l'agent frigorifique à moins de 10 C, de préférence à moins 5 C et notamment à moins de 2 C. 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température de l'agent frigorifique aux sorties des turbines de détente (X, X') dépasse la température de saturation de l'agent frigorifique. 4 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes 1 à 3, caractérisé en ce que le côté de sortie de la première turbine de détente (X) peut être relié au côté haute pression et/ou au côté basse pression du circuit frigorifique (1, 3 à 16) (17, 18).35