Brevet FR2967761A1 — publié le 20120525

MODULE D'ECHANGE THERMIQUE, INSTALLATION DE PRODUCTION DE FROID ET/OU DE CHAUD, COMPRENANT LEDIT MODULE, ET PROCEDE DE PRODUCTION DE FROID ET/OU DE CHAUD A PARTIR DE LADITE INSTALLATION L'invention a pour objet un module d'échange thermique destiné à être mis en oeuvre dans une installation de production de froid et/ou de chaud en circuit fermé. Elle concerne également une installation de production de froid et/ou de chaud comprenant le module. L'invention se rapporte enfin à un procédé de production de froid et/ou de chaud à partir de l'installation. L'invention est plus particulièrement décrite en relation avec un procédé de production de froid et/ou de chaud pour refroidir ou réchauffer des médiums externes distincts. Dans la suite de la description, par «medium externe », on désigne de l'air ou un fluide tel que par exemple de l'eau, de l'alcali ou encore du glycol, sans que ce soit limitatif. On sait produire du froid et du chaud au moyen d'un système du type pompe à chaleur. Un tel système requiert la mise en oeuvre de deux circuits frigorifiques distincts, un circuit basse pression et un circuit haute pression avec un échangeur intermédiaire commun. Les performances du système en terme de COP et de température du medium externe ne sont pas satisfaisantes et loin d'être optimales. En outre, ce type d'installation ne permet pas de faire du froid et du chaud indépendamment. Pour résoudre ce problème, le Demandeur a mis au point une installation de production de froid et de chaud mettant en oeuvre un seul circuit frigorifique. A la différence de l'installation précédente qui produit de la chaleur par échange, l'installation mise au point permet de surcomprimer les gaz refoulés par le compresseur basse pression à travers le compresseur haute pression. Les performances énergétiques se trouvent donc être largement améliorées par rapport au système précédent. Par ailleurs, l'installation permet de faire du froid indépendamment du chaud mais pas l'inverse. Ainsi par exemple, lorsque la demande de froid est de 100%, l'installation permet de produire ces 100% sans faire de chaud. En revanche, on ne peut pas produire de chaud sans faire du froid. De même, sans tenir compte de la puissance électrique des compresseurs, on ne peut pas produire plus de chaud que de froid. En d'autres termes, le problème que se propose de résoudre l'invention est de mettre au point un procédé et une installation qui puissent, à partir d'un seul circuit frigorifique, produire du froid et du chaud de manière : - soit simultanée et quelle que soit la demande froid/chaud, - soit séparée, c'est-à-dire production de froid ou de chaud. Pour ce faire, le Demandeur a intercalé entre l'étage basse pression et l'étage haute pression du circuit frigorifique, un module permettant soit de transférer le gaz refoulé par le compresseur basse pression destiné à être surcomprimé par le compresseur haute pression (en cas de besoins identiques en froid et en chaud), soit de transférer des calories du circuit de froid vers le circuit de chaud par le biais d'un ou plusieurs médiums secondaires (en cas de besoins différents en froid et en chaud), soit d'évacuer les calories issues de la condensation du gaz par le biais du médium secondaire circulant dans l'échangeur condenseur (en cas de besoins uniquement en froid), soit de capter les calories du médium secondaire circulant dans l'échangeur évaporateur au moment de l'évaporation du liquide basse pression (en cas de besoin uniquement de chaud). Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre dans un procédé à trois étages de pression ou plus et à n'importe quel étage. Les étages de pression peuvent aller de la très basse pression (BBP) à la très haute pression (HHP) en passant par la basse pression (BP) et la haute pression (HP). L'invention est plus particulièrement décrite en relation avec un procédé à 3 étages allant de la base pression (BP) à la très haute pression (HHP) sans que ce soit donc pour autant limitatif. 30 Dans la suite de la description et pour une meilleure compréhension, on désigne par les initiales suivantes : GBP : gaz basse pression GHP : gaz haute pression LHP : liquide haute pression25 LBP : liquide basse pression GHHP : gaz très haute pression LHHP : liquide très haute pression L'invention a pour objet un procédé de chauffage et/ou de refroidissement de médiums externes circulant dans des circuits ouverts ou fermés distincts mettant en oeuvre un seul et même médium primaire commun selon lequel en circuit fermé : - lorsque les demandes en froid et en chaud sont différentes l'une de l'autre : - on comprime le medium primaire (GBP) à l'état gazeux jusqu'à une pression 10 donnée (GHP), - on refroidit et on liquéfie au moins partiellement le médium primaire (LHP) par transfert de calories vers un premier médium secondaire, - on stocke le médium primaire dans un moyen d'accumulation de fluide, tel que par exemple une bouteille séparatrice, puis, 15 o pour la fonction refroidissement, ^ on détend (LBP) la partie du médium primaire présente dans le moyen d'accumulation de fluide correspondant à la demande en froid puis on échange les calories avec un premier médium externe, avant de comprimer de nouveau le médium primaire, 20 o pour la fonction chauffage, ^ on évapore au moins partiellement la partie du médium primaire présente dans le moyen d'accumulation de fluide correspondant à la demande en chaud, par transfert de calories avec un second médium secondaire, ^ on comprime le medium primaire à une pression supérieure (GHHP) à la pression donnée (GHP) ^ on condense (LHHP) le medium primaire par transfert de calories avec un second médium externe, ^ on détend le médium primaire, et on le renvoie dans moyen d'accumulation de fluide, - lorsque la demande en froid et en chaud est identique : - on comprime le medium primaire (GBP) à l'état gazeux jusqu'à une pression donnée (GHP), - on stocke le médium primaire dans un moyen d'accumulation de fluide, puis, 3 25 30 o pour la fonction refroidissement, ^ on détend (LBP) la partie du médium primaire présente dans le moyen d'accumulation de fluide, correspondant à la demande en froid puis on échange les calories avec un premier médium externe, avant de comprimer de nouveau le médium primaire, o pour la fonction chauffage, ^ on aspire la partie du médium primaire présente dans le moyen d'accumulation de fluide, correspondant à la demande en chaud, ^ on comprime le medium primaire à une pression supérieure (GHHP) à la pression donnée (GHP) ^ on échange les calories avec un second médium externe, ^ on détend le médium primaire, et on le renvoie dans le moyen d'accumulation de fluide. 15 Avantageusement, le moyen d'accumulation de fluide se présente sous la forme d'une bouteille séparatrice. accumulant un fluide d'un même état (liquide, liquide ou gaz, gaz) ou d'état différent (liquide ou gaz). La bouteille séparatrice de l'invention peut prendre la forme de plusieurs bouteilles reliées les unes aux autres. 20 Dans un premier mode de réalisation, tant pendant le chauffage que pendant le refroidissement séparés ou simultanés, les premier et second médiums secondaires sont identiques et circulent dans une boucle indépendante, avantageusement fermée et échangent leurs calories avec un troisième médium externe. 25 Dans des second et troisième modes de réalisation, les premier et second médiums secondaires sont identiques ou différents et circulent dans deux circuits distincts et échangent leur calories avec un troisième et éventuellement quatrième médium externe. En fonctionnement froid ou chaud séparé, on stoppe le compresseur de l'un des deux 30 étages de sorte que, soit les calories générées par condensation (lorsqu'on fait que du froid), soit les calories nécessaires à l'évaporation (lorsqu'on fait que du chaud) sont échangées avec le médium secondaire. La bouteille de séparation n'a alors pour fonction que de servir de stockage de liquide haute pression (dans le cas d'un procédé mettant en oeuvre 3 étages basse pression, haute pression, très haute pression). 10 Selon l'invention, les mediums externes sont avantageusement de l'air ou de l'eau. De même, le medium primaire est avantageusement du NH3. Il peut s'agir également de tout autre fluide frigorigène. Selon une autre caractéristique, les premier et second mediums secondaires se présentent sous la forme d'un fluide, avantageusement de l'eau. L'invention a également pour un objet module d'échange thermique destiné à être mis en oeuvre dans une installation de production de froid et de chaud séparé ou simultané en circuit fermée dans lequel circule un medium primaire associant successivement, dans le sens de circulation du médium primaire, un échangeur condenseur, un moyen d'accumulation de fluide, un échangeur évaporateur, l'échangeur condenseur et l'échangeur évaporateur échangeant leurs calories avec un premier et second mediums secondaires circulant dans une canalisation commune aux deux échangeurs ou des canalisations distinctes. Bien entendu, lorsque la canalisation est commune, les premier et second mediums secondaires sont identiques. Dans le cas inverse, ils peuvent être identiques ou différents. 20 Avantageusement, en fonction du nombre de canalisations dans lequel circule le medium secondaire (une ou deux), le module comprend un ou plusieurs échangeurs thermiques supplémentaires traversés soit par la canalisation commune aux deux échangeurs condenseur et évaporateur, soit par une canalisation distincte pour chaque ensemble, les 25 échangeurs thermiques étant destinés à échanger les calories avec un médium externe. L'invention a également pour objet une installation comprenant le module d'échange thermique. 30 Plus précisément, l'invention concerne une installation pour le refroidissement et/ou le chauffage de médiums externes circulant dans des circuits distincts ouverts ou fermés mettant en oeuvre un seul et même médium primaire commun circulant dans un circuit fermé comprenant un circuit de production de froid et un circuit de production de chaud couplé par le module ci-avant décrit. 5 En pratique, le circuit de production de froid entre dans le module par l'échangeur condenseur et en ressort par le moyen d'accumulation de fluide tandis que le circuit de production de chaud entre dans le module, par le moyen d'accumulation de fluide et en ressort par l'échangeur évaporateur. Le circuit de production de froid comprend en outre: - un compresseur apte à comprimer un medium primaire à une pression donnée, - un détendeur, - et un échangeur thermique liquide/liquide ou liquide/gaz assurant l'échange de 10 calories avec un médium externe. Le circuit de production de chaud comprend en outre : - un compresseur apte à comprimer le medium primaire à une pression supérieure à la pression donnée, 15 - un échangeur thermique gaz/liquide ou gaz/gaz assurant l'échange de calories avec un médium externe. Selon l'invention, l'échangeur du circuit de production de froid et l'échangeur du circuit de production de chaud échangent leurs calories au moment de la production de chaud 20 et/ou de froid avec avantageusement soit un medium secondaire (premier et second médium secondaire identiques) circulant dans une boucle commune à l'évaporateur au condenseur et un échangeur thermique indépendant, soit deux médiums secondaires (premier et second medium secondaire) circulant dans des boucles différentes, une boucle ouverte ou fermée pour l'échangeur condenseur et une boucle ouverte ou fermée pour 25 l'échangeur évaporateur. Lorsque l'installation contient 3 étages BP, HP et HPP, le compresseur du circuit de froid est un compresseur BP et celui du circuit de production de chaud est un compresseur HP. Dans ce cas, la bouteille séparatrice est une bouteille liquide/gaz HP. Selon une première caractéristique, l'échangeur thermique du circuit de production de froid se présente sous la forme d'un condenseur. 30 Dans un mode de réalisation particulier, l'échangeur thermique du circuit de production de froid associe un échangeur évaporateur précédé d'une bouteille de séparation liquide/gaz. L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront bien de l'exemple suivant à l'appui de la figure annexée. La figure 1 unique est une représentation schématique d'une installation selon l'invention à trois étages BP, HP et HPP. L'installation telle que décrite ci-après permet de faire du froid et du chaud simultanément ou séparément à partir d'un même médium primaire, en l'espèce, du NH3. Elle comprend 3 étages, respectivement un étage BP, un étage HP et un étage HHP. Néanmoins, une installation similaire pourrait être imaginée avec des niveaux de pression plus faibles ou au contraire plus élevés en fonction de la puissance des compresseurs utilisés. L'installation reproduite sur la figure 1 comprend 2 circuits distincts respectivement un circuit de production de froid (1) et un circuit de production de chaud (2). Les deux circuits (1) et (2) sont séparés par système à 3 échangeurs (3) dans lequel circule un seul medium secondaire. Dans un mode de réalisation non représenté, le module (3) contient 4 échangeurs dans lesquels circulent 2 médiums secondaires distincts. L'installation contient 4 canalisations distinctes : - une canalisation unique (4) reliant les éléments constitutifs des circuits de froid et de chaud et dans laquelle circule un medium primaire, en l'espèce de l' ammoniaque, - une canalisation (5) dans laquelle circule le médium externe, en l'espèce de l'eau destiné à être réchauffé, - une canalisation (6) dans laquelle circule le médium externe, en l'espèce de l'eau destiné à être refroidi, - une canalisation (7) dans laquelle circule un médium secondaire (liquide, avantageusement de l'eau) destinée à échanger ses calories avec un médium externe non représenté. Le circuit de production de froid comprend un compresseur (8). Dans cet exemple de réalisation, il s'agit d'un compresseurs dits «BP » aptes à comprimer un gaz BP jusqu'à une pression HP. Le circuit de froid comprend également un détendeur (9) et une bouteille séparatrice liquide / gaz BP (10). En amont de la bouteille séparatrice (10) se trouve un échangeur évaporateur (11) susceptible d'échanger ses calories avec un médium externe circulant dans la tuyauterie (6). Le circuit de production de chaud comprend quant à lui un compresseur (12) dit HP apte à comprimer un gaz jusqu'à très haute pression HPP. En amont du compresseur se trouve un échangeur condenseur (13), puis un détendeur (14). Enfin, le module assurant la continuité entre le circuit de froid et de chaud comprend : - une bouteille séparatrice liquide/gaz HP (15), - un échangeur condenseur (16) dans lequel circule le gaz HP compressé par les compresseurs BP (8), - un échangeur évaporateur (17) dans lequel circule le liquide HP provenant de la bouteille séparatrice (15), - un échangeur thermique (18) traversé par la canalisation (7) commune donc aux trois échangeurs (16, 17, 18) L'installation fonctionne comme suit. En fonctionnement simultané chaud/froid avec des demandes différentes en chaud et en froid : Les compresseurs BP (8) compriment le gaz BP provenant de la bouteille séparatrice (10) jusqu'à une pression HP. Ils refoulent ensuite les vapeurs produites dans le condenseur (16). Les calories libérées au moment de la condensation sont récupérées par le circuit (7) dans lequel circule de l'eau. Le médium HP issu du condenseur (16) est envoyé dans la bouteille séparatrice HP (15). En fonction de la demande en froid et en chaud des médiums externes circulant respectivement dans les circuits 5 et 6, une partie du liquide HP stockée dans la bouteille séparatrice HP est utilisés pour faire du chaud tandis qu'une autre partie est utilisée pour faire du froid. La partie utilisée pour faire du chaud est aspirée par le compresseur 12 après avoir été évaporée dans l'échangeur 17. Le liquide HP se transforme au niveau de l'évaporateur 17 en gaz HP par captage des calories présentes dans le médium secondaire circulant dans la canalisation 7. Le gaz HP aspiré par le compresseur passe à une pression HHP. Le gaz HHP est ensuite condensé dans le condenseur 13. La chaleur libérée par le condenseur sert à réchauffer le médium externe circulant dans la canalisation 5. Il peut s'agir d'air ou d'eau ou tout autre fluide. Le liquide HPP issu du condenseur est renvoyé dans la bouteille séparatrice (15), après avoir été détendu (14). La partie liquide HP stockée dans la bouteille séparatrice HP, qui est utilisée pour faire du froid est détendue par le détendeur (9) et transformée en liquide basse pression LBP. Le liquide LBP est ensuite envoyé dans la bouteille séparatrice BP (10). La phase liquide du médium primaire passe ensuite dans l'évaporateur (11) où elle est transformée en gaz GBP (ou maintenue en phase liquide dans le cas de circulation par pompe). Dans l'évaporateur (11), l'échange de calories est effectué avec le médium externe circulant dans la canalisation (6). En fonctionnement simultané du chaud et du froid, l'installation rend donc possible la production de chaud et de froid lorsque la demande dans l'un et dans l'autre est différente. Ainsi par exemple, lorsque le besoin en froid est de 80% et que le besoin en chaud est de 20%, 20% du potentiel énergétique est transférer entre les étages et 60% échangé avec le médium secondaire circulant dans l'échangeur condenseur. En fonctionnement froid uniquement : On stoppe le compresseur HP (12). Dans ce cas là, le condenseur (16) évacue les calories dégagées au moment de la condensation par refoulement des compresseurs BP (8) au contact du medium secondaire circulant dans la canalisation (7). En fonctionnement chaud uniquement, on stoppe le compresseur BP (8). Le compresseur (12) aspire alors la partie du LHP présent dans la bouteille (15),nécessaire au chauffage du médium externe. En d'autres termes, les circuits de chauffage et de refroidissement peuvent fonctionner indépendamment l'un de l'autre malgré le fait qu'ils soient tous les deux parcourus par un médium primaire commun aux deux circuits. En fonctionnement simultané chaud/froid avec des demandes identiques en chaud et en 10 froid Dans cette hypothèse, il n'y a pas de changement d'état du fluide primaire au niveau des échangeurs (16) et (17). Plus précisément, le gaz BP comprimé reste à l'état de gaz au niveau du condenseur (16). Il est refoulé dans le compresseur (12) en passant par 15 l'évaporateur (17). Le gaz surcomprimé par le compresseur (12) est condensé puis détendu pour revenir à l'état liquide dans la bouteille séparatrice. Les 100% de liquide arrivant dans la bouteille séparatrice sont utilisés pour la production de froid. Comme déjà dit, la structure de l'installation décrite peut varier en terme de nombre 20 d'étages de pression et de valeur de pression. L'invention présente donc l'avantage de la flexibilité dans la production de froid et de chaud tant en terme de proportion de froid et de chaud que de choix (fonctionnement du froid ou du chaud séparément) avec un même circuit primaire. 25 REVENDICATIONS1/ Module d'échange thermique (3) destiné à être mis en oeuvre dans une installation de production de froid et de chaud séparé ou simultané, en circuit fermée, dans lequel circule un medium primaire (4) associant successivement, dans le sens de circulation du médium primaire, un échangeur condenseur (16), un moyen d'accumulation de fluide (15), un échangeur évaporateur (17), l'échangeur condenseur et l'échangeur évaporateur échangeant leurs calories avec un premier et second mediums secondaires circulant dans une canalisation commune (7) aux deux échangeurs ou des canalisations distinctes. 2/ Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que qu'il comprend un ou plusieurs échangeurs thermiques (18) supplémentaires traversés soit par la canalisation commune aux deux échangeurs condenseur et évaporateur, soit par une canalisation distincte pour chaque ensemble. 3/ Installation pour le refroidissement et/ou le chauffage de médiums externes circulant dans des circuits distincts ouverts ou fermés mettant en oeuvre un seul et même médium primaire commun circulant dans un circuit fermé comprenant un circuit de production de froid (1) et un circuit de production de chaud (2) couplé par le module (3) objet de l'une des revendications 1 ou 2, le circuit de production de froid entrant dans le module par l'échangeur condenseur et en ressortant par le moyen d'accumulation de fluide, - le circuit de production de chaud entrant dans le module, par moyen d'accumulation de fluide et en ressortant par l'échangeur évaporateur. 25 4/ Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que : - le circuit de production de froid comprend en outre : un compresseur (8) apte à comprimer un medium primaire à une pression donnée, - un détendeur (9), 30 et un échangeur thermique (11) liquide/liquide ou liquide/gaz assurant l'échange de calories avec un médium externe, - le circuit de production de chaud comprend en outre : - un compresseur (12) apte à comprimer le medium primaire à une pression supérieure à la pression donnée,- un échangeur thermique (12) gaz/liquide ou gaz/gaz assurant l'échange de calories avec un médium externe. 5/ Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'échangeur thermique 5 liquide/liquide ou liquide/gaz est un évaporateur. 6/ Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'échangeur thermique gaz/liquide ou gaz/gaz est un condenseur. 10 7/ Procédé de chauffage et/ou de refroidissement de médiums externes mettant en oeuvre l'installation objet de l'une des revendications 3 à 6 selon lequel : - lorsque les demandes en froid et en chaud sont différentes l'une de l'autre : - on comprime le medium primaire, - on le liquéfie au moins partiellement par transfert de calories vers un premier 15 médium secondaire, on stocke le médium primaire dans un moyen d'accumulation de fluide, puis, o pour la fonction refroidissement, ^ on détend (la partie du médium primaire présente dans le moyen d'accumulation de fluide correspondant à la demande en froid puis on échange les calories avec un premier médium externe, avant de comprimer de nouveau le médium primaire, o pour la fonction chauffage, ^ on évapore au moins partiellement la partie du médium primaire présente dans le moyen d'accumulation de fluide correspondant à la demande en chaud, par transfert de calories avec un second médium secondaire, ^ on comprime le medium primaire, ^ on le condense ensuite par transfert de calories avec un second médium externe, ^ on le détend, et on le renvoie dans moyen d'accumulation de fluide, - lorsque la demande en froid et en chaud est identique : - on comprime le medium primaire, - on le stocke dans un moyen d'accumulation de fluide, puis, o pour la fonction refroidissement, 20 25 30^ on détend la partie du médium primaire correspondant à la demande en froid puis on échange les calories avec un premier médium externe, avant de comprimer de nouveau le médium primaire, o pour la fonction chauffage, ^ on aspire la partie du médium primaire correspondant à la demande en chaud, ^ on la comprime, ^ on échange les calories avec un second médium externe, ^ on détend le médium primaire, et on le renvoie dans le moyen d'accumulation de fluide. 8/ Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premier et second médiums secondaires sont identiques et circulent dans une boucle indépendante et échangent leurs 15 calories avec un troisième médium externe. 9/ Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premier et second médiums secondaires sont identiques ou différents et circulent dans deux circuits distincts et échangent leur calories avec un troisième et éventuellement quatrième médium externe. 10/ Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que : - les mediums externes sont de l'air ou de l'eau, le medium primaire est du NH3, - les premier et second mediums secondaires sont de l'eau. 20 25