Brevet FR2979979A1 — publié le 20130315

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à une installation frigorifique pour refroidir un consommateur de froid comportant : - un compresseur à un ou plusieurs étages qui comprime l'agent frigo- rifique en circulation dans l'installation frigorifique, - au moins un échangeur de chaleur pour refroidir l'agent frigorifique, et - au moins une turbine de détente pour la détente de l'agent frigori- fique dégageant du froid. L'invention se rapporte également à un procédé de ges- tion d'une telle installation frigorifique. Etat de la techz-i-rie Les installations frigorifiques définies ci-dessus sont con- nues depuis longtemps dans l'état de la technique. On pourra citer à titre d'exemple le document DE 102007005098. Dans de telles installa- tions frigorifiques, on génère une puissance frigorifique isotherme par évaporation d'un agent frigorifique à un ou plusieurs composants, par exemple de l'hélium. Pour cela, on détend l'agent frigorifique dans une ou plusieurs turbines de détente. En particulier, dans de telles installations frigorifiques utilisant de l'hélium comme agent frigorifique, les variations de charge subies sont compensées par des radiateurs électriques. Les installations frigorifiques elles-mêmes fonctionnent à leur puissance maximale. La charge des installations frigorifiques du type cité ci-dessus, notamment des installations frigorifiques à hélium, ne peuvent toutefois augmenter que de façon relativement lente dans la plage des températures en dessous de 5 K. Même si les turbines d'expansion fonctionnent rapidement à régime élevé, leur puissance pour produire du froid n'est disponible que peu à peu. L'augmentation de la puissance dans l'installation frigo- rifique se traduit par un abaissement de la température des échangeurs de chaleur. Cette diminution consomme temporairement une fraction considérable de la puissance disponible des turbines. Dans le cas d'une augmentation trop rapide de la charge, la température du circuit frigorifique du consommateur frigorifique sera relevée et la production de liquide dans le circuit frigorifique de l'instal- lation frigorifique sera arrêtée. Mais cela se traduit par un état instable gênant de l'installation frigorifique. La disparition brusque de la charge est en revanche moins délicate. Habituellement dans ce cas, on compense la disparition de la charge en liquéfiant de l'agent frigorifique. Cet agent frigorifique peut être une partie de l'agent frigorifique de l'installa- tion frigorifique ou être fourni à l'état gazeux à la température de l'environnement. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une ins- tallation frigorifique du type ci-dessus et son procédé de gestion pour remédier aux inconvénients cités et en particulier, garantir un fonctionnement économique de l'installation frigorifique en cas de variations brèves de la charge. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention a pour objet une instal- lation frigorifique du type défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de stockage pour stocker de l'agent frigorifique à l'état liquide associé ou intégré à l'installation frigorifique de façon à permettre d'injecter au moins de temps en temps, de l'agent frigorifique à l'état liquide dans le circuit frigorifique. Le procédé selon l'invention de gestion d'une installation frigorifique du type défini ci-dessus, est caractérisé en ce qu'en cas de dépassement d'une valeur de charge frigorifique fixée, on injecte de l'agent frigorifique liquide en provenance du dispositif de stockage. Ainsi, selon l'invention, en cas d'augmentation rapide de la charge thermique du circuit frigorifique de l'installation frigorifique, on participe en fournissant de l'agent frigorifique liquide du dispositif de stockage qui est de préférence un réservoir Dewar. Cet agent frigorifique liquide complète immédiatement la veine d'agent liquide de l'installation frigorifique, produite à cet instant. De plus, le froid de la vapeur d'agent frigorifique ainsi obtenue, permet un conditionnement rapide des échangeurs de chaleur de l'installation frigorifique. L'agent frigorifique évaporé et réchauffé est de préférence reliquéfié ultérieurement en fonctionnement stationnaire et lorsque la charge thermique est faible. Selon un développement procédé de gestion de l'installation frigorifique selon l'invention en ce que pendant l'injection de l'agent frigorifique liquide, au moins l'une des turbines de détente est étranglée ou coupée, et la veine du compresseur ainsi libérée, est liquéfiée en plus. Selon le développement avantageux du procédé de gestion selon l'invention d'une installation frigorifique, on injecte de préférence autant d'agent frigorifique liquide que nécessaire pour que par la puissance frigorifique de l'agent frigorifique à réchauffer en plus, on puisse étrangler ou couper diverses turbines de détente de l'installation frigorifique qui ne détendent pas par le consommateur de froid, mais directement dans l'étage basse pression (dans l'exemple représenté à la figure, il s'agit de la turbine de détente X). De façon préférentielle, on étrangle ou on coupe tout d'abord la turbine de détente ou la turbine de détente ayant la température de fonctionnement la plus élevée, puis on passe à celle ayant la température de fonctionnement la plus élevée suivante et ainsi de suite. La veine de fluide de compresseur ainsi libérée peut être liquéfiée comme veine supplémentaire et être fournie au consommateur de froid. Dans la fenêtre de temps limité, cette procédure permet de générer de la puissance frigorifique qui dépasse la puissance frigorifique en régime permanent de l'installation frigorifique jusqu'à environ 100 %. L'installation frigorifique selon l'invention et le procédé de gestion du circuit frigorifique, permettent d'utiliser la puissance frigori- fique non seulement comme puissance de vaporisation isotherme, mais également comme veine d'agent frigorifique monophase à réchauffer. En outre, pour amplifier la veine d'agent frigorifique mo- nophase, on peut utiliser une ou plusieurs pompes de circulation à froid. Dessin La présente invention sera décrite de manière plus détaillée à l'aide d'une installation frigorifique appliquant le procédé selon l'invention de gestion d'un circuit de froid ainsi que d'autres développements avantageux représentés dans l'unique figure que est un sché- ma d'une installation frigorifique. Description modes de réalisatiot. 117.vention L'installation frigorifique représentée à la figure, servant à fournir du froid à un consommateur de froid K comporte cinq échangeurs de chaleur E1-E5, un compresseur V à un ou plusieurs étages, deux turbines de détente X, X', un séparateur D, un réservoir Dewar S, cinq vannes de détente (a-e) ainsi que des conduites 1 à 13 reliant les composants énoncés ci-dessus. Il est à remarquer que l'invention peut également s'appliquer à d'autres montages de compresseur(s) et de turbine(s) de détente. L'agent frigorifique comprimé par le compresseur V à la pression maximale du circuit est dirigé par la conduite 1 à travers l'échangeur de chaleur El pour être refroidi par rapport à lui-même. Pendant que la veine principale de l'agent frigorifique passe par la conduite 2 à travers l'échangeur de chaleur E2, E3 et se refroidit par rap- port à lui-même, une fraction de la veine d'agent frigorifique est fournie par la conduite 3 à une première turbine de détente X qui détend le fluide pour générer de la puissance frigorifique. La veine partielle d'agent frigorifique détendue arrive ensuite par la conduite 3' dans la veine d'agent frigorifique 12 à réchauffer et qui sera détaillée ultérieu- rement. La veine principale d'agent frigorifique 2 est détendue dans une seconde turbine de détente X' en restituant du froid et ensuite cette veine passe par la conduite 4 à travers les échangeurs E4, E5 pour être refroidie par rapport à lui-même à la température la plus basse souhaitée pour le fonctionnement du circuit. Après passage à travers l'échangeur de chaleur E5, la veine d'agent frigorifique alimente par la conduite 5, un consommateur de froid K représenté schématiquement ; cela se traduit par une élévation importante de la température de l'agent frigorifique. Pendant la procédure de démarrage du circuit de froid, l'agent frigorifique prélevé par le consommateur de froid K par la conduite 6, arrive dans le séparateur D. La partie liquide de l'agent frigorifique qui arrive dans le fond du séparateur, est évacuée par la conduite 9 du séparateur D pour passer à contre-courant de l'agent frigorifique 4 à refroidir par la conduite 9 à travers l'échangeur de chaleur E5 pour arriver ensuite de nouveau dans le séparateur D. On extrait de l'agent frigorifique à l'état gazeux de la tête du séparateur D par une conduite 10 pour le réchauffer dans l'échan- s geur de chaleur E4 avec la veine d'agent frigorifique 4 à refroidir. En- suite, la veine d'agent frigorifique est dirigée par la conduite 12 à travers les échangeurs de chaleur E3, E2, El pour se réchauffer à contre-courant avec la veine d'agent frigorifique 1/2 à refroidir. L'agent frigorifique ainsi réchauffé est extrait par la conduite 13 de l'échangeur de 10 chaleur E 1 pour être de nouveau conduit dans l'unité de compres- sion V. Pendant le fonctionnement normal, l'agent frigorifique réchauffé par le consommateur de froid K arrive par la conduite 7 dans un dispositif de stockage ; comme le montre la figure, ce dispositif est 15 de préférence réalisé sous la forme d'un réservoir Dewar S. L'agent fri- gorifique à l'état gazeux est extrait de la phase gazeuse du réservoir Dewar S par la conduite 11 pour arriver directement dans l'échangeur de chaleur E4. Si maintenant la charge thermique dans le consomma- 20 teur de froid K, augmente, de l'agent frigorifique liquide est transféré par la conduite 8 à partir du réservoir Dewar S par le séparateur D pour alimenter le circuit frigorifique. Cette adjonction d'agent frigorifique liquide 8 se fait de préférence seulement lorsqu'on dépasse une valeur fixée de la charge frigorifique dans le consommateur de froid K. 25 Les vannes de régulation (a-e) présentées à la figure, ser- vent à régler le débit d'agent frigorifique dans les conduites 3, 6, 7, 8, 11, correspondantes. La vanne de régulation a permet d'étrangler la turbine de détente X si bien que la veine d'agent frigorifique ou veine venant du compresseur, puisse être liquéfiée en plus. La vanne de régu- 30 lation d qui détermine le débit d'agent frigorifique liquide fourni à partir du réservoir Dewar S, est régulée de préférence par le niveau de liquide dans le séparateur D. En cas de passage en dessous d'un niveau de liquide réglable, la vanne de régulation d s'ouvre et permet l'arrivée d'agent frigorifique liquide par la conduite 8 à partir du réservoir De- 35 war S. Alors que la vanne de régulation e est commandée habituelle- ment par une mesure de différence de pression, les vannes de régulation d et c sont régulées de préférence par la pression de l'agent frigorifique directement en amont du consommateur de froid K. L'installation frigorifique selon l'invention et le procédé selon l'invention de gestion de l'installation frigorifique, permettent de répondre de manière rapide et sûre à des variations de charge se produisant à court terme. Les moyens supplémentaires nécessaires sous la forme d'un dispositif de stockage et de vannes de régulation correspondantes, se tiennent dans des limites et sont compensés par les avan- tages obtenus.15 - LA? K consommateur de froid E1-E5 échangeurs de chaleur / unité de compresseur X-X turbine de détente D séparateur S réservoir Dewar a-e vannes de détente 10 1 à 13 conduites REVENDICATIONS1°) Installation frigorifique pour refroidir un consommateur de froid (K) comportant : - un compresseur (V) à un ou plusieurs étages qui comprime l'agent frigorifique en circulation dans l'installation frigorifique, - au moins un échangeur de chaleur (El, E2, ...) pour refroidir l'agent frigorifique, et - au moins une turbine de détente (X, X') pour la détente de l'agent frigorifique dégageant du froid, io installation caractérisée en ce qu' elle comporte un dispositif de stockage pour stocker de l'agent frigorifique à l'état liquide, associé ou intégré à l'installation frigorifique de façon à permettre d'injecter au moins de temps en temps, de l'agent frigorifique (8) à l'état liquide dans le circuit frigorifique. 15 2°) Installation frigorifique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de stockage est un réservoir Dewar S. 20 3°) Installation frigorifique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'agent frigorifique est de l'hélium. 4°) Procédé de gestion d'une installation frigorifique selon l'une quel- 25 conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu' en cas de dépassement d'une valeur de charge frigorifique fixée, on injecte de l'agent frigorifique liquide (8) en provenance du dispositif de stockage. 30 5°) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que pendant l'injection d'agent frigorifique liquide (8), on étrangle ou on coupe la ou au moins l'une des turbines de détente (X, X') et on liquéfie 35 en outre la veine de fluide de compresseur ainsi libérée.