Brevet FR3008172A1 — publié le 20150109

OINSTALLATION DE PRODUCTION DE FROID COMPRENANT DES MOYENS DE CONDENSATION PERFECTIONNES ET SON PROCEDE DE MISE EN OEUVRE La présente invention concerne une installation de production de froid, ainsi qu'un procédé visant à la mise en oeuvre de cette installation. L'invention vise plus particulièrement, mais non exclusivement, la production de froid à usage industriel ou commercial. L'invention vise la production de froid négatif, c'est-à-dire à une température inférieure à 0°C, mais aussi de froid positif, c'est-à-dire à une température supérieure à 0°C et inférieure à 20°C. De façon habituelle, du froid est produit en faisant circuler un fluide frigorigène, ou réfrigérant, le long d'une ligne de circulation s'étendant en général selon une boucle fermée. Un compresseur dirige tout d'abord le réfrigérant à haute pression vers un condenseur, dans lequel ce réfrigérant passe de l'état gazeux à l'état liquide et cède par conséquent des calories. Le froid est donc produit, en majeure partie, durant cette étape de condensation. Puis le réfrigérant condensé traverse un détendeur, où il subit une chute de pression tout en restant majoritairement à l'état liquide. Le réfrigérant détendu est ensuite dirigé vers un évaporateur, où la partie liquide du réfrigérant passe à l'état gazeux et absorbe les calories présentes au voisinage de cet évaporateur. Le réfrigérant évaporé est enfin aspiré par le compresseur, de sorte que le cycle se renouvelle autant que nécessaire pour obtenir et maintenir la température voulue. On connait par EP-A-1 357 338 une installation frigorifique comprenant deux circuits parallèles ayant une partie commune, chaque circuit étant adapté pour obtenir une température dans une plage donnée. Une telle installation est particulièrement adaptée pour produire du froid jusqu'à -45°C. Néanmoins, le rendement d'une telle installation, comme d'autres installations connues, n'est pas optimal à toutes températures ambiantes. L'invention vise plus particulièrement les moyens de condensation, mis en oeuvre lors de la production de froid par une installation utilisant un condenseur. Une première solution connue fait appel à un ou plusieurs condenseur(s) à air, équipé d'un serpentin interne dans lequel circule un réfrigérant, lequel est refroidi par l'air périphérique. Cette circulation peut être statique, à savoir que l'air circule par convection naturelle autour du condenseur. A titre d'alternative, cette circulation peut être forcée, grâce à l'utilisation d'un ou de plusieurs ventilateur(s). Cependant un tel condenseur présente certaines limites, en particulier lorsque l'air de refroidissement présente une température élevée. Ceci peut survenir en période estivale, ou encore lorsque l'installation de production de froid se trouve dans un environnement industriel qui dégage beaucoup de chaleur, par exemple à proximité d'appareils de cuisson et/ou lorsque l'installation est dans un lieu confiné et pas ou peu ventilé. Une seconde solution connue fait appel à un ou plusieurs condenseur(s) à eau, dans lequel le réfrigérant est refroidi par l'eau par l'intermédiaire d'un échangeur. De façon typique, le réfrigérant circule à la périphérie de tubes, dans lesquels l'eau est mise en mouvement en vue de l'échange de chaleur. Un tel condenseur à eau permet de remédier aux inconvénients du condenseur à air, puisque son efficacité est satisfaisante même en cas de température ambiante élevée, à savoir supérieure à 25°C. En revanche, ce condenseur à eau est coûteux, notamment car il consomme de grandes quantités d'eau. Ceci étant précisé, l'invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur évoqués ci-dessus. Elle vise en particulier à proposer une installation de production de froid, dont les moyens de condensation présentent une efficacité satisfaisante, quelle que soit la température ambiante. Elle vise en outre à proposer une telle installation, dont la consommation énergétique est raisonnable. L'invention vise enfin une telle installation, qui peut être construite de manière commode, soit comme installation neuve soit à partir d'une installation existante. A cet effet, l'invention a pour objet une installation de production de froid, comprenant - une ligne de circulation d'un fluide frigorigène, ou réfrigérant, ainsi que, disposés selon le sens d'écoulement du réfrigérant dans la ligne de circulation : - des moyens de compression du réfrigérant, - des moyens de condensation du réfrigérant comprimé, - des moyens de détente du réfrigérant comprimé, - des moyens d'évaporation du réfrigérant détendu, caractérisée en ce que les moyens de condensation comprennent au moins un condenseur à air, ainsi qu'au moins un condenseur à eau disposé entre le condenseur à air et les moyens de détente, ce condenseur à eau comprenant des moyens d'alimentation d'eau dans le volume intérieur de ce condenseur, cette installation comprenant en outre des moyens de mesure d'au moins un paramètre représentatif de la température du réfrigérant, ces moyens de mesure étant disposés entre le condenseur à eau et les moyens de détente, ainsi que des moyens de commande propres à activer les moyens d'alimentation d'eau en réponse aux moyens de mesure. Contrairement aux solutions connues qui utilisent, soit un condenseur à air, soit un condenseur à eau, l'invention utilise, si besoin à la fois, une condensation par air et une condensation par eau. En service normal, seule la condensation à air est mise en oeuvre par l'invention, de façon connue en soi. Puis, si la mesure d'un paramètre du réfrigérant se situe en dehors d'une plage de valeur prédéfinie, la condensation à eau est également utilisée, afin de compléter la condensation par air. De façon typique, le paramètre mesuré du réfrigérant est représentatif de sa température à l'intérieur de la ligne de circulation. Ce paramètre peut, par exemple, être la température proprement dite, mais aussi la pression. On conçoit que, si ce paramètre n'est plus dans la plage prédéfinie, correspondant à un fonctionnement satisfaisant, ceci signifie que l'action du condenseur à air n'est plus suffisante. Les moyens de condensation par eau sont alors activés. Cette activation correspond à une modification de la marche de l'installation, entre une configuration inactive où le condenseur à eau n'extrait sensiblement aucune calorie du réfrigérant, et une configuration active où ce condenseur à eau extrait une fraction significative de ces calories. La configuration inactive peut correspondre à une situation où le réfrigérant ne circule pas dans le condenseur à eau. On peut aussi prévoir que le réfrigérant circule dans le condenseur. Dans ce dernier cas, le condenseur peut être vide d'eau, ou bien contenir de l'eau qui n'extrait pas de calories, notamment parce qu'elle n'est pas mise en circulation. En revanche, dans la configuration active, le réfrigérant circule dans le condenseur et il y a extraction de calories par l'eau de condensation. L'homme du métier pourra prendre en compte différents paramètres opératoires en vue d'une extraction optimale, en particulier le débit et/ou la température de l'eau. En configuration active du condenseur à eau, l'efficacité globale des moyens de condensation est supérieure à celle permise par le seul condenseur à air. On conçoit donc que cette double action a tendance à ramener la valeur du paramètre dans sa plage optimale. Lorsque ceci est identifié par les moyens de mesure, le condenseur à eau repasse dans sa configuration inactive, de sorte que seul le condenseur à air est à nouveau mis en oeuvre. L'invention permet d'atteindre les objectifs précédemment mentionnés. En effet, l'invention prévoit une condensation par eau, qui peut venir en complément de la condensation par air. De la sorte, la condensation globale est assurée de façon efficace, quelles que soient les conditions opératoires. De plus, cet appoint de condensation par eau est utilisé uniquement de façon ponctuelle, ce qui n'augmente pas de façon excessive les coûts de fonctionnement. On notera en outre que, grâce à l'invention, les deux types de condenseur peuvent être mis en oeuvre dans des gammes de puissance optimales. Ceci est avantageux car la durée de vie de ces appareils est améliorée, tout en limitant les risques de fuite du fait que le risque de surpression est maitrisé. Par ailleurs, l'installation de l'invention peut être réalisée de façon simple, à partir d'installations existantes utilisant un condenseur à air. Dans ce cas le condenseur à eau, ainsi que les moyens de mesure et de commande, sont placés sur la ligne de circulation du réfrigérant, typiquement en aval du condenseur par air. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle installation peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le paramètre représentatif de la température du réfrigérant est la pression du réfrigérant dans la ligne de circulation, immédiatement en aval du condenseur à eau. Ceci assure une mesure représentative, puisque la pression du réfrigérant est peu influencée par les conditions extérieures, contrairement à la température de ce réfrigérant étant donné les lois physiques régissant les relations entre température et pression d'un gaz à volume constant. - l'installation comprend en outre des moyens de purge d'eau en dehors du volume intérieur du condenseur. - l'installation comprend en outre des moyens de mesure de la température de l'eau dans le condenseur, ainsi que des moyens de commande secondaires, propres à activer les moyens d'alimentation d'eau et/ou les moyens de purge d'eau, en réponse à ces moyens de mesure de la température de l'eau. L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre de l'installation ci-dessus, dans lequel : - on définit une plage de consigne du paramètre représentatif de la température du réfrigérant - on actionne les moyens d'alimentation d'eau lorsque la valeur mesurée du paramètre est en dehors de cette plage de consigne. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel procédé peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - on actionne les moyens d'alimentation d'eau lorsque la valeur mesurée du paramètre est supérieure à une valeur seuil prédéfinie. - on actionne les moyens d'alimentation d'eau lorsque la pression du réfrigérant, immédiatement en aval du condenseur à eau, est supérieure à une valeur seuil dépendant du gaz employé. Cette valeur est, par exemple, comprise entre 5 bar et 20 bar pour les gaz couramment utilisés. - on actionne les moyens de purge d'eau lorsque la température de l'eau dans le condenseur est inférieure à une valeur seuil comprise entre 2°C et 4°C. - on actionne les moyens d'alimentation d'eau lorsque la température de l'eau dans le condenseur est supérieure à une valeur seuil comprise entre 35°C et 45°C. L'invention a enfin pour objet un procédé de modification d'une installation de production de froid, laquelle comprend : - une ligne de circulation d'un fluide frigorigène, ou réfrigérant, ainsi que, disposés selon le sens d'écoulement du réfrigérant dans la ligne de circulation : - des moyens de compression du réfrigérant, - des moyens de condensation par air du réfrigérant comprimé, - des moyens de détente du réfrigérant condensé, - des moyens d'évaporation du réfrigérant détendu, caractérisé en ce qu'on intercale, entre les moyens de condensation par air et les moyens de détente, au moins un condenseur à eau comprenant des moyens d'alimentation d'eau dans le volume intérieur de ce condenseur, et on prévoit en outre des moyens de mesure d'au moins un paramètre représentatif de la température du réfrigérant, entre le condenseur à eau et les moyens de détente, ainsi que des moyens de commande propres à activer les moyens d'alimentation d'eau en réponse aux moyens de mesure. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins suivants dans lesquels: - La figure 1 est une vue schématique d'une installation de production de froid conforme à un mode de réalisation de l'invention. L'installation de production de froid conforme à l'invention, reproduite en figure 1, comprend à la fois des moyens de condensation par air et des moyens de condensation par eau. Elle est tout d'abord pourvue de différents éléments mécaniques, qui équipent une installation de production de froid classique faisant intervenir uniquement des moyens de condensation par air. Ces éléments mécaniques, qui sont connus en soi et dont la structure ne sera pas décrite plus en détail dans ce qui suit, sont les suivants : - une ligne de circulation L, en boucle fermée, à l'intérieur de laquelle circule un fluide frigorigène, encore dénommé réfrigérant, de tout type approprié. La progression du réfrigérant dans la ligne L, matérialisée par les flèches F, s'opère selon le sens inverse des aiguilles d'une montre dans l'exemple ; - un compresseur 1 assurant la circulation et la mise en pression du réfrigérant, ainsi qu'un pressostat 2 à basse pression, prévu du côté de l'entrée de ce compresseur ; - un condenseur à air 10, prévu immédiatement en aval du compresseur, en référence au sens de circulation du réfrigérant. Ce condenseur 10 est associé à un ventilateur 11, ainsi qu'à une sonde de température 12 qui est éventuellement ajoutée à l'installation lorsque celle-ci en est dépourvue d'origine. - un détendeur 20, qui est placé en aval du condenseur à air 10, ainsi que d'un condenseur à eau décrit plus en détail dans ce qui suit ; - un évaporateur 30, qui est placé en aval du détendeur 20, associé à son ventilateur 31 ; un bulbe 21, c'est-à-dire un organe de régulation du débit de fluide en fonction de la température du détendeur 20, est prévu immédiatement en aval de cet évaporateur 30 ; - une réserve de liquide 40, associée à un pressostat de sécurité 41, un déshydrateur 42, un voyant liquide 43 et une électrovanne 44. Ces éléments 40 à 44 sont intercalés entre le condenseur à eau, qui va être décrit ci-après, et le détendeur 20. Dans un mode de réalisation non illustré, la réserve de liquide est avantageusement formée par le condenseur à eau 50. L'installation conforme à l'invention comprend, outre les éléments mécaniques classiques décrits ci-dessus, un condenseur à eau 50 de tout type approprié. A titre d'exemple non limitatif, le volume intérieur de ce condenseur est équipé d'une multiplicité de tubes dans lesquels circule le réfrigérant, depuis la ligne de circulation L. De plus, de l'eau circule à la périphérie de ces différents tubes, de façon à extraire les calories produites lors de la compression de ce réfrigérant. Cette eau est alimentée dans le condenseur 50 depuis une ligne 51, pourvue d'une vanne 52. Après circulation dans ce condenseur, l'eau est évacuée via une ligne 53. Une ligne supplémentaire 54, associée à une vanne 55, assure une purge éventuelle de cette eau de condensation. De plus une sonde 60, de tout type approprié, permet de mesurer la température de l'eau à l'intérieur du condenseur 50. Cette sonde de température 60 est reliée aux deux vannes 52 et 55, par des lignes de commande respectives LC1 et LC2. Immédiatement en aval du condenseur 50, une sonde supplémentaire 70 permet de mesurer la pression du réfrigérant à l'intérieur de la ligne de circulation. Cette sonde, de tout type approprié, est par exemple à tension ou à intensité variable. Cette sonde de pression 70 est reliée à la vanne d'alimentation 52 par une ligne de commande LC3. La mise en oeuvre de l'installation, décrite ci-dessus, va maintenant être explicitée dans ce qui suit. On fait circuler un réfrigérant, par exemple du chlorodifluorométhane plus connu sous la dénomination R22, le long de la ligne de circulation L, selon les flèches F. De façon typique, la pression, pour une température donnée du réfrigérant, est dans les gammes suivantes : entre le compresseur 1 et le condenseur amont à air 10 : 10 bar à 20 bar, - entre le condenseur aval à eau 50 et le détendeur 20: 10 bar à 20 bar, entre le détendeur 20 et l'évaporateur 30: 2 bar à 5 bar, entre l'évaporateur 30 et le compresseur 1: 2 bar à 5 bar. On choisit en outre une pression de consigne du réfrigérant, immédiatement en aval du condenseur à eau 50. Cette pression de consigne, qui présente une valeur typiquement comprise entre 10 bar et 15 bar va être comparée à la pression instantanée, mesurée par la sonde 70. On conçoit que cette pression du réfrigérant est représentative de la température de ce réfrigérant, immédiatement en aval du condenseur à eau. La condensation du réfrigérant est tout d'abord assurée uniquement par l'intermédiaire du condenseur à air 10. Tant que la pression mesurée par la sonde 70 est inférieure à la pression de consigne, le condenseur à eau 50 est inactif. Ceci peut signifier que le volume intérieur de ce condenseur est vide d'eau. A titre d'alternative, de l'eau peut éventuellement être présente dans ce condenseur, mais dans des conditions telles (faible quantité, absence de circulation,...) qu'elle ne permet pas une extraction des calories du réfrigérant. On peut aussi prévoir que, dans la configuration inactive du condenseur à eau, ce dernier n'est pas traversé par le réfrigérant, qui circule par exemple dans une ligne de dérivation, non représentée, reliant directement le condenseur à air à la réserve 40. On suppose désormais que la pression mesurée par la sonde est supérieure ou égale à la valeur de consigne. Ceci signifie que la pression, et donc la température du réfrigérant, se sont élevées de façon telle que la marche satisfaisante de l'installation n'est plus garantie. La sonde 70 commande alors la vanne 52, via la ligne LC3, ce qui provoque une arrivée d'eau dans le condenseur 50, via la ligne d'alimentation 51. Ceci permet de mettre en échange de chaleur cette eau et le réfrigérant, de manière à en extraire des calories. Durant cette phase de circulation d'eau, si la sonde 60 mesure une température d'eau supérieure à une valeur déterminée, typiquement comprise entre 35°C et 45°C, elle commande l'électrovanne 52, via la ligne LC1. Ceci permet de remplacer le volume d'eau dans le condenseur, via la ligne 51, de manière à abaisser la température de cette eau. En revanche, si la sonde 60 mesure une température d'eau inférieure à une valeur déterminée, typiquement comprise entre 2°C et 4°C, elle commande la vanne 55, via la ligne LC2. Ceci permet de purger tout ou partie de l'eau hors du condenseur, via la ligne 54, afin d'éviter le gel de cette eau. Dans la mesure où l'eau chassée par l'électrovanne 52 est susceptible de sortir à une température élevée, pouvant atteindre 60°C, un circulateur, dans un mode de réalisation non illustré, est placé entre l'électrovanne 52 et le condenseur 50. Ce circulateur optimise la dissipation des calories. L'eau ainsi refroidie est ensuite redirigée vers le condenseur. Avantageusement des clapets anti-retour évitent tout retour d'eau dans le circulateur ou dans le circuit d'alimentation en eau. En variante, il est possible de prévoir une récupération des calories provenant de l'eau chaude chassée par l'électrovanne 52 pour, par exemple, assurer, au moins en partie, le chauffage d'un bâtiment. La présence d'un circulateur participe également aux économies d'énergie en diminuant la consommation électrique. Le condenseur à eau reste dans sa configuration active, jusqu'à ce que la valeur de pression mesurée par la sonde soit à nouveau inférieure à la pression de consigne. La circulation d'eau est alors stoppée dans le condenseur, de sorte que seul le condenseur à air assure à nouveau l'opération de condensation du réfrigérant. Avantageusement, on choisit une plage de consigne étroite afin d'optimiser le fonctionnement du condenseur à eau. A titre d'illustration, des essais menés avec le réfrigérant R22 et à une température de l'air ambiant de 42°C montrent que la pression du circuit est voisine de 23 bar pour une consommation électrique voisine de 5A lorsque le condenseur à eau n'est pas utilisé et, respectivement, une pression voisine de 14 bar et une consommation de 3A lorsque le condenseur à eau est en marche. Il a été également montré qu'avec le condenseur en fonctionnement, la production de frigories est effective jusqu'à des températures extérieures voisines de 53°C. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et représenté. Ainsi, on peut prévoir d'utiliser plusieurs condenseurs à air et/ou plusieurs condenseurs à eau, qui peuvent être disposés en série ou en parallèle. Dans ce cas, la sonde de mesure du paramètre représentatif de la température du réfrigérant est placée en aval du condenseur à eau disposé le plus en aval. En variante, on peut prévoir sur le circuit le montage de manomètres permettant un contrôle de sécurité de la pression en différents points. Dans un autre mode de réalisation non illustré, on utilise un autre paramètre de consigne que la pression. Il peut s'agir, par exemple, d'un ampérage donné. L'ampérage est représentatif de la consommation électrique de l'installation, étant entendu que celle-ci augmente lorsque la température extérieure augmente, du fait qu'il est nécessaire d'extraire plus de calories, ce qui induit un travail plus important de la part du compresseur de l'installation.10 REVENDICATIONS1.- Installation de production de froid, comprenant - une ligne (L) de circulation d'un fluide frigorigène, ou réfrigérant, ainsi que, disposés selon le sens d'écoulement du réfrigérant dans la ligne de circulation : - des moyens de compression (1) du réfrigérant, - des moyens de condensation (10, 50) du réfrigérant comprimé, - des moyens de détente (20) du réfrigérant comprimé, - des moyens d'évaporation (30) du réfrigérant détendu, caractérisée en ce que les moyens de condensation comprennent au moins un condenseur à air (10), ainsi qu'au moins un condenseur à eau (50) disposé entre le condenseur à air et les moyens de détente, ce condenseur à eau comprenant des moyens d'alimentation (51, 52) d'eau dans le volume intérieur de ce condenseur, cette installation comprenant en outre des moyens de mesure (70) d'au moins un paramètre représentatif de la température du réfrigérant, ces moyens de mesure étant disposés entre le condenseur à eau et les moyens de détente, ainsi que des moyens de commande (LC3) propres à activer les moyens d'alimentation d'eau en réponse aux moyens de mesure. 2.- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le paramètre représentatif de la température du réfrigérant est la pression du réfrigérant dans la ligne de circulation, immédiatement en aval du condenseur à eau. 3.- Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (54, 55) de purge d'eau en dehors du volume intérieur du condenseur. 4.- Installation selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (60) de mesure de la température de l'eau dans le condenseur, ainsi que des moyens de commande secondaires (LC1, LC2), propres àactiver les moyens d'alimentation d'eau et/ou les moyens de purge d'eau, en réponse à ces moyens de mesure de la température de l'eau. 5.- Procédé de mise en oeuvre de l'installation selon l'une des revendications précédentes, dans lequel - on définit une plage de consigne du paramètre représentatif de la température du réfrigérant - on actionne les moyens d'alimentation d'eau (51, 52) lorsque la valeur mesurée du paramètre est en dehors de cette plage de consigne. 6.- Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on actionne les moyens d'alimentation d'eau lorsque la valeur mesurée du paramètre est supérieure à une valeur seuil prédéfinie. 7.- Procédé selon la revendication précédente, pour la mise en oeuvre d'une installation selon la revendication 2, dans lequel on actionne les moyens d'alimentation d'eau lorsque la pression du réfrigérant, immédiatement en aval du condenseur à eau (50), est supérieure à une valeur seuil comprise entre 5 bar et 20 bar. 8.- Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, pour la mise en oeuvre d'une installation selon les revendications 3 et 4, dans lequel on actionne les moyens de purge d'eau (54, 55) lorsque la température de l'eau dans le condenseur est inférieure à une valeur seuil comprise entre 2°C et 4°C. 9.- Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, pour la mise en oeuvre d'une installation selon la revendication 4, dans lequel on actionne les moyens d'alimentation d'eau (51, 52) lorsque la température de l'eau dans le condenseur est supérieure à une valeur seuil comprise entre 35°C et 45°C. 10.- Procédé de modification d'une installation de production de froid, laquelle 25 comprend - une ligne (L) de circulation d'un fluide frigorigène, ou réfrigérant, ainsi que, disposés selon le sens d'écoulement du réfrigérant dans la ligne de circulation : - des moyens de compression (1) du réfrigérant- des moyens de condensation par air (10) du réfrigérant comprimé - des moyens de détente (20) du réfrigérant condensé - des moyens d'évaporation (30) du réfrigérant détendu, caractérisé en ce qu'on intercale, entre les moyens de condensation par air et les 5 moyens de détente, au moins un condenseur à eau (50) comprenant des moyens d'alimentation d'eau (51, 52) dans le volume intérieur de ce condenseur, et on prévoit en outre des moyens de mesure (70) d'au moins un paramètre représentatif de la température du réfrigérant, entre le condenseur à eau et les moyens de détente, ainsi que des moyens de commande (LC3) propres à activer les moyens d'alimentation d'eau 10 en réponse aux moyens de mesure.