Brevet FR3000184A1 — publié le 20140627

Dispositif de génération de glace, en particulier sous forme d'écailles, mettant en oeuvre un échangeur cylindrique à double paroi présentant une pluralité de liaisons. Le domaine de l'invention est celui de la conception et de la 5 fabrication des échangeurs de chaleur, en particulier ceux destinés à produire de la glace. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de génération de glace sous forme d'écailles, de grains ou bi-phasique, mettant en oeuvre un échangeur cylindrique (désigné par le terme « échangeur » dans la suite de la description) à double paroi délimitant 10 un espace de circulation pour un fluide frigorigène ou caloporteur. Selon une conception classique, un dispositif permettant de produire de la glace sous forme d'écailles comprend : - un échangeur sur la paroi interne duquel on fait s'écouler de l'eau qui va geler au contact de la paroi interne ; 15 - un ensemble mécanique contenu à l'intérieur de l'échangeur, et destiné à décoller la glace formée sur la paroi interne. Actuellement, l'échangeur est constitué d'une double paroi, à savoir une paroi interne et une paroi externe. Les deux parois ménagent 20 entre elles un espace annulaire sur la hauteur de l'échangeur, à l'intérieur duquel on fait circuler un fluide frigorigène apte à refroidir suffisamment la paroi interne pour que l'eau se transforme en glace au contact de cette paroi. L'ensemble mécanique est constitué par une fraise, montée 25 généralement libre en rotation sur un axe porté par un bâti monté rotatif autour d'un axe central, des moyens moteurs étant prévus pour entrainer en rotation le bâti de façon continue. La fraise a une hauteur correspondant sensiblement à celle de la paroi interne. Elle est montée de façon à venir décoller la glace formée sur cette paroi. 30 Selon une telle conception, un parfait fonctionnement du dispositif est obtenu avec une paroi interne présentant la caractéristique suivante : - la paroi interne présente une surface lisse ; - la paroi interne présente sur toute sa hauteur une section circulaire d'un diamètre constant, lui procurant par conséquent une forme cylindrique. Avec une telle paroi interne, on obtient un effet optimal de la fraise 5 contre la paroi interne. Bien entendu, les échangeurs de ce type doivent en outre satisfaire un certain nombre d'exigences, et notamment : - impliquer une faible charge en fluide frigorigène ou caloporteur ; 10 - être conforme au contact alimentaire ; - être conforme aux textes réglementaires en vigueur, et notamment à la directive des équipements sous pression ; - impliquer une pression de service compatible avec les fluides couramment utilisés dans l'industrie du froid ; 15 - présenter des performances élevées ; - pouvoir être fabriqués aisément, à faible coût et dans des délais courts. Bien entendu, le fluide frigorigène ou caloporteur utilisé est déterminant dans l'atteinte des performances du dispositif. 20 Traditionnellement, les fluides frigorigènes utilisés sont des fluides halogénés ou naturels (ammoniac-NH3) qui engendrent des pressions de service de l'ordre de 20 bars. Les dispositifs, en particulier les échangeurs, sont donc conçus pour présenter une tenue mécanique adaptée à une telle pression. 25 Toutefois, les contraintes environnementales et l'évolution des fluides frigorigènes conduisent à utiliser des fluides naturels (dioxyde de carbone) qui entrainent des pressions bien supérieures, de l'ordre de 40 bars. Or, il a été constaté des dégradations des échangeurs avec les 30 dispositifs de conception classique, en particulier sous l'effet de ces pressions. En pratique, il a été constaté que la paroi interne se déforme vers l'intérieur de l'échangeur, ce qui fait obstacle au bon fonctionnement de la fraise. Il existe donc un besoin de satisfaire à cette contrainte nouvelle, et l'objectif de l'invention est de proposer un dispositif de génération de 5 glace adapté à des pressions pouvant atteindre 40 bars et plus. L'invention a également pour objectif de fournir un tel dispositif qui satisfait aux exigences classiques, s'agissant en particulier de pouvoir être fabriqué aisément, à cout faible et dans des délais courts. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont 10 atteints grâce à l'invention qui a pour objet un dispositif de génération de glace, en particulier de glace sous forme d'écailles, comprenant : - un échangeur à double paroi s'étendant entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, et présentant une paroi interne et une paroi externe entre lesquelles circule un 15 fluide frigorigène ou caloporteur, la paroi interne présentant une forme cylindrique ; - un ensemble mécanique monté à l'intérieur de l'échangeur, destiné à décoller la glace formée sur la paroi interne ; Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que lesdites 20 parois interne et externe sont reliées, entre lesdites extrémités supérieure et inférieure, par une pluralité de liaisons entre lesquelles circule le fluide frigorigène ou caloporteur, ladite paroi interne étant essentiellement lisse. Ainsi, grâce à l'invention, on obtient un échangeur à double paroi apte à supporter des pressions engendrées par le fluide frigorigène 25 notablement supérieures à celles supportées par les échangeurs de l'art antérieur. La répartition des liaisons entre les parois interne et externe permet d'obtenir une circulation optimale du fluide frigorigène entre les deux parois. 30 De plus, la face interne de l'échangeur ne peut se déformer vers l'intérieur puisqu'elle est solidaire de la paroi externe, ceci grâce à la pluralité de liaisons selon l'invention. En outre, une telle conception ne s'effectue pas au détriment de la bonne circulation du fluide frigorigène. Au contraire, la température de surface de la paroi interne est assurée de façon homogène, ce qui conduit à la formation d'une glace de bonne qualité et donc à des performances optimales du dispositif. On note que ces avantages sont obtenus grâce à l'invention tout en surmontant la difficulté liée au principe de fonctionnement d'un tel dispositif, s'agissant de conserver une paroi interne essentiellement lisse de telle sorte que l'ensemble mécanique puisse agir sur cette paroi de façon efficace s'agissant de décoller la glace formée. Il a par ailleurs été constaté un autre avantage de l'invention : la double paroi constituée selon l'invention permet de réduire notablement les volumes de fluide frigorigène utilisés, ceci bien entendu pour une même capacité de production de glace de l'échangeur. Selon une solution préférentielle, lesdites liaisons sont constituées par des points de soudure. Selon une autre solution envisageable, lesdites liaisons sont constituées par des traits de soudure, qui peuvent être disposés selon l'une et/ou l'autre des directions suivantes : - horizontale ; - verticale ; - oblique. Quelle que soit la réalisation de la liaison par soudure (points ou traits), les liaisons entre les deux parois peuvent être obtenues par des techniques industrielles éprouvées et peu coûteuses, permettant de réaliser des soudures à des cadences élevées, par exemple à l'aide de robots de soudure. Avantageusement, lesdites liaisons sont régulièrement réparties d'une part sur la circonférence des parois et/ou d'autre part sur la hauteur 30 des parois. Bien entendu, la répartition des liaisons pourra varier autant que de besoin, notamment en fonction de la capacité du dispositif de génération de glace et donc des performances attendues. Selon une alternative envisageable, lesdites liaisons sont réparties 5 en des zones de différentes densités de façon à créer des pertes de charges différentes. Selon une première variante envisageable, les liaisons sont alignées horizontalement et/ou verticalement. Selon une deuxième variante envisageable, lesdites liaisons sont 10 disposées en quinconce. Selon une solution avantageuse, la paroi interne présente une résistance à la déformation supérieure à celle de la paroi externe. Une telle caractéristique permet de réaliser la double paroi de l'échangeur par un procédé simple et peu coûteux, impliquant la 15 déformation de la paroi externe sans la déformation de la paroi interne (qui reste lisse), comme cela va être expliqué plus en détails par la suite. Dans ce cas, la paroi interne présente préférentiellement une épaisseur supérieure à celle de la paroi externe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 20 plus clairement à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation préférentiels de l'invention, donnés à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue partielle en coupe d'un dispositif de génération de glace du type auquel s'applique l'invention ; 25 - la figure 2 illustre en coupe une double paroi d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 illustre en coupe une double paroi d'un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 illustre de façon schématique un échangeur avec 30 un premier exemple de répartition des liaisons entre les parois interne et externe ; - la figure 5 illustre de façon schématique un échangeur avec un deuxième exemple de répartition des liaisons entre les parois interne et externe. En référence à la figure 1, on décrit un dispositif de génération de 5 glace, en particulier de glace sous forme d'écailles, du type auquel s'applique l'invention. Tel qu'illustré par cette figure, un dispositif de génération de glace comprend : - un échangeur 1 à double paroi, s'étendant entre une 10 extrémité supérieure 10 et une extrémité inférieure 11 ; - un ensemble mécanique monté à l'intérieur de l'échangeur. La double paroi de l'échangeur comprend une paroi externe 12 et une paroi interne 13 ménageant entre elles un espace de circulation pour un fluide frigorigène. 15 L'échangeur 1 est réalisé de telle sorte que sa paroi interne 13 présente une forme cylindrique. Un conduit 140 constitue un conduit d'entrée du fluide frigorigène à l'intérieur de l'espace 14 de circulation entre la paroi externe 12 et la paroi interne 13. Un conduit 141 constitue un conduit de sortie du fluide 20 frigorigène à partir de l'espace 14 de circulation. De façon classique, le fluide frigorigène est introduit dans l'espace 14 par l'intermédiaire du conduit 140 en phase liquide. Il circule à l'intérieur de l'espace 14 en procédant à un échange de chaleur avec en particulier la paroi interne 13 de l'échangeur. Cet 25 échange de chaleur entraine le passage du fluide frigorigène d'une phase liquide à une phase gazeuse. La phase gazeuse est récupérée à l'aide du conduit 141. L'échangeur peut être alimenté : en fluide frigorigène par pompe ou par détendeur ; 30 en fluide caloporteur par pompe. L'ensemble mécanique à l'intérieur de l'échangeur comprend : - une fraise hélicoïdale 2 montée libre en rotation sur un arbre 20 vertical ; - un bâti support 21, portant l'arbre 20 et la fraise 2, solidaire d'un arbre central 22 ; - des moyens moteurs 23 destinés à entraîner en rotation le bâti 21. L'arbre central 22 de l'ensemble mécanique est monté de façon coaxiale avec l'axe central de la paroi interne 13. Le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant : - la paroi interne 13 de l'échangeur 1 est arrosée avec un liquide à congeler ; - au contact de la paroi interne, le liquide gèle ; - la glace constituée par le liquide gelé en surface de la paroi interne 13 est décollée par la fraise 2 (montée de telle sorte qu'elle affleure la paroi interne 13) ; - la glace, sous forme d'écailles, chute par gravité à la base de l'échangeur. L'invention s'applique donc à un dispositif de ce type, à la différence que, contrairement à ce qui est illustré par la figure 1, les 20 parois interne 13 et externe 12 sont, selon le principe de l'invention, reliées entre elles par une pluralité de liaisons. Ces liaisons sont prévues entre l'extrémité supérieure 10 et l'extrémité inférieure 11 de l'échangeur. Plus précisément, ces liaisons sont réparties sur la hauteur de l'échangeur au niveau de laquelle le 25 fluide frigorigène exerce une pression. Les liaisons entre l'échangeur interne 13 et l'échangeur externe 12 sont donc réparties sur la hauteur de l'échangeur s'étendant entre le conduit 140 et le conduit 141. On note que la double paroi de l'échangeur est réalisée de telle sorte que la paroi interne 13 présente une surface lisse ou 30 essentiellement lisse. Selon un premier mode de réalisation illustré par la figure 2, la double paroi présente un profil asymétrique. Selon ce mode de réalisation, la paroi interne 13 est de forme cylindrique et présente une surface lisse à l'intérieur de l'échangeur. Elle présente par ailleurs, en coupe longitudinale un profil droit, tandis que selon cette même coupe, la paroi externe 12 présente une pluralité de bombages 120 s'étendant entre les liaisons 3 reliant la paroi interne 13 et la paroi externe 12. Selon l'exemple illustré par la figure 4, les liaisons 3 reliant les parois interne et externe définissent quatre à quatre des zones sensiblement carrées à l'intérieur desquelles s'inscrivent les bombages 120. Les bombages communiquent bien entendu entre eux de telle sorte que le fluide frigorigène puisse circuler entre les liaisons 3 tel qu'illustré par les flèches F1, F2 et F3. Selon le mode de réalisation illustré par la figure 2, la paroi interne présente une résistance à la déformation supérieure à celle de la paroi 15 externe. Pour obtenir cela, la paroi externe présente une épaisseur inférieure à celle de la paroi interne. A titre indicatif, les parois interne et externe sont toutes deux réalisées en un matériau acier inoxydable. Il est bien entendu possible d'utiliser d'autres matériaux, par 20 exemple pour des applications spécifiques, tels que le titane, un acier carbone... Pour obtenir l'échangeur à double paroi tel qu'illustré par la figure 2, on procède de la façon suivante : - une tôle en acier inoxydable d'une première épaisseur est 25 disposée contre une deuxième tôle en acier inoxydable d'une deuxième épaisseur inférieure à la première, les deux tôles étant plates (la première tôle étant destinée à constituer la paroi interne tandis que la deuxième tôle est destinée à constituer la paroi externe de l'échangeur) ; 30 - on réalise une pluralité de liaisons entre les deux tôles, par exemple par une technique de soudure laser ; - l'ensemble obtenu est roulé sous forme d'un cylindre, une opération de soudage étant réalisée pour le maintien en forme du cylindre ; - les tuyauteries de raccordement au circuit frigorifique sont ensuite installées (ce qui conduit en pratique à la mise en place des conduits 140 et 141 indiqués sur la figure 1) ; - une opération de gonflage est ensuite effectuée, consistant à injecter un liquide sous pression entre les deux tôles, à une pression suffisante pour provoquer une déformation de la tôle la moins épaisse, provoquant l'apparition d'une pluralité de bombages sur celle-ci (tandis que l'autre tôle conserve sa forme). Eventuellement, si besoin, un usinage de la tôle épaisse destinée à constituer la paroi interne de l'échangeur peut être effectué en cas de 15 problème de concentricité ou d'état de surface de ladite paroi. Bien entendu, les épaisseurs des tôles sont déterminées pour résister aux pressions exercées sur l'échangeur, dues à la pression interne engendrée par le fluide frigorigène, et externe liée à l'ensemble mécanique, et plus précisément à l'action de la fraise sur la paroi interne. 20 Selon un deuxième mode de réalisation illustré par la figure 3, les parois interne et externe présentent en coupe un profil symétrique. Dans ce cas, la paroi interne 13 et la paroi externe 12 présentent la même épaisseur. La double paroi est dans ce cas obtenue de façon similaire à celle décrite pour le premier mode de réalisation (réalisation 25 des liaisons sur des tôles plates placées l'une contre l'autre, et gonflage de façon à engendrer des déformations des deux tôles selon ce présent mode de réalisation). On note qu'avec ce mode de réalisation, l'espace 14 de circulation du fluide frigorigène présente une surface d'échange plus importante que 30 celle obtenue avec le profil asymétrique décrit en référence à la figure 22 Toutefois, selon ce mode de réalisation, les deux parois interne et externe subissent une déformation identique ou quasiment, et présentent donc chacune une série de bombages. Il est donc nécessaire, pour que la paroi interne présente une surface lisse favorisant l'action de l'ensemble mécanique monté à l'intérieur de l'échangeur, de rapporter un matériau 130, par une technique de moulage ou autre, de façon à réaliser une surface interne de l'échangeur lisse. Selon différentes variantes envisageables, les liaisons peuvent 10 être constituées par : - des points de soudure ; - des traits de soudure. Dans le cas de liaisons réalisées sous forme de trait, ceux-ci peuvent être orientés horizontalement, verticalement ou de façon oblique, 15 ou encore selon une combinaison de ces directions, en étant rectilignes ou non. De plus, les liaisons peuvent être régulièrement réparties sur la hauteur des parois et/ou sur la circonférence des parois. La répartition des liaisons peut être réalisée de telle sorte que les 20 liaisons sont alignées horizontalement ou verticalement ou, à l'inverse, disposées en quinconce. Le principe de l'invention peut être utilisé quelles que soient les dimensions et capacités du dispositif. A titre indicatif, une double paroi selon l'invention pourra être mise en oeuvre sur des échangeurs allant de 25 20 centimètres à 2 mètres de diamètre. Les liaisons entre les parois interne et externe ont trois rôles : - elles améliorent la tenue mécanique de l'échangeur ; - elles permettent, en fonction de leur répartition et en particulier en fonction de leur densité, de gérer les pertes de 30 charges en vue d'obtenir un échange thermique relativement homogène sur la surface de la paroi interne et donc une formation de glace uniforme sur cette paroi ; - elles permettent d'orienter la circulation du fluide et donc de canaliser son cheminement. Ces deux derniers rôles sont décrits à titre indicatif par l'exemple de réalisation illustré par la figure 5. Tel que cela apparaît sur cette figure, les liaisons peuvent prendre différentes formes sur l'échangeur, notamment : - des lignes continues 32, formant une sorte de cloisonnement et de confinement, canalisant le flux en direction de la zone d'échange principale ; - des points 31, répartis selon des densités variables, pour créer des pertes de charges locales en vue d'augmenter le temps de présence du fluide dans la zone où les points sont les plus denses ; - des traits pointillés 30, répartis ici selon deux lignes, qui tendent chacune à créer une perte de charge, de telle sorte que le fluide les contourne augmentant son temps de présence avant de rejoindre le conduit 141 de sortie de l'échangeur. REVENDICATIONS1. Dispositif de génération de glace, en particulier de glace sous forme d'écailles, comprenant : - un échangeur (1) à double paroi s'étendant entre une extrémité supérieure (10) et une extrémité inférieure (11), et présentant une paroi interne (13) et une paroi externe (12) entre lesquelles circule un fluide frigorigène, la paroi interne (13) présentant une forme cylindrique ; - un ensemble mécanique (2), (20), (21), (22), (23) monté à l'intérieur de l'échangeur, destiné à décoller la glace formée sur la paroi interne, caractérisé en ce que lesdites parois interne (13) et externe (12) sont reliées, entre lesdites extrémités supérieure (10) et inférieure (11), par une pluralité de liaisons (3) entre lesquelles circule le fluide frigorigène, la paroi interne (13) étant essentiellement lisse. 2. Dispositif de génération de glace selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites liaisons (3) sont constitués par des points de soudure. 3. Dispositif de génération de glace selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites liaisons (3) sont constitués par des traits de soudure. 4. Dispositif de génération de glace selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits traits de soudure sont disposés selon l'une et/ou l'autre des directions suivantes : - horizontale ; - verticale ; - oblique. 5. Dispositif de génération de glace selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites liaisons (3) sont régulièrement réparties sur la circonférence et/ou sur la hauteur des parois. 6. Dispositif de génération de glace selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites liaisons (3) sont réparties en des zones de différentes densités de façon à créer des pertes de charges différentes. 7. Dispositif de génération de glace selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites liaisons (3) sont alignées horizontalement et/ou verticalement. 8. Dispositif de génération de glace selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites liaisons (3) sont disposées en quinconce. 9. Dispositif de génération de glace selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi interne (13) présente une résistance à la déformation supérieure à celle de la paroi externe (12). 10. Dispositif de génération de glace selon la revendication 9, caractérisé en ce que la paroi interne (13) présente une épaisseur supérieure à celle de la paroi externe (12).