REFROIDISSEMENT ET INSTALLATION DE REFROIDISSEMENT

La présente invention concerne un procédé de refroidissement, mettant en œuvre une installation de refroidissement, d'un fluide calorigène par un fluide frigorigène. De plus, la présente invention concerne une installation de refroidissement d'un fluide calorigène par un fluide frigorigène.

La présente invention peut s'appliquer à tout domaine industriel nécessitant un refroidissement d'un fluide calorigène par un fluide frigorigène. En particulier, la présente invention peut s'appliquer à la condensation du dioxyde de carbone gazeux par échange thermique avec de l'ammoniac.

Dans un procédé et une installation de refroidissement conventionnel, on vaporise du fluide frigorigène dans un échangeur fonctionnant en thermosiphon. Les vapeurs du fluide frigorigène sont ensuite comprimées par un compresseur, puis liquéfiées à température ambiante avant d'être détendues et redirigées vers l'échangeur fonctionnant en thermosiphon. Cependant, une telle installation de refroidissement est très volumineuse et elle nécessite une grande quantité de fluide frigorigène, car il faut assurer la séparation diphasique du fluide sortant de l'échangeur et la recirculation du liquide dans l'échangeur. En raison du coût du fluide frigorigène, du coût des installations ainsi que des réglementations applicables, on cherche généralement à limiter la quantité du fluide frigorigène dans l'installation de refroidissement.

« Liquefacation and handling of large amounts of CO2 for enhanced oil recovery » de Hegerland et al, International Conférence on Greenhouse Gas Control Technologies, 2004 décrit un échangeur de type à tubes immergés (en anglais « kettle »). Dans ce cas, le fluide frigorigène n'est pas vaporisé à sec dans la mesure où les tubes servant à vaporiser le fluide frigorigène sont noyés. Il n'y a donc pas de risque de dépôt d'huile sur les parois des tubes de l'échangeur puisque l'huile reste en phase liquide. Une purge en point bas de l'échangeur permet généralement de déconcentrer l'huile. L'inconvénient de cet échangeur est son volume important, nécessitant une quantité de fluide réfrigérant importante et un cout élevé. Il ne permet donc pas de résoudre tous les inconvénients que notre système se propose de résoudre (notamment une faible quantité de fluide réfrigérant dans l'échangeur). Pour diminuer la quantité de fluide frigorigène liquide, une solution consiste à utiliser un procédé et une installation de refroidissement, en vaporisant l'essentiel ou la totalité (dite « vaporisation à sec ») du fluide frigorigène dans l'échangeur, au lieu d'établir un thermosiphon. L'installation de refroidissement comprend un compresseur permettant de comprimer les vapeurs du fluide frigorigène sortant de l'échangeur, puis de les liquéfier à température ambiante.

Ce compresseur est souvent de type lubrifié. Il en résulte qu'en sortie de compresseur, une partie de l'huile utilisée pour la lubrification est entraînée par la phase vapeur du fluide frigorigène sous formes de vésicules. Un filtre à coalescence permet d'éliminer l'essentiel de l'huile entraînée, mais une petite partie de l'huile parvient à franchir le filtre à l'état liquide ou vapeur. Puis, après que le fluide frigorigène s'est condensé, l'huile est transportée par la phase liquide dans l'installation de refroidissement.

Habituellement, comme décrit dans EP-A-049081 0, pour limiter la formation de dépôt d'huile, on met en œuvre une huile miscible dans le fluide frigorigène, cette huile miscible étant par exemple de type polyalkylèneglycol (PAG) avec une limite de solubilité dans le fluide frigorigène de 1 % ou plus à la température d'utilisation, par exemple comprise entre -20°C et -40°C. Une telle huile miscible a généralement, et en particulier dans l'ammoniac, une viscosité élevée à basse température qui limite le procédé de refroidissement à des températures généralement supérieures à -20°C.

En effet, l'un des inconvénients lié à l'utilisation de ce type d'huile est qu'elle n'est que partiellement entraînée par le fluide frigorigène liquide lors de l'étape de vaporisation à sec, et s'accumule progressivement sur les parois de l'échangeur. Ainsi, le fluide frigorigène gazeux ne peut pas évacuer cette huile hors de l'échangeur, car elle est très visqueuse à basse température. La couche d'huile déposée réduit le transfert thermique et la section débitante, ce qui diminue les performances de l'échangeur et augmente les pertes de charge. EP-A-049081 0 recommande donc de sortir le liquide frigorigène et le liquide vaporisé frigorigène séparément de l'échangeur.

La présente invention vise notamment à résoudre, totalement ou partiellement, les problèmes mentionnés ci-avant. À cet effet, l'invention a pour objet un procédé de refroidissement, pour refroidir un fluide calorigène par échange thermique avec un fluide frigorigène, par exemple pour condenser du dioxyde de carbone gazeux par échange thermique avec de l'ammoniac, le procédé de refroidissement mettant en œuvre une installation de refroidissement comportant au moins un échangeur adapté pour transférer de la chaleur du fluide calorigène au fluide frigorigène, l'installation de refroidissement comprenant un compresseur lubrifié et adapté pour comprimer du fluide frigorigène,

Le procédé de refroidissement comprenant une étape dite de vaporisation à sec incluant des actions consistant à : i) alimenter l'échangeur en fluide calorigène et en fluide frigorigène liquide, et ii) vaporiser tout le fluide frigorigène liquide s'écoulant dans l'échangeur,

Le procédé de refroidissement étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape dite de suralimentation qui intervient après l'étape de vaporisation à sec (101 ) et qui inclut des actions consistant à : i) alimenter l'échangeur (6) en fluide calorigène et en fluide frigorigène liquide, et ii) ajuster le débit du fluide frigorigène liquide entrant dans l'échangeur de sorte que le fluide frigorigène sortant de l'échangeur comprend du fluide frigorigène liquide.

Ainsi, un tel procédé de refroidissement permet d'éviter l'accumulation d'huile dans la partie active de l'échangeur. En effet, lors d'une étape de suralimentation, l'huile accumulée dans l'échangeur lors de l'étape de vaporisation à sec est évacuée efficacement. L'huile est ainsi ré-entraînée puis évacuée par le fluide frigorigène liquide sortant de l'échangeur, l'étape de suralimentation permettant en quelque sorte un rinçage de l'échangeur en y décollant l'huile déposée sur ses parois internes. L'étape de suralimentation et l'étape de vaporisation à sec ne sont pas simultanées. L'étape de suralimentation succède à l'étape de vaporisation à sec. En d'autres termes, l'étape de vaporisation à sec constitue un premier mode de fonctionnement de l'installation de refroidissement et l'étape de suralimentation constitue un deuxième mode de fonctionnement de l'installation de refroidissement, ce deuxième mode de fonctionnement intervenant après le premier mode de fonctionnement.

Par conséquent, un tel procédé de refroidissement peut être mis en œuvre à basses températures, c'est-à-dire à des températures inférieures aux températures minimales admissibles pour un procédé de refroidissement de l'art antérieur, typiquement en-deçà de -20°C.

Dans la présente demande, le terme « échangeur » désigne un échangeur thermique, c'est-à-dire un échangeur de chaleur. Dans l'échangeur, pendant que le fluide calorigène transfère des calories au fluide frigorigène, le fluide frigorigène transfère des frigories au fluide calorigène. À cet effet, l'échangeur présente au moins : une entrée de fluide frigorigène, une sortie de fluide frigorigène, une entrée de fluide calorigène et une sortie de fluide calorigène.

Dans la présente demande, les verbes « raccorder », « relier », « alimenter » et leurs dérivés se rapportent à la mise en communication de fluide d'au moins deux volumes distants entre eux, pour permettre un écoulement de fluide entre ces deux volumes distants. Cet écoulement de fluide peut se faire par l'intermédiaire d'aucun, d'un ou de plusieurs composant(s), c'est-à-dire directement ou indirectement.

Selon une variante de l'invention, l'étape de vaporisation à sec a une première durée prédéterminée et l'étape de suralimentation a une deuxième durée prédéterminée, le rapport de la deuxième durée prédéterminée sur la première durée prédéterminée étant inférieur à 10%.

En pratique, pour vaporiser tout le fluide frigorigène, il faut fournir une quantité de chaleur qui excède l'enthalpie de vaporisation du fluide frigorigène entré dans l'échangeur. À cet effet, on peut :

réguler la température du fluide frigorigène sortant de l'échangeur, par exemple en chauffant ce fluide frigorigène sortant, et/ou

réguler les débits du fluide frigorigène et du fluide calorigène entrant dans l'échangeur, de sorte que la quantité de chaleur fournie par le fluide calorigène excède l'enthalpie de vaporisation (chaleur latente) pour la quantité de fluide frigorigène entré dans l'échangeur.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé de refroidissement comprend en outre une étape de cycle consistant à répéter cycliquement l'étape de vaporisation à sec et l'étape de suralimentation, l'étape de vaporisation à sec ayant une première durée prédéterminée et l'étape de suralimentation ayant une deuxième durée prédéterminée, un rapport de la deuxième durée prédéterminée sur la première durée prédéterminée étant de préférence inférieur à 10%. Ainsi, un tel seuil pour ce rapport permet d'optimiser le rendement du procédé de refroidissement, car on minimise, pendant la deuxième durée, l'accumulation d'huile dans l'échangeur, et on maximise la vaporisation de fluide frigorigène pendant la première durée, laquelle est sensiblement plus courte que la deuxième durée. Le rapport est sélectionné en fonction des dimensions de l'installation de refroidissement, en particulier du type d'échangeur, du débit de fluide calorigène à refroidir etc.

Selon une variante de l'invention, l'étape de suralimentation succède de préférence directement à l'étape de vaporisation à sec. Ainsi, on optimise la durée de rinçage de l'échangeur, pour évacuer l'huile accumulée.

De préférence, le compresseur contient une huile immiscible dans l'ammoniac liquide (NH ₃ liquide). Cette huile peut être par exemple une huile synthétique de type poly-alpha-oléfine (PAO).

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation de refroidissement comporte en outre :

un réservoir de collecte agencé pour contenir du fluide frigorigène liquide sortant de l'échangeur et du fluide frigorigène gazeux sortant de l'échangeur,

un premier capteur, dit capteur de niveau bas, adapté pour émettre un premier signal lorsque le volume de fluide frigorigène liquide contenu dans le réservoir de collecte atteint un seuil inférieur prédéterminé,

un deuxième capteur, dit capteur de niveau haut, adapté pour émettre un deuxième signal lorsque le volume de fluide frigorigène liquide contenu dans le réservoir de collecte atteint un seuil supérieur prédéterminé, et

- une unité de commande configurée pour commander l'installation de refroidissement de façon à réaliser :

une première transition de l'étape de vaporisation à sec à l'étape de suralimentation lorsque le capteur de niveau bas émet le premier signal, puis

une deuxième transition de l'étape de suralimentation à l'étape de vaporisation à sec lorsque le capteur de niveau haut émet le deuxième signal.

Ainsi, la première transition permet, grâce au capteur de niveau bas, de commencer le rinçage de l'échangeur en vue d'évacuer l'huile qui s'y est accumulée pendant l'étape de vaporisation à sec. La deuxième transition permet, grâce au capteur de niveau haut, d'éviter une accumulation de fluide frigorigène liquide non consommable dans le réservoir de collecte.

Dans la présente demande, le terme « haut » qualifie un élément situé à une plus grande altitude qu'un élément « bas » lorsque l'installation de refroidissement est en service. Le niveau haut peut par exemple être fixé à environ 40% du volume du réservoir de collecte, tandis que le niveau bas peut par exemple être fixé à environ 10% du volume du réservoir de collecte.

De préférence, le réservoir de collecte reçoit un mélange de liquide frigorigène vaporisé et non-vaporisé lors de l'étape de suralimentation. Ainsi en se vaporisant le liquide vaporisé entraîne le liquide non-vaporisé. Le liquide frigorigène vaporisé peut être envoyé directement du réservoir de collecte vers un compresseur de cycle frigorifique.

De préférence, le réservoir de collecte ne reçoit pas du liquide frigorigène non-vaporisé lors de l'étape de vaporisation à sec.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'unité de commande est configurée pour commander l'installation de refroidissement de façon à réaliser la première transition de sorte que le débit du fluide frigorigène liquide entrant dans l'échangeur augmente progressivement, puis de façon à réaliser la deuxième transition de sorte que le débit du fluide frigorigène liquide entrant dans l'échangeur diminue progressivement.

Ainsi, de telles transitions progressives ont un impact limité sur les performances globales de l'installation de refroidissement.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation de refroidissement comporte en outre :

- un réservoir d'alimentation adapté pour contenir du fluide frigorigène liquide sous une pression dite moyenne, par exemple de 5 barA,

un pot séparateur adapté pour séparer le fluide frigorigène liquide du fluide frigorigène gazeux sous une pression dite basse, par exemple de 1 ,2 barA, qui est inférieure à la pression moyenne, le pot séparateur étant agencé entre le réservoir d'alimentation et l'échangeur de façon à recevoir du fluide frigorigène du réservoir d'alimentation et à transmettre à l'échangeur du fluide frigorigène liquide de préférence par gravité, une vanne de détente agencée entre le réservoir d'alimentation et une entrée de l'échangeur de façon à détendre le fluide frigorigène liquide de la pression moyenne à la basse pression,

un réservoir de collecte agencé pour contenir du fluide frigorigène liquide sortant de l'échangeur et du fluide frigorigène gazeux sortant de l'échangeur, de façon à récupérer l'huile entraînée en sortie de l'échangeur et à séparer un éventuel excès de fluide frigorigène liquide,

Le procédé de refroidissement comprenant en outre une étape de de commande dans laquelle la section débitante de la vanne de détente est régulée de façon à condenser l'essentiel du débit de fluide calorigène disponible, notamment en régulant une pression de fluide calorigène à l'entrée de l'échangeur, et ainsi à contrôler le débit de fluide frigorigène liquide entrant dans l'échangeur.

Ainsi, il est possible de récupérer l'huile entraînée en sortie de l'échangeur et de séparer un éventuel excès de fluide frigorigène liquide. Le pot séparateur traite un débit vapeur faible, égal à la fraction vaporisée par détente libre de la moyenne pression à la basse pression (procédé dit « flash »). Le pot séparateur peut être compact et en particulier avoir un volume plus petit que le réservoir d'alimentation et que le réservoir de collecte. Cette compacité du pot séparateur permet de placer le pot séparateur, donc l'échangeur en hauteur, typiquement au-dessus d'une colonne de distillation. Dans certaines configurations, placer l'échangeur en hauteur permet d'éviter l'installation d'une pompe destinée à alimenter le fluide calorigène en tête d'une colonne de distillation.

Suivant une alternative à cette variante, le procédé de refroidissement est réalisé sans pot séparateur, ce qui permet de simplifier l'installation de refroidissement. Dans ce cas, l'échangeur est alimenté avec un fluide frigorigène diphasique, ce qui peut cependant diminuer les performances de l'échangeur à cause d'une mauvaise distribution du fluide frigorigène dans l'échangeur.

Dans un procédé de refroidissement de l'art antérieur, le récipient remplissant la fonction de pot séparateur devait être placé à grande hauteur, ce qui rendait son accès difficile. En outre, dans un procédé de refroidissement de l'art antérieur, ce même récipient devait avoir un très grand volume, ce qui représentait des risques pour la sécurité des personnes ou pour l'intégrité du matériel, car certains fluides frigorigènes et/ou calorigènes produisent une atmosphère explosible. Alternativement, dans un autre procédé de refroidissement de l'art antérieur, l'échangeur était placé au sol et il était nécessaire de prévoir une pompe pour renvoyer le fluide calorigène liquide en tête de colonne de distillation.

Selon une variante de l'invention, l'installation de refroidissement comprend en outre une conduite de dérivation raccordant le pot séparateur directement à la sortie de l'échangeur, le procédé de refroidissement comprenant une étape consistant à dériver du fluide frigorigène gazeux depuis le pot séparateur vers la sortie de l'échangeur. Ainsi, la conduite de dérivation permet de renvoyer la fraction vaporisée par détente libre de la moyenne pression à la basse pression (procédé dit « flash ») vers l'aspiration du compresseur.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le réservoir de collecte opère une séparation diphasique du fluide frigorigène de façon à séparer le fluide frigorigène liquide du fluide frigorigène gazeux, le procédé de refroidissement comprenant en outre une étape de canalisation dans laquelle le fluide frigorigène gazeux est canalisé depuis le réservoir de collecte à destination du compresseur.

Ainsi, une telle séparation de phases du fluide frigorigène permet de récupérer le fluide frigorigène gazeux puis de le recondenser après compression avant de le rediriger vers l'échangeur.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation de refroidissement comporte en outre des moyens de régulation pour transférer de la chaleur au fluide frigorigène, de façon à surchauffer le fluide frigorigène sortant de l'échangeur, de préférence par régulation du débit du fluide frigorigène et du débit du fluide calorigène de sorte que la température du fluide frigorigène sortant de l'échangeur est supérieure d'au moins 3°C à la température de point de rosée du fluide frigorigène, calculée à la pression opératoire, par exemple de 1 ,2 barA.

En d'autres termes, on surchauffe le fluide frigorigène dans l'échangeur ou à sa sortie. Ainsi, de tels moyens de régulation permettent de fournir au fluide frigorigène une quantité de chaleur qui excède l'enthalpie de vaporisation pour la quantité de fluide frigorigène entré dans l'échangeur, ce qui permet de réaliser l'étape de vaporisation à sec.

Alternativement ou concomitamment à la surchauffe par les moyens de régulation, on peut réguler les débits du fluide frigorigène et du fluide calorigène entrant dans l'échangeur, de sorte que la quantité de chaleur fournie par le fluide calorigène excède l'enthalpie de vaporisation (chaleur latente) pour la quantité de fluide frigorigène entré dans l'échangeur, de sorte que la température du fluide frigorigène sortant de l'échangeur est supérieure d'au moins 3°C à la température de point de rosée dudit fluide frigorigène, calculée à la pression opératoire, par exemple de 1 .2 barA.

En pratique pour réaliser cette surchauffe, le procédé de refroidissement peut comprendre en outre une étape de commande dans laquelle la section débitante de la vanne de détente est régulée de façon à assurer la surchauffe du fluide frigorigène en sortie de l'échangeur, notamment en régulant l'écart de température du fluide frigorigène sortant de l'échangeur avec la température de point de rosée dudit fluide frigorigène.

L'écart d'au moins 3°C entre la température du fluide frigorigène sortant de l'échangeur et la température de l'équilibre diphasique permet de garantir la vaporisation de tout le fluide frigorigène liquide en s'affranchissant des incertitudes de mesure.

Tout fluide frigorigène vaporisé dans l'échangeur, pendant la vaporisation à sec et éventuellement pendant le suralimentation, est envoyé de l'échangeur vers le compresseur en passant par le réservoir de collecte.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide frigorigène est sélectionné dans le groupe constitué de l'ammoniac, du fréon, de l'éthane, du propane et de tout mélange desdits fluides frigorigènes, et le fluide calorigène est sélectionné dans le groupe constitué du dioxyde de carbone, du protoxyde d'azote, des hydrocarbures, en particulier des hydrocarbures dont la molécule comprend deux à quatre atomes de carbone, ou tout mélange desdits fluides calorigènes, avec éventuellement des impuretés telles que l'azote, l'oxygène, l'hydrogène, le méthane et/ou le monoxyde de carbone.

Ainsi, de tels fluides frigorigène et calorigène permettent d'obtenir des vapeurs et des condensais spécifiques à certaines applications.

Selon une variante de l'invention, le procédé de refroidissement met en œuvre concomitamment plusieurs fluides frigorigènes et/ou plusieurs fluides calorigènes.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide frigorigène est de l'ammoniac, le fluide calorigène étant par exemple du dioxyde de carbone pur ou impur, et la température du fluide frigorigène sortant de l'échangeur est comprise entre -20°C et -50°C, par exemple égale à environ -30°C. Ainsi, l'ammoniac permet de réaliser un procédé de refroidissement à basse température. La température de -26°C est supérieure de 4°C à la température de l'équilibre diphasique de l'ammoniac qui est de -30°C sous une pression de 1 ,2 barA.

Ainsi, l'installation de refroidissement peut fonctionner en vaporisation à sec à des températures plus basses qu'une installation de refroidissement de l'art antérieur, tout en présentant des avantages de compacité et de faible quantité de fluide frigorigène.

Selon un mode de réalisation de l'invention, au cours de l'étape de suralimentation, le débit du fluide frigorigène liquide entrant dans l'échangeur est déterminé de sorte que le fluide frigorigène sortant de l'échangeur comprend une masse de fluide frigorigène liquide représentant au moins 10% de la masse de fluide frigorigène gazeux.

En d'autres termes, on assure un excès de liquide représentant de préférence entre 10% et 100% de la masse de fluide frigorigène vaporisé. Par exemple, pour 2 kg d'ammoniac liquide entrant, un excès de 100% représente 1 kg d'ammoniac liquide sortant et 1 kg d'ammoniac gazeux sortant, tandis qu'un excès de 10% représente 0,2 kg d'ammoniac liquide sortant et 1 ,8 kg d'ammoniac gazeux sortant.

Ainsi, un tel excès de fluide frigorigène liquide permet une évacuation particulièrement efficace de l'huile hors de l'échangeur.

Par ailleurs, la présente invention a pour objet une installation de refroidissement, destinée à refroidir un fluide calorigène par échange thermique avec un fluide frigorigène, par exemple pour condenser du dioxyde de carbone gazeux par échange thermique avec de l'ammoniac, l'installation de refroidissement comportant au moins un échangeur adapté pour transférer de la chaleur du fluide calorigène au fluide frigorigène, l'installation de refroidissement comprenant un compresseur adapté pour comprimer du fluide frigorigène.

Cette installation de refroidissement se caractérise en ce qu'elle comporte en outre une unité de commande configurée pour faire fonctionner l'installation de refroidissement suivant :

une étape dite de vaporisation à sec incluant des actions consistant à : i) alimenter l'échangeur en fluide calorigène et en fluide frigorigène liquide, et ii) vaporiser tout le fluide frigorigène s'écoulant dans l'échangeur, et une étape dite de suralimentation qui intervient après l'étape dite de vaporisation à sec et qui inclut des actions consistant à : i) alimenter l'échangeur (6) en fluide calorigène et en fluide frigorigène liquide, et ii) ajuster le débit du fluide frigorigène liquide entrant dans l'échangeur de sorte que le fluide frigorigène sortant de l'échangeur est composé totalement ou partiellement de fluide frigorigène liquide.

Ainsi, une telle installation de refroidissement permet d'éviter l'accumulation d'huile dans la partie active de l'échangeur. En effet, lors d'une étape de suralimentation, l'huile accumulée dans l'échangeur lors des étapes de vaporisation à sec peut être évacuée efficacement. L'étape de suralimentation permet en quelque sorte un rinçage de l'échangeur en y décollant l'huile déposée sur ses parois internes. Ainsi, une telle installation de refroidissement ne nécessite pas de système de recirculation du liquide en excès en sortie de l'échangeur, que ce soit par pompe ou par thermosiphon.

Par conséquent, une telle installation de refroidissement peut être mise en œuvre à basses températures, c'est-à-dire à des températures inférieures aux températures minimales admissibles pour une installation de refroidissement de l'art antérieur, typiquement en-deçà de -20°C.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'échangeur est un échangeur à plaques, de préférence en aluminium brasé.

Ainsi, un tel échangeur peut traiter efficacement des débits importants de fluides frigorigène et calorigène et peut assurer une vitesse minimale de fluide frigorigène permettant l'entraînement de l'huile, tout en présentant un encombrement, un poids et un coût réduit.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation de refroidissement comporte en outre :

un réservoir de collecte agencé pour contenir du fluide frigorigène liquide sortant de l'échangeur et du fluide frigorigène gazeux sortant de l'échangeur, de façon à récupérer l'huile entraînée en sortie de l'échangeur et à séparer un éventuel excès de fluide frigorigène liquide,

un premier capteur, dit capteur de niveau bas, adapté pour émettre un premier signal lorsque le volume de fluide frigorigène liquide contenu dans le réservoir de collecte atteint un seuil inférieur prédéterminé, et un deuxième capteur, dit capteur de niveau haut, adapté pour émettre un deuxième signal lorsque le volume de fluide frigorigène liquide contenu dans le réservoir de collecte atteint un seuil supérieur prédéterminé.

Ainsi, le capteur de niveau bas permet de commencer le rinçage de l'échangeur en vue d'évacuer l'huile qui s'y est accumulée pendant l'étape de vaporisation à sec. Le capteur de niveau haut permet d'éviter une accumulation de fluide frigorigène liquide non consommable. Les capteurs de niveaux haut et bas permettent de faire fonctionner cycliquement un procédé de refroidissement conforme à l'invention.

Selon une variante de l'invention, le capteur de niveau haut et le capteur de niveau bas sont sélectionnés dans le groupe comprenant un capteur capacitif et un capteur inductif, le capteur de niveau haut et le capteur de niveau bas étant agencés sur une paroi du réservoir de collecte de façon à détecter la présence du fluide frigorigène liquide respectivement à une altitude haute et à une altitude basse. Ainsi, de tels capteurs de niveau bas et de niveau haut permettent durablement des détections précises des altitudes haute et basse.

Selon une variante de l'invention, le réservoir de collecte comprend un orifice de vidange de l'huile décantée par gravité dans le réservoir de collecte. Ainsi, on peut recueillir l'huile évacuée de l'échangeur. Cet orifice de vidange est situé dans le bas du réservoir de collecte.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation de refroidissement comprend en outre un échangeur secondaire relié fluidiquement à l'échangeur et au réservoir de collecte de façon à transférer de la chaleur du fluide calorigène provenant de l'échangeur au fluide frigorigène liquide provenant du réservoir de collecte.

Ainsi, l'échangeur secondaire, usuellement dénommé « sous-refroidisseur », permet de « consommer » du fluide frigorigène liquide en contribuant à le vaporiser. Le sous-refroidisseur peut fonctionner suivant le principe du thermosiphon.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation de refroidissement comporte en outre :

un réservoir d'alimentation adapté pour contenir du fluide frigorigène liquide sous une pression dite moyenne, par exemple de 5 barA,

un pot séparateur adapté pour séparer le fluide frigorigène liquide du fluide frigorigène gazeux sous une pression dite basse, par exemple de 1 ,2 barA, qui est inférieure à la pression moyenne, le pot séparateur reliant le réservoir d'alimentation à l'échangeur de façon à recevoir du fluide frigorigène du réservoir d'alimentation et à alimenter l'échangeur en fluide frigorigène liquide de préférence par gravité, le volume du pot séparateur étant inférieur au volume du réservoir d'alimentation, et

une vanne de détente agencée entre le réservoir d'alimentation et une entrée de l'échangeur de façon à détendre le fluide frigorigène liquide de la pression moyenne à la basse pression et ainsi à contrôler le débit de fluide frigorigène liquide entrant dans l'échangeur.L'installation ne comprend aucun moyen pour envoyer du fluide frigorigène vaporisé dans l'échangeur de l'échangeur vers le compresseur sans passer par le réservoir de collecte.

En pratique, on peut réguler, grâce à la vanne de détente le débit entrant dans l'échangeur de façon à condenser l'essentiel du débit de fluide calorigène disponible, notamment en régulant une pression de fluide calorigène en entrée ou en sortie de l'échangeur. Avantageusement, la régulation de la section débitante de la vanne de détente peut être réalisée par un organe de commande, notamment en fonction des dimensions de l'installation de refroidissement, en particulier de l'échangeur, et des débits des fluides calorigène et frigorigène.

Ainsi, il est possible de récupérer l'huile entraînée en sortie de l'échangeur et de séparer un éventuel excès de fluide frigorigène liquide. Le pot séparateur traite un débit vapeur faible, égal à la fraction vaporisée par détente libre de la moyenne pression à la basse pression (procédé dit « flash »). La compacité du pot séparateur permet de placer le pot séparateur, donc l'échangeur en hauteur, typiquement au-dessus d'une colonne de distillation. Dans certaines configurations, placer l'échangeur en hauteur permet en outre de faire circuler le fluide calorigène sans pompe.

Suivant une alternative à cette variante, le procédé de refroidissement est réalisé sans pot séparateur, ce qui permet de simplifier l'installation de refroidissement. Dans ce cas, l'échangeur est alimenté avec un fluide frigorigène diphasique, ce qui peut cependant diminuer les performances de l'échangeur.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation de refroidissement comprend en outre une conduite de dérivation raccordant le pot séparateur directement à la sortie de l'échangeur. Ainsi, la conduite de dérivation permet de renvoyer la fraction vaporisée par détente libre de la moyenne pression à la basse pression (procédé dit « flash ») vers l'aspiration du compresseur.

De manière symétrique, l'invention a pour objet un procédé de vaporisation, pour vaporiser à basse température un fluide frigorigène par échange thermique avec un fluide calorigène, par exemple pour vaporiser de l'ammoniac par échange thermique avec du dioxyde de carbone, le procédé de vaporisation mettant en œuvre une installation de vaporisation comportant au moins un échangeur adapté pour transférer de la chaleur du fluide calorigène au fluide frigorigène, l'installation de vaporisation étant reliée à un compresseur adapté pour comprimer du fluide frigorigène,

le procédé de vaporisation comprenant une étape dite de vaporisation à sec, dans laquelle on alimente l'échangeur en fluide calorigène et en fluide frigorigène liquide, et dans laquelle on vaporise tout le fluide frigorigène liquide s'écoulant dans l'échangeur,

le procédé de vaporisation étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape dite de suralimentation dans laquelle le débit du fluide frigorigène liquide entrant dans l'échangeur est déterminé de sorte que le fluide frigorigène sortant de l'échangeur comprend du fluide frigorigène liquide.

Les modes de réalisation et les variantes mentionnés ci-avant peuvent être pris isolément ou selon toute combinaison techniquement admissible.

La présente invention sera bien comprise et ses avantages ressortiront aussi à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique d'une installation de refroidissement conforme à l'invention, au cours d'une première étape d'un procédé de refroidissement conforme à l'invention ;

la figure 2 est une vue schématique de l'installation de la figure 1 , au cours d'une deuxième étape du procédé de refroidissement conforme à l'invention ;

- la figure 3 est un logigramme illustrant schématiquement un procédé de refroidissement conforme à l'invention ; et

la figure 4 est une vue similaire à la figure 1 d'une installation de refroidissement conforme à une variante de l'invention. Les figures 1 et 2 illustrent un système de refroidissement 1 qui est destiné à refroidir du dioxyde de carbone (CO ₂ ), en tant que fluide calorigène, par échange thermique avec de l'ammoniac (NH ₃ ), en tant que fluide frigorigène. Le système de refroidissement 1 comprend une installation de refroidissement 2 et un compresseur 4 adapté pour comprimer du fluide frigorigène.

Pour faciliter la lecture des figures 1 et 2, les écoulements d'ammoniac dans l'installation de refroidissement 2 sont représentés :

par des traits interrompus forts lorsque l'ammoniac s'écoule seulement en phase vapeur (NH ₃ vapeur, référence 15), et

- par des traits continus forts lorsque l'ammoniac s'écoule seulement en phase liquide (NH ₃ liquide, référence 17) ou en mélange de phase liquide et de phase vapeur (NH ₃ liquide+vapeur).

De plus, dans chaque réservoir illustré aux figures 1 et 2, seul l'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) est représenté, pas l'ammoniac vapeur (NH ₃ vapeur) ; cependant, l'ammoniac vapeur (NH ₃ vapeur) est présent dans chaque réservoir illustré aux figures 1 et 2 au-dessus de l'ammoniac liquide (NH ₃ liquide).

En outre, le système de refroidissement 1 comprend un condenseur 5 qui est disposé en aval du compresseur 4 et qui est adapté pour condenser le fluide frigorigène. Dans l'exemple de la figure 1 , le condenseur 5 est un condenseur évaporatif.

Le compresseur 4 est ici de type compresseur à vis lubrifiées. Le compresseur 4 coopère avec un condenseur évaporatif de façon à liquéfier de l'ammoniac vapeur (NH ₃ vapeur) à température atmosphérique, avec un receveur haute pression 19 (ici à 12 barA) et avec une étape de détente permettant d'amener l'ammoniac liquide (NH3 liquide) à la moyenne pression (ici 5 barA).

Le compresseur 4 lubrifié contient une huile immiscible dans l'ammoniac liquide (NH ₃ liquide). Cette huile peut être par exemple une huile synthétique de type poly-alpha-oléfine (PAO). Cette grande viscosité cinématique permet à cette huile de former avec le fluide frigorigène une émulsion assez légère pour permettre son transport.

Dans le système de refroidissement 1 , l'installation de refroidissement 2 est reliée au compresseur 4. L'installation de refroidissement 2 est destinée à condenser sous forme liquide (CO ₂ liquide, référence 13) du dioxyde de carbone gazeux (CO ₂ gaz) par échange thermique avec l'ammoniac (NH ₃ ). À cet effet, l'installation de refroidissement 2 comporte un échangeur 6 qui est adapté pour transférer de la chaleur du dioxyde de carbone gazeux (CO ₂ gaz) à l'ammoniac (NH ₃ ). L'échangeur 6 est ici un échangeur à plaques et à ailettes formé en aluminium brasé.

L'installation de refroidissement 2 comporte en outre une unité de commande 8, qui est ici une unité de commande électronique, configurée pour faire fonctionner l'installation de refroidissement 2 suivant un procédé de refroidissement conforme à l'invention et détaillé ci-après.

L'installation de refroidissement 2 comporte en outre un réservoir de collecte 10 qui est agencé pour contenir de l'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) et de l'ammoniac vapeur (NH ₃ vapeur) qui sortent de l'échangeur 6, de façon à récupérer l'huile entraînée en sortie de l'échangeur 6 et à séparer un éventuel excès de fluide frigorigène liquide. L'installation de refroidissement 2 comprend une canalisation de sortie 1 1 qui relie l'échangeur 6 au réservoir de collecte 10, de façon à canaliser l'ammoniac sortant de l'échangeur 6. Dans l'exemple des figures, le réservoir de collecte 10 a un volume total d'environ 2000 L. En service, le réservoir de collecte 10 fonctionne sous une pression dite basse, qui est comprise entre 1 barA et 1 ,5 barA, par exemple 1 ,2 barA.

L'installation de refroidissement 2 comporte en outre :

- un premier capteur, dit capteur de niveau bas 12, qui est adapté pour émettre un premier signal lorsque le volume d'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) contenu dans le réservoir de collecte 10 atteint un seuil inférieur prédéterminé 10.12, et

un deuxième capteur, dit capteur de niveau haut 14, adapté pour émettre un deuxième signal lorsque le volume d'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) contenu dans le réservoir de collecte 10 atteint un seuil supérieur prédéterminé 10.14.

Le capteur de niveau bas 1 2 et le capteur de niveau haut 14 sont ici formés chacun par un capteur capacitif. Le capteur de niveau bas 12 et le capteur de niveau haut 14 sont agencés sur une paroi du réservoir de collecte 10 de façon à détecter la présence d'ammoniac liquide (NH3 liquide) respectivement à une altitude basse et à une altitude haute, par rapport au fond du réservoir de collecte 10. L'altitude basse et à l'altitude haute définissent respectivement le seuil inférieur prédéterminé 10.12 et le seuil supérieur prédéterminé 10.14. Le réservoir de collecte 10 comprend un orifice de vidange 1 6 pour vidanger l'huile décantée par gravité dans le réservoir de collecte 10. En service, l'huile présente dans le réservoir de collecte 10 se décante, et l'unité de commande 8 peut ouvrir régulièrement un clapet obturant l'orifice de vidange 16, de façon à vidanger toute ou partie de l'huile.

De plus, l'installation de refroidissement 2 comporte :

- un réservoir d'alimentation 18 adapté pour contenir de l'ammoniac liquide (NH3 liquide) sous une pression dite moyenne, par exemple de 5 barA,

- un pot séparateur 20 adapté pour séparer l'ammoniac liquide (NH3 liquide) de l'ammoniac vapeur (NH3 vapeur) sous une pression dite basse, par exemple de

1 ,2 barA, qui est inférieure à la pression moyenne, et

- une vanne de détente 22 agencée entre le réservoir d'alimentation 18 et l'entrée de l'échangeur 6, ici en amont du pot séparateur 20, de façon à détendre l'ammoniac liquide (NH3 liquide) de la pression moyenne (e.g. 5 barA) à la basse pression (e.g. 1 ,2 barA),

- une cuve de stockage 19 adaptée pour contenir de l'ammoniac liquide (NH3 liquide) sous une pression dite haute, par exemple de 1 2 barA, la cuve de stockage 19 étant usuellement dénommée « receveur à haute pression » ; la cuve de stockage 19 est reliée fluidiquement au réservoir d'alimentation 18 ;

- une vanne 21 disposée entre le réservoir d'alimentation 1 8 et la cuve de stockage 19 pour réguler l'écoulement de fluide frigorigène.

Le pot séparateur 20 relie le réservoir d'alimentation 18 à l'échangeur 6 de façon à recevoir de l'ammoniac du réservoir d'alimentation 18 et à alimenter l'échangeur 6 en ammoniac liquide. Le pot séparateur 20 alimente ici l'échangeur 6 par gravité.

Le volume du pot séparateur 20 est sensiblement inférieur au volume du réservoir de collecte 10. Dans l'exemple des figures 1 et 2, le pot séparateur 20 a un volume de l'ordre de 25 fois inférieur au volume du réservoir de collecte 10. Le pot séparateur 20 et l'échangeur 6 peuvent être placés au-dessus d'une colonne de distillation, à une hauteur de 15 m, ce qui dispense ici de faire circuler le dioxyde de carbone avec une pompe.

La vanne de détente 22 est régulée de façon à condenser l'essentiel du débit de dioxyde de carbone disponible, notamment en régulant une pression du dioxyde de carbone gazeux (CO ₂ gaz) à l'entrée de l'échangeur, ce qui permet de contrôler le débit d'ammoniac liquide (NH3 liquide) entrant dans l'échangeur 6. Donc la vanne de détente 22 permet de réguler le débit entrant dans l'échangeur 6 au cours d'une étape de vaporisation à sec. La régulation de la section débitante de la vanne de détente 22 est ici réalisée par l'unité de commande 8. Alternativement, tout autre organe de commande peut être prévu pour réguler la section débitante de la vanne de détente.

L'installation de refroidissement 2 comprend en outre une conduite de dérivation 24 qui raccorde le pot séparateur 20 directement à la sortie de l'échangeur 6. En service, de l'ammoniac vapeur (NH3 vapeur) s'écoule depuis le pot séparateur 20 dans la conduite de dérivation 24 jusqu'à la sortie de l'échangeur 6, sans passer par l'échangeur 6. La conduite de dérivation 24 permet de renvoyer la fraction vaporisée par détente libre de la moyenne pression (ici 5 barA) à la basse pression (ici 1 ,2 barA par procédé dit « flash ») vers l'aspiration du compresseur 4. Dans l'exemple des figures 1 et 2, le pot séparateur 20 est équipé d'un organe de commande de niveau 29, qui est adapté pour mesurer le niveau d'ammoniac liquide dans le pot séparateur 20 et pour commander un élément physique de contrôle jusqu'à atteindre un niveau de consigne prédéterminé.

Lorsque l'ammoniac liquide (NH3 liquide) se détend de la pression moyenne (ici 5 barA) à la basse pression (ici 1 ,2 barA), environ 10% de l'ammoniac liquide passe en phase vapeur. Cette quantité de 10% d'ammoniac vapeur est dérivée par la conduite de dérivation 24. Dans l'exemple des figures 1 et 2, la colonne de distillation ou l'échangeur 6 est équipé(e) d'un organe de commande de pression 25, qui est adapté pour mesurer la pression de dioxyde de carbone gazeux et pour commander un élément physique de contrôle jusqu'à atteindre une pression de consigne prédéterminée.

En outre, l'installation de refroidissement 2 comprend un échangeur secondaire usuellement dénommé « sous-refroidisseur » 23 qui est relié fluidiquement à l'échangeur 6 et au réservoir de collecte 10 de façon à transférer de la chaleur du dioxyde de carbone (CO ₂ ) provenant de l'échangeur 6 à l'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) provenant du réservoir de collecte 10. En service, le sous- refroidisseur 23 « consomme » de l'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) en contribuant à le vaporiser. Le sous-refroidisseur 23 fonctionne ici suivant le principe du thermosiphon. En service, l'installation de refroidissement 2 fonctionne suivant un procédé de refroidissement conforme à l'invention tel que schématisé à la figure 3.

Ce procédé de refroidissement comprend, comme le montre la figure 1 , une étape dite de vaporisation à sec 101 , dans laquelle on alimente l'échangeur 6 en dioxyde de carbone gazeux (CO ₂ gaz) et en ammoniac liquide (NH ₃ liquide), et dans laquelle on vaporise tout l'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) sortant de l'échangeur 6. Dans cette étape de vaporisation à sec, tout l'ammoniac (NH ₃ ) s'écoulant dans l'échangeur 6 et dans la canalisation de sortie 1 1 est en phase vapeur.

En pratique, vaporiser tout l'ammoniac s'écoulant dans l'échangeur 6 signifie qu'il faut fournir à l'ammoniac une quantité de chaleur qui excède son enthalpie de vaporisation pour la quantité d'ammoniac entré dans l'échangeur 6.

Ce procédé de refroidissement comprend en outre, comme le montre la figure 2, une étape dite de suralimentation 102, dans laquelle le débit d'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) entrant dans l'échangeur 6 est déterminé de sorte que l'ammoniac (NH ₃ ) sortant de l'échangeur 6 est composé partiellement d'ammoniac liquide (NH ₃ liquide). L'étape de suralimentation 102 intervient après l'étape de vaporisation à sec 101 . En d'autres termes, l'étape de suralimentation 102 n'est pas concomittante à l'étape de vaporisation à sec 101 . Dans l'exemple de la figure 2, l'ammoniac (NH ₃ ) sortant de l'échangeur 6 est composé partiellement d'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) ; donc l'ammoniac (NH ₃ ) sortant de l'échangeur 6 comprend de l'ammoniac en phase liquide et en phase vapeur (NH ₃ liquide+vapeur).

Ce procédé de refroidissement permet, lors de l'étape de suralimentation 102, d'évacuer la totalité ou la majorité de l'huile accumulée dans l'échangeur 6 lors des étapes de vaporisation à sec 101 . Le procédé de refroidissement peut être qualifié de « basse température », car, en service, la température de l'ammoniac sortant de l'échangeur 6 est égale à environ -30°C sous une pression de 1 ,2 barA.

Le procédé de refroidissement comprend en outre une étape de cycle 103 consistant à répéter cycliquement et en alternance, l'étape de vaporisation à sec 101 et l'étape de suralimentation 102. Dans l'étape de cycle 103, l'étape de suralimentation 102 succède directement à l'étape de vaporisation à sec 101 . L'étape de vaporisation à sec a une première durée prédéterminée par exemple d'environ 24h et l'étape de suralimentation 102 a une deuxième durée prédéterminée par exemple d'environ 0,25 h. Le rapport de la deuxième durée prédéterminée (0,25 h) sur la première durée prédéterminée (24 h) est d'environ 1 %.

L'unité de commande 8 est configurée pour commander l'installation de refroidissement 2 de façon à réaliser, au cours de l'étape de cycle 1 03 :

- une première transition de l'étape de vaporisation à sec 101 à l'étape de suralimentation 102 lorsque le capteur de niveau bas 12 émet le premier signal 10.12, puis

- une deuxième transition de l'étape de suralimentation 102 à l'étape de vaporisation à sec 101 lorsque le capteur de niveau haut 14 émet le deuxième signal 10.14.

De plus, l'unité de commande 8 est configurée pour commander l'installation de refroidissement 2 de façon à réaliser cette première transition de sorte que le débit d'ammoniac liquide entrant dans l'échangeur 6 augmente progressivement, puis de façon à réaliser cette deuxième transition de sorte que le débit d'ammoniac liquide entrant dans l'échangeur 6 diminue progressivement.

En outre, le procédé de refroidissement comprend une étape de de commande, dans laquelle la section débitante de la vanne de détente 22 est régulée de façon à condenser l'essentiel du débit de dioxyde de carbone disponible, notamment en régulant une pression du dioxyde de carbone gazeux (CO2 gaz) à l'entrée de l'échangeur 6.

En pratique, on peut réguler le débit entrant dans l'échangeur 6 au cours de l'étape de vaporisation à sec 101 . En l'occurrence, la régulation de la section débitante de la vanne de détente 22 est réalisée par l'unité de commande 8, notamment en fonction des dimensions de l'installation de refroidissement 2, en particulier de l'échangeur 6, et des débits d'ammoniac et de dioxyde de carbone.

De plus, le réservoir de collecte 10 opère une séparation diphasique de l'ammoniac, de façon à séparer l'ammoniac liquide (NH ₃ liquide) de l'ammoniac vapeur (NH ₃ vapeur). En outre, le procédé de refroidissement comprend une étape de canalisation dans laquelle l'ammoniac vapeur (NH ₃ vapeur) est canalisé depuis le réservoir de collecte 10 à destination du compresseur 4, au moyen d'une canalisation de recirculation 26. Dans la canalisation de recirculation 26, en amont du compresseur 4, l'ammoniac est en phase vapeur (NH ₃ vapeur), tandis qu'en aval du compresseur 4, l'ammoniac est condensé par un condenseur évaporatif et se trouve donc majoritairement en phase liquide. L'ammoniac condensé s'écoule dans la cuve de stockage 19, puis dans le réservoir d'alimentation 18.

L'installation de refroidissement 2 comporte en outre des moyens de régulation 28 qui sont agencés de façon à ajuster la chaleur transférée à l'ammoniac. Dans l'exemple de la figure 1 , les moyens de régulation 28 comprennent un organe de commande de température, qui est adapté pour mesurer la température dans la canalisation de sortie 1 1 et pour commander un élément physique de contrôle, ici par ouverture ou fermeture de la vanne de détente 22, jusqu'à atteindre une température de consigne prédéterminée.

Au cours de l'étape de vaporisation à sec 101 , on régule les moyens de régulation 28 de façon à surchauffer l'ammoniac sortant de l'échangeur 6. Avantageusement, l'unité de commande 8 régule les moyens de régulation 28 de sorte que la température de l'ammoniac sortant de l'échangeur 6 est supérieure d'au moins 3°C à la température de point de rosée de l'ammoniac, calculée à la pression opératoire, ici 1 ,2 barA.

En service, lorsque le capteur de niveau haut émet le deuxième signal (10.14), les moyens de régulation 28 fournissent à l'ammoniac une quantité de chaleur qui excède l'enthalpie de vaporisation pour la quantité d'ammoniac entré dans l'échangeur 6, ce qui permet de réaliser l'étape de vaporisation à sec 101 .

Au cours de l'étape de suralimentation 102, le débit d'ammoniac liquide entrant dans l'échangeur 6 est déterminé de sorte que l'ammoniac sortant de l'échangeur 6 comprend une masse d'ammoniac liquide représentant plus de 10% de la masse d'ammoniac vapeur.

Dans l'exemple des figures 1 et 2, le pot séparateur 20 est équipé d'un organe de commande de niveau 29, qui est adapté pour mesurer le niveau d'ammoniac liquide et pour commander un élément physique de contrôle jusqu'à atteindre un niveau de consigne prédéterminé dont on sait qu'il est suffisamment élevé pour créer un excès d'ammoniac liquide en sortie de l'échangeur 6 au cours de l'étape de suralimentation 102.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples particuliers décrits dans la présente demande. D'autres modes ou variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. Par exemple, la figure 4 illustre une variante de l'invention dans l'étape de suralimentation 102, dans laquelle l'installation de refroidissement 2 ne comprend pas de pot séparateur, à la différence de l'installation de refroidissement 2 illustrée aux figures 1 et 2.