Procédé de réfrigération d'une charge thermique.

La présente invention concerne le domaine de la production de froid, notamment de type mécanique et de type cryogénique, et s'intéresse en particulier aux applications au domaine des traitements de produits alimentaires, telles les surgélations et congélations. Les productions frigorifiques mécaniques ont très longtemps utilisé comme fluide frigorigène l'ammoniac (NH ₃ ) ou les HCFC (hydro-chloro-fluoro- carbones) ou encore les HFC (hydro-fluoro-carbones).

Mais on sait que les législations environnementales, en évoluant, ont pénalisé l'utilisation de ces fluides, soit pour des questions de sécurité, particulièrement pour l'ammoniac ; soit pour des questions environnementales comme c'est le cas pour les HCFC et CFC.

Les fabricants de systèmes frigorifiques ont donc été amenés à rechercher d'autres fluides frigorigènes plus en adéquation avec les législations et ont alors porté leur attention sur les fluides dits « naturels, tels le dioxyde de carbone, l'air, l'eau ... Leur choix s'est porté en particulier sur une combinaison NH ₃ + CO2 associés dans un cycle en cascade qui permet l'obtention de puissance frigorifique à des températures d'évaporation comprises préférentiellement entre - 20 et - 55 ⁰ C.

Le CO ₂ peut également être employé comme fluide frigo-porteur diphasique en association d'un cycle à compression utilisant un fluide frigorigène par exemple l'ammoniac.

Les nouvelles générations de système à cascade se composent de deux ensembles de compression distincts : o le circuit haute pression utilisant comme fluide frigorigène l'ammoniac ou tout autre fluide frigorigène adéquat pour être refroidi par le milieu ambiant ou une source froide (température entre 10 et 30 ⁰ C) et o le circuit basse pression utilisant le dioxyde de carbone pour alimenter l'évaporateur produisant le froid utile.

A titre de rappel, on sait que l'on entend généralement par l'expression système à « froid mécanique » un système de production de froid utilisant un cycle à compression de vapeur condensable, et par système à « froid cryogénique »

iϋILLE DE EEMPLiCEKEiT (RèGLE 26)

un système produisant du froid à partir du changement de phase d'un fluide cryogénique dans un circuit ouvert.

Pour le refroidissement, le croûtage ou encore la congélation de produits alimentaires, deux types de technologies sont couramment employées : - Le froid appelé « cryogénique », utilise les frigories libérées par le changement de phase d'un fluide cryogénique, par exemple la sublimation du dioxyde de carbone ou la vaporisation de l'azote liquide. Cette technologie fonctionne à circuit ouvert c'est à dire à fluides perdus. Le montant des investissements se trouve ainsi minimisé. - Le froid appelé « mécanique » utilise les frigories libérées par la détente d'un fluide frigorigène, par exemple le dioxyde de carbone. Cette technologie fonctionne en circuit clos avec une charge de fluide constante. Le montant des investissements est plus élevé car il faut prévoir les groupes de compression. On conçoit que passer d'un système de production de froid mécanique à un système cryogénique et vis versa, ou encore mixer les deux systèmes fournirait à l'utilisateur une flexibilité plus grande.

Ainsi par exemple, les industriels qui ont fait le choix d'une installation de froid mécanique pourraient, pendant une période donnée, utiliser le surgélateur avec une source de frigories cryogénique, ce qui présenterait notamment l'avantage d'améliorer l'échelonnement des investissements pendant la période de lancement du produit congelé sur le marché.

En effet, le montant des investissements pour une unité de surgélation avec une production de froid mécanique se décompose en deux parts sensiblement équivalentes entre le surgélateur et l'installation frigorifique. Il pourrait être intéressant pour les industriels de minimiser leurs investissements en remplaçant la production frigorifique par un stockage cryogénique, l'investissement de la production frigorifique ne se faisant que lorsque les besoins frigorifiques nécessaires pour assurer la production ne permet plus au système cryogénique d'être compétitif, ce qui peut aussi avoir comme avantage de minimiser les risques financiers pendant la période de lancement du produit.

Par ailleurs, tout ensemble mécanique nécessite des périodes d'arrêt pour assurer leur entretien. Il est communément admis d'arrêter l'ensemble de production frigorifique (i.e les compresseurs) et l'installation frigorifique (le surgélateur) environ 4 semaines par an pour assurer la maintenance des compresseurs et des différents composants du surgélateur. Pendant cette période d'entretien, l'installation ne produit plus. La possibilité de fonctionner momentanément grâce à un fluide cryogénique aurait l'avantage de :

- Permettre une production continue sans les arrêts dus aux périodes d'entretien. - Intervenir en secours des productions frigorifiques lors de pannes.

En conclusion, le fonctionnement simultané du froid mécanique et du froid cryogénique, permettraient d'augmenter la production frigorifique pendant les périodes de pointe.

Des solutions ont déjà été proposées dans la littérature pour palier à un arrêt du circuit à compression ou pour augmenter la production de froid ou encore pour optimiser les performances, il s'agit selon ces solutions d'ajouter :

- Un échangeur entre un fluide externe refroidissant le fluide interne du circuit de froid mécanique, cet échangeur est disposé entre l'évaporateur et le compresseur, ou peut être introduit dans la bouteille basse pression (voir à titre illustratif le document US 5331824A).

- Une rampe d'aspersion de fluide cryogénique sur le produit, ou au niveau de la batterie froide (voir par exemple le document US-5410886) ou dans l'espace de refroidissement (voir par exemple le document EP-0652409), ou la mise en place d'un bain cryogénique (voir par exemple les documents US- 5220803, EP-0360224, EP-0361700).

- un échangeur supplémentaire pour que l'évaporation du fluide cryogénique s'opère dans un circuit indépendant du circuit du système mécanique (voir par exemple le document US-5996355).

- Un dispositif indépendant de refroidissement des produits, soit en entrée soit en sortie de l'équipement principal de refroidissement utilisant le froid mécanique (voir par exemple le document US-5220803).

- Il a été aussi envisagé de coupler le froid cryogénique et le froid mécanique pour améliorer les performances de l'un ou de l'autre (voir par exemple les documents US-6425264B1 , US2002/0124587, US-5694776, EP-0208526, US- 5343715). Ainsi, le froid mixte utilisant les systèmes cryogénique et de froid mécanique a été conçu:

- pour bénéficier de l'avantage des deux technologies : refroidissement rapide par la cryogénie et faible coût d'utilisation du Froid Mécanique ;

- comme booster : le froid cryogénique augmente la capacité de production de froid du système mécanique;

- pour récupérer des vapeurs froides du fluide cryogénique.

Le froid mixte fait appel aux deux technologies. L'effet frigorifique final "recherché" peut être dû au froid mécanique et au froid cryogénique ou bien seulement dû à l'un des deux systèmes. Le système ne contribuant pas directement à l'effet frigorifique "recherché" est utilisé pour permettre à l'autre système de fonctionner dans des conditions étendues (puissance, température).

Il faut noter que dans tous les cas connus de couplage de froid mécanique et de froid cryogénique, les fluides des deux systèmes ne se mélangent pas. Les deux systèmes demeurent totalement autonomes et parallèles, au mieux on réalise un léger « couplage » en récupérant les vapeurs froides du fluide cryogénique pour les envoyer dans l'échangeur du système de froid mécanique et récupérer ainsi quelques frigories (dans le cas contraire, ces vapeurs froides sont tout simplement envoyées à l'atmosphère environnante).

Comme on le verra plus en détail ci-dessous, la présente invention s'attache à proposer un dispositif dans lequel, au contraire, le fluide cryogénique "consommable" est du CO ₂ et est mélangé au fluide du système mécanique qui alimente l'évaporateur de l'installation utilisant le froid pour refroidir une charge thermique. Ce dernier fluide est également du CO ₂ qu'il s'agisse du fluide frigorigène "recyclé" ou du fluide frigo-porteur. Cette injection supplémentaire de CO ₂ s' opère avant de produire du froid dans l'évaporateur.

Le fluide du circuit du froid mécanique devant rester à masse constante, il est nécessaire que la quantité de CO ₂ d'origine cryogénique injectée

soit retirée du réseau après avoir été vaporisée. Comme on le verra plus loin cette extraction de CO2 vapeur peut être réalisée en divers endroits du circuit.

Selon la présente invention, la solution proposée consiste à mélanger les fluides venant d'un circuit ouvert utilisant le CO2 comme fluide cryogénique et d'un circuit fermé utilisant le CO2 comme fluide frigorigène ou comme fluide frigo- porteur.

Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de réfrigération d'une ou plusieurs charges thermiques selon lequel on dispose d'une première source de CO ₂ provenant d'un système de froid mécanique, et où l'on alimente un ou plusieurs évaporateurs à partir de cette première source afin d'y réaliser l'évaporation du CO ₂ et ainsi refroidir ladite une ou plusieurs charges thermiques, et se caractérisant en ce que l'on dispose d'une seconde source de CO ₂ , constituée par un stockage cryogénique de CO2, et en ce que l'on procède à un apport de CO ₂ à partir de ladite seconde source, de manière à ce que le débit de fluide alimentant le ou les évaporateurs soit un mélange de CO ₂ liquide issu de ladite première source et de CO ₂ liquide issu de ladite seconde source.

Procédé de réfrigération d'une ou plusieurs charges thermiques selon lequel on dispose d'une première source de CO ₂ provenant d'un système de froid mécanique, et où l'on alimente un ou plusieurs évaporateurs à partir de cette première source afin d'y réaliser l'évaporation du CO ₂ et ainsi refroidir ladite une ou plusieurs charges thermiques, caractérisé en ce que l'on dispose d'une seconde source de CO ₂ , constituée par un stockage cryogénique de CO ₂ , et en ce que l'on procède à un apport de CO ₂ à partir de ladite seconde source, de manière à ce que le débit de fluide alimentant le ou les évaporateurs soit un mélange de CO ₂ liquide issu de ladite première source et de CO ₂ liquide issu de ladite seconde source.

Selon un des modes de mise en œuvre de l'invention, le système de froid mécanique procède aux étapes de :

- compression de CO ₂ à l'état de vapeur ; - de condensation dans un échangeur du CO ₂ ainsi comprimé ;

- de détente du CO ₂ ainsi sous-refroidi ;

- de stockage du CO ₂ ainsi détendu dans un réservoir de stockage;

et l'on procède à la mise en œuvre des mesures suivantes :

- on extrait du CO2 du réservoir de stockage pour alimenter ledit un ou plusieurs évaporateurs ;

- on évacue vers l'extérieur une quantité de CO2 sensiblement équivalente à celle correspondant audit apport de CO ₂ selon l'une ou chacune combinées des manières suivantes : i) le fluide ou une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs est dirigé vers ledit réservoir de stockage et on réalise à partir de ce réservoir l'extraction et l'évacuation dudit débit de CO ₂ à évacuer vers l'extérieur ; j) on procède à la séparation et à l'évacuation vers l'extérieur d'une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs, le restant étant dirigé soit vers ledit réservoir de stockage, soit vers ladite étape de compression ; - ledit apport de CO ₂ à partir de ladite seconde source est effectué dans ledit réservoir de stockage où il est mélangé au CO ₂ issu du ou desdits évaporateurs ou de ladite étape de détente.

Selon un autre des modes de mise en œuvre de l'invention, on évacue vers l'extérieur une quantité de CO ₂ sensiblement équivalente à celle correspondant audit apport de CO ₂ s elon l'une ou chacune combinées des manières suivantes : i) le fluide ou une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs est dirigé vers un réservoir de stockage et on réalise à partir de ce réservoir l'extraction et l'évacuation dudit débit de CO ₂ à évacuer vers l'extérieur ; j) on procède à la séparation et à l'évacuation vers l'extérieur d'une partie du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs, le restant étant dirigé soit vers ledit réservoir de stockage, soit vers une étape de condensation par une source froide réalisée par un système à compression de vapeur et le liquide ainsi condensé est alors stocké dans le réservoir de stockage ;

et l'on procède audit apport de CO ₂ à partir de ladite seconde source dans le réservoir de stockage où il est mélangé au CO ₂ issu du ou des évaporateurs ou de ladite étape de condensation.

Avantageusement, la quantité de CO ₂ présente dans le circuit est comprise entre deux limites de fonctionnement prédéterminées.

Comme il apparaîtra clairement à la lecture de ce qui précède, il est donc ainsi possible de maintenir la production, en assurant la continuité de la puissance frigorifique, par une injection dans le circuit CO ₂ issu du système mécanique d'un apport de CO ₂ liquide provenant d'un stockage qui est connecté sur le réseau de distribution du CO ₂ « mécanique », une quantité équivalente (ou en tout cas sensiblement équivalente) à celle de CO ₂ d'origine cryogénique injectée dans le circuit étant rejetée ensuite, par exemple après l'évaporation du fluide dans l'évaporateur de l'installation de refroidissement de la charge thermique considérée (par exemple un surgélateur).

Comme on le verra ci-après, le point important est de faire en sorte que la quantité de CO ₂ présente dans le circuit n'augmente pas à l'infini sans contrôle (du fait de l'apport du CO2 d'origine cryogénique), ce qui serait inimaginable, tout au contraire la quantité de CO ₂ présente dans le circuit reste sensiblement constante ou à tout le moins reste comprise entre deux limites de fonctionnement acceptables et prédéterminés. On doit donc évacuer vers l'extérieur du circuit une quantité de CO2 sensiblement équivalente à celle qui a été admise dans le circuit et qui était d'origine cryogénique.

On peut ainsi selon la présente invention adopter l'une ou chacune des solutions suivantes combinées :

- on peut envoyer la totalité du fluide obtenu à la sortie du ou des évaporateurs (de l'installation utilisant le froid pour refroidir une charge thermique) vers un réservoir de stockage non cryogénique (réservoir à partir duquel on alimente les évaporateurs), et on réalise de ce réservoir l'extraction et l'évacuation du débit à évacuer vers l'extérieur ;

- on peut aussi directement, à la sortie du ou des évaporateur(s) procéder à la séparation d'une partie du débit issu du ou des évaporateur(s) pour

l'évacuer, le restant étant envoyé soit vers le réservoir de stockage non cryogénique, soit vers le cycle de froid mécanique (étape de compression ou l'étape de condensation).

Ainsi en résumé, le froid utile est produit par l'évaporation d'un débit de CO ₂ , issu du mélange d'un débit venant d'un stockage cryogénique de CO ₂ et d'un débit de CO ₂ obtenu par un système mécanique.

Le débit « global» de CO ₂ produit le froid utile dans un évaporateur situé au niveau de l'installation utilisant le froid pour refroidir une charge.

Comme on l'a dit plus haut, après évaporation, le débit total de CO ₂ est séparé en deux débits, l'un sensiblement égal au débit qui venait du stockage cryogénique, l'autre égal au débit qui provenait du froid mécanique.

A titre préféré, la régulation du débit de CO ₂ cryogénique mélangé et du débit de CO2 séparé est réalisée respectivement par l'ouverture d'une vanne d'alimentation à partir du stockage et par l'ouverture de la vanne d'extraction du CO ₂ . Ces vannes sont commandées par exemple :

• par la mesure du niveau de CO ₂ liquide dans le réservoir qui alimente l'évaporateur ;

• par la pression ou la température d'évaporation du CO ₂

Le débit qui correspond sensiblement à celui qui provenait du stockage cryogénique est évacué directement dans l'atmosphère ou indirectement en passant par une phase de séparation d'huile si nécessaire.

Le débit qui correspond à celui qui provenait du froid mécanique est recondensé par le système mécanique.

Le couplage des deux circuits peut être réalisé de différentes manières, et notamment :

1. Dans le cas où le CO? du système mécanique est le fluide friqoriqène:

Le mélange des deux débits de CO ₂ peut être réalisé:

- dans le circuit en amont de l'évaporateur à la pression d'évaporation, par exemple dans la bouteille basse pression contenant le CO2 liquide produit par le froid mécanique,

- dans le circuit en amont de la vanne de détente du système mécanique, entre le condenseur et la vanne de détente.

La séparation des deux débits après l'évaporation dans l'évaporateur peut être réalisée :

- dans le circuit juste après l'évaporateur ;

- dans la bouteille basse pression à partir de laquelle les vapeurs de CO2 sont re-comprimées par le compresseur du système de froid mécanique.

2. Dans le cas où le CO? est le fluide frigo-porteur du système mécanique

Le mélange des deux débits de CO ₂ peut être réalisé:

- dans la bouteille d'accumulation du CO ₂ frigo -porteur qui est à la pression d'évaporation ;

- entre l'évaporateur et la bouteille basse pression d'accumulation du CO ₂ .

La séparation des deux débits après l'évaporation dans l'évaporateur peut être réalisée:

- dans le circuit juste après l'évaporateur ;

- dans la bouteille basse pression dans laquelle le CO ₂ re -condensé par le froid mécanique est accumulé.

Comme on l'a dit précédemment, le couplage des deux circuits doit être régulé de sorte que la quantité de CO ₂ présente dans le circuit clos reste sensiblement constante ou soit à tout le moins comprise entre deux limites de fonctionnement acceptables.

La régulation de débit de CO ₂ cryogénique mélangé et du débit de CO ₂ séparé est réalisée respectivement par exemple par l'ouverture d'une vanne d'alimentation à partir du stockage et par l'ouverture de la vanne d'extraction du CO ₂ . Ces vannes peuvent être commandées par exemple soit:

• par la mesure du niveau de CO ₂ liquide dans le réservoir qui alimente l'évaporateur ;

• par la pression ou la température d'évaporation du CO ₂ .

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront des exemples ci-dessous détaillés.

- la Figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de système de froid mécanique (deux ensembles de compression) ;

- la Figure 2 est une représentation schématique d'un système de froid cryogénique ;

- la Figure 3 est une représentation schématique d'une installation convenant pour la mise en œuvre de l'invention ;

- la Figure 4 est une représentation schématique d'une seconde installation convenant pour la mise en œuvre de l'invention (mélange des fluides venant du circuit ouvert utilisant le CO ₂ comme fluide cryogénique et du circuit fermé utilisant également le CO ₂ comme fluide frigo-porteur).

- la Figure 5 est une représentation schématique d'une troisième installation convenant pour la mise en œuvre de l'invention ;

- la Figure 6 est une représentation schématique d'une 4e installation convenant pour la mise en œuvre de l'invention.

On reconnaît sur la figure 1 les éléments suivants :

- par la référence 1 : une charge thermique, par exemple un surgélateur; la charge thermique peut être répartie sur plusieurs utilisations

chacune comportant un évaporateur (2) où le CO ₂ produit un effet frigorifique par évaporation.

- en 2 : l'échangeur de chaleur /évaporateur CO ₂ délivrant le froid à la charge thermique par évaporation du CO ₂ et via un fluide intermédiaire (de l'air généralement), l'évaporation du CO ₂ à lieu typiquement entre 5,2 bar et 26,5 bar et de préférence entre 5,5 bar et 10 bar.

- en 3 : un réservoir d'accumulation du CO ₂ en phase liquide; sa pression de fonctionnement est celle de l'évaporateur CO ₂ , aux pertes de charge près. - en 4 : une pompe de circulation du CO ₂ permettant d'alimenter le ou les évaporateurs.

- en 5 et 6 : des vannes coupe-circuits.

- en 7 : un système à compression de vapeur basse température utilisant le CO ₂ comme fluide frigorigène (les vapeurs de CO ₂ sont comprimées par le compresseur 9 puis sont condensées dans un échangeur 10 évapo - condenseur, à une température typiquement située entre -2O ⁰ C et -1O ⁰ C de préférence. Le liquide obtenu subit une perte de pression dans un organe de détente 11 où une fraction de CO ₂ se vaporise permettant un refroidissement du flux de CO ₂ entre -56 ⁰ C et -1O ⁰ C. Le CO ₂ obtenu est accumulé dans le réservoir 3 à la basse pression du circuit.

- en 8 : un système à compression de vapeur haute température utilisant un fluide frigorigène tel que l'ammoniac (NH3), ou les HFC R404, R410, ou tout autre fluide adapté pour condenser le CO ₂ en se vaporisant (entre -30 ⁰ C et -5 ⁰ C de préférence) et en se condensant à la haute pression du circuit entre 15 ⁰ C et 45 ⁰ C de préférence.

- en 9 : un compresseur aspirant les vapeurs de CO ₂ dans le réservoir 3 pour les comprimer à la haute pression de condensation.

- en 10 : un échangeur de chaleur pour condenser le CO ₂ par transfert de chaleur vers le circuit haute température (le CO ₂ se condensant entre -28 ⁰ C et -10 ⁰ C de préférence).

- en 11 : un organe de détente entre la haute pression et la basse pression du circuit basse température au CO ₂ .

- en 12 : un compresseur des vapeurs du fluide frigorigène du circuit haute température.

- en 13 : un échangeur de chaleur permettant la condensation du fluide frigorigène du circuit haute température avec l'air ambiant ou une autre source froide (par exemple un réseau d'eau froide); la condensation du fluide à lieu typiquement entre 15 ⁰ C et 45 ⁰ C de préférence.

- en 14 : un organe de détente entre la haute pression et la basse pression du circuit haute température.

On sait alors que la charge thermique à refroidir (1 ) est refroidie par un cycle à compression de vapeur cascade avec en basse température du CO2 comme fluide frigorigène. L'avantage d'une cascade est d'atteindre une grande efficacité énergétique lorsque l'écart de température total entre l'évaporateur basse température et le condenseur haute température est élevé. La température d'évaporation du CO ₂ est ajustée pour l'utilisation du refroidissement requis entre -56 ⁰ C et -1 O ⁰ C.

L'échange de chaleur entre le condenseur CO ₂ et l'évaporation du circuit haute pression a lieu à une température optimisée dépendant du fluide frigorigène du circuit haute température et de l'écart de température total et se situe généralement entre -28 ⁰ C et -5 ⁰ C. Le CO ₂ dans le circuit basse température circule en circuit fermé.

On reconnaît maintenant sur la figure 2 les éléments suivants :

- par la référence 20 : un réservoir de stockage de CO ₂ cryogénique à une pression typiquement comprise entre 15 et 30 bar de préférence.

- en 21 : une vanne de régulation du débit de CO ₂ liquide. - en 22 : un organe de détente faisant passer le CO ₂ de la pression du stockage à la pression d'utilisation dans l'évaporateur i.e typiquement entre 5,2 bar et 26,5 bar et de préférence entre 5,5 bar et 10 bar.

Le réservoir de CO ₂ permet d'alimenter un ou plusieurs évaporateurs permettant de refroidir la ou les charges thermiques. Le ou les débits sont régulés en fonction d'une température ou d'une pression. Le CO ₂ s'évapore dans un évaporateur ou plusieurs entre -56 ⁰ C et -1O ⁰ C . Le CO ₂ vaporisé est rejeté dans l'atmosphère via une gaine d'extraction.

La figure 3 est une représentation schématique d'un des modes de réalisation de la présente invention.

La ou les charges thermiques sont refroidies par l'évaporation du CO2 dans un ou plusieurs évaporateurs 2. Le CO ₂ liquide alimentant le ou les évaporateurs est fourni par un système cascade 31 à compression de vapeur comparable à celui qui a été décrit dans le cadre de la figure 1 , et par un stockage cryogénique de CO ₂ 32. Les deux moyens d'approvisionnement du CO ₂ liquide sont raccordés dans le réservoir d'accumulation 3 du circuit basse température du système cascade où les deux flux de CO ₂ se mélangent. Le CO ₂ issu de la condensation du circuit basse température est détendu dans l'organe 11 et s'accumule dans le réservoir 3.

Le CO ₂ du stockage cryogénique est régulé en débit par la vanne 21 et est détendu par l'organe 22 à la pression du réservoir 3.

La pompe de circulation 4 permet d'alimenter le ou les évaporateurs refroidissant la ou les charges thermiques. La pompe doit être dimensionnée pour faire circuler un débit égal à la somme des débits de CO2 fournis par le stockage cryogénique 32 et le circuit à compression à basse température 7. Il en est de même pour le ou les évaporateurs 2 qui sont dimensionnés à l'aide de la somme des débits de CO ₂ . Lorsque le système à compression atteint ses limites de débit de CO ₂ liquéfié et que la puissance frigorifique ainsi produite par l'évaporation du CO ₂ ainsi produit ne suffit pas pour refroidir la charge thermique, le complément de puissance frigorifique est fourni par le flux de CO ₂ venant du stockage cryogénique 32. La quantité de CO ₂ injectée dans le réservoir 3 doit être évacuée après l'évaporation du liquide grâce à un circuit d'extraction 33.

Le débit de CO ₂ fourni par le stockage 32 peut assurer de O à 100% de la puissance frigorifique liée à la ou les charges thermiques. De préférence, le CO ₂ venant du stockage permettra de compléter la puissance frigorifique du système à compression lors de pointes de production de manière à ne pas sur-dimensionner ce dernier. Lors des arrêts du système à compression, pour maintenance ou panne, le CO ₂ du stockage cryogénique peut assurer 100% des besoins frigorifiques ce qui évite l'arrêt de la production.

Les pressions et températures de fonctionnement du système cascade à compression et du stockage cryogénique sont par exemple comparables à celles déjà indiquées en référence aux figures 1 et 2 ci-dessus.

La figure 4 illustre un autre exemple de mise en œuvre de l'invention. La ou les charges thermiques sont refroidies par un ou des évaporateurs 2 utilisant du CO ₂ . Le CO ₂ liquide est fourni, d'une part, par la liquéfaction de la totalité ou d'une partie des vapeurs de CO ₂ issues du ou des évaporateurs 2, condensation réalisée dans l'échangeur 41 , et d'autre part par le CO ₂ venant du stockage cryogénique. Le CO ₂ circulant à travers le ou les évaporateurs et le condenseur 41 est appelé fluide « frigo-porteur ».

Un système de production de froid 40 (système à compression utilisant du CO ₂ ou d'autres fluides frigorigènes en cascade ou non) permet la liquéfation du CO ₂ venant de ou des évaporateurs 2. La liquéfaction du CO ₂ peut s'opérer dans un échangeur distinct du réservoir d'accumulation 3 (comme c'est le cas de cette figure 4) ou bien dans ce réservoir via un échangeur (comme c'est le cas dans le cadre de la figure 6).

L'utilisation d'un circuit frigoporteur permet de découpler le système à compression qui peut être implanté dans un local technique éloigné de l'intallation refroidissant la charge thermique. Le fonctionnement du couplage du circuit de CO ₂ frigo -porteur et du

CO ₂ du stockage cryogénique est similaire à celui de la figure 3. Une réserve 3 permet le mélange des deux flux de CO ₂ et deux lignes d'extration 42 permettent d'extraire une quantité de CO ₂ égale à celle venant du stockage cryogénique et de l'évacuer vers l'air ambiant extérieur. Cette extraction est réalisée en aval de l'évaporateur 2 (sur la ligne retournant au réservoir 3) et/ou directement sur le réservoir 3. Ce deuxième cas oblige le condenseur 41 à ne pas condenser totalement le flux de CO ₂ .

Les pressions et températures typiques de fonctionnement d'une telle installation de fonctionnement de l'évaporateur 2 sont comparables à celles décrites en relation aux figures 1 et 2.

Dans le cadre de la figure 5, le système à compression produisant l'effet frigorifique pour refroidir totalement ou partiellement la charge thermique est

constitué du compresseur 56, d'un condenseur 57, d'une réservoir haute pression 58, d'un organe de détente 54 et d'un (ou plusieurs) évaporateurs 50. Le fluide frigorigène est du CO2.

Le stockage cryogénique de CO2 51 est connecté au réservoir d'accumulation 58 par l'intermédiaire d'une conduite équipée d'une vanne de réglage du débit 52 et d'un organe de détente 53. Le CO ₂ se mélange avec celui du système à compression dans le réservoir 58.

Le dispositif fonctionne dans les modes précédemment décrits, le CO ₂ du stockage cryogénique pouvant assurer de 0 à 100 % des besoins frigorifiques mais de préférence est utilisé pour compléter la puissance frigorifique du système à compression lors de pointes de production ou d'arrêt de ce dernier.

Le CO ₂ venant du stockage cryogénique se vaporise partiellement par la détente dans l'organe 53. La vapeur est évacuée du réservoir 58 par une ligne d'extraction 59. Le CO ₂ liquide accumulé dans le réservoir 58 est détendue dans l'organe de détente 54 et est évaporé dans l'évaporateur 50. Entre l'évaporateur et le compresseur 56, une extraction (55) de CO ₂ vapeur est installée pour rejeter le CO ₂ introduit par le stockage cryogénique. Les extractions 55 et 59 sont réglées pour que la quantité de CO ₂ extrait soit égal à celle du CO ₂ introduit par le stockage cryogénique. Le condenseur 57 est refroidi par un système à compression formant une cascade comme expliqué pour la figure 3 et non re-détaillé ici.

On le voit, une des principales différences entre le mode de la figure 3 et celui de la figure 5 réside dans la position du réservoir d'accumulation du CO ₂ qui peut se trouver à la basse pression (fig. 3) ou à la haute pression (fig. 5) du système à compression de CO ₂ . Si le dispositif de la figure 3 est avantageux pour simplifier la régulation de l'extraction de CO ₂ , le dispositif de la figure 5 permet d'éviter la pompe de distribution.