REFRIGERATION A COMPRESSION

La présente invention concerne une installation de réfrigération et de maintien à basse température d'une enceinte, notamment constituée d'un conteneur isotherme, du type notamment disposé sur un véhicule destiné au transport de marchandises nécessitant tout au long de celui-ci un maintien au froid.

On sait que les véhicules, tels que les camions et les semi-remorques, qui assurent le transport de telles marchandises sont équipés d'un dispositif de réfrigération, dit groupe frigorifique, mettant en œuvre un compresseur qui est entraîné par un moteur, notamment un moteur thermique de type diesel, la plupart du temps différent de celui du véhicule. De façon connue, dans ce groupe frigorifique le froid est produit par évaporation d'un liquide frigorigène dans un évaporateur disposé dans l'enceinte à refroidir, le gaz étant ensuite comprimé dans le compresseur pour se condenser dans un condenseur disposé à l'extérieur de ladite enceinte.

On sait que la charge de travail qui est imposée au groupe frigorifique consiste dans une première étape, dite étape de mise en température, à refroidir le conteneur isotherme de façon à descendre sa température de la température ambiante à la température de consigne et, de seconde part, dans une seconde étape, dite étape de maintien, à maintenir constante cette dernière tout au long du transport.

Or, on constate à l'expérience, que l'énergie qui est demandée au compresseur lors de l'étape de mise en température constitue une part importante de la puissance totale délivrée par le moteur qui l'entraîne puisqu'elle est de l'ordre de 30% de celle-ci pour les camions et 15% pour les semi-remorques. Un groupe frigorifique est ainsi en mesure de consommer, en fonction bien entendu des conditions spécifiques de fonctionnement, entre trois à cinq litres de carburant par heure, sachant que la phase de mise en température est habituellement très longue, c'est- à-dire de l'ordre de trois à cinq heures. Il en résulte ainsi divers inconvénients.

De première part, le temps important de mise en température de l'enceinte et la puissance demandée au moteur thermique engendrent une consommation importante de carburant ce qui se traduit par un coût de fonctionnement élevé ainsi que par une pollution tant sur le plan environnemental que sur le plan sonore.

De seconde part, la durée de mise en température constitue un élément de handicap pour l'utilisateur dans la mesure où il contraint ce dernier à une immobilisation prolongée et non rentable de son matériel.

De troisième part, en raison de la puissance frigorifique nécessaire lors de la phase de mise en température, on est contraint de surdimensionner à la fois le compresseur et le moteur d'entraînement de celui-ci, ce qui est pénalisant au niveau à la fois du poids, du coût du matériel, de la consommation et de la pollution.

On connaît par ailleurs, notamment par les brevets FR

10.04120 et FR 11.03209 au nom de la demanderesse, des systèmes thermochimiques de production de froid qui sont essentiellement composés de deux éléments, à savoir, un évaporateur/condenseur contenant un gaz sous phase liquide et un réacteur contenant un sel réactif. Un tel système thermochimique fonctionne en deux phases distinctes, à savoir une phase de production de froid et une phase de régénération. Lors de la phase de production de froid, ou phase basse pression, le gaz emmagasiné dans 1 ' évaporateur/condenseur s'évapore ce qui génère la production de froid souhaitée, et ce gaz sous phase gazeuse vient réagir, au cours d'une réaction exothermique, sur le sel réactif contenu dans le réacteur.

On comprend que dans un tel système, une fois la réserve de gaz liquide épuisée, la phase de production de froid est terminée et le système doit alors être régénéré au cours de la phase dite de régénération.

Au départ de cette dernière, ou phase haute pression, le réacteur contient un produit de réaction résultant de la combinaison du gaz avec le sel réactif. L'opération de régénération consiste donc à libérer ce gaz par chauffage du produit de réaction contenu dans le réacteur et, une fois libéré, celui-ci vient se condenser dans 1 ' évaporateur/condenseur. Dès lors, le système thermochimique se trouve de nouveau disponible pour un nouveau cycle de production de froid.

On connaît également par le brevet EP 1 391 238 un système à adsorption eau-zéolithe dans lequel on refroidit le condenseur du circuit frigorifique d'un système de climatisation d'un véhicule, ce qui permet d'augmenter la puissance frigorifique de celui-ci. On sait qu'un tel système à adsorption ne permet pas d'assurer une évaporation au-dessous d'une température de 5°C, ce qui a pour effet de limiter de façon conséquente la puissance du système, et le rend impropre à l'application présente, dans laquelle on doit être en mesure de disposer d'une puissance de l'ordre de 4 kW.

La présente invention a pour but de proposer une installation de production et de maintien de froid qui permet d'éviter les divers inconvénients précités de la technique antérieure et qui est en mesure de délivrer la puissance susmentionnée.

La présente invention a ainsi pour objet une installation de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte isotherme comprenant :

un groupe frigorifique comportant un compresseur entraîné par un moteur thermique, un circuit de circulation d'un fluide frigorigène, un détendeur, un condenseur et un évaporateur et,

- un système de refroidissement de type thermochimique comprenant un réservoir contenant un gaz liquéfié apte, après évaporation, à se combiner avec un produit réactif, constitué d'un mélange d'un sel réactif et de graphite naturel expansé, contenu dans un réacteur, cette combinaison se faisant suivant une réaction thermochimique exothermique, le produit de réaction obtenu étant apte à être régénéré par des moyens de chauffage en libérant ledit gaz suivant une réaction thermochimique inverse, ce système de refroidissement comprenant un évaporateur et un condenseur, caractérisé en ce que :

- 1 ' évaporateur dudit système de refroidissement est en contact thermique avec le circuit frigorigène du groupe frigorifique en amont de 1 'évaporateur de celui-ci,

-le réacteur du système de refroidissement est en contact thermique avec des moyens de chauffage utilisant l'énergie calorifique dissipée par le moteur thermique lors de son fonctionnement,

- la masse volumique apparente du graphite utilisé est comprise entre 100 et 120 kg/m ³ ,

- la proportion en masse du sel dans le- produit réactif est comprise entre 50% et 75%

Ce contact thermique pourra avantageusement être obtenu au moyen d'un échangeur, notamment un échangeur de type liquide/liquide et cet échangeur sera préférentiellement constitué par 1 ' évaporateur du système thermochimique.

Le réacteur pourra être traversé par une conduite reliée à l'échappement du moteur thermique.

Les moyens de chauffage pourront être également constitués par le circuit de refroidissement d'eau ou d'huile du moteur thermique.

La présente invention a également pour objet un procédé de réfrigération et de maintien en température d'une enceinte isotherme comprenant essentiellement deux étapes, à savoir une étape de refroidissement jusqu'à une température de consigne déterminée de cette enceinte, et une étape de maintien de cette dernière à ladite température de consigne, mettant en œuvre une installation, comprenant :

un groupe frigorifique comprenant un compresseur entraîné par un moteur thermique, un circuit de circulation d'un fluide frigorigène, un détendeur, un condenseur et un évaporateur et,

- un système de refroidissement de type thermochimique comprenant un réservoir contenant un gaz liquéfié apte, après évaporâtion, à se combiner avec un produit réactif contenu dans un réacteur, et qui est constitué d'un mélange d'un sel réactif et de graphite naturel expansé, la masse volumique apparente de ce dernier étant comprise entre 100 et 120 kg/m ³ et la proportion en masse du sel dans le produit réactif étant comprise entre 50 % et 75 %, cette combinaison se faisant suivant une réaction thermochimique exothermique, le produit de réaction obtenu étant apte à être régénéré par chauffage en libérant ledit gaz suivant une réaction thermochimique inverse, dans lequel :

- lors de l'étape de refroidissement, on refroidit le fluide frigorigène du groupe frigorifique avant son entrée dans son évaporateur au moyen du système de réfrigération thermochimique ,

- on réalise le chauffage du produit de réaction à l'aide de la chaleur libérée par le moteur thermique

On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel :

- la figure 1 est une vue schématique globale de la remorque d'un véhicule semi-remorque équipé d'une installation de refroidissement et de maintien en température suivant l'invention,

la figure 2 est une vue schématique d'une installation suivant l'invention,

la figure 3 est un schéma représentant le cycle frigorifique respectivement d'un groupe frigorifique suivant l'état antérieur de la technique et d'un groupe frigorifique suivant l'invention,

On a représente sur la figure 1 une remorque 1 d'un semi-remorque dont le volume interne constitue un conteneur réfrigéré 3, notamment destiné au transport de denrées périssables. Cette remorque 1 est pourvue d'un groupe frigorifique 5 à compresseur de type classique, représenté schématiquement en détails sur la figure 2.

Ce groupe frigorifique comprend ainsi un compresseur 7 entraîné par un moteur diesel 8 et qui est relié à un circuit de fluide frigorigène traversant un condenseur 9, un détendeur 11 et un évaporateur 13 qui est disposé dans le conteneur réfrigéré 3.

L'installation de réfrigération suivant l'invention comporte également des moyens de refroidissement qui sont constitués d'un système thermochimique 15 qui, de façon connue, comprend un circuit formé successivement d'un réacteur 17, qui est disposé à l'extérieur du conteneur 3, d'une électrovanne 19, d'un condenseur 21, d'un réservoir 23 contenant un gaz sous phase gazeuse, et d'un évaporateur 25 qui sont disposés dans le conteneur 3.

Suivant l'invention 1 ' évaporateur 25 est réalisé sous la forme d'un échangeur qui est traversé par un serpentin 26 dont l'entrée El est réunie à la sortie S_l du condenseur 9 du groupe frigorifique 5 et la sortie S2 est réunie à l'entrée E2 du détendeur 11 de ce dernier disposé en amont de 1 'évaporateur 13.

De façon connue le réacteur 17 renferme un produit réactif qui est formé d'un mélange d'un sel constitué, dans le présent mode de mise en œuvre de l'invention, de chlorure de manganèse, avec un liant matriciel constitué en l'espèce de graphite naturel expansé. Suivant l'invention on a constaté que pour libérer une énergie suffisante suffisamment rapidement pour la présente application, la masse volumique apparente du graphite naturel utilisé devait être comprise entre 100 kg/m ³ et 120 kg/m ³ et la proportion en masse du sel dans le produit réactif devait être comprise entre 50 % et 75 %.

On optimise ainsi les transferts thermiques et la diffusion du gaz dans le produit réactif. Les présents paramètres permettent au réacteur d'une part d'extraire plus facilement la chaleur de réaction dégagée lors de la réaction thermochimique et d'autre part d'absorber et désorber plus rapidement le gaz ce qui entraîne des débits de gaz évaporé plus élevés et donc une puissance plus grande du système thermochimique.

On entendra par masse volumique apparente la masse volumique dans laquelle le volume du graphite naturel expansé est celui occupé par le graphite lui-même auquel il convient d'ajouter le volume des interstices compris entre les différents grains de graphite. Ce produit réactif est en mesure, lors de la phase de production de froid, dite phase d'absorption, de réagir avec le gaz sous phase gazeuse provenant du réservoir 23, notamment de l'ammoniac, pour générer au cours d'une réaction thermochimique exothermique un produit de réaction, et en mesure lors d'une phase dite de régénération, de restituer par chauffage du produit de réaction, au cours d'une réaction thermochimique inverse, le gaz précédemment absorbé.

On pourrait également faire appel en tant que produit réactif à d'autres sels tels que notamment du chlorure de nickel ou du chlorure de fer.

On comprend que le gaz liquide en sortie du réservoir 23 génère du froid lors de sa détente dans 1 ' évaporateur 25 et que le gaz absorbé par le produit réactif génère de la chaleur due à la réaction thermochimique exothermique dans le réacteur 17. C'est le froid produit dans 1 ' évaporateur 25 qui, suivant l'invention, est utilisé pour refroidir rapidement le fluide frigorigène du groupe frigorifique en amont de son évaporateur 13.

La mise en oeuvre et la gestion du fonctionnement de 1 ' installation suivant 1 ' invention sont assurés par exemple au moyen d'un microcontrôleur non représenté sur les dessins .

Avant toute mise en service du conteneur isotherme 3 on amène la température de celui-ci à la valeur de consigne au moyen du système thermochimique 15.

A cet effet, pendant une période de temps déterminée, qui est de l'ordre de une heure, et qui dépend notamment du volume du conteneur 3, de la température de consigne et de la puissance de l'installation de refroidissement, les moyens de gestion de celle-ci activent le fonctionnement du système thermochimique et du groupe frigorifique 5. On comprend que, dans ces conditions, le système thermochimique qui présente 1 ' avantage de générer du froid de façon quasi instantanée dans l'échangeur 25 abaisse la température du fluide frigorigène du groupe frigorifique 5 qui traverse le serpentin 26 disposé dans celui-ci.

Ainsi, suivant l'invention, les conditions de fonctionnement du groupe frigorifique 5 se trouvent modifiées par rapport à son fonctionnement habituel puisque la température du fluide frigorigène qui entre dans 1 ' évaporateur 13 et qui est habituellement de l'ordre de 40° C se trouve désormais abaissée à une valeur comprise entre -20° C et 20° C et est préférentiellement de l'ordre de 0°C.

On comprend que, dans ces conditions, le cycle de fonctionnement du groupe frigorifique se trouve profondément modifié. On a représenté sur la figure 3, à titre de comparaison, d'une part un cycle de fonctionnement d'un groupe frigorifique suivant l'état antérieur de la technique (en traits pointillés) dans lequel le liquide frigorigène entre dans l' évaporateur 13 à une température de 35° C, et d'autre part un même cycle de fonctionnement d'un groupe frigorifique modifié suivant l'invention (en traits pleins) dans lequel le liquide frigorigène entre dans 1 ' évaporateur à une température de 0°C. On constate sur cette figure que l'abaissement de la température du liquide frigorigène en amont de 1 ' évaporateur 13 a pour effet d'augmenter l'enthalpie d ' évaporation ΔΗ et, en conséquence, la puissance de production de froid de l'installation frigorifique.

Une fois l'étape de mise en température terminée, c'est-à-dire lorsque la température du conteneur réfrigéré 3 atteint la température de consigne déterminée, le système de gestion de l'installation frigorifique arrête le fonctionnement du système thermochimique et met en oeuvre l'étape de régénération de celui-ci.

On sait qu'une telle étape de régénération consiste à chauffer le produit de réaction formé dans le réacteur 17 lors de la phase d'absorption, de façon à activer la réaction thermochimique inverse au cours de laquelle le gaz est libéré.

Ce chauffage peut être assuré par différents moyens et notamment au moyen d'un manchon chauffant électrique entourant le réacteur.

Dans un mode de mise en œuvre particulièrement intéressant de l'invention et ainsi que représenté sur la figure 2, on utilise pour assurer un tel chauffage la chaleur générée par le moteur thermique 8 lorsqu'il entraîne le compresseur 7 du groupe frigorifique.

A cet effet et, ainsi que représenté sur la figure 2, l'échappement 30 du moteur thermique 8 est relié au réacteur 8 avec interposition d'une électrovanne 31 et traverse de part en part le réacteur 17. Ainsi, pendant la phase de production de froid du système thermochimique le microprocesseur maintient 1 'électrovanne 31 en position fermée et la bascule en position ouverte pendant la phase de régénération, ce qui permet alors aux gaz d'échappement en provenance du moteur 8 de réchauffer le produit de réaction contenu dans le réacteur 17 et de libérer le gaz piégé dans ledit produit.

Un tel mode de mise en œuvre est intéressant en ce qu'il est de structure particulièrement simple et permet par ailleurs de réaliser une économie d'énergie substantielle sur l'énergie dépensée pour la régénération du système thermochimique.

On pourrait également par exemple faire appel aux fluides du moteur qui sont portés à haute température lors du fonctionnement de celui-ci pour assurer la régénération du produit réactif.

La présente invention est ainsi particulièrement intéressante à divers égards.

Elle permet de première part, pour une même puissance de froid requise déterminée, de nécessiter un groupe frigorifique d'une puissance très inférieure à celle utilisée suivant l'état antérieur de la technique, dans la mesure où la puissance nécessaire à l'étape de mise en température, est assurée par le système thermochimique.

L'économie de puissance réalisée est d'autant plus importante que 1 ' étape de régénération du système thermochimique est assurée de façon « gratuite » par la chaleur générée par le moteur thermique du groupe frigorifique au cours de son fonctionnement.

Il est donc ainsi possible, à puissance souhaitée égale de l'installation, de réduire la puissance du groupe frigorifique et donc le dimensionnement , le coût de celui- ci ainsi que le coût lié à sa consommation en carburant.

Elle permet de seconde part de diminuer la durée de l'étape de mise en température du conteneur réfrigéré puisque le froid fourni par le système thermochimique est immédiatement disponible et, ainsi, de faire gagner un temps précieux à l'utilisateur lors de l'étape de mise en température.

Elle permet enfin, en diminuant la puissance du groupe frigorifique de réaliser un gain important au niveau du poids, et de l'encombrement de celui-ci.

Elle permet de troisième part de diminuer la pollution émise par le moteur thermique entraînant le compresseur d'une part en raison de la puissance plus faible de celui- ci et d'autre part en raison de son temps de fonctionnement réduit lors de la phase de mise en température.