EP2577191B1 - Procede et installation de refroidissement cryogenique utilisant du co2 liquide et mettant en oeuvre deux echangeurs en serie - Google Patents

Procede et installation de refroidissement cryogenique utilisant du co2 liquide et mettant en oeuvre deux echangeurs en serie Download PDF

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EP2577191B1
EP2577191B1 EP11723574.7A EP11723574A EP2577191B1 EP 2577191 B1 EP2577191 B1 EP 2577191B1 EP 11723574 A EP11723574 A EP 11723574A EP 2577191 B1 EP2577191 B1 EP 2577191B1
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pressure
exchanger
liquid
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Thierry Dubreuil
Mohammed Youbi-Idrissi
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air

Definitions

  • the present invention relates to the field of cooling processes using CO 2 .
  • the pressure in the tube In order for the heat exchange to be carried out while remaining in the liquid and gaseous phase (vaporization of the liquid CO 2 without taking the risk of forming solid CO 2 ), the pressure in the tube must be maintained at a value greater than the theoretical pressure of 5.18 bar corresponding to the pressure of the triple point of this fluid. In practice, the system is in some way clamped to a pressure of 6 to 7 bar thus providing a safety margin of 0.82 to 1.82 bar.
  • such applications for the use of CO 2 discharged at 6 bar can be found after passing through an exchanger in the refrigerated truck transport, but also in tunnels or freezing chambers; where a heat exchanger is supplied with liquid CO 2 which, by evaporating in this exchanger, extracts heat from the medium to be cooled and thus produces the desired cold; the transfer of the cold to the products passes by an exchange with the internal air of the tunnel, the room or the truck by the intervention of means of ventilation associated with each exchanger
  • This weir and the outlet of the first exchanger can be installed at the top in the overall installation, to avoid liquid outlets, but configurations where the two exchangers are on the same plane are perfectly conceivable.
  • the present invention thus relates to a process using liquid CO 2 as a cryogenic fluid for transferring frigories to products, a process of the so-called indirect injection type where the liquid CO 2 is sent to a heat exchanger system where it is used.
  • evaporates the transfer of cold products passing through an exchange between the atmosphere surrounding the products and the cold walls of the heat exchanger, the exchanger system consisting of two exchangers connected in series, the second heat exchanger is maintained at the atmospheric pressure or at a pressure between the triple point of the fluid and the atmospheric pressure, characterized in that the first exchanger is maintained at a pressure greater than the pressure of the triple point of CO 2 .
  • the installation therefore comprises, if necessary, means for maintaining in the second exchanger the atmospheric pressure or a pressure comprised between the triple point of the fluid and the atmospheric pressure.
  • thermodynamic properties of the fluid at different points of the figure 1 and unambiguously permits to demonstrate the advantages of the invention in terms of refrigerating efficiency.
  • Table illustrates in particular several temperature conditions at the exchanger outlets.
  • the expected temperature profile in the exchanger CO 2 side and coolant (air for example for a frozen food transport application) visualized in figure 3 shows that the present invention also has a positive impact on the temperature profile in the exchangers: the fact that the second exchanger stage is at atmospheric pressure makes it possible to benefit from a cryogenic effect as demonstrated by the curves of this figure 3 .

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Description

  • La présente invention concerne le domaine des procédés de refroidissement mettant en oeuvre du CO2.
  • L'utilisation du CO2 dans de tels procédés de refroidissement est, on le sait, très avantageuse puisque ce fluide présente une phase solide à -80°C à la pression atmosphérique, ce qui permet de mettre en oeuvre pour certaines applications de la glace sèche, glace très efficace notamment pour apporter du froid de manière localisée sans aucune installation frigorifique. De nombreuses applications du CO2 solide existent comme par exemple les sacs de glace carbonique chargés dans les conteneurs de transport de produits alimentaires ou pharmaceutiques, ou encore les utilisations pour le maintien en froid des repas dans le domaine des transports aériens.
  • Cependant, lorsque ce gaz est utilisé dans des échangeurs de chaleur (injection « indirecte »), typiquement à tubes ou à plaques, cet avantage se transforme en inconvénient car l'apparition intempestive de la forme solide du CO2 (neige carbonique) dans un échangeur entraine assez rapidement le bouchage de celui-ci. Le document D1 = EP-1 659 355 illustre l'état de la technique de telles mises en oeuvre selon le préambule de la revendication de procédé 1 et une installation selon le préambule de la revendication 6.
  • Pour éviter cet inconvénient de passage en phase solide, on cherche donc à éviter que la phase solide du CO2 n'apparaisse, et on favorise donc les conditions permettant que le CO2 reste sous forme liquide ou gazeuse dans l'ensemble de l'échangeur.
  • Pour que l'échange thermique soit réalisé en restant en phase liquide et gazeuse (vaporisation du CO2 liquide sans prendre le risque de former du CO2 solide), la pression dans le tube doit être maintenue à une valeur supérieure à la pression théorique de 5,18 bar correspondant à la pression du point triple de ce fluide. Dans la pratique, on bride en quelque sorte le système à une pression de 6 à 7 bar en se ménageant ainsi une marge de sécurité de 0,82 à 1,82 bar.
  • Alors que la température de sublimation du CO2 solide à la pression atmosphérique est de -80°C, le fait de maintenir la pression dans l'échangeur à 6 bar relatifs augmente la température de vaporisation à environ -50°C.
  • D'autre part, le fait de réaliser l'échange thermique à 6 bar et non à la pression atmosphérique diminue légèrement la capacité frigorifique du CO2. En effet, lorsqu'un kilogramme de CO2 soutiré d'un stockage, par exemple dans des conditions standard de type 20 bar absolus / -20°C, entre dans un échangeur, il y libère 277,97 kJ/kg s'il est rejeté à -50°C sous forme gazeuse à 6 bar relatifs, alors que pour la même quantité de CO2, il libère 292,6 kJ/kg lorsqu'il est rejeté à -50°C à la pression atmosphérique, soit un gain de 5%.
  • A titre d'exemple, on trouve de telles applications d'utilisation du CO2 rejeté à 6 bar après passage dans un échangeur dans le transport réfrigéré en camion mais également dans des tunnels ou chambre de surgélation; où un échangeur de chaleur est alimenté en CO2 liquide qui en s'évaporant dans cet échangeur, extrait la chaleur du milieu à refroidir et produit ainsi le froid désiré ; le transfert du froid aux produits passe par un échange avec l'air interne du tunnel, de la chambre ou du camion par l'intervention de moyens de ventilation associés à chaque échangeur
  • On comprend dès lors qu'il serait intéressant de pouvoir proposer une solution technique permettant de réaliser l'échange thermique dans un échangeur type à tubes ou à plaques (échange indirect), pour des températures d'échangeur néanmoins basses (typiquement -50°C), sans risquer bien entendu la formation de neige et en ne perdant pas la capacité calorifique du CO2 après sa détente de 6 bar à la pression atmosphérique.
  • Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention propose une nouvelle solution d'échange dont les principales caractéristiques peuvent être résumées ainsi :
    • la solution proposée ici réside dans la configuration d'échangeur adoptée, où l'échangeur, qui peut être par exemple de type à tubes ou à plaques, est constitué de deux échangeurs montés en série ;
    • le premier échangeur est apte à être alimenté par du CO2 liquide (par exemple dans des conditions standards de type -20°C/20 bar), le liquide rencontrant, avant son arrivée dans le premier échangeur un détendeur thermostatique ou un ensemble sonde de température/régulateur/vanne, ou tout autre moyen permettant d'ajuster le débit de CO2 parvenant au 1er échangeur aux besoins thermiques en jeu, i.e. de contrôler une surchauffe, en d'autres termes une différence de température entre la température correspondant à la pression de vapeur saturante (par exemple 6 bar, -53,1°C) et par exemple -50°C, ce qui correspond à 3,1 ° de surchauffe ;
    • on maintient dans ce premier échangeur une pression supérieure à 5,18 bar relatifs, i.e. la température du changement de phase du CO2 (et on empêche ainsi la formation de neige), on pourra par exemple maintenir 6 bar absolus grâce à un déverseur ou un ensemble capteur de pression/régulateur/vanne, placé en sortie de ce premier échangeur ;
    • cet arrangement permet d'assurer que le CO2 est présent dans le premier échangeur sous une forme strictement diphasique liquide/gaz, sans qu'à aucun moment les conditions mises en oeuvre ne permettent la formation de solide ;
    • la température minimum obtenue sur ce premier échangeur est alors voisine de -50°C ;
    • selon un des modes de réalisation, le déverseur en sortie du premier échangeur est précédé par un séparateur de phase pour éviter toute sortie de liquide du premier échangeur.
  • Ce déverseur ainsi que la sortie du premier échangeur pourront être installés en partie haute dans l'installation globale, pour éviter les sorties de liquide, mais des configurations où les deux échangeurs sont sur le même plan sont parfaitement envisageables.
  • La présence optionnelle du séparateur évoqué ci-dessus participe au renforcement de la fiabilité du système. Il évite l'amenée de liquide dans le déverseur et donc la formation de neige et le bouchage de ce point.
    • En résumé, le CO2 liquide se vaporise dans ce premier échangeur et le gaz formé dans l'échangeur, par exemple à 6 bar, est libéré dans le second échangeur;
    • ce second échangeur est à la pression atmosphérique (et en tout état de cause à une pression inférieure au point triple du fluide), le gaz passe alors en entrant dans ce second échangeur de 6 bar (ou de la pression plus généralement maintenue dans le premier échangeur) à la pression atmosphérique (ou en tout état de cause à une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique), ceci en produisant du froid, à savoir une température typiquement comprise entre -60°C et -70°C ;
    • et c'est tout le mérite de la présente invention puisque dans le second échangeur est alors utilisé ce froid, produit par la détente à la pression atmosphérique, et toute l'énergie contenue dans le CO2 est alors utilisée.
  • La présente invention concerne alors un procédé mettant en oeuvre du CO2 liquide comme fluide cryogénique pour transférer des frigories à des produits, procédé du type dit à injection indirecte où le CO2 liquide est envoyé dans un système d'échangeur thermique où il s'évapore, le transfert de froid aux produits passant par un échange entre l'atmosphère environnant les produits et les parois froides de l'échangeur thermique, le système d'échangeur étant constitué de deux échangeurs montés en série, le second échangeur est lui maintenu à la pression atmosphérique ou à une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique, se caractérisant en ce que le premier échangeur est maintenu à une pression supérieure à la pression du point triple du CO2.
  • La présente invention concerne également une installation de transfert de frigories à des produits utilisant du CO2 liquide, l'installation mettant en oeuvre un procédé du type dit à injection indirecte et comprenant :
    • un système d'échangeur thermique apte y faire transiter le CO2 liquide ; et
    • des moyens de ventilation associés au système d'échangeur thermique, apte à mettre en contact l'atmosphère environnant les produits avec les parois froides du système d'échangeur thermique,
      l'installation mettant en oeuvre les mesures suivantes :
      • le système d'échangeur est constitué de deux échangeurs montés en série ;
      • l'installation comprend, en amont de l'entrée du premier échangeur, un moyen apte à ajuster le débit de CO2 et à en contrôler le niveau de surchauffe par rapport à la température correspondant à la pression de vapeur saturante, tel qu'un détendeur thermostatique ou un ensemble sonde de température/régulateur/vanne;
      • le second échangeur est à la pression atmosphérique ou à une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique, se caractérisant en ce que l'installation comprend un moyen pour maintenir dans le premier échangeur une pression supérieure à la pression du point triple du CO2, préférentiellement un déverseur ou un ensemble capteur de pression/régulateur/vanne.
  • L'installation comprend donc le cas échéant un moyen pour maintenir dans le second échangeur la pression atmosphérique ou une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront alors plus clairement dans la description suivante, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les figures 1 et 2 annexées qui sont des représentations schématiques partielles d'installations conformes à l'invention, la figure 3 démontrant le profil de température attendu dans l'ensemble d'échangeur, coté CO2 et fluide caloporteur (air).
  • On reconnaît sur la figure 1 la présence des éléments suivants, et donc le parcours suivi par le CO2, sous ses différentes phases, dans cette installation :
    • le premier échangeur est apte à être alimenté par du CO2 liquide (par exemple dans des conditions standards de type -20°C/20 bar), le liquide rencontrant, avant son arrivée dans le premier échangeur un détendeur thermostatique (en aval du point 1) ou tout autre moyen permettant d'ajuster le débit de CO2 parvenant au 1er échangeur aux besoins thermiques en jeu, i.e. de contrôler une surchauffe, en d'autres termes une différence de température entre la température correspondant à la pression de vapeur saturante (par exemple 6 bar, -53,1 °C) et par exemple -50°C, ce qui correspond à 3,1 °C de surchauffe.
  • En aval du point 2 le fluide entre dans le 1er échangeur.
    • on maintient dans ce premier échangeur une pression supérieure à 5,18 bar relatifs, température du changement de phase du CO2 (permettant ainsi d'empêcher la formation de neige), grâce au déverseur placé en sortie de ce premier échangeur sur la figure (déverseur placé entre les points 3 et 4);
    • cet arrangement permet d'assurer que le CO2 est présent dans le premier échangeur sous une forme strictement diphasique liquide/gaz, sans qu'à aucun moment les conditions mises en oeuvre ne permettent la formation de solide ;
    • la température minimum obtenue sur ce premier échangeur est alors de -50°C ;
    • sur le mode de réalisation illustré ici, le déverseur en sortie du premier échangeur est précédé par un séparateur de phase (entre les points 3' et 3) pour éviter toute sortie de liquide du premier échangeur. Pour ce mode de réalisation, le déverseur ainsi que la sortie du premier échangeur sont installés en partie haute dans l'installation globale, pour éviter les sorties de liquide.
    • en sortie du point 4 et donc du déverseur, le gaz entre dans le second échangeur, dont il ressort au point 5.
  • Le tableau ci-dessous fournit les propriétés thermodynamiques du fluide aux différents points de la figure 1 et permet sans ambigüité de démontrer les avantages de l'invention en termes de rendement frigorifique. Le tableau illustre notamment plusieurs conditions de températures en sorties des échangeurs.
  • Et pour bien démontrer l'intérêt de la présente invention, comparons justement l'efficacité énergétique d'un système ne mettant pas en oeuvre l'invention et d'un système mettant en oeuvre la présente invention, dans le cas où la température finale dans l'échangeur est de -25°C et dans le cas où la température finale dans l'échangeur est de -5°C.
  • Considérons le 1er cas (la température finale dans l'échangeur est de-25°C) :
    • Cas d'un système mettant en oeuvre un seul échangeur : 1 kg de CO2 libère 457 - 154,5 = 302,5 kJ
    • Cas d'un système mettant en oeuvre deux échangeurs conformément à l'invention : 1 kg de CO2 libère 464,5 - 154,5 = 310 kJ ; soit un gain énergétique de 2,5%.
  • Second cas d'illustration, où la température finale de l'échangeur est de -5°C :
    • Cas d'un système mettant en oeuvre un seul échangeur : 1 kg de CO2 libère 474,6 - 154,5 = 320,1 kJ
    • Cas d'un système mettant en oeuvre deux échangeurs conformément à l'invention : 1 kg de CO2 libère 480,8 - 154,5 = 326,3 kJ soit un gain de 1,9%.
    Tableau 1
    Point Sur la figure T(°C) P (bar abs) H (kJ/kg)
    1 -20,0 19,7 154,5
    2 -53,1 6 154,5
    3' -53,1 6 431, 6
    3 -50,0 6 434,5
    3 standard -25,0 6, 0 457,0
    3 standard -5,0 6,0 474, 6
    4 -63,1 1 434,5
    5 -25,0 1 464,5
    5 -5,0 1 480,8
  • Et le profil de température attendu dans l'échangeur coté CO2 et fluide caloporteur (air par exemple pour une application transport de produits surgelés) visualisé en figure 3 montre que la présente invention a également un impact positif sur le profil de température dans les échangeurs : le fait que le deuxième étage d'échangeur soit à la pression atmosphérique permet de bénéficier d'un effet cryogénique comme le démontrent les courbes de cette figure 3.
  • Si la figure 1 présentait un premier exemple de mode de mise en oeuvre de l'invention, la figure 2 en présente quant à elle un autre, que nous ne décrierons pas en détail ici, puisqu'on l'aura compris à sa lecture, il illustre la variante mettant en oeuvre :
    • en amont du premier échangeur non pas un détendeur thermostatique mais un ensemble d'un orifice calibré et d'une vanne contrôlée en température ;
    • en sortie de premier échangeur l'installation comprend non pas un déverseur mais comprend un ensemble capteur de pression/régulateur/vanne.

Claims (9)

  1. Procédé mettant en oeuvre du CO2 liquide comme fluide cryogénique pour transférer des frigories à des produits, procédé du type dit à injection indirecte où le CO2 liquide est envoyé dans un système d'échangeur thermique où il s'évapore, le transfert de froid aux produits passant par un échange entre l'atmosphère environnant les produits et les parois froides de l'échangeur thermique, le système d'échangeur étant constitué de deux échangeurs montés en série, le second échangeur (4/5) étant maintenu à la pression atmosphérique ou à une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique, se caractérisant en ce que le premier échangeur (2/3') est maintenu à une pression supérieure à la pression du point triple du CO2.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé de la façon suivante :
    - on alimente par du CO2 liquide le premier échangeur, le liquide rencontrant; avant son arrivée dans le premier échangeur, un moyen (1/2) apte à ajuster le débit de CO2 et à en contrôler le niveau de surchauffe par rapport à la température correspondant à la pression de vapeur saturante ;
    - on maintient dans le premier échangeur une pression supérieure à la pression du point triple du CO2 ;
    - on réalise la vaporisation du CO2 liquide dans le premier échangeur, et l'on dirige le gaz ainsi formé dans le second échangeur, qui est lui maintenu à la pression atmosphérique ou à une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen apte à ajuster le débit est un détendeur thermostatique ou un ensemble constitué d'une sonde de température, d'un régulateur et d'une vanne.
  4. Procédé selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on maintient dans le premier échangeur une pression supérieure à la pression du point triple du CO2 grâce à la présence d'un déverseur (3/4) ou d'un ensemble constitué d'un capteur de pression, d'un régulateur et d'une vanne, placé en sortie de ce premier échangeur.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le déverseur en sortie du premier échangeur est précédé par un séparateur de phase (3'/3).
  6. Installation de transfert de frigories à des produits utilisant du CO2 liquide, l'installation mettant en oeuvre un procédé du type dit à injection indirecte et comprenant :
    - un système d'échangeur thermique apte y faire transiter le CO2 liquide ; et
    - des moyens de ventilation associés au système d'échangeur thermique, apte à mettre en contact l'atmosphère environnant les produits avec les parois froides du système d'échangeur thermique,
    l'installation mettant en oeuvre les mesures suivantes :
    - le système d'échangeur est constitué de deux échangeurs montés en série (2/3', 4/5) ;
    - l'installation comprend, en amont de l'entrée du premier échangeur, un moyen (1/2) apte à ajuster le débit de CO2 et à en contrôler le niveau de surchauffe par rapport à la température correspondant à la pression de vapeur saturante ;
    - le second échangeur est à la pression atmosphérique ou une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique, se caractérisant en ce que l'installation comprend un moyen pour maintenir dans le premier échangeur une pression supérieure à la pression du point triple du CO2.
  7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit moyen apte à ajuster le débit est un détendeur thermostatique ou un ensemble constitué d'une sonde de temperature, d'un régulateur et d'une vanne.
  8. Installation selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que ledit moyen pour maintenir dans le premier échangeur une pression supérieure à la pression du point triple du CO2 est un déverseur (3/4) ou un ensemble constitué d'un capteur de pression, d'un régulateur et d'une vanne, placé en sortie de ce premier échangeur.
  9. Installation selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un séparateur de phase (3'/3), intercalé en amont du moyen pour maintenir dans le premier échangeur une pression supérieure à la pression du point triple du CO2.
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