EP3658835B1 - Installation frigorifique - Google Patents

Installation frigorifique

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EP3658835B1
EP3658835B1 EP18758929.6A EP18758929A EP3658835B1 EP 3658835 B1 EP3658835 B1 EP 3658835B1 EP 18758929 A EP18758929 A EP 18758929A EP 3658835 B1 EP3658835 B1 EP 3658835B1
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EP
European Patent Office
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water
enclosure
pressure
liquid
temperature
Prior art date
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Active
Application number
EP18758929.6A
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German (de)
English (en)
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EP3658835A1 (fr
EP3658835B8 (fr
Inventor
Thomas Vinard
Sébastien BUR
Jérôme Girard
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Alpinov X SAS
Original Assignee
Alpinov X SAS
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Publication date
Application filed by Alpinov X SAS filed Critical Alpinov X SAS
Publication of EP3658835A1 publication Critical patent/EP3658835A1/fr
Publication of EP3658835B1 publication Critical patent/EP3658835B1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3658835B8 publication Critical patent/EP3658835B8/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • 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
    • F25C—PRODUCING, WORKING OR HANDLING ICE
    • F25C1/00—Producing ice
    • F25C1/16—Producing ice by partially evaporating water in a vacuum
    • 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
    • F25C—PRODUCING, WORKING OR HANDLING ICE
    • F25C3/00—Processes or apparatus specially adapted for producing ice or snow for winter sports or similar recreational purposes, e.g. for sporting installations; Producing artificial snow
    • F25C3/04—Processes or apparatus specially adapted for producing ice or snow for winter sports or similar recreational purposes, e.g. for sporting installations; Producing artificial snow for sledging or ski trails; Producing artificial snow
    • 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
    • F25D31/00—Other cooling or freezing apparatus
    • 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
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • F25B23/006—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect boiling cooling systems
    • 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
    • F25C—PRODUCING, WORKING OR HANDLING ICE
    • F25C2303/00—Special arrangements or features for producing ice or snow for winter sports or similar recreational purposes, e.g. for sporting installations; Special arrangements or features for producing artificial snow
    • F25C2303/044—Snow making using additional features, e.g. additives, liquid gas

Definitions

  • This application concerns a refrigeration installation.
  • a refrigeration system can be used in many different applications.
  • An example of the use of a refrigeration installation concerns an air conditioning system, particularly within the framework of an urban cooling network or for a data center.
  • Another example of the use of a refrigeration system concerns an artificial snow production system, for example for snowmaking in ski resorts in the case of low snowfall due to weather conditions or inherent to the geographical location of the resorts.
  • the coefficient of performance is the ratio between the thermal power produced by the system (quantity of heat) hot Q+ ch or quantity of cold heat Q ref ) and the work supplied to the system (work W). It is generally desirable for the COP to be as high as possible, which reflects good energy efficiency of the system and implies low energy consumption, knowing that energy consumption includes the electrical consumption of the system.
  • the first type of artificial snow production system is open to ambient air, such as snow cannons or snow poles, and generally involves spraying a mixture of water and air that crystallizes upon contact with the ambient air.
  • the air may come from a compressed air source, the expansion of which causes snow formation.
  • a drawback of these systems is that they can only operate within limited temperature and humidity ranges, generally below -2°C and above 30% humidity.
  • a second type of artificial snow production system includes open systems, as described in the patent application. WO2012/104787 The electricity consumption of such snowmaking systems typically ranges from 20 kWh to 40 kWh per cubic meter of snow produced, which is lower than that of second- and third-generation snowmaking systems.
  • such systems require the construction of cooling towers and therefore have a construction cost that is too high for large-scale operation.
  • Second types of artificial snow production systems include closed-loop, refrigerator-type systems with a compressor, condenser, expansion valve, and evaporator.
  • COP Coefficient of Performance
  • the power consumption of such snow production systems can be... high, for example from 40 kWh to 120 kWh per cubic meter of snow produced.
  • Fourth-generation artificial snow production systems include closed systems employing cryogenic processes, notably the formation of a mixture of water and a cryogenic gas, such as nitrogen or carbon dioxide. While the COP (Coefficient of Performance) of such a snow production system can be high, the energy required to produce the cryogenic fluid must be taken into account. Consequently, the overall energy consumption of such snow production systems can exceed several hundred kWh per cubic meter of snow produced, resulting in prohibitively high operating costs for large-scale use and significant logistical challenges.
  • COP Coefficient of Performance
  • a refrigeration system particularly for air conditioning or artificial snowmaking systems, with a high COP (Coefficient of Performance), ideally above 6 and preferably above 10, and low power consumption, especially when the refrigeration unit is installed in a snowmaking system with a consumption of less than 5 kWh, preferably less than 3 kWh per cubic meter of snow produced.
  • the refrigeration unit it would be desirable for the refrigeration unit to operate normally over a wide range of ambient temperatures, particularly above freezing, and preferably up to 25°C, or even up to 35°C.
  • the document JP 2004 251541 A discloses a refrigeration installation according to the preamble of claim 1.
  • one objective of an embodiment is to at least partially overcome the disadvantages of the refrigeration installations described above.
  • the COP of the refrigeration installation is greater than 6, preferably greater than 10.
  • Another objective of one embodiment is that the electrical consumption of the refrigeration system is reduced, in particular, when the refrigeration installation is installed in a snow production system, less than 5 kWh per cubic meter of snow produced, preferably less than 3 kWh per cubic meter of snow produced.
  • the refrigeration installation can operate at an ambient temperature between -30 °C and +25 °C, preferably between -30 °C and +35 °C.
  • Another objective of one embodiment is that the cost of constructing the refrigeration installation is reduced.
  • the invention provides for a refrigeration installation according to the subject of claim 1.
  • the installation includes a device for heating water in the gaseous state in the first enclosure intended to supply the compression device.
  • the first enclosure further contains water in a solid state at a temperature less than or equal to the triple point temperature of water.
  • the water circulates in a closed circuit within the installation.
  • the condensation device includes a first heat exchanger outside the second enclosure and means for circulating a first heat transfer fluid around the second enclosure through the first heat exchanger.
  • the first heat transfer fluid is ambient air or water from a stream, body of water or water table.
  • the second pressure in the second enclosure is less than or equal to 10000 Pa (100 mbar), preferably less than or equal to 6000 Pa (60 mbar).
  • the cold power extraction device includes a hydraulic circuit in which some or all of the liquid water present in the first enclosure circulates, the hydraulic circuit including a second heat exchanger located outside the first enclosure.
  • the cold power extraction device comprises a closed hydraulic circuit in which a second heat transfer fluid circulates, the hydraulic circuit comprising a second heat exchanger located outside the first enclosure and a third heat exchanger disposed in the first enclosure.
  • the refrigeration installation includes a third enclosure in which the second heat exchanger is located, delivering the cooling power to the end user, the third enclosure containing, for example, water in a solid state.
  • the heating device includes a source of infrared radiation and/or a source of microwave radiation.
  • the heating device is adapted to heat the water in the gaseous state in the first enclosure intended to supply the compression device by at least 2 °C, preferably by at least 10 °C, more preferably by at least 20 °C.
  • the compression device comprises at least one turbomachine-type compressor, in particular a centrifugal compressor and/or an axial compressor.
  • the compression device comprises a succession of stages, each stage comprising a rotor and a stator.
  • the compression device is a Tesla compressor.
  • the compression device comprises a first stage compressor with a fixed compression ratio and a second stage compressor with a controllable compression ratio.
  • the refrigeration installation further includes, in the first enclosure, a mechanical device for protecting the compression device against the admission of particles in solid and/or liquid state.
  • the refrigeration installation includes a supply line for water in liquid state into the first enclosure.
  • the condensation device includes at least one nozzle for projecting droplets of water in liquid state into the second enclosure.
  • the installation further includes a system for regulating the pressure difference between the second chamber and the first chamber.
  • control system includes a pressure-reducing turbine configured to reduce water pressure. in gaseous state from the second enclosure and pump a mixture containing water in gaseous state and water in liquid state into the first enclosure.
  • the first enclosure comprises at least one reservoir of water in a liquid state and into which said mixture is pumped into the water in a liquid state contained in said reservoir.
  • One embodiment also provides for an artificial snow production system including a refrigeration installation as defined above.
  • One embodiment also provides for an air conditioning system for industrial, collective and private installations including a refrigeration installation as defined above, particularly within the framework of an urban cooling network or for a data center.
  • the invention also provides a method for producing cold according to the subject of claim 14.
  • the process further includes the step of heating water in a gaseous state in the first enclosure intended to be compressed.
  • water refers to the chemical compound H2O , which can be in a liquid, solid, or gaseous state.
  • water in a gaseous state and “water vapor” are used interchangeably hereafter.
  • liquid water and “water in a liquid state” are used interchangeably to refer to pure water in a liquid state or to water in a liquid state corresponding to the solvent of an aqueous solution containing at least one other solute.
  • triple point of water means “triple point of pure water.”
  • the water in the liquid state can correspond to the solvent of an aqueous solution, that is to say, additives can be added to the water in the liquid state.
  • FIG. 1 represents a method of implementing a refrigeration installation 5.
  • the liquid water 14 contained in the tank 12 can be water directly from the mains water supply system, or fresh water, in particular water from a stream or a reservoir.
  • the line 38 can be connected to the line 18.
  • the refrigeration system 5 may also include a system 42 for regulating the pressure difference between the second low-pressure chamber 30 and the first low-pressure chamber 10.
  • the system 42 may be a controlled valve system, a capillary tube system, an expansion turbine system, or a weir system, and is adapted to maintain the pressure difference between the second low-pressure chamber 30 and the first low-pressure chamber 10 at a substantially constant value.
  • the processing module 40 may be a dedicated circuit or may include a processor, for example a microprocessor or a microcontroller, adapted to execute instructions from a computer program stored in memory.
  • the refrigeration system 5 may also include sensors, including temperature sensors, pressure sensors, level sensors, flow sensors, etc., not shown, connected to the processing module 40, particularly for temperature and pressure detection in chambers 10 and 30.
  • the compressor 32 is an axial or centrifugal compressor that delivers a flow of compressed vapor substantially along the compressor's axis of rotation.
  • the compressor comprises a series of compression stages, each stage including a rotor and a stator.
  • the rotor has blades driven in rotation by a drive shaft.
  • the rotor accelerates the gas flow using the energy transmitted by the compressor's drive shaft.
  • the stator has stationary blades. The stator converts the kinetic energy of the gas flow into pressure via its shape.
  • the heating device 22 is preferably a radiant heating device, comprising a source of electromagnetic radiation reaching the water vapor.
  • the heating device 22 includes, for example, an infrared water vapor heating system or, for example, a microwave water vapor heating system.
  • the heating device 22 comprises both an infrared radiation source and a microwave radiation source. Depending on the intended application, the heating device 22 may not be present.
  • the dimensions of the refrigeration system 5 depend on the intended application.
  • the volume of the first low-pressure chamber 10 can range from 1 liter to several thousand cubic meters, specifically from 10 liters to 10,000 liters.
  • the volume of the second low-pressure chamber 30 can range from 1 liter to one thousand cubic meters, specifically from 1 liter to 10,000 liters.
  • the volume of liquid water 14 in the tank 12 can range from 1 liter to several thousand cubic meters, specifically from 1 liter to 3,000 m3 , and in particular from 9 liters to 9,999 liters.
  • the refrigeration installation 5 includes a primary vacuum pump, not shown, connected to the first low-pressure chamber 10 and/or to the second low-pressure chamber 30.
  • FIG. 2 represents an enthalpy-pressure diagram of water illustrating the operation of the refrigeration system 5 at the beginning of its operation.
  • the reference points A to G in figure 2 illustrate successive states through which water passes circulating in the refrigeration system 5.
  • Point A represents liquid water that will be introduced into tank 12 via pipe 18, for example, to fill tank 12 at the start of operation of system 5.
  • the pressure of the liquid water at point A has a first pressure value
  • the temperature of the liquid water at point A has a first temperature value.
  • the first pressure value is greater than or equal to 0.1 MPa (1 bar), for example, greater than or equal to 0.1 MPa (1 bar) and less than or equal to 10 MPa (100 bar).
  • the first temperature value is greater than or equal to 5 °C, for example, greater than or equal to 5 °C and less than or equal to 10 °C.
  • the water supplied to tank 12 comes, for example, from a water distribution network to which the refrigeration system 5 is connected.
  • the first temperature value can then correspond to the temperature of the water supplied by the distribution network.
  • the pressure of the liquid water 14 decreases from the first pressure value to the pressure in the first low-pressure chamber 10, which is at a second pressure value. This corresponds to the transition from point A to point B.
  • the second pressure value is equal to the saturated vapor pressure of the liquid water 14 present in the tank 12.
  • the second pressure value in the first low-pressure chamber 10 is typically between 600 Pa (6 mbar) and 2500 Pa (25 mbar), preferably between 600 Pa (6 mbar). and 1500 Pa (15 mbar).
  • the pressure in the first low-pressure chamber 10 can be 870 Pa (8.7 mbar).
  • the temperature of the liquid water introduced into the reservoir 12 during the pressure drop remains essentially constant and equal to the first temperature value.
  • the temperature of the liquid water 14 in the tank 12 is at a second temperature value.
  • the second temperature value is substantially equal to the first temperature value, so that the temperature of the water introduced into the tank 12, whose pressure has decreased, does not change substantially.
  • Evaporation occurs of some of the liquid water 14 in the reservoir 12, which will raise the water temperature from the first value to the second value. This corresponds to the transition from point B to point C. Since the pressure in the low-pressure chamber 10 is equal to the saturated vapor pressure of the water at the second temperature value, the vaporization is a boiling of the liquid water 14, which notably includes the formation of bubbles 43 (see figure 1 ) in liquid water 14. Water vapor is then obtained in the first low-pressure chamber 10 at the second temperature and pressure value.
  • the protective element 20 prevents liquid water from splashing onto the compressor 32 or from spilling out of the tank 12 when the liquid water 14 boils.
  • the protective element 12 can also increase the heat exchange surface area by including parts that penetrate the liquid water.
  • all or part of the water vapor in the first low-pressure chamber 10 is heated by the heating device 22.
  • the temperature of a portion of the water vapor in the first low-pressure chamber 10 then changes from the second temperature value to a third value of temperature.
  • the steam is pumped by the compressor 32 into the part of the first chamber 10 where it is heated. This corresponds to the transition from point C to point D.
  • the third temperature value is greater than or equal to 0 °C and less than or equal to 100 °C.
  • the third temperature value is at least 2 °C higher than the second temperature value, preferably at least 10 °C higher, and more preferably at least 20 °C higher.
  • the steam pressure during the heating step does not change substantially and remains substantially equal to the second pressure value.
  • the use of the radiant heating device 22 makes it possible to heat all the water vapor that feeds the compressor 32. Indeed, it would be difficult with a conduction or convection heating device to heat all the water vapor that feeds the compressor 32 due to the low pressure and consequently the very low density of matter in the first chamber 10 at low pressure.
  • the steam heated to the third temperature value feeds the compressor 32, which discharges the compressed steam into the second chamber 30 at low pressure. This corresponds to the transition from point D to point E.
  • the compression ratio of the compressor 32 is greater than or equal to 2 and, for example, less than or equal to 14.
  • the pressure in the second chamber 30 at low pressure is equal to a third pressure value that is at least a factor of 2 higher than the second pressure value.
  • the third pressure value is greater than or equal to 600 Pa (6 mbar) and less than or equal to 10,000 Pa (100 mbar), preferably less than or equal to 6,000 Pa (60 mbar).
  • the third pressure value is approximately 1740 Pa (17.4 mbar).
  • the compression of water vapor by compressor 32 results in the water vapor heating up. whose temperature goes from the third temperature value to a fourth temperature value, higher than the third temperature value.
  • the compressed water vapor in the low-pressure chamber 30 is cooled and then liquefied into cooled liquid water by the condenser 34. This corresponds to the transition from point E to point F and the transition from point F to point G.
  • the water pressure during the cooling and liquefaction stages does not change significantly and remains equal to the third pressure value.
  • the water temperature varies from the fourth temperature value to a fifth temperature value strictly lower than the fourth temperature value. For example, for a third pressure value of 1740 Pa (17.4 mbar), the fifth temperature value could be 15.3 °C.
  • the higher the compression ratio the more readily the water can be condensed at high ambient temperatures, and the faster the condensation can be achieved.
  • the liquid water produced by the condenser 34 is discharged from the tank 30 at low pressure through the pipe 38.
  • the pipe 38 is connected to the pipe 18 so that the liquid water discharged from the enclosure 30 is returned to the tank 12.
  • Condensation causes pumping by vacuum, linked to the difference in specific volume between liquid water and gaseous water (ratio of approximately 1600 to 200000 between the liquid and gaseous phases), which maintains a vacuum level in the chambers 10 and 30.
  • the maintenance of the pressure difference between the low-pressure chamber 30 and the low-pressure chamber 10 is achieved by the processing module 40 which controls for this purpose the heating device 22, the compressor 32, the condenser 34, the system 42 and possibly the primary vacuum pump.
  • the primary vacuum pump operates at the start-up of the refrigeration system 5 until the pressure in the first low-pressure chamber 10 reaches the saturated vapor pressure at the first temperature value.
  • the pump can then be stopped and the pressure in the enclosure 10 is maintained by the depression generated at the condenser 34 and the mechanical work of the compressor 32.
  • the vacuum pump can also participate, if necessary, in maintaining the pressure in the first enclosure 10 at low pressure.
  • THE figures 3 And 4 each represent an enthalpy-pressure diagram of the water illustrating the operation of the refrigeration system 5 in steady state respectively for an open cycle and for a closed cycle.
  • reservoir 12 is filled with liquid water 14. Additional water is supplied via pipe 18 to reservoir 12 to compensate for liquid water losses from reservoir 12, for example continuously or intermittently. In the case of an open cycle, the additional water is located at point A ( figure 3 ). In the case of a closed cycle, the additional liquid water comes from the condensates recovered in enclosure 30 and is therefore located at point G.
  • the pressure in the first low-pressure chamber 10 decreases simultaneously with the decrease in the temperature of the liquid water 14 in the tank 12 to remain equal to the saturated vapor pressure at the temperature of the liquid water 14 in the tank 12.
  • the maintenance of the pressure in chamber 10 at the saturated vapor pressure at the temperature of the liquid water 14 in the tank 12 is achieved by the treatment module 40 which controls for this purpose the heating device 22, the compressor 32 and the condenser 34, the system 42 and possibly the primary vacuum pump.
  • the temperature of the liquid water 14 in the reservoir 12 decreases until it reaches the triple point temperature of water, which, for example, at a pressure of 611 Pa (6.11 mbar) is equal to 0.01 °C. Ice crystals 15 then form in the reservoir 12, corresponding to the transition between points B' and B" on the figures 3 And 4
  • the temperature of the liquid water 14 in the reservoir 12 remains substantially constant and equal to the triple point temperature of pure water, and the pressure in the first low-pressure chamber 10 is substantially equal to the saturated vapor pressure at the triple point temperature of water.
  • the temperature of the liquid water 14 in the reservoir 12 remains substantially constant and equal to a temperature lower than the triple point temperature of pure water, and the pressure in the first low-pressure chamber 10 is substantially equal to the saturated vapor pressure of water in equilibrium with the pressure of water in the liquid state at a temperature lower than the triple point temperature of water.
  • the water is then present in the first low-pressure chamber 10 simultaneously in the gaseous, liquid, and vapor states. the solid state.
  • the temperature of the liquid water 14 in the tank 12 decreases to a temperature less than 10 °C above the triple point temperature of water, preferably less than 5 °C.
  • the water is then present in the first enclosure 10 at low pressure simultaneously in the gaseous and liquid states.
  • the heating stage corresponding to the transition between points C and D aims to increase the temperature of the water vapor in the low-pressure chamber 10 by at least 2 °C, preferably by at least 10 °C, and preferably by at least 20 °C.
  • the compression ratio of the compressor 32 can be adjusted to maintain substantially the same third pressure value in the second low-pressure chamber 30.
  • the compression ratio of the compressor 32 is, for example equal to 3 and the third pressure value in the second low-pressure chamber 30 is equal to 1830 Pa (18.3 mbar).
  • the fifth value of the temperature of the liquid water produced by the condenser 34 at 1830 Pa (18.3 mbar) is, for example, equal to 16.05 °C for an ambient temperature of approximately 6 °C.
  • the cold power extraction device 24 removes the ice crystals 15 as they form in the reservoir 12. The subsequent use of the ice crystals depends on the intended application.
  • ice crystals are collected to produce artificial snow.
  • a refrigeration system can be provided to lower the temperature of the collected ice and/or a pumping unit to evaporate residual water, thus cooling and drying the ice.
  • a device for chopping and aerating the produced ice can also be included.
  • the ice crystals 15 present in the reservoir 12 can play the role of a cold source.
  • the condenser 34 is adapted to liquefy the water vapor in the second low-pressure chamber 30 by means of heat exchange between the water vapor in the second low-pressure chamber 30 and a refrigerant.
  • the refrigerant is the air outside the refrigeration system 5.
  • the condenser 34 may include means for air mixing, for example, the propeller fan 36 as shown in figure 1 Air mixing is schematically represented by arrow 44.
  • the condenser 34 may include a Venturi fan or a thermosiphon.
  • the condenser 34 may include a heat exchanger unit. water-vapor liquid in enclosure 30 and a liquid-air or liquid/liquid exchanger group outside enclosure 30, the cooling fluid circulating between these two exchangers.
  • the condensation of water in enclosure 30 does not require the use of a refrigeration machine.
  • the production of liquid water by the condenser 34 can be achieved using ambient air as soon as the ambient air temperature is below the fifth desired temperature value.
  • ambient air can be used as soon as its temperature is below 16 °C, preferably below 6 °C to obtain a temperature difference of at least 10 °C across the heat exchanger.
  • the maximum possible ambient air temperature allowing the use of ambient air as a refrigerant by the condenser 34 is determined, in particular, by the compression ratio of the compressor 32. With a compression ratio of 10, a saturated vapor pressure of 6000 Pa (60 mbar) can be achieved in the second low-pressure chamber 30, and a fifth temperature value of 36 °C can be obtained without difficulty as soon as the ambient air temperature is below 30 °C.
  • the refrigeration system 5 can be used as soon as the ambient temperature is below 20 °C for artificial snow production and below 35 °C for air conditioning.
  • the theoretical COP of the refrigeration installation 5 is in the order of 19 to 20.
  • Table I below shows, for an application to artificial snow production, and as a function of ambient air temperature, the electrical consumption, expressed in kilowatts per cubic meter of snow produced, of the refrigeration unit 5 (INV) represented in figure 1 , a snow cannon-type installation (AA1), a snow pole-type installation (AA2), a low-temperature evaporation installation (AA3) pressure between 0.01 MPa (100 mbar) and 0.02 MPa (200 mbar) and a refrigerator type installation (AA4).
  • the electrical consumption per cubic meter of snow produced by the refrigeration installation 5 is significantly lower than that of refrigeration installations of the refrigerator type (AA4) and low pressure evaporation between 0.01 MPa (100 mbar) and 0.02 MPa (200 mbar) (AA3).
  • liquid water supplied by the condenser 34 is not reused. In another embodiment, the water supplied by the condenser 34 is reused to supply the reservoir 12.
  • FIG 5 is a partial and schematic view of a more detailed embodiment of the low-pressure tank 10 of the refrigeration system 5 of the figure 1 .
  • the protective element 20 comprises a membrane or screen 46 covering the free surface of the liquid water 14.
  • the membrane or screen 46 is permeable to water vapor and substantially impermeable to liquid water.
  • the protective element 20 may further comprise elements immersed in the liquid water 14, not shown, which regulate the generation of bubbles 43 during the boiling of the liquid water 14.
  • baffles 48 can be arranged in the part of the enclosure 10 in which the steam is heated by the heating device 22.
  • the baffles 48 allow the path of the steam to be lengthened. up to the inlet of compressor 32 to obtain the heating of the water vapor up to the desired temperature.
  • FIG. 6 is a partial and schematic cross-sectional view of a more detailed embodiment of the device 24 for recovering water in the solid state of the refrigeration installation 5.
  • the device 24 is adapted to extract water in a solid state from the reservoir 12. Such an embodiment is particularly suitable in the case where the refrigeration installation 5 is used for the production of artificial snow.
  • the device 24 may include a secondary chamber 50 connected to the reservoir 12 by a lower pipe 52 and an upper pipe 54, located above the lower pipe 52.
  • a pump 56 provided on the upper pipe 54 is adapted to circulate the contents of the reservoir 12 to the secondary chamber 50
  • a pump 58 provided on the lower pipe 52 is adapted to circulate the contents of the secondary chamber 50 back to the reservoir 12.
  • the pressure in the secondary chamber 50 may be higher than in the reservoir 12, for example, equal to atmospheric pressure, so that there is no boiling in the secondary chamber 50.
  • the ice crystals then accumulate above the liquid water 62 by settling into a floating mass of ice 60.
  • the device 24 includes means 64 for extracting the ice crystals 60, including, for example, a screw conveyor or a bucket elevator.
  • Device 24 may be part of an air conditioning or refrigeration system and may comprise a closed circuit through which a refrigerant circulates, including a first heat exchanger 66 disposed in the reservoir 12 and a second heat exchanger 68 located outside the enclosure 10.
  • the first heat exchanger 66 is not present and the circulating fluid in the heat exchanger 68 corresponds to the liquid water 14 present in the tank 12.
  • FIG 8 is a partial, schematic cross-sectional view of an embodiment of a refrigeration system 70.
  • the refrigeration system 70 comprises all the elements of the refrigeration system 5 shown in figure 1 The difference is that it further includes means according to the invention for maintaining the liquid water in a supercooled state within the first chamber 10 at low pressure.
  • the means for maintaining the liquid water in a supercooled state may include an agitator 72 adapted to stir the water in the liquid state within the first chamber 10 at low pressure.
  • the agitator 72 comprises, for example, a bar or a propeller rotated within the liquid water 14.
  • the means for maintaining the liquid water in a supercooled state include at least one additive added to the water in the liquid state. This additive, when mixed with the water, results in a solution whose freezing point is lower than the freezing point of water without the additive.
  • the temperature of the liquid water 14 in the first low-pressure chamber 10 may be lower than the triple point temperature of water, and is, for example, at a temperature that can vary from -40 °C to -1 °C, preferably from -20 °C to -1 °C.
  • the operation of the refrigeration system 70 is identical to the operation described previously for the refrigeration system 5, except that the temperature of the liquid water in the first low-pressure chamber 10 may be lower than the triple point temperature of water.
  • FIG 9 is a partial, schematic cross-sectional view of a more detailed embodiment of part of the refrigeration system of the figure 8 , in which the cold power extraction device 24 in the tank 12 has the structure shown in figure 7
  • the second exchanger 68 of device 24 is located in an enclosure 80 containing
  • the liquid water 82 is cooled in the chamber 80 until it becomes solid water 84.
  • the pressure in the chamber 80 may advantageously be greater than the saturated vapor pressure of water at its triple point temperature, and be, for example, at atmospheric pressure.
  • the first heat exchanger 66 is not present, and the liquid circulating in the heat exchanger 68 corresponds to the liquid water 14 present in the reservoir 12.
  • FIG. 10 is a partial, schematic cross-sectional view of one embodiment of a refrigeration system 90.
  • the refrigeration system 90 comprises all the elements of the refrigeration system 5 shown in figure 1 The difference is that the single tank 12 of the refrigeration system 5 is replaced by N tanks 12 ⁇ sup> 1 ⁇ /sup> to 12 ⁇ sup>N ⁇ /sup> located in the first low-pressure chamber 10, where N is an integer from 1 to 100.
  • the water supply line 18 is connected to each tank 12 ⁇ sup> 1 ⁇ /sup> to 12 ⁇ sup> N ⁇ /sup>.
  • the heating device 22 is shown as an example inside the compressor inlet line 32, which opens into the first low-pressure chamber 10.
  • the liquid water recovery line 38 from the condenser 34 is connected to the line 18, and the liquid water recovered by the line 38 is pumped into the tanks 12N to 12N by means of a pump 92, for example, a positive displacement pump.
  • the pump 92 may be omitted, resulting in the circulation of liquid water in the lines 18 and 38. only the pressure difference between chambers 10 and 30.
  • the condenser 34 includes nozzles 94 for projecting liquid water into the second chamber 30 at low pressure in the form of droplets 96, three nozzles 94 being shown by way of example in Figure 10
  • the cold droplets 96 promote the condensation of the water vapor expelled into the second low-pressure chamber 30 by the compressor 32, by multiplying the vapor/liquid interfaces that facilitate the adsorption of water vapor.
  • the liquid water is collected in a reservoir 98, formed, for example, by the bottom of the second low-pressure chamber 30.
  • the line 38 recovers some of the liquid water present in the reservoir 98.
  • the condenser 34 also includes a hydraulic circuit 100 through which some of the liquid water from the reservoir 98 circulates, supplying the nozzles 94 with cooled water.
  • the hydraulic circuit 100 includes a pump 102 for circulating the liquid water and a heat exchanger 104 located outside the second low-pressure chamber 30, for example, a heat exchanger cooled by ambient air.
  • the condenser 34 includes means, for example, the fan 36 described previously, for circulating ambient air through the heat exchanger 104.
  • the heat exchanger 104 can be cooled by another source, for example, a stream.
  • the liquid water expelled from the nozzles 94, which has been cooled by the heat exchanger 104, is, for example, at ambient temperature.
  • the temperature of the droplets 96 at the outlet of the nozzles 94 is at least 10 °C lower than the temperature of the liquid water supplying the hydraulic circuit 100.
  • the pressure differential control system 42 between the second low-pressure chamber 30 and the first low-pressure chamber 10 comprises a conduit 106 connected to the second low-pressure chamber 30 in the portion of the chamber 30 containing steam Water, pipe 106 being equipped with a controllable flow control valve 108, supplies an expansion turbine 110.
  • the outlet of turbine 110 is connected to a pipe 112 which supplies each reservoir 12N .
  • Turbine 110 receives steam at the pressure of the second low-pressure chamber 30, which is already cooled by the droplet condenser 34, and provides a two-phase mixture comprising liquid water and steam. The rotational speed of turbine 110 is adjusted so that the discharged steam has the desired pressure.
  • the liquid water has been cooled by expansion and the steam is substantially at the desired pressure in the first low-pressure chamber 10.
  • the steam expelled through pipe 112 into each tank 12N can advantageously act as an agitator for the liquid water present in tanks 12N and further promotes the cooling of the liquid water contained in tanks 12N .
  • the turbine 110 and the valve 108 can be controlled by the processing module 40, not shown in the diagram . Figure 10 .
  • the cold power extraction device 24 in the tanks 121 to 12N comprises a hydraulic circuit 114 connected to the tanks 121 to 12N through which some of the water present in the tanks 121 to 12N circulates.
  • the hydraulic circuit 114 includes a pump 116 for circulating the liquid water and a heat exchanger 118 located outside the first low-pressure enclosure 10, for example, a heat exchanger cooperating with a heat exchanger 120 of another hydraulic circuit 122 connected to a device 124 to be cooled.
  • the hydraulic circuit 114 can be connected to the pipe 18 for the discharge of the liquid water circulating in the hydraulic circuit 114 to the tanks 12 1 to 12 N.
  • the turbocharger 32 comprises two successive stages 130 and 132.
  • the first stage 130 has a fixed compression ratio, for example, approximately 3, and the second stage 132 has a controllable variable compression ratio.
  • the rotational speed of the second turbomachine 132 can be controlled by the processing module 40, not shown in the figure.
  • each stage 130, 132 corresponds to a turbocharger.
  • the first stage 130 controls the flow rate of steam extracted from the first chamber 10 at low pressure.
  • the second stage 132 sets the pressure of the steam discharged into the second chamber 30 at low pressure.
  • the condenser 34 is a condenser in which the water vapor is cooled and liquefied by the ambient air
  • other types of condenser 34 may be used, for example, a liquid-cooled condenser.

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Description

  • La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR17/57207 .
    • Domaine
  • La présente demande concerne une installation frigorifique.
    • Exposé de l'art antérieur
  • Une installation frigorifique peut être utilisée dans de nombreuses applications différentes.
  • Un exemple d'utilisation d'une installation frigorifique concerne un système de climatisation, notamment dans le cadre d'un réseau de froid urbain ou pour un centre de données.
  • Un autre exemple d'utilisation d'une installation frigorifique concerne un système de production de neige artificielle, par exemple pour l'enneigement de stations de ski dans le cas de faibles chutes de neige dues aux conditions météorologiques ou inhérentes à la situation géographique des stations.
  • De manière générale, pour tout convertisseur d'énergie thermomécanique, et notamment pour une installation frigorifique, on appelle coefficient de performance (COP) le rapport entre la puissance thermique produite par le système (quantité de chaleur chaude Q+ch ou quantité de chaleur froide Qref) et le travail fourni au système (travail W). Il est généralement souhaitable que le COP soit le plus élevé possible, ce qui traduit un bon rendement énergétique du système et induit une faible consommation énergétique, sachant que la consommation énergétique comprend la consommation électrique du système.
  • Il existe différents types d'installations frigorifiques pouvant être utilisées notamment dans des systèmes de production de neige artificielle. Des premiers systèmes de production de neige artificielle sont des systèmes ouverts à l'air ambiant, du type canon à neige ou perche à neige, et mettent généralement en oeuvre la pulvérisation d'un mélange d'eau et d'air qui se cristallise au contact de l'air ambiant. L'air peut provenir d'une source d'air comprimé dont la détente entraîne la formation de neige. Un inconvénient de ces systèmes est qu'ils ne peuvent fonctionner que sur des plages de température et d'hygrométrie réduites, généralement à une température inférieure à -2 °C et à une hygrométrie supérieure à 30 %. Des deuxièmes systèmes de production de neige artificielle comprennent des systèmes ouverts, tels que décrits dans la demande de brevet WO2012/104787 . La consommation électrique de tels systèmes de production de neige varie généralement de 20 kWh à 40 kWh par mètre cube de neige produite, ce qui est plus faible que les deuxièmes et troisièmes systèmes de production de neige. Toutefois, de tels systèmes de production nécessitent la construction de tours de refroidissement et présentent donc un coût de construction trop élevé pour une exploitation à grande échelle.
  • Des troisièmes systèmes de production de neige artificielle comprennent des systèmes fermés du type réfrigérateur comportant un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur. Un inconvénient est que le COP est généralement faible, en général de l'ordre de 2 à 4. En outre, la consommation électrique de tels systèmes de production de neige peut être élevée, par exemple de 40 kWh à 120 kWh par mètre cube de neige produite.
  • Des quatrièmes systèmes de production de neige artificielle comprennent des systèmes fermés mettant en oeuvre des procédés cryogéniques comprenant notamment la formation d'un mélange d'eau et d'un gaz cryogénique, notamment de l'azote ou du dioxyde de carbone. Même si le COP d'un tel système de production de neige peut être élevé, il faut tenir compte de l'énergie nécessaire à la production du fluide cryogénique. De ce fait, la consommation globale de tels systèmes de production de neige peut être supérieure à plusieurs centaines de kWh par mètre cube de neige produite, ce qui entraîne un coût d'exploitation trop élevé pour une exploitation à grande échelle et d'importantes contraintes logistiques.
  • Il serait souhaitable de prévoir une installation de production de froid, notamment pour un système de climatisation ou pour un système de production de neige artificielle, ayant un COP élevé, notamment supérieur à 6, de préférence supérieur à 10, et dont la consommation électrique soit faible, en particulier lorsque l'installation frigorifique est installée dans un système de production de neige dont la consommation est inférieure à 5 kWh, de préférence inférieure à 3 kWh par mètre cube de neige produite. Il serait en outre souhaitable que l'installation frigorifique puisse fonctionner normalement sur une plage étendue de températures ambiantes, en particulier à des températures positives, et de préférence jusqu'à 25 °C, voire jusqu'à 35 °C.
  • Le document JP 2004 251541 A divulgue une installation frigorifique suivant le préambule de la revendication 1.
    • Résumé
  • Ainsi, un objet d'un mode de réalisation est de pallier au moins en partie les inconvénients des installations frigorifiques décrites précédemment.
  • Un autre objet d'un mode de réalisation est que le COP de l'installation frigorifique est supérieur à 6, de préférence supérieur à 10.
  • Un autre objet d'un mode de réalisation est que la consommation électrique de l'installation frigorifique est réduite, en particulier, lorsque l'installation frigorifique est installée dans un système de production de neige, inférieure à 5 kWh par mètre cube de neige produite, de préférence inférieure à 3 kWh par mètre cube de neige produite.
  • Un autre objet d'un mode de réalisation est que l'installation frigorifique peut fonctionner à une température ambiante comprise entre -30 °C et +25 °C, de préférence entre -30 °C et +35 °C.
  • Un autre objet d'un mode de réalisation est que le coût de construction de l'installation frigorifique est réduit.
  • Ainsi, l'invention prévoit une installation frigorifique suivant l'objet de la revendication 1.
  • Selon un mode de réalisation, l'installation comprend un dispositif de chauffage de l'eau à l'état gazeux dans la première enceinte destinée à alimenter le dispositif de compression.
  • Suivant l'invention, la première enceinte contient en outre de l'eau à l'état solide à une température inférieure ou égale à la température du point triple de l'eau.
  • Selon un mode de réalisation, l'eau circule en circuit fermé dans l'installation.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif de condensation comprend un premier échangeur de chaleur à l'extérieur de la deuxième enceinte et des moyens de mise en circulation d'un premier fluide caloporteur autour de la deuxième enceinte au travers du premier échangeur de chaleur.
  • Selon un mode de réalisation, le premier fluide caloporteur est l'air ambiant ou de l'eau d'un cours d'eau, d'une étendue d'eau ou d'une nappe d'eau.
  • Selon un mode de réalisation, la deuxième pression dans la deuxième enceinte est inférieure ou égale à 10000 Pa (100 mbar), de préférence inférieure ou égale à 6000 Pa (60 mbar).
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif d'extraction de puissance froide comprend un circuit hydraulique dans lequel circule une partie ou la totalité de l'eau à l'état liquide présente dans la première enceinte, le circuit hydraulique comprenant un deuxième échangeur de chaleur situé à l'extérieur de la première enceinte.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif d'extraction de puissance froide comprend un circuit hydraulique fermé dans lequel circule un deuxième fluide caloporteur, le circuit hydraulique comprenant un deuxième échangeur de chaleur situé à l'extérieur de la première enceinte et un troisième échangeur de chaleur disposé dans la première enceinte.
  • Selon un mode de réalisation, l'installation frigorifique comprend une troisième enceinte dans laquelle est situé le deuxième échangeur de chaleur délivrant la puissance froide à l'utilisateur final, la troisième enceinte contenant par exemple de l'eau à l'état solide.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage comprend une source d'un rayonnement infrarouge et/ou une source d'un rayonnement micro-onde.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage est adapté à chauffer l'eau à l'état gazeux dans la première enceinte destinée à alimenter le dispositif de compression d'au moins 2 °C, de préférence d'au moins 10 °C, plus préférentiellement d'au moins 20 °C.
  • Suivant l'invention, le dispositif de compression comprend au moins un compresseur de type turbomachine, notamment un compresseur centrifuge et/ou un compresseur axial.
  • Suivant l'invention, le dispositif de compression comprend une succession d'étages, chaque étage comprenant un rotor et un stator.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif de compression est un compresseur de Tesla.
  • Suivant l'invention, le dispositif de compression comprend un premier étage de compresseur à taux de compression fixe et un deuxième étage de compresseur à taux de compression commandable.
  • Selon un mode de réalisation, l'installation frigorifique comprend, en outre, dans la première enceinte, un dispositif mécanique de protection du dispositif de compression contre l'admission de particules à l'état solide et/ou liquide.
  • Selon un mode de réalisation, l'installation frigorifique comprend une conduite d'apport d'eau à l'état liquide dans la première enceinte.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif de condensation comprend au moins une buse de projection de gouttelettes d'eau à l'état liquide dans la deuxième enceinte.
  • Selon un mode de réalisation, l'installation comprend, en outre, un système de régulation de la différence de pression entre la deuxième enceinte et la première enceinte.
  • Selon un mode de réalisation, le système de régulation comprend une turbine de détente configurée pour détendre de l'eau à l'état gazeux depuis la deuxième enceinte et refouler un mélange contenant de l'eau à l'état gazeux et de l'eau à l'état liquide dans la première enceinte.
  • Selon un mode de réalisation, la première enceinte comprend au moins un réservoir d'eau à l'état liquide et dans laquelle ledit mélange est refoulé dans l'eau à l'état liquide contenue dans ledit réservoir.
  • Un mode de réalisation prévoit également un système de production de neige artificielle comprenant une installation frigorifique telle que définie précédemment.
  • Un mode de réalisation prévoit également un système de climatisation destiné aux installations industrielles, collectives et privées comprenant une installation frigorifique telle que définie précédemment, notamment dans le cadre d'un réseau de froid urbain ou pour un centre de données.
  • L'invention prévoit également un procédé de production de froid suivant l'objet de la revendication 14.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape de chauffage de l'eau à l'état gazeux dans la première enceinte destinée à être comprimée.
    • Brève description des dessins
  • Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
    • la figure 1 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'une installation frigorifique ;
    • les figures 2 à 4 représentent des diagrammes enthalpie-pression de l'eau illustrant le fonctionnement de l'installation frigorifique représentée en figure 1 ;
    • la figure 5 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé d'une partie de l'installation frigorifique de la figure 1 ;
    • les figures 6 et 7 sont des vues en coupe, partielles et schématiques, de modes de réalisation plus détaillés d'une autre partie de l'installation frigorifique de la figure 1 ;
    • la figure 8 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une installation frigorifique ;
    • la figure 9 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé d'une partie de l'installation frigorifique de la figure 8 ; et
    • la figure 10 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une installation frigorifique.
    Description détaillée
  • Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. En outre, seuls les éléments utiles à la compréhension de la présente description ont été représentés et sont décrits. En particulier, les compresseurs et les échangeurs de chaleur sont bien connus de l'homme de l'art et ne sont pas décrits en détail. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence à l'orientation des figures ou à une installation frigorifique dans une position normale d'utilisation. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "sensiblement", "environ", "approximativement" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près", de préférence "à 5 % près".
  • Dans la suite de la demande, on appelle "eau" le composé chimique H2O qui peut être à l'état liquide, solide ou gazeux. En outre, on utilise par la suite indifféremment les expressions "eau à l'état gazeux" ou "vapeur d'eau". Dans la suite de la demande, on utilise l'expression "eau liquide" ou "eau à l'état liquide" pour désigner indifféremment de l'eau pure à l'état liquide ou de l'eau à l'état liquide correspondant au solvant d'une solution aqueuse contenant en outre au moins un soluté. En outre, dans la suite de la description, l'expression "point triple de l'eau" signifie "point triple de l'eau pure".
  • Des modes de réalisation d'installations frigorifiques utilisant de l'eau à l'état liquide vont maintenant être décrits. Il est clair que, dans ces modes de réalisation, l'eau à l'état liquide peut correspondre au solvant d'une solution aqueuse, c'est-à-dire que des additifs peuvent être ajoutés à l'eau à l'état liquide.
  • La figure 1 représente un mode de réalisation d'une installation frigorifique 5.
  • L'installation frigorifique 5 comprend :
    • une première enceinte 10 à basse pression, étanche aux gaz par rapport au milieu extérieur et isolée thermiquement par rapport au milieu extérieur, la première enceinte 10 à basse pression contenant, en fonctionnement, essentiellement de la vapeur d'eau 11 ;
    • un réservoir 12 contenant de l'eau liquide 14, et, lors d'un fonctionnement en régime stationnaire de l'installation frigorifique 5, de l'eau à l'état solide 15, le réservoir 12 étant situé dans la première enceinte 10 à basse pression et étant ouvert sur le volume interne de la première enceinte 10 à basse pression ;
    • une conduite 18 d'apport d'eau liquide dans le réservoir 12 ;
    • un élément de protection 20, logé dans la première enceinte 10 à basse pression, recouvrant la surface libre de l'eau liquide 14 et empêchant la projection d'éclaboussures d'eau liquide hors du réservoir 12 ;
    • au moins un dispositif de chauffage 22 d'au moins une partie de la vapeur d'eau dans la première enceinte 10 à basse pression ;
    • un dispositif 24 d'extraction de puissance froide dans le réservoir 12, par exemple un dispositif de récupération de l'eau à l'état solide relié au réservoir 12 ;
    • une deuxième enceinte 30 à basse pression, étanche aux gaz par rapport au milieu extérieur et isolée thermiquement par rapport au milieu extérieur, la pression dans la deuxième enceinte 30 à basse pression étant supérieure à la pression dans la première enceinte 10 à basse pression ;
    • un compresseur 32, également appelé dispositif de compression, par exemple un turbocompresseur, une turbine ou un compresseur de Tesla, reliant la première enceinte 10 à basse pression à la deuxième enceinte 30 à basse pression, recevant strictement de la vapeur d'eau de la première enceinte 10 à basse pression et fournissant de la vapeur d'eau comprimée à la deuxième enceinte 30 à basse pression ;
    • un dispositif de condensation 34, également appelé condenseur 34, adapté à liquéfier la vapeur d'eau présente dans la deuxième enceinte 30 à basse pression, le condenseur 34 étant en partie logé dans la deuxième enceinte 30 à basse pression et comprenant par exemple un échangeur de chaleur refroidi par l'air ambiant, le condenseur 34 comprenant des moyens, par exemple un ventilateur 36, pour faire circuler de l'air ambiant au travers de l'échangeur de chaleur ;
    • une conduite 38 de récupération de l'eau liquide produite par le condenseur 34 ; et
    • un module de traitement 40 relié au dispositif de chauffage 22, au compresseur 32 et au condenseur 34 et adapté à commander le dispositif de chauffage 22, le compresseur 32 et le condenseur 34.
  • Lorsque l'installation frigorifique 5 fonctionne en cycle ouvert, l'eau liquide 14 contenue dans le réservoir 12 peut être de l'eau provenant directement du système de distribution d'eau courante, ou de l'eau douce, notamment de l'eau provenant d'un cours d'eau ou de l'eau provenant d'une retenue collinaire. Dans le cas où l'installation frigorifique 5 fonctionne en cycle fermé, la conduite 38 peut être reliée à la conduite 18. L'installation frigorifique 5 peut, en outre, comprendre un système 42 de régulation de la différence de pression entre la deuxième enceinte 30 à basse pression et la première enceinte 10 à basse pression. Le système 42 peut correspondre à un système de vanne commandée, à un système à capillaire, à un système de turbine de détente ou à un système de déverseur, et est adapté à maintenir la différence de pression entre la deuxième enceinte 30 à basse pression et la première enceinte 10 à basse pression à une valeur sensiblement constante.
  • Le module de traitement 40 peut correspondre à un circuit dédié ou peut comprendre un processeur, par exemple un microprocesseur ou un microcontrôleur, adapté à exécuter des instructions d'un programme d'ordinateur stocké dans une mémoire. L'installation frigorifique 5 peut, en outre, comprendre des capteurs, notamment des capteurs de température, des capteurs de pression, des capteurs de niveau, des capteurs de débit, etc., non représentés, reliés au module de traitement 40, notamment pour la détection de la température et de la pression dans les enceintes 10 et 30.
  • Selon un mode de réalisation, le compresseur 32 est un compresseur axial ou un compresseur centrifuge qui fournit un flux de vapeur comprimée sensiblement selon l'axe de rotation du compresseur. Le compresseur comprend une succession d'étage de compression, chaque étage comprenant un rotor et un stator. Le rotor comprend des aubes entraînées en rotation par un arbre de transmission. Le rotor accélère l'écoulement gazeux grâce à l'énergie transmise par l'arbre de transmission du compresseur. Le stator comprend des aubes fixes. Le stator transforme l'énergie cinétique de l'écoulement gazeux en pression via la forme du stator.
  • Le dispositif de chauffage 22 est de préférence un dispositif de chauffage par rayonnement, comprenant une source d'un rayonnement électromagnétique atteignant la vapeur d'eau. Le dispositif de chauffage 22 comprend par exemple un système de chauffage de la vapeur d'eau par infrarouge ou par exemple un système de chauffage de la vapeur d'eau par micro-onde. Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage 22 comprend à la fois une source de rayonnement infrarouge et une source de rayonnement par micro-onde. Selon l'application envisagée, le dispositif de chauffage 22 peut ne pas être présent.
  • Les dimensions de l'installation frigorifique 5 dépendent de l'application visée. Le volume de la première enceinte 10 à basse pression peut être compris entre 1 l et plusieurs milliers de mètres cubes, notamment entre 10 l et 10000 l. Le volume de la deuxième enceinte 30 à basse pression peut être compris entre 1 l et un millier de mètres cubes, notamment entre 1 l et 10000 l. Le volume d'eau liquide 14 dans le réservoir 12 peut être compris entre 1 l et plusieurs milliers de mètres cubes, notamment entre 1 l et 3000 m3, en particulier entre 9 l et 9999 l.
  • L'installation frigorifique 5 comprend une pompe à vide primaire, non représentée, reliée à la première enceinte 10 à basse pression et/ou à la deuxième enceinte 30 à basse pression.
  • La figure 2 représente un diagramme enthalpie-pression de l'eau illustrant le fonctionnement de l'installation frigorifique 5 au début de son fonctionnement.
  • Les points référencés A à G en figure 2 illustrent des états successifs par lesquels passe de l'eau circulant dans l'installation frigorifique 5.
  • Le point A représente de l'eau liquide qui va être introduite dans le réservoir 12 par la conduite 18, par exemple pour remplir le réservoir 12 au début du fonctionnement de l'installation 5. La pression de l'eau liquide au point A est à une première valeur de pression et la température de l'eau liquide au point A est à une première valeur de température. Selon un mode de réalisation, la première valeur de pression est supérieure ou égale à 0,1 MPa (1 bar), par exemple supérieure ou égale à 0,1 MPa (1 bar) et inférieure ou égale à 10 MPa (100 bar). Selon un mode de réalisation, la première valeur de température est supérieure ou égale à 5 °C, par exemple supérieure ou égale à 5 °C et inférieure ou égale à 10 °C. L'eau apportée dans le réservoir 12 provient par exemple d'un réseau de distribution d'eau auquel est reliée l'installation frigorifique 5. La première valeur de température peut alors correspondre à la température de l'eau fournie par le réseau de distribution.
  • Une fois introduite dans le réservoir 12, la pression de l'eau liquide 14 diminue de la première valeur de pression jusqu'à la pression dans la première enceinte 10 à basse pression qui est à une deuxième valeur de pression. Ceci correspond à la transition du point A au point B. En fonctionnement, la deuxième valeur de pression est égale à la pression de vapeur saturante de l'eau liquide 14 présente dans le réservoir 12. Selon un mode de réalisation, la deuxième valeur de pression dans la première enceinte 10 à basse pression est typiquement comprise entre 600 Pa (6 mbar) et 2500 Pa (25 mbar), de préférence entre 600 Pa (6 mbar) et 1500 Pa (15 mbar). A titre d'exemple, pour de l'eau à 5 °C, la pression dans la première enceinte 10 à basse pression peut être égale à 870 Pa (8,7 mbar). La température de l'eau liquide introduite dans le réservoir 12 pendant la baisse de pression reste sensiblement constante et égale à la première valeur de température.
  • La température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 est à une deuxième valeur de température. Au début du fonctionnement de l'installation frigorifique 10, la deuxième valeur de température est sensiblement égale à la première valeur de température de sorte que la température de l'eau introduite dans le réservoir 12 et dont la pression a diminué ne varie sensiblement pas.
  • Il se produit une évaporation d'une partie de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 qui va amener l'eau de la première valeur de température à la deuxième valeur de température. Ceci correspond à la transition du point B au point C. Comme la pression dans l'enceinte 10 à basse pression est égale à la pression de vapeur saturante de l'eau à la deuxième valeur de température, la vaporisation est une ébullition de l'eau liquide 14 qui comprend notamment la formation de bulles 43 (voir figure 1) dans l'eau liquide 14. Il est alors obtenu, dans la première enceinte 10 à basse pression, de la vapeur d'eau à la deuxième valeur de température et à la deuxième valeur de pression. L'élément de protection 20 permet d'éviter que des projections d'eau liquide n'atteignent le compresseur 32 ou que de l'eau liquide ne se répande hors du réservoir 12 lors de l'ébullition de l'eau liquide 14. L'élément de protection 12 peut, en outre, permettre d'augmenter la surface d'échange en comprenant des parties pénétrant dans l'eau liquide.
  • Selon un mode de réalisation, tout ou partie de la vapeur d'eau dans la première enceinte 10 à basse pression est chauffée par le dispositif de chauffage 22. La température d'une partie de vapeur d'eau dans la première enceinte 10 à basse pression passe alors de la deuxième valeur de température à une troisième valeur de température. Selon un mode de réalisation, la vapeur d'eau est pompée par le compresseur 32 jusque dans la partie de la première enceinte 10 où elle est chauffée. Ceci correspond à la transition du point C au point D. Selon un mode de réalisation, la troisième valeur de température est supérieure ou égale à 0 °C et inférieure ou égale à 100 °C. De préférence, la troisième valeur de température est supérieure à la deuxième valeur de température d'au moins 2 °C, de préférence d'au moins 10 °C, plus préférentiellement d'au moins 20 °C. La pression de la vapeur d'eau pendant l'étape de chauffage ne varie sensiblement pas et reste sensiblement égale à la deuxième valeur de pression. L'utilisation du dispositif de chauffage 22 par rayonnement permet de chauffer toute la vapeur d'eau qui alimente le compresseur 32. En effet, il serait difficile avec un dispositif de chauffage par conduction ou convection de chauffer toute la vapeur d'eau qui alimente le compresseur 32 en raison de la pression faible et par conséquence de la densité de matière trop faible dans la première enceinte 10 à basse pression.
  • La vapeur d'eau chauffée à la troisième valeur de température alimente le compresseur 32 qui refoule la vapeur d'eau comprimée dans la deuxième enceinte 30 à basse pression. Ceci correspond à la transition du point D au point E. Selon un mode de réalisation, le rapport de compression du compresseur 32 est supérieur ou égal à 2 et par exemple inférieur ou égal à 14. La pression dans la deuxième enceinte 30 à basse pression est égale à une troisième valeur de pression supérieure à la deuxième valeur de pression d'au moins un facteur de 2. A titre d'exemple, la troisième valeur de pression est supérieure ou égale à 600 Pa (6 mbar) et inférieure ou égale à 10000 Pa (100 mbar), de préférence inférieure ou égale à 6000 Pa (60 mbar). A titre d'exemple, lorsque la deuxième valeur de pression est égale à 870 Pa (8,7 mbar) et que le rapport de compression du compresseur 32 est égal à 2, la troisième valeur de pression est sensiblement égale à 1740 Pa (17,4 mbar). La compression de la vapeur d'eau par le compresseur 32 entraîne un échauffement de la vapeur d'eau dont la température passe de la troisième valeur de température à une quatrième valeur de température, supérieure à la troisième valeur de température.
  • La vapeur d'eau comprimée dans l'enceinte 30 à basse pression est refroidie puis liquéfiée en eau liquide refroidie par le condenseur 34. Ceci correspond à la transition du point E au point F et à la transition du point F au point G. La pression de l'eau pendant l'étape de refroidissement et de liquéfaction ne varie sensiblement pas et reste égale à la troisième valeur de pression. La température de l'eau varie de la quatrième valeur de température à une cinquième valeur de température inférieure strictement à la quatrième valeur de température. A titre d'exemple, pour une troisième valeur de pression égale à 1740 Pa (17,4 mbar), la cinquième valeur de température peut être égale à 15,3 °C. Plus le rapport de compression est élevé, plus il est possible de condenser l'eau avec des températures extérieures importantes et plus la condensation peut être réalisée rapidement.
  • L'eau liquide produite par le condenseur 34 est évacuée du réservoir 30 à basse pression par la conduite 38. Dans le cas d'un cycle fermé, la conduite 38 est reliée à la conduite 18 de sorte que l'eau liquide évacuée de l'enceinte 30 est ramenée dans le réservoir 12.
  • La condensation provoque un pompage par dépression, lié à la différence de volume massique entre l'eau liquide et l'eau gazeuse (rapport d'environ 1600 à 200000 entre les phases liquide et gazeuse), qui entretient un niveau de vide dans les enceintes 10 et 30. Le maintien de la différence de pression entre l'enceinte 30 à basse pression et l'enceinte 10 à basse pression est réalisé par le module de traitement 40 qui commande dans ce but le dispositif de chauffage 22, le compresseur 32, le condenseur 34, le système 42 et éventuellement la pompe à vide primaire.
  • La pompe à vide primaire fonctionne au démarrage de l'installation frigorifique 5 jusqu'à ce que la pression dans la première enceinte 10 à basse pression atteigne la pression de vapeur saturante à la première valeur de température. La pompe à vide peut alors être arrêtée et la pression dans l'enceinte 10 est maintenue par la dépression générée au niveau du condenseur 34 et le travail mécanique du compresseur 32. La pompe à vide peut en outre participer, si besoin, au maintien de la pression dans la première enceinte 10 à basse pression.
  • Les figures 3 et 4 représentent chacune un diagramme enthalpie-pression de l'eau illustrant le fonctionnement de l'installation frigorifique 5 en régime stationnaire respectivement pour un cycle ouvert et pour un cycle fermé.
  • En régime stationnaire, le réservoir 12 est rempli d'eau liquide 14. Un complément d'eau est apporté par la conduite 18 dans le réservoir 12 pour compenser les pertes d'eau liquide du réservoir 12, par exemple de façon continue ou par intermittence. Dans le cas d'un cycle ouvert, le complément d'eau se trouve au point A (figure 3). Dans le cas d'un cycle fermé, le complément en eau liquide provient des condensats récupérés dans l'enceinte 30 et se trouve donc au point G.
  • Lors de l'évaporation de l'eau liquide 14 du réservoir 12 décrite précédemment, la chaleur nécessaire pour produire de la vapeur d'eau est extraite de l'eau liquide 14 étant donné que la première enceinte 10 à basse pression est isolée thermiquement par rapport au milieu extérieur. On obtient ainsi un refroidissement de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12. Ceci se traduit sur les figures 3 et 4 par un état supplémentaire représenté par le point B' dans la succession d'états suivie par de l'eau circulant dans l'installation 5. En effet, lorsque de l'eau est introduite dans le réservoir 12 à la première valeur de température et à la première valeur de pression pour un cycle ouvert (point A en figure 3) et à la cinquième valeur de température et troisième valeur de pression pour un cycle fermé (point G en figure 4), il y a une diminution de la pression de cette eau à la deuxième valeur de pression, correspondant à la transition du point A au point B, et une diminution de la température de l'eau de la première valeur de température à la deuxième valeur de température, strictement inférieure à la première valeur de température, correspondant à la transition du point B au point B'.
  • La pression dans la première enceinte 10 à basse pression diminue simultanément à la diminution de la température de l'eau liquide 14 du réservoir 12 pour rester égale à la pression de vapeur saturante à la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12. Le maintien de la pression dans l'enceinte 10 à la pression de vapeur saturante à la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 est réalisé par le module de traitement 40 qui commande dans ce but le dispositif de chauffage 22, le compresseur 32 et le condenseur 34, le système 42 et éventuellement la pompe à vide primaire.
  • Selon un mode de réalisation, la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 diminue jusqu'à atteindre la température du point triple de l'eau, qui, à titre d'exemple, pour une pression de 611 Pa (6,11 mbar) est égale à 0,01 °C. Des cristaux de glace 15 se forment alors dans le réservoir 12, ce qui correspond à la transition entre les points B' et B" sur les figures 3 et 4. Selon un mode de réalisation, en régime stationnaire, la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 reste sensiblement constante et égale à la température du point triple de l'eau pure et la pression dans la première enceinte 10 à basse pression est sensiblement égale à la pression de vapeur saturante à la température du point triple de l'eau. Selon un autre mode de réalisation, lorsque des moyens de brassage de l'eau sont prévus ou lorsque des additifs appropriés sont ajoutés à l'eau, en régime stationnaire, la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 reste sensiblement constante et égale à une température inférieure à la température du point triple de l'eau pure et la pression dans la première enceinte 10 à basse pression est sensiblement égale à la pression de vapeur saturante de l'eau en équilibre avec la pression de l'eau à l'état liquide à la température inférieure à la température du point triple de l'eau. L'eau est alors présente dans la première enceinte 10 à basse pression simultanément à l'état gazeux, à l'état liquide et à l'état solide. Selon un autre mode de réalisation, notamment lorsque l'installation frigorifique est utilisée dans un système de climatisation, la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12 diminue jusqu'à une température supérieure à la température du point triple de l'eau de moins de 10 °C, de préférence de moins de 5 °C. L'eau est alors présente dans la première enceinte 10 à basse pression simultanément à l'état gazeux et à l'état liquide.
  • En résumé, l'évaporation d'une masse Mev d'eau va contribuer à refroidir la masse Mliq d'eau restante à la deuxième valeur de température, puis à solidifier une masse Msol d'eau, éventuellement nulle, qui se transforme alors en glace selon la relation (1) suivante : M ev * L ev = M liq * C p * Δθ + M sol * L sol où Lev est la chaleur latente d'évaporation de l'eau, Cp est la capacité calorifique de l'eau liquide, Δθ est la différence entre les première et deuxième valeurs de température, et Lsol est la chaleur latente de solidification de l'eau.
  • Dans le cas où de l'eau à l'état solide est produite, en fin de cycle, on peut avoir une masse de glace Msol selon la relation (2) suivante : M ev * L ev = M sol * C p * Δθ + L sol
  • Les autres transitions d'états de l'eau sont les mêmes que celles décrites précédemment en relation avec la figure 2. En particulier, l'étape de chauffage qui correspond à la transition entre les points C et D vise à augmenter la température de la vapeur d'eau dans l'enceinte 10 à basse pression d'au moins 2 °C, de préférence d'au moins 10 °C, de préférence d'au moins 20 °C. En outre, lors de la diminution de la température de l'eau liquide 14 dans le réservoir 12, le rapport de compression du compresseur 32 peut être ajusté pour conserver sensiblement la même troisième valeur de pression dans la deuxième enceinte 30 à basse pression. A titre d'exemple, lorsque la deuxième valeur de pression dans la première enceinte 10 à basse pression est égale à 611 Pa (6,11 mbar), le rapport de compression du compresseur 32 est par exemple égal à 3 et la troisième valeur de pression dans la deuxième enceinte 30 à basse pression est égale à 1830 Pa (18,3 mbar). A titre d'exemple, la cinquième valeur de la température de l'eau liquide produite par le condenseur 34 à 1830 Pa (18,3 mbar) est par exemple égale à 16,05 °C pour une température ambiante d'environ 6 °C.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif 24 d'extraction de puissance froide retire les cristaux de glace 15 au fur et à mesure qu'ils se forment dans le réservoir 12. L'utilisation ultérieure des cristaux de glace dépend de l'application envisagée.
  • Pour une application pour la production de neige artificielle, les cristaux de glace 15 sont récupérés pour produire de la neige artificielle. Il peut être prévu un système de réfrigération pour abaisser la température de la glace récupérée et/ou un groupe de pompage pour évaporer l'eau résiduelle et ainsi refroidir et assécher la glace. Il peut, en outre, être prévu un organe de hachage et d'aération de la glace produite.
  • Pour une application pour la climatisation ou la réfrigération et pour la production de neige artificielle, les cristaux de glace 15 présents dans le réservoir 12 peuvent jouer le rôle d'une source froide.
  • Le condenseur 34 est adapté à liquéfier la vapeur d'eau dans la deuxième enceinte 30 à basse pression par un échange thermique entre la vapeur d'eau dans la deuxième enceinte 30 à basse pression et un fluide réfrigérant. Selon un mode de réalisation, le fluide réfrigérant est l'air à l'extérieur de l'installation frigorifique 5. Le condenseur 34 peut comprendre des moyens de brassage de l'air, par exemple le ventilateur à hélice 36 comme cela est représenté en figure 1, le brassage de l'air étant représenté de façon schématique par la flèche 44. A titre de variante, le condenseur 34 peut comprendre un ventilateur à effet Venturi ou un thermosiphon. Selon un autre mode de réalisation, le condenseur 34 peut comprendre un groupe échangeur liquide-vapeur d'eau dans l'enceinte 30 et un groupe d'échangeur liquide-air ou liquide/liquide à l'extérieur de l'enceinte 30, le fluide de refroidissement circulant entre ces deux échangeurs.
  • De façon avantageuse, la condensation de l'eau dans l'enceinte 30 ne nécessite pas la mise en oeuvre d'une machine frigorifique.
  • La production d'eau liquide par le condenseur 34 peut être réalisée par utilisation de l'air ambiant dès que la température de l'air ambiant est inférieure à la cinquième valeur de température souhaitée. Dans l'exemple décrit précédemment dans lequel le condenseur 34 produit de l'eau liquide à 16,05 °C, l'air ambiant peut être utilisé dès que sa température est inférieure à 16 °C, de préférence inférieure à 6 °C pour obtenir un écart de température d'au moins 10 °C sur l'échangeur.
  • La température maximale possible de l'air ambiant permettant une utilisation de l'air ambiant comme fluide réfrigérant par le condenseur 34 est notamment fixée par le taux de compression du compresseur 32. Avec un taux de compression de 10, il peut être envisagé une pression de vapeur saturante de 6000 Pa (60 mbar) dans la deuxième enceinte 30 à basse pression et une cinquième valeur de température de 36 °C, ce qui peut être obtenue sans difficulté dès que la température de l'air ambiant est inférieure à 30 °C. De préférence, l'installation frigorifique 5 peut être utilisée dès que la température ambiante est inférieure à 20 °C pour la production de neige de culture et inférieure à 35 °C pour la climatisation.
  • Selon un mode de réalisation, le COP théorique de l'installation frigorifique 5 est de l'ordre de 19 à 20.
  • Le tableau I ci-dessous regroupe, pour une application à la production de neige artificielle, et en fonction de la température de l'air ambiant, la consommation électrique, exprimée en kilowatt par mètre cube de neige produite, de l'installation frigorifique 5 (INV) représentée en figure 1, d'une installation de type canon à neige (AA1), d'une installation de type perche à neige (AA2), d'une installation (AA3) à évaporation à basse pression entre 0,01 MPa (100 mbar) et 0,02 MPa (200 mbar) et d'une installation de type réfrigérateur (AA4). Tableau I
    Température ambiante (°C) INV AA1 AA2 AA3 AA4
    -10 1,6 2 1,9 24 40
    -5 1,7 3,1 2,5 25,5 41,5
    0 1,85 5,4 3 27 43
    10 2,3 NA NA 28,5 44,5
  • La consommation électrique par mètre cube de neige produite par l'installation frigorifique 5 (INV) est nettement inférieure à celle des installations frigorifiques de type réfrigérateur (AA4) et à évaporation à basse pression entre 0,01 MPa (100 mbar) et 0,02 MPa (200 mbar) (AA3).
  • Selon un mode de réalisation, l'eau liquide fournie par le condenseur 34 n'est pas réutilisée. Selon un autre mode de réalisation, l'eau fournie par le condenseur 34 est réutilisée pour l'alimentation du réservoir 12.
  • La figure 5 est une vue, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé du réservoir 10 à basse pression de l'installation frigorifique 5 de la figure 1.
  • Selon un mode de réalisation, l'élément de protection 20 comprend une membrane ou un écran 46 recouvrant la surface libre de l'eau liquide 14. La membrane ou l'écran 46 est perméable à la vapeur d'eau et sensiblement étanche à l'eau liquide. L'élément de protection 20 peut en outre comprendre des éléments plongeant dans l'eau liquide 14, non représentés, et qui permettent de réguler la génération de bulles 43 lors de l'ébullition de l'eau liquide 14.
  • Selon un mode de réalisation, des chicanes 48 peuvent être disposées dans la partie de l'enceinte 10 dans laquelle la vapeur d'eau est chauffée par le dispositif de chauffage 22. Les chicanes 48 permettent d'allonger le parcours de la vapeur d'eau jusqu'à l'entrée du compresseur 32 pour obtenir le chauffage de la vapeur d'eau jusqu'à la température souhaitée.
  • La figure 6 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé du dispositif 24 de récupération de l'eau à l'état solide de l'installation frigorifique 5.
  • Dans le présent mode de réalisation, le dispositif 24 est adapté à extraire l'eau à l'état solide du réservoir 12. Un tel mode de réalisation est adapté notamment dans le cas où l'installation frigorifique 5 est utilisée pour la production de neige artificielle.
  • Le dispositif 24 peut comprendre une enceinte secondaire 50 reliée au réservoir 12 par une conduite basse 52 et une conduite haute 54, située au-dessus de la conduite basse 52. Une pompe 56 prévue sur la conduite haute 54 est adaptée à faire circuler le contenu du réservoir 12 vers l'enceinte secondaire 50 et une pompe 58 prévue sur la conduite basse 52 est adaptée à faire circuler le contenu de l'enceinte secondaire 50 vers le réservoir 12. La pression dans l'enceinte secondaire 50 peut être plus élevée que dans le réservoir 12, par exemple égale à la pression atmosphérique, de sorte qu'il n'y a pas d'ébullition dans l'enceinte secondaire 50. Les cristaux de glace s'accumulent alors au-dessus de l'eau liquide 62 par décantation en un amas flottant de glace 60. Le dispositif 24 comprend des moyens 64 d'extraction des cristaux de glace 60, comprenant par exemple une vis sans fin ou un élévateur à godets.
  • La figure 7 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation plus détaillé du dispositif 24. Le dispositif 24 peut faire partie d'un système de climatisation ou de réfrigération, et peut comprendre un circuit fermé dans lequel circule un fluide réfrigérant et comprenant un premier échangeur de chaleur 66 disposé dans le réservoir 12 et un deuxième échangeur de chaleur 68 situé à l'extérieur de l'enceinte 10. Selon un autre mode de réalisation, le premier échangeur de chaleur 66 n'est pas présent et le liquide circulant dans l'échangeur de chaleur 68 correspond à l'eau liquide 14 présente dans le réservoir 12.
  • La figure 8 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'une installation frigorifique 70. L'installation frigorifique 70 comprend l'ensemble des éléments de l'installation frigorifique 5 représentée en figure 1 à la différence qu'elle comprend en outre des moyens selon l'invention pour maintenir l'eau liquide en surfusion dans la première enceinte 10 à basse pression. Selon un mode de réalisation, les moyens pour maintenir l'eau liquide en surfusion peuvent comprendre un agitateur 72 adapté à brasser l'eau à l'état liquide dans la première enceinte 10 à basse pression. L'agitateur 72 comprend par exemple une barre ou une hélice mise en rotation dans l'eau à l'état liquide 14. Selon l'invention, les moyens pour maintenir l'eau liquide en surfusion comprennent au moins un additif ajouté à l'eau à l'état liquide. Cet additif mélangé à l'eau, conduit à une solution dont la température de solidification est inférieure à la température de solidification de l'eau sans additif.
  • Dans le présent mode de réalisation, la température de l'eau liquide 14 dans la première enceinte 10 à basse pression peut être inférieure à la température du point triple de l'eau, et est par exemple à une température pouvant varier de -40 °C à -1 °C, de préférence de -20 °C à -1 °C. Le fonctionnement de l'installation frigorifique 70 est identique au fonctionnement décrit précédemment pour l'installation frigorifique 5 à la différence que la température de l'eau liquide dans la première enceinte 10 à basse pression peut être inférieure à la température du point triple de l'eau.
  • La figure 9 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé d'une partie de l'installation frigorifique de la figure 8, dans lequel le dispositif 24 d'extraction de puissance froide dans le réservoir 12 a la structure représentée en figure 7. Le deuxième échangeur 68 du dispositif 24 est situé dans une enceinte 80 contenant de l'eau à l'état liquide 82 et permet de refroidir l'eau à l'état liquide 82 jusqu'à obtenir, dans l'enceinte 80, de l'eau à l'état solide 84. La pression dans l'enceinte 80 peut avantageusement être supérieure à la pression de vapeur saturante de l'eau à la température du point triple de l'eau, et être, par exemple, à la pression atmosphérique. Selon un autre mode de réalisation, le premier échangeur de chaleur 66 n'est pas présent et le liquide circulant dans l'échangeur de chaleur 68 correspond à l'eau liquide 14 présente dans le réservoir 12.
  • La figure 10 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'une installation frigorifique 90. L'installation frigorifique 90 comprend l'ensemble des éléments de l'installation frigorifique 5 représentée en figure 1 à la différence que le réservoir unique 12 de l'installation frigorifique 5 est remplacé par N réservoirs 121 à 12N situés dans la première enceinte 10 à basse pression, N étant un nombre entier variant de 1 à 100. La conduite 18 d'apport d'eau est reliée à chaque réservoir 121 à 12N. L'utilisation de plusieurs réservoirs 121 à 12N permet, de façon simple, d'augmenter la surface de l'interface liquide/vapeur pour un même volume d'eau liquide par rapport à un seul réservoir. En outre, l'agitation de l'eau liquide, notamment par bullage, est plus efficace lorsque la hauteur d'eau liquide est réduite. Dans le présent mode de réalisation, le dispositif de chauffage 22 est représenté à titre d'exemple à l'intérieur de la conduite d'entrée du compresseur 32 qui débouche dans la première enceinte 10 à basse pression.
  • Dans le présent mode de réalisation, la conduite 38 de récupération de l'eau liquide produite par le condenseur 34 est reliée à la conduite 18 et l'eau liquide récupérée par la conduite 38 est refoulée dans les réservoirs 121 à 12N au moyen d'une pompe 92, par exemple une pompe volumétrique. Selon un autre mode de réalisation, la pompe 92 peut ne pas être présente, la circulation d'eau liquide dans les conduites 18 et 38 résultant alors seulement de la différence de pression entre les enceintes 10 et 30.
  • Dans le présent mode de réalisation, le condenseur 34 comprend des buses 94 de projection d'eau liquide dans la deuxième enceinte 30 à basse pression sous la forme de gouttelettes 96, trois buses 94 étant représentées à titre d'exemple en figure 10. Les gouttelettes froides 96 favorisent la condensation de la vapeur d'eau expulsée dans la deuxième enceinte 30 à basse pression par le compresseur 32, en multipliant les interfaces vapeur/liquide favorisant l'adsorption de la vapeur d'eau. L'eau liquide est recueillie dans un réservoir 98, formé par exemple par le fond de la deuxième enceinte 30 à basse pression. La conduite 38 récupère une partie de l'eau liquide présente dans le réservoir 98. Le condenseur 34 comprend, en outre, un circuit hydraulique 100 dans lequel circule une partie de l'eau liquide présente dans le réservoir 98, destinée à alimenter les buses 94 en eau refroidie. Le circuit hydraulique 100 comprend une pompe 102 pour la mise en circulation de l'eau liquide et un échangeur 104 de chaleur situé à l'extérieur de la deuxième enceinte 30 à basse pression, par exemple un échangeur de chaleur refroidi par l'air ambiant, le condenseur 34 comprenant des moyens, par exemple le ventilateur 36 décrit précédemment, pour faire circuler de l'air ambiant au travers de l'échangeur de chaleur 104. A titre de variante, l'échangeur 104 peut être refroidi par une autre source, par exemple un cours d'eau. L'eau liquide expulsée par les buses 94, qui a été refroidie par l'échangeur 104, est par exemple à la température ambiante. Selon un mode de réalisation, la température des gouttelettes 96 à la sortie des buses 94 est inférieure à la température de l'eau liquide qui alimente le circuit hydraulique 100 d'au moins 10 °C.
  • Dans le présent mode de réalisation, le système 42 de régulation de la différence de pression entre la deuxième enceinte 30 à basse pression et la première enceinte 10 à basse pression comprend une conduite 106 reliée à la deuxième enceinte 30 à basse pression dans la partie de l'enceinte 30 contenant de la vapeur d'eau, la conduite 106 étant équipée d'une vanne commandable 108 de régulation de débit et alimente une turbine de détente 110. La sortie de la turbine 110 est reliée à une conduite 112 qui alimente chaque réservoir 121 à 12N. La turbine 110 reçoit de la vapeur d'eau à la pression de la deuxième enceinte 30 à basse pression, qui est déjà refroidie par le condenseur 34 à gouttelettes, et fournit un mélange biphasique comprenant de l'eau liquide et de la vapeur d'eau. La vitesse de rotation de la turbine 110 est ajustée pour que la vapeur d'eau refoulée ait la pression souhaitée. Selon un mode de réalisation, dans le mélange biphasique en sortie de la turbine 110, l'eau liquide a été refroidie par détente et la vapeur d'eau est sensiblement à la pression souhaitée dans la première enceinte 10 à basse pression. La vapeur d'eau expulsée par la conduite 112 dans chaque réservoir 121 à 12N peut, de façon avantageuse, jouer le rôle d'un agitateur de l'eau liquide présente dans les réservoirs 121 à 12N et favorise en outre le refroidissement de l'eau liquide contenue dans les réservoirs 121 à 12N. La turbine 110 et la vanne 108 peuvent être commandées par le module de traitement 40, non représenté en figure 10.
  • Dans le présent mode de réalisation, le dispositif 24 d'extraction de puissance froide dans les réservoirs 121 à 12N comprend un circuit hydraulique 114 relié aux réservoirs 121 à 12N dans lequel circule une partie de l'eau présente dans les réservoirs 121 à 12N. Le circuit hydraulique 114 comprend une pompe 116 pour la mise en circulation de l'eau liquide et un échangeur 118 de chaleur situé à l'extérieur de la première enceinte 10 à basse pression, par exemple un échangeur de chaleur coopérant avec un échangeur de chaleur 120 d'un autre circuit hydraulique 122 relié à un dispositif 124 à refroidir. Comme cela est représenté en figure 10, le circuit hydraulique 114 peut être branché sur la conduite 18 pour le refoulement de l'eau liquide circulant dans le circuit hydraulique 114 vers les réservoirs 121 à 12N.
  • Suivant l'invention, le turbocompresseur 32 comprend deux étages successifs 130 et 132. Le premier étage 130 est à taux de compression fixe, par exemple égal à environ 3, et le deuxième étage 132 est à taux de compression variable commandable. La vitesse de rotation de la deuxième turbomachine 132 peut être commandée par le module de traitement 40, non représenté en figure 10. De préférence, chaque étage 130, 132 correspond à un turbocompresseur. Le premier étage 130 permet de commander le débit de vapeur d'eau extrait de la première enceinte 10 à basse pression. Le deuxième étage 132 permet de fixer la pression de la vapeur d'eau refoulée dans la deuxième enceinte 30 à basse pression.
  • En figure 10, on a représenté en outre une pompe 134 à vide primaire reliée à la première enceinte 10 à basse pression par l'intermédiaire d'une conduite 136 équipée d'une vanne commandable 138.
  • Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que dans les modes de réalisation décrits précédemment, le condenseur 34 est un condensateur dans lequel la vapeur d'eau est refroidie et liquéfiée par l'air ambiant, d'autres types de condenseur 34 peuvent être utilisés, par exemple un condenseur à refroidissement liquide.

Claims (14)

  1. Installation frigorifique (5 ; 70) comprenant :
    une première enceinte (10) contenant de l'eau à l'état liquide (14) à une température inférieure à la température du point triple de l'eau, de l'eau à l'état gazeux (11) à une première pression égale, à 10 % près, à la pression de vapeur saturante de l'eau en équilibre avec la pression de l'eau à l'état liquide (14) dans la première enceinte, et de l'eau à l'état solide (15) à une température inférieure à la température du point triple de l'eau, la première enceinte (10) comprenant au moins un réservoir (12 ; 121 à 12N) d'eau à l'état liquide ;
    des moyens pour maintenir l'eau liquide en surfusion dans la première enceinte (10), lesdits moyens comprenant au moins un additif ajouté à l'eau à l'état liquide ;
    une deuxième enceinte (30) à une deuxième pression supérieure strictement à la première pression d'au moins un facteur deux ;
    un dispositif de compression (32) reliant la première enceinte à la deuxième enceinte adapté à fournir un taux de compression supérieur à deux ;
    un dispositif de condensation (34) logé en partie dans la deuxième enceinte et adapté à condenser l'eau à l'état gazeux dans la deuxième enceinte en eau à l'état liquide ; et
    un dispositif (24) d'extraction de puissance froide dans la première enceinte ;
    installation frigorifique caractérisée en ce qu'elle comprend une pompe à vide primaire, reliée à la première enceinte (10) et/ou à la deuxième enceinte (30) et en ce que
    le dispositif de compression (32) comprend deux étages (130, 132) successifs, chaque étage (130, 132) correspondant à un turbocompresseur, avec un premier étage de compresseur (130) à taux de compression fixe et un deuxième étage de compresseur (132) à taux de compression commandable, la vitesse de rotation du deuxième turbocompresseur étant commandée par un module de traitement (40).
  2. Installation frigorifique selon la revendication 1, dans laquelle le premier étage (130) commande le débit de vapeur d'eau extrait de la première enceinte (10) et le deuxième étage (132) fixe la pression de la vapeur d'eau refoulée dans la deuxième enceinte (30).
  3. Installation frigorifique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la température de l'eau liquide (14) dans le réservoir (12 ; 121 à 12N) reste sensiblement constante et égale à une température inférieure à la température du point triple de l'eau pure et dans laquelle la pression de la première enceinte (10) est sensiblement égale à la pression de vapeur saturante de l'eau en équilibre avec la pression de l'eau à l'état liquide à la température inférieure à la température du point triple de l'eau.
  4. Installation frigorifique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la température de l'eau liquide (14) dans le réservoir (12 ; 121 à 12N) est supérieure ou égale à la température du point triple de l'eau pure.
  5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant, en outre, un système (42) de régulation de la différence de pression entre la deuxième enceinte (30) et la première enceinte (10), comprenant une turbine (110) de détente configurée pour détendre de l'eau à l'état gazeux depuis la deuxième enceinte (30) et refouler un mélange contenant de l'eau à l'état gazeux et de l'eau à l'état liquide dans la première enceinte (10), ledit mélange est refoulé dans l'eau à l'état liquide contenue dans ledit réservoir.
  6. Installation frigorifique selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant un dispositif de chauffage (22) de l'eau à l'état gazeux dans la première enceinte (10) destinée à alimenter le dispositif de compression (32), le dispositif de chauffage (22) comprenant une source d'un rayonnement micro-onde et/ou une source d'un rayonnement infrarouge.
  7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l'eau circule en circuit fermé dans l'installation.
  8. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le dispositif de condensation (34) comprend un premier échangeur de chaleur à l'extérieur de la deuxième enceinte (30) et des moyens (36) de mise en circulation d'un premier fluide caloporteur au travers du premier échangeur de chaleur, le premier fluide caloporteur étant de préférence l'air ambiant ou de l'eau d'un cours d'eau, d'une étendue d'eau et/ou d'une nappe d'eau.
  9. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle :
    le dispositif (24) d'extraction de puissance froide comprend un circuit hydraulique dans lequel circule une partie ou la totalité de l'eau à l'état liquide présente dans la première enceinte (10), le circuit hydraulique comprenant un deuxième échangeur de chaleur (68) situé à l'extérieur de la première enceinte ; ou
    le dispositif (24) d'extraction de puissance froide comprend un circuit hydraulique fermé dans lequel circule un deuxième fluide caloporteur, le circuit hydraulique comprenant un deuxième échangeur de chaleur (68) situé à l'extérieur de la première enceinte et un troisième échangeur de chaleur (66) disposé dans la première enceinte (10).
  10. Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant dans la première enceinte, un dispositif de protection (20) du dispositif de compression (32) contre l'admission de particules à l'état solide et/ou liquide.
  11. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le dispositif de condensation (34) comprend au moins une buse (94) de projection de gouttelettes (96) d'eau à l'état liquide dans la deuxième enceinte (30).
  12. Système de climatisation, destiné aux installations industrielles, comprenant une installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
  13. Système de production de neige artificielle comprenant une installation frigorifique (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
  14. Procédé de production de froid comprenant les étapes suivantes :
    amener dans une première enceinte (10) de l'eau à l'état liquide (14) à une température inférieure à la température du point triple de l'eau, former de l'eau à l'état gazeux à une première pression égale, à 10 % près, à la pression de vapeur saturante de l'eau en équilibre avec la pression de l'eau à l'état liquide dans la première enceinte, maintenir l'eau liquide en surfusion dans la première enceinte (10) par des moyens comprenant au moins un additif ajouté à l'eau à l'état liquide,
    et former de l'eau à l'état solide (15) à une température inférieure à la température du point triple de l'eau ;
    comprimer de l'eau à l'état gazeux de la première enceinte vers une deuxième enceinte à une deuxième pression supérieure strictement à la première pression d'au moins un facteur deux, par un dispositif de compression (32) comprenant deux étages (130, 132) successifs, chaque étage (130, 132) correspondant à un turbocompresseur, avec un premier étage de compresseur (130) à taux de compression fixe et un deuxième étage de compresseur (132) à taux de compression commandable, la vitesse de rotation du deuxième turbocompresseur étant commandée par un module de traitement (40) ;
    condenser l'eau à l'état gazeux dans la deuxième enceinte en eau à l'état liquide ; et
    extraire de la puissance froide dans la première enceinte.
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