FR3068442A1

FR3068442A1 - Dispositif de refroidissement combine a une production de vapeur

Info

Publication number: FR3068442A1
Application number: FR1700696A
Authority: FR
Inventors: Fabien Michel; Evguenie Touliankine; Lea Verge; Hayato Hagi
Original assignee: Enertime SA
Current assignee: Enertime SA
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-04

Abstract

Un dispositif (10) de refroidissement d'un premier fluide qui comporte : - un circuit fermé (110) dans lequel circule un fluide de travail, comportant : - un premier échangeur de chaleur évaporateur (111) entre le premier fluide et le fluide de travail, le premier fluide étant refroidi et le fluide de travail est vaporisé, - un compresseur (114) pour augmenter la pression du fluide de travail vaporisé, - un condenseur-évaporateur (116) entre le fluide de travail et l'eau, condensant le fluide de travail et vaporisant l'eau à une pression secondaire et - une vanne de détente (117) du fluide de travail jusqu'à un mélange liquide vapeur, située entre le condenseur-évaporateur et un échangeur de chaleur évaporateur ; - un circuit ouvert (118) dans lequel circule de l'eau, comportant un éjecteur (138) de vapeur, alimenté par de la vapeur d'eau issue du condenseur-évaporateur à la pression secondaire et par de la vapeur d'eau à une pression primaire, supérieure à la pression secondaire, l'éjecteur de chaleur mélangeant l'eau à une pression de sortie, comprise entre la pression primaire et la pression secondaire.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention vise un dispositif de refroidissement d’un fluide combiné à une production de vapeur d’eau. Elle s’applique, notamment, au refroidissement et aux réseaux de vapeur en milieu industriel.

Plus particulièrement, la présente invention s’applique aux unités de production de vapeur et aux systèmes de refroidissement.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Pour refroidir un fluide, par exemple de l’eau de refroidissement à une température supérieure à 30°C, l’homme de métier dispose de nombreuses solutions techniques éprouvées, telles que l’utilisation d’aérothermes ou d’échangeurs eau/eau. La température de 30°C constitue généralement une température limite maximale pour les rejets dans le milieu naturel.

Pour refroidir un débit d’eau de 50°C à une température inférieure à 30°C, il est possible d’utiliser des batteries d’aérothermes, pouvant par exemple être des échangeurs avec tubes à ailettes rencontrant un flux d’air apportés par des ventilateurs.

Une telle solution implique l’utilisation de surfaces pouvant être importantes dans le contexte d’un site industriel ainsi qu’une consommation importante d’énergie électrique. De tels dispositifs entraînent également des nuisances sonores significatives par les ventilateurs qui doivent nécessairement être situés en extérieur. Les inconvénients exposés augmentent quand la température de la source froide (souvent l’air ambiant) augmente.

Des solutions par évaporation d’eau en circuit primaire fermé, communément appelés « systèmes adiabatiques », ou ouverts existent également, avec l’inconvénient majeur de consommer de grandes quantités d’eau. Les tours de refroidissement à circuit ouvert peuvent également être à l’origine de problèmes sanitaires en cas de formation de légionnelle dans les eaux stagnantes, ou encore à l’origine de problèmes environnementaux dus aux traitements mis en œuvre pour éviter la formation de ces légionnelles. Enfin l’énergie thermique dissipée par les systèmes de refroidissement constitue une perte énergétique.

Il existe également les pompes à chaleur. On rappelle qu’une pompe à chaleur par compression fonctionne sur le même principe qu’un cycle de réfrigération et est composée des éléments principaux suivants :

- un échangeur de chaleur évaporateur, qui refroidi la source de chaleur pour vaporiser un fluide de travail à basse pression,

- un compresseur qui emmène le fluide de travail chaud et à basse pression, vers un état plus chaud et à plus haute pression,

- un échangeur de chaleur condenseur qui refroidit et condense le fluide de travail à haute pression, en réchauffant un puits de chaleur,

- une vanne de détente qui détend le fluide organique condensé, donc liquide, en réduisant sa pression et sa température et

- un fluide de travail.

Les pompes à chaleur peuvent fonctionner en cycle ouvert, dans lequel le fluide de travail correspond également au fluide de la source chaude ou de la source froide, en particulier pour les pompes à chaleur générant de la vapeur d’eau. La demande de certificat d’utilité FR2516205 décrit une configuration de ce type. L’invention en objet de ce document ne fonctionne pas en circuit ouvert, mais vise à produire de la vapeur en vaporisant de l’eau, grâce à la chaleur transmise lors de la condensation d’un fluide dit « fluide de travail », circulant en circuit fermé dans la pompe à chaleur.

Au sein d’un cycle de pompe à chaleur, les performances énergétiques dépendent directement de l’écart de pression entre la pression du fluide avec lequel est effectué l’échange dans le condenseur-évaporateur et la pression du fluide de travail dans l’évaporateur. Par conséquent, les performances énergétiques dépendent de l’écart de température entre le fluide à refroidir qui permet l’évaporation et le fluide permettant la condensation. Pour une température de fluide à refroidir donnée, plus la température du fluide à réchauffer est élevée, plus les performances de la pompe à chaleur sont faibles. On définit le coefficient de performance (d’acronyme « COP ») comme le rapport entre l’énergie thermique transmise au fluide à réchauffer dans le condenseur divisée par l’énergie électrique utilisée par le compresseur.

Lorsque le rapport de pression entre la pression de condensation et la pression d’évaporation est élevé, les cycles peuvent utiliser plusieurs étages de compression, éventuellement avec un séparateur liquide-vapeur et une réinjection de vapeur de fluide de travail. Le débit de vapeur de fluide de travail passant dans un compresseur dit « haute pression » est ainsi plus important que le débit de vapeur de fluide de travail passant dans un compresseur dit « basse pression ». On définit le rapport de pression (d’acronyme « RP ») comme le rapport entre la pression en sortie du compresseur et la pression en entrée du compresseur. Ce rapport de pression est généralement inférieur à trois sur les compresseurs centrifuges, bien qu’il n’existe pas de limite physique absolue à faire des rapports de compression plus importants sur cette technologie.

Le principe de la pompe à chaleur s’applique à la production de chaleur pour réchauffer un fluide, et peut également être utilisée pour vaporiser de l’eau, à une pression supérieure à un bar absolu et une température supérieure à 100°C. La demande de brevet JP2017020716 décrit, par exemple, une configuration particulière de ce type d’invention. On notera toutefois que pour produire de la vapeur à haute pression, et à la température équivalente de saturation, le cycle classique de la pompe à chaleur a des performances fortement dégradées et ne permet pas un refroidissement du fluide à refroidir.

Dans le cas d’un débit de d’eau refroidie de 60°C à 30°C par une pompe à chaleur industrielle moderne, à cycle comportant deux étages de compresseurs de technologie centrifuge, le Coefficient de Performance (COP) peut être estimé à :

- COP de trois et quatre dixièmes pour la production de vapeur à un bar 101 °C

- COP de deux et cinq dixièmes pour la production de vapeur à deux bar et sept dixièmes 131°C

- COP de deux pour la production de vapeur à quatre bar et un dixième bar 146°C.

Par ailleurs, le rapport de compression augmente également fortement avec la pression de vapeur réalisée, ce qui limite l’usage d’une technologie de compresseur et/ou réduit les performances de rendement du compresseur. Un autre étage de compression peut être ajouté. Cependant, le prix du dispositif augmente considérablement.

La production de vapeur à pression élevée est donc fortement limitée par les performances énergétiques des technologies actuelles, en particulier pour atteindre des pressions de vapeur de l’ordre de deux à cinq bar absolus qui sont généralement utilisées dans les réseaux de vapeurs industriels.

Au sein de l’échangeur de chaleur évaporateur, le refroidissement du fluide à refroidir peut constituer une fonction additionnelle de la pompe à chaleur, on parle alors de thermo-frigo-pompe. La chaleur et le froid générés permettent ainsi un très haut rendement. Ainsi, pour une pompe à chaleur d’un COP de quatre, la valorisation du froid permet d’atteindre des COP de sept soit quatre unités de chaud pour trois unités de froid et une unité d’électricité consommée.

Toutefois, pour des raisons d’optimisation énergétique du cycle des pompes à chaleur, les solutions mises en œuvre minimisent les écarts de températures entre l’entrée et la sortie du fluide refroidi afin d’obtenir la pression d’évaporation la plus haute possible pour le fluide de travail et la réduction des pertes exergétiques.

Les pompes à chaleur actuelles ont donc des performances énergétiques très limitées lorsqu’il s’agit de produire de la vapeur d’eau à une pression élevée, soit supérieure à quatre bar absolu.

Il existe également des éjecteurs dont le principe de fonctionnement est décrit ci-dessous :

Un éjecteur est généralement composé :

- d’une buse primaire pour recevoir un gaz à une première pression, dite haute pression, cette partie de l’éjecteur étant dénommée primaire,

- d’un corps avec une arrivée pour un fluide à une deuxième pression, cette partie étant dénommée secondaire,

- d’une zone de mélange, située dans le corps du secondaire et devant la buse primaire,

- d’une tuyère d’aspiration et

- d’un diffuseur.

Si de la vapeur haute pression est disponible, l’utilisation de cette vapeur haute pression combinée avec de la vapeur basse pression dans un éjecteur permet de produire une quantité de vapeur à une pression de sortie intermédiaire. Par exemple, la demande de brevet CN105091408 « Steam jet type heat pump », concerne un dispositif de pompe à chaleur avec un éjecteur, composée principalement d’un évaporateur, d’un condenseur-évaporateur et d’un éjecteur. L’éjecteur utilise de la vapeur haute pression et basse pression pour produire de la vapeur moyenne pression. L’invention semble toutefois incomplète dans sa présente description selon les auteurs du présent exposé, car il manque un dispositif générant une pression suffisante, tel qu’une pompe, pour la circulation de la vapeur dans l’évaporateur. De plus, ce dispositif propose d’utiliser un éjecteur pour remplacer le compresseur dans le circuit fermé, la vapeur moyenne pression n’a donc pas pour but d’être réutilisée dans un circuit ouvert d’un site industriel.

Le mélange d’un gaz à haute pression avec de un gaz basse pression dans un éjecteur a cependant un rendement exergétique très limité.

On rappelle ici que les pompes à chaleur sont des machines thermodynamiques qui peuvent utiliser des éjecteurs au sein de leur cycle thermodynamique dans lesquels circule du fluide de travail. Ceci est décrit, par exemple, dans la demande de brevet W02016014144 « HEAT PUMP WITH EJECTOR » ou la demande de brevet GB2305235 « An ejector device for use in a heat pump ». Ces brevets décrivent des inventions pour lesquelles l’éjecteur est utilisé au sein du cycle thermodynamique et est traversé par le fluide de travail de la pompe à chaleur.

Ainsi, l’ensemble des techniques disponibles pour le refroidissement d’un fluide à une température inférieure à 30°C et la production de vapeur à partir d’une telle ressource présentent donc des limitations.

OBJET DE L’INVENTION

La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.

A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de refroidissement d’un fluide, dit « premier fluide », qui comporte :

- un circuit fermé dans lequel circule un fluide de travail, le circuit fermé comportant :

- au moins un premier échangeur de chaleur évaporateur entre le premier fluide et le fluide de travail, le premier fluide étant refroidi et le fluide de travail étant au moins partiellement vaporisé,

- un ensemble de compression comportant au moins un compresseur pour augmenter la pression du fluide de travail vaporisé,

- au moins un échangeur de chaleur dit « condenseur-évaporateur » entre le fluide de travail et de l’eau, le condenseur-évaporateur condensant le fluide de travail et vaporisant l’eau à une pression, dite « secondaire » et

- au moins une première vanne de détente du fluide de travail jusqu’à un mélange liquide vapeur, chaque vanne de détente étant située entre le condenseurévaporateur et un échangeur de chaleur évaporateur ;

- un circuit ouvert dans lequel circule de l’eau, comportant un éjecteur de vapeur, alimenté par de la vapeur d’eau issue du condenseur-évaporateur à la pression secondaire et par de la vapeur d’eau à une pression, dite « primaire », supérieure à la pression secondaire, l’éjecteur mélangeant l’eau à une pression, dite « pression de sortie », comprise entre la pression secondaire et la pression primaire.

Grâce à ces dispositions, le premier fluide est refroidi sans évacuer la chaleur au milieu ambiant et en la valorisant sous forme de vapeur d’eau à pression de sortie élevée qui correspond à un vecteur énergétique très pertinent pour les sites industriels.

Le dispositif objet de la présente invention permet ainsi :

- de refroidir le premier fluide sans rejeter la chaleur au milieu ambiant, et donc de conserver un dispositif compact en évitant les nuisances sonores, de formation de panache d’eau, de formation de légionnelle et de traitement d’eau pour éviter la formation de légionnelle et

- d’autre part de réduire la consommation énergétique en produisant de la vapeur d’eau à une pression de sortie dite « moyenne pression », avec une efficacité énergétique supérieure à celle d’une pompe à chaleur habituelle qui peut être utilisée dans des sites industriels.

Ainsi l’invention permet de refroidir le premier fluide et produire de la vapeur avec un excellent coefficient de performance (d’acronyme « COP ») cet effet combiné résulte de la combinaison du circuit ouvert et du circuit fermé. Dans l’état de la technique mentionné ci-dessus, l’air ambiant limite la capacité de refroidissement. Alors que dans la présente invention la chaleur est utilisée pour la vaporisation d’eau et est recyclée dans l’usine sous une forme utile.

L’éjecteur permet de relever la pression de la vapeur, cette vapeur étant formée grâce à la chaleur produite par le circuit fermé. Par ailleurs, l’éjecteur permet de faire fonctionner le cycle de pompe à chaleur en vaporisant l’eau dans le condenseurévaporateur à une pression inférieure à un bar et une température inférieure à 100°C, réduisant de manière significative les rapports de pression des compresseurs et leur consommation énergétique. De plus, en fonction de l’éjecteur, le dispositif est adaptable à tout type d’usine, la pression de sortie pouvant être modulée pour correspondre aux besoins de chaque site industriel et en fonction de la vapeur à la pression primaire disponible sur le site industriel.

Dans le circuit fermé le fluide de travail réalise l’ensemble des transformations communes aux machines de production de froid, réfrigération, ou de chaud, pompe à chaleur. L’invention permet la valorisation des deux fonctions refroidissement et production de chaud, on parle également de thermo frigo-pompe.

Dans des modes de réalisation, l’ensemble de compression comporte, de plus, un deuxième compresseur entre le premier compresseur et le condenseurévaporateur, pour augmenter la pression du fluide de travail en sortie du premier compresseur et avant le condenseur-évaporateur.

Ces modes de réalisation, dans lequel la compression du fluide de travail est réalisée selon plusieurs étapes au travers de plusieurs compresseurs permettent d’une part une réduction de la consommation électrique des compresseurs et d’autre part d’utiliser des compresseurs avec des ratios de compressions inférieur à trois et cinq centième, en particulier des compresseurs centrifuges.

Dans des modes de réalisation, l’ensemble de compression comporte, de plus :

- une deuxième vanne de détente entre la première vanne de détente et le premier évaporateur et

- un ballon de séparation du fluide de travail en une phase liquide et une phase gazeuse, situé entre la première vanne de détente et la deuxième vanne de détente, la phase liquide alimentant la deuxième vanne de détente et la phase gazeuse alimentant le deuxième compresseur avec l’alimentation en provenance du premier compresseur, les deux vannes, les deux compresseurs et le ballon de séparation formant un étage.

Grâce à ces dispositions, la phase gazeuse de fluide de travail issue de la séparation des phases dans le ballon de séparation est réutilisée dans un compresseur pour diminuer la consommation énergétique de l’intégralité du dispositif objet de la présente invention.

Dans des modes de réalisation l’ensemble de compression comporte un nombre prédéterminé d’étages.

La compression du fluide en plusieurs étapes selon plusieurs compresseurs successifs permet de dépasser le ratio de compression individuel des compresseurs. Ces modes de réalisation permettent donc de réduire la consommation énergétique du dispositif objet de la présente invention ainsi que d’augmenter le rapport de pression atteignable.

Dans des modes de réalisation, le circuit fermé comporte, de plus :

- une troisième vanne de détente parallèle à la première vanne de détente alimentant un deuxième évaporateur et

- un deuxième échangeur de chaleur évaporateur entre le premier fluide et le fluide de travail, le premier fluide étant refroidi et le fluide de travail étant au moins partiellement vaporisé à une pression équilibrée avec la pression du fluide de travail en sortie du premier compresseur et la pression en sortie d’un ballon de séparation, le deuxième évaporateur étant en série avec le premier évaporateur pour le premier fluide, pour lequel le fluide de travail évaporé alimente le deuxième compresseur avec les alimentations en provenance du ballon de séparation et du premier compresseur.

Ces modes de réalisation, permettent de réduire la consommation énergétique de l’invention, et cela d’autant plus que l’écart de température entre l’entrée et la sortie du premier fluide à refroidir est important. En outre, l’évaporation en plusieurs étages du fluide de travail permet une diminution du coût des échangeurs

Dans des modes de réalisation, l’éjecteur comporte :

- une buse primaire dans laquelle est introduite la vapeur d’eau à la pression primaire,

- un corps d’admission dans lequel est introduite la vapeur d’eau à la pression secondaire, adjacent à l’échangeur condenseur-évaporateur,

- une zone de mélange de la vapeur d’eau à la pression primaire et de la vapeur d’eau la pression secondaire à une pression dite « de mélange »,

- une tuyère d’aspiration de la vapeur d’eau mélangée,

- un diffuseur de la vapeur d’eau à la pression de sortie et

- une bride de sortie de la vapeur d’eau.

Grâce à ces dispositions, la vapeur à la pression primaire aspire la vapeur à la pression secondaire formée directement dans la calandre du condenseur-évaporateur et les deux flux de vapeur sont mélangés dans la zone de mélange avant d’être aspirés dans la tuyère d’aspiration et cela facilite le mélange des deux flux de vapeur.

Dans des modes de réalisation, l’éjecteur crée une aspiration et la pression de la vapeur secondaire lors de l’évaporation dans le condenseur-évaporateur est maintenue inférieure à un bar.

Ces modes de réalisations permettent de limiter la consommation énergétique des compresseurs.

Dans des modes de réalisation, le condenseur-évaporateur comporte des tubes dans une calandre, le fluide de travail circulant dans les tubes et vaporisant l’eau à la pression secondaire dans la calandre et le corps d’admission de l’éjecteur est positionné au-dessus de la calandre du condenseur-évaporateur et communiquant avec la calandre.

Dans des modes de réalisation, le condenseur-évaporateur est un rebouilleur.

Le rebouilleur comporte une calandre augmentée avec un important volume sans contact avec le faisceau de tubes ce qui améliore les performances énergétiques du dispositif.

Grâce à ces dispositions, la vapeur d’eau à la pression secondaire se forme dans le volume libre de la calandre du rebouilleur sans présence de gouttelettes et entre directement dans l’éjecteur et est aspirée au moyen de la vapeur d’eau en provenance de la buse primaire.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte une alimentation en eau sous forme liquide du condenseur-évaporateur, comportant au moins un réservoir et au moins une pompe configurée pour mettre en pression l’eau et faire circuler l’eau sous forme liquide.

L’avantage de ces modes de réalisation est de rendre la pression de l’eau égale à la pression nécessaire pour permettre de vaincre les pertes de charge et de permettre la vaporisation et la circulation de l’eau tout en maintenant un niveau d’évaporation optimal dans le condenseur-évaporateur.

Dans des modes de réalisation, le fluide de travail est un fluide réfrigérant isentropique.

Ces modes de réalisation permettent d’optimiser le fonctionnement des compresseurs. Un fluide de travail non isentropique, par exemple un fluide séchant, implique un faible rendement isentropique pour rester en phase gazeuse lors de la compression, ce qui signifie une forte consommation énergétique, incompatible avec les objectifs de l’invention.

Dans des modes de réalisation, le fluide de travail est le fluide réfrigérant trans-

1-Chloro-3,3,3-trifluoropropene, de formule chimique C3CIF3H2, dénommé communément « R1233zd ».

Ces modes de réalisations permettent de minimiser la consommation d’énergie électrique lors de la compression tout en permettant le refroidissement d’eau d’une température de plus de 45°C à une température inférieure ou égale à 30°C et en permettant la production de vapeur d’eau à basse pression en sortie d’un condenseurévaporateur. Le R1233zd présente un très faible impact sur l’effet de serre et est noninflammable et non-toxique.

Dans des modes de réalisation, la pression dans le circuit fermé est toujours supérieure à un bar absolus et toujours inférieure à 12 bar absolus.

Dans des modes de réalisation, chaque compresseur est mis en mouvement par une source d’énergie mécanique unique.

Grâce à ces dispositions, chaque compresseur peut être mis en mouvement par un même moteur, ce qui est particulièrement utile dans le cas de compresseurs centrifuges.

Dans des modes de réalisation, la vapeur produite en sortie de l’éjecteur est à une pression de sortie supérieure ou égale à quatre bar absolu et à une température supérieure ou égale à la température de saturation du fluide en sortie de l’éjecteur.

Ces modes de réalisations permettent d’installer la présente invention sur la majorité des sites industriels car la vapeur supérieure à quatre bars absolus constitue un standard des réseaux industriels.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,

- la figure 2 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,

- la figure 3 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention

- la figure 4 représente, schématiquement, un diagramme entropie-température représentant le cycle thermodynamique d’un des modes de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et,

- la figure 5 représente, schématiquement, un agencement particulier du condenseur-évaporateur, ainsi que d’une partie de l’éjecteur d’un des modes de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention.

DESCRIPTION D’EXEMPLES DE REALISATION DE L’INVENTION

La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse. Par ailleurs, chaque paramètre d’un exemple de réalisation peut être mis en œuvre indépendamment d’autres paramètres dudit exemple de réalisation.

On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.

La description des éléments en commun des modes de réalisation des figures 1, 2 et 3 est faite en regard des figures 1, 2 et 3, le chiffres des centaines des références numériques référence la figure dans laquelle est représenté l’élément.

On observe, sur les figures 1, 2 et 3 qui ne sont pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 10, 20 ou 30, objet de la présente invention.

Le dispositif, 10, 20 ou 30, de refroidissement d’un fluide, dit « premier fluide », comporte un circuit fermé, 110, 210 ou 310, et un circuit ouvert 118, 230 ou 330. Le premier fluide circule entre une entrée 112, 212 ou 312, et une sortie, 113, 213, 313. Le premier fluide est par exemple de l’eau à refroidir provenant d’un procédé industriel. Le circuit fermé, 110, 210 ou 310, est étanche, les éléments du circuit fermé, 110, 210 ou 310, étant reliés entre eux par des tuyauteries, par exemple.

Dans des modes de réalisations préférentiels, le fluide refroidi est de l’eau à une température supérieure ou égale à 45°C en entrée du dispositif 10,20 ou 30 et refroidie à une température inférieure ou égale à 30°C, c’est-à-dire que la différence de température est supérieure ou égale à 15°C.

Ces modes de réalisations permettent de refroidir l’eau à une température compatible avec un rejet dans le milieu ambiant. La différence de température de plus de 15°C permet de limiter la consommation des pompes de circulation de l’eau de refroidissement.

Un fluide de travail, circule dans le circuit fermé, 110, 210 ou 310. L’eau circule dans le circuit ouvert, 118, 230 ou 330.

Préférentiellement, le fluide de travail est un fluide réfrigérant isentropique. Un fluide réfrigérant isentropique est définit par une courbe de vaporisation décrivant la fin de l’équilibre entre un mélange vapeur et liquide, et la vapeur verticale, dans un diagramme comportant l’entropie en abscisse et la température en ordonnée dit « diagramme entropie-température ». Un diagramme de phase est une représentation graphique des phases, par exemple, liquide, vapeur et du mélange liquide et vapeur dans un repère orthonormé en fonction de variables thermodynamiques. On rappelle ici qu’une courbe verticale dans le diagramme entropie-température est telle que la dérivée de la température par rapport à l’entropie tend vers l’infini.

Tout cycle thermodynamique, par exemple le cycle thermodynamique subit par le fluide de travail dans le circuit fermé, 110, 210 ou 310, peut être représenté dans le diagramme entropie-température.

Ces modes de réalisation permettent d’optimiser le fonctionnement des compresseurs. Un fluide de travail non isentropique, par exemple un fluide séchant, implique une forte pente pour la représentation graphique de l’étape de compression dans le diagramme entropie-température pour que le fluide reste en phase gazeuse, ce qui signifie un faible rendement isentropique qui est incompatible avec une consommation d’électricité réduite.

Dans des modes de réalisation, le fluide de travail est un fluide réfrigérant quasiisentropique. Un fluide réfrigérant quasi-isentropique est définit par une courbe de vaporisation, dans le diagramme entropie-température, décrivant l’équilibre du mélange vapeur et liquide, et vapeur est quasiment verticale. C’est-à-dire que l’écart d’entropie entre la courbe en fin de compression et la courbe en démarrage de compression est inférieur à 20% dans la représentation graphique du cycle dans le circuit fermé, 110, 210 ou 310 sur le diagramme entropie-température.

Ces modes de réalisation permettent un compromis en travaillant avec un fluide de travail réduisant les performances des compresseurs mais permettant une optimisation des paramètres physiques de pression et de température.

Dans des modes de réalisation, le fluide de travail est un fluide mouillant. Un fluide mouillant est définit par une courbe de vaporisation, dans le diagramme entropietempérature, décrivant la fin l’équilibre du mélange vapeur et liquide, et vapeur à pente négative, c’est-à-dire que l’entropie croit quand la température décroît. L’eau, le CO2 et l’ammoniaque sont des fluides mouillant.

Préférentiellement, le fluide de travail est le fluide réfrigérant trans-1-Chloro3,3,3-trifluoropropene, de formule chimique C3CIF3H2, dénommé communément « R1233zd ». Dans des modes de réalisation préférentiels, la pression dans le circuit fermé étant toujours supérieure à 1 bar absolus et toujours inférieure à 12 bar absolus.

Ces modes de réalisations permettent de minimiser la consommation d’énergie électrique lors de la compression tout en permettant le refroidissement d’eau d’une température de plus de 45°C à une température inférieure ou égale à 30°C et en permettant la production de vapeur d’eau à basse pression en sortie d’un condenseurévaporateur, 116,218 ou 318. Le R1233zd présente un très faible impact sur l’effet de serre et est non-inflammable et non-toxique.

Le premier fluide circule dans un premier évaporateur, 111, 211, 311 ou 322, entre l’entrée, 112, 212 ou 312, et la sortie 113, 213 ou 313. Le circuit fermé 110, 210 ou 310, comporte le premier échangeur de chaleur évaporateur, 111,211,311 ou 322, entre le premier fluide et le fluide de travail, le premier fluide étant refroidi et le fluide de travail étant au moins partiellement vaporisé à une première pression.

Préférentiellement, le premier échangeur de chaleur évaporateur, 111,211,311 ou 322, est un échangeur tubulaire. Un échangeur tubulaire est constitué d'un faisceau de tubes, disposés à l'intérieur d'une enveloppe dénommée calandre. L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes et l'autre à l'intérieur de la calandre, autour des tubes. L’échangeur de chaleur évaporateur, 111, 211, 311 ou 322, peut être à co-courant ou contre-courant. Préférentiellement, le fluide de travail circule à l’intérieur dans la calandre et le premier fluide circule à l’intérieur des tubes.

Ces modes de réalisation permettent de faciliter la régulation, l’exploitation et la maintenance du premier échangeur de chaleur évaporateur, 111,211,311 ou 322.

Le fluide de travail, en sortie de l’échangeur de chaleur évaporateur, 111,211, 311 ou 322, est à une première pression dite « basse pression » et à une première température dite « basse température ». Pour le fluide de travail, une basse température est comprise entre 20°C et 50°C. Préférentiellement, la basse température est d’une valeur de 25°C. La basse pression, pour un fluide de travail donné correspondra à la pression de saturation à la basse température. Préférentiellement, la basse pression est supérieure à un bar absolu et inférieur à quatre bar absolu si le fluide de travail est du R1233ZD.

Dans des modes de réalisation, le fluide de travail est vaporisé dans l’échangeur de chaleur évaporateur, 111,211,311 ou 322, à une pression supérieure à la pression atmosphérique, et l’ensemble du circuit fermé, 110, 210 ou 310, est au-dessus de la pression atmosphérique.

Ces modes de réalisations permettent d’éviter les infiltrations d’air dans le circuit de fluide de travail et d’éviter les purges qui sont alors nécessaires.

L’étape d’évaporation du fluide de travail réalisée dans l’échangeur de chaleur évaporateur, 111, 211, 311 ou 322, est telle que le fluide de travail a prélevé de la chaleur sur le flux de premier fluide, et l’a donc refroidi.

Le fluide de travail est acheminé vers un ensemble de compression, 150, 250 ou 350, comportant au moins un compresseur, 114, 214 et 216, ou 314 et 316, pour augmenter la pression du fluide de travail vaporisé à une pression supérieure à la première pression, et une première vanne de détente 117, 219 et 220, ou 319, 320 et 324, du fluide de travail jusqu’à un mélange liquide vapeur.

Préférentiellement, au moins un compresseur 114, 214 et 216, ou 314 et 316, est un compresseur centrifuge.

Préférentiellement, chaque compresseur 114, 214 et 216, ou 314 et 316; est mis en mouvement par une source d’énergie mécanique 115, 215 et 217, ou 315 et 317. Chaque source d’énergie mécanique 115, 215 et 217, ou 315 et 317, est un moteur électrique, par exemple. Dans des modes de réalisation, les compresseurs sont actionnés par une unique source d’énergie mécanique 115, 215 et 217, ou 315 et 317.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 1, le compresseur 114 compresse le fluide de travail vaporisé à une pression dite « haute pression » et à une température dite « haute température ». Une haute pression est une pression entre huit et 12 bar absolu. Une haute température est comprise entre 70°C et 120°C. Préférentiellement, la haute température est d’une valeur de 105°C.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 2, l’ensemble de compression 250 comporte deux compresseurs 214 et 216, chacun alimenté par une source d’énergie mécaniques, 215 et 217, différente. Le premier compresseur 214 compresse le fluide de travail vaporisé à une pression dite « moyenne pression et à un température dite « moyenne température ». Une moyenne température est comprise entre 50°C et 100°C. Préférentiellement, la moyenne température est d’une valeur de 60°C. Si le fluide de travail est le R1233ZD, une moyenne pression est une pression entre trois et huit bar absolu. Préférentiellement, la moyenne pression est d’une valeur de quatre bar absolu. Et le deuxième compresseur 216 compresse le fluide de travail compressé à une haute pression et à une haute température.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 2, l’ensemble de compression 250 comporte deux compresseurs, 214 et 216, un ballon de séparation 221 et deux vannes de détente, 219 et 220. Le ballon de séparation 221 est placé entre les deux vannes de détente, 219 et 220, et entre les deux compresseurs, 214 et 216. Le ballon de séparation 221 sépare la phase liquide de la phase vapeur du fluide de travail en sortie d’une première vanne de détente 219 et oriente la phase vapeur vers le deuxième compresseur 216, et la phase liquide vers la deuxième vanne de détente 220. La vapeur dans le ballon de séparation 221 est à moyenne pression et à moyenne température.

Préférentiellement, le premier compresseur 214 et le deuxième compresseur 216 réalisent un rapport de pression entre l’entrée et la sortie de chaque compresseur, 214 et 216, inférieur ou égal à trois et demi.

Ces modes de réalisation permettent d’incorporer un ballon de séparation 221 avec une diminution de la consommation d’électricité.

Le premier compresseur 214 est alimenté en fluide vaporisé issu de l’évaporateur 211. Le deuxième compresseur 216 est alimenté en fluide vaporisé issu du premier compresseur 214 et de la phase vapeur issue du ballon de séparation 221.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, l’ensemble de compression 350 comporte deux compresseurs 314 et 316, chacun alimenté par une source d’énergie mécanique, 315 et 317. Le premier compresseur 314 compresse le fluide de travail vaporisé à une moyenne pression et à une moyenne température. Et le deuxième compresseur 316 compresse le fluide de travail compressé à une haute pression et à une haute température.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, l’ensemble de compression 350 comporte deux compresseurs, 314 et 316, un ballon de séparation 321 et trois vannes de détente, 319, 320 et 324. La vannes de détente 319 et 320 sont placées en parallèles et alimentent deux évaporateurs 311 et 322 différents. Le ballon de séparation 321 est placé entre la vanne de détente 319 et la vanne de détente 324 et entre les deux compresseurs 314 te 316. La vanne de détente 320 alimente directement l’évaporateur 311. Le ballon de séparation 321 sépare la phase liquide de la phase vapeur du fluide de travail en sortie d’une première vanne de détente 319 et oriente la phase vapeur vers le deuxième compresseur 316, et la phase liquide vers la troisième vanne de détente 324. La vapeur dans le ballon de séparation 321 est à moyenne pression et à moyenne température.

Préférentiellement, le premier compresseur 314 et le deuxième compresseur 316 réalisent un rapport de pression entre l’entrée et la sortie de chaque compresseur, 314 et 316, inférieur ou égal à trois et demi.

Ces modes de réalisation permettent d’incorporer un ballon de séparation 321 avec une diminution de la consommation d’électricité.

Le premier compresseur 314 est alimenté en fluide vaporisé issu de l’évaporateur 322. Le deuxième compresseur 316 est alimenté en fluide vaporisé issu du premier compresseur 314, de la phase vapeur issue du ballon de séparation 321 et de fluide vaporisé issu de l’évaporateur 311.

Dans des modes de réalisations, la pression du fluide de travail en sortie du ballon de séparateur, 221 ou 321, est inférieure ou égale à quatre bar.

Plus généralement, dans les modes de réalisation représentés en figure 2 et 3, l’ensemble de compression, 250 ou 350, comporte, un deuxième compresseur, 216 ou 316, entre le premier compresseur, 214 ou 314, et le condenseur-évaporateur, 218 ou 318, pour augmenter la pression du fluide de travail en sortie du premier compresseur, 214 ou 314, et avant le condenseur-évaporateur, 218 ou 318.

Et, l’ensemble de compression, 250 ou 350, comporte, de plus :

- une deuxième vanne de détente, 220 ou 324, entre la première vanne de détente, 219 ou 319, et le premier évaporateur, 211 ou 322, et

- un ballon de séparation, 221 ou 321, du fluide de travail en une phase liquide et une phase gazeuse, situé entre la première vanne de détente, 219 ou 319, et la deuxième vanne de détente, 220 ou 324, la phase liquide alimentant la deuxième vanne de détente, 220 ou 324, et la phase gazeuse alimentant le deuxième compresseur, 216 ou 316, avec l’alimentation en provenance du premier compresseur 214 ou 314.

Les deux vannes, 219 et 220, ou 319 et 324, les deux compresseurs, 214 et 216, ou 314 et 316, et le ballon de séparation, 221 ou 321, forment un étage, 250 ou 350.

Dans des modes de réalisation particuliers (non représentés), l’ensemble de compression comporte un nombre prédéterminé d’étages, 250 ou 350.

Ces modes de réalisation permettent de minimiser la consommation électrique des compresseurs et de réduire le coût des échangeurs évaporateur.

Le circuit fermé, 110, 210 ou 310, comporte au moins un échangeur de chaleur dit « condenseur-évaporateur», 116, 218 ou 318, entre le fluide de travail et l’eau l’échangeur de chaleur condenseur-évaporateur condensant le fluide de travail et vaporisant l’eau à une deuxième pression.

Et au moins une vanne de détente, 117, 219,220, 319, 320 et 324, du fluide de travail jusqu’à un mélange liquide vapeur, chaque vanne de détente , 117, 219, 220, 319, 320 et 324, étant située entre le condenseur-évaporateur et un échangeur de chaleur évaporateur.

Le condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318, peut-être à co-courant ou contrecourant ou à courant croisé parfait, indépendamment de la représentation sur les figures. Ces modes de réalisation permettent de faciliter la régulation, l’exploitation et la maintenance du condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318.

L’eau, en sortie du condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318, est à une basse pression et à la température de saturation, par exemple. L’eau, en sortie du condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318, est sous forme de vapeur.

L’étape de condensation du fluide de travail réalisée dans le condenseurévaporateur, 116, 218 ou 318, est telle que l’eau a prélevée de la chaleur sur le flux de fluide de travail, et a réduit son enthalpie à température constante. Simultanément, l’eau s’est vaporisée en augmentant son enthalpie à température constante. La condensation du fluide de travail génère de la chaleur, qui est utilisée pour vaporiser le l’eau sous forme de vapeur basse pression, dans l’autre partie du condenseurévaporateur, 116, 218 ou 318.

Préférentiellement, le condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318, est un condenseur-évaporateur tubulaire. Préférentiellement, le condenseur-évaporateur,

116, 218 ou 318, est un rebouilleur. Le l’eau circule dans la calandre autour des tubes pour y être vaporisée et le fluide de travail circule dans les tubes pour y être condensé.

Dans des modes de réalisation, le fluide de travail est condensé dans le condenseur-évaporateur à une pression inférieure à 12 bar.

Ces modes de réalisations permettent de limiter les coûts des équipements, en limitant les épaisseurs des équipements sous pression.

Dans des modes de réalisation, l’eau est vaporisée dans le condenseurévaporateur, 116, 218, 318, à une pression inférieure à un bar et une température inférieure à 100°C, sous forme de vapeur basse pression.

Ces modes de réalisations permettent de former de la vapeur dans le condenseur-évaporateur avec la consommation d’électricité minimale.

Préférentiellement, le rapport entre la puissance thermique générée en sortie du condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318, et la puissance électrique utilisée pour l’ensemble des compresseurs, 114, 214 et 216, ou 314 et 316, est supérieur à trois. On appelle ce rapport le coefficient de performance (d’acronyme « COP »).

Ces modes de réalisations permettent d’obtenir la viabilité économique des projets dans la plupart des configurations industrielles.

L’étape de condensation du fluide de travail est réalisée dans le condenseurévaporateur, 116, 318 ou 318, l’eau prélève de la chaleur sur le fluide de travail pour être réchauffé et se vaporiser. L’eau provient de l’alimentation, 123,240 ou 340, et est légèrement sous pression. L’alimentation, 123 peut être, par exemple, une bride de tuyauterie. Dans les modes de réalisation représentés en figures 2 et 3, l’alimentation, 240 ou 340, comportant au moins un réservoir, 241 ou 341, et au moins une pompe, 242 ou 342, configurée pour mettre en pression l’eau et faire circuler l’eau sous forme liquide.

La pression atteinte est la pression configurée pour vaincre les pertes de charge, vaporiser l’eau et faire la circuler de la vapeur, tout en maintenant un niveau d’évaporation optimal dans l’échangeur de chaleur condenseur-évaporateur, 218 ou 318. La pression atteinte est la pression minimale pour faire circuler la vapeur dans le bon sens qui correspond donc à la pression de vapeur souhaité dans le condenseurévaporateur, 218 ou 318, à laquelle s’ajoutent les pertes de charges entre la pompe, 242 ou 342, et la sortie du condenseur-évaporateur, 218 ou 318,et une marge de sécurité.

Le fluide de travail sous forme de liquide condensé est ensuite acheminé vers la première vanne de détente, 117, 219, 319 ou 320, un mélange liquide et vapeur du fluide de travail se forme. Dans le mode de réalisation représenté en figure 1, le mélange liquide et vapeur est introduit dans l’échangeur de chaleur évaporateur 111.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 2, le mélange liquide et vapeur est séparé dans le ballon de séparation 221, la vapeur est acheminée vers le deuxième compresseur 216 et la phase liquide est acheminée à une deuxième vanne de détente 220 dans laquelle un mélange liquide et vapeur du fluide de travail se forme. La vapeur du fluide en sortie de la première vanne de détente 219 est à moyenne pression et moyenne température. Le mélange est introduit dans l’échangeur de chaleur évaporateur 211.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, deux vannes de détente 319 et 320 sont en parallèle et sont configurées pour que, la pression du mélange liquide vapeur sortant de la vanne de détente 320 moins les pertes de charge rencontrées dans l’échangeur de chaleur évaporateur 311, d’une première part, la pression du mélange liquide vapeur sortant de la vanne 319 d’une seconde part soit équilibrées avec la pression en sortie du premier compresseur 314 d’une troisième part soit équilibrées pour que le fluide de travail soit évacué uniquement vers le compresseur 316 et éviter le retour du fluide de travail à travers le ballon de séparation 321 et l’évaporateur 322.

Ces modes de réalisations permettent d’optimiser les cycles thermodynamiques et de réduire les coûts des échangeurs de chaleur évaporateurs 311 et 322. Ils sont particulièrement adaptés pour refroidir le premier fluide d’un écart de température supérieur à 15°C.

La vanne 319 alimente le ballon de séparation 321 qui sépare la phase liquide et la vapeur. La vapeur est envoyée vers le deuxième compresseur 316 et la phase liquide est envoyée vers une autre vanne de détente 324. La vanne de détente 324 alimente le premier évaporateur 322. La vapeur du fluide en sortie de la première vanne de détente 319 ou 320 est à moyenne pression et moyenne température.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, le dispositif 30 comporte, de plus :

- la troisième vanne 320 de détente parallèle à la première vanne de détente 319 alimentant un deuxième évaporateur 311 et

- un deuxième échangeur de chaleur évaporateur 311 entre le premier fluide et le fluide de travail, le premier fluide étant refroidi et le fluide de travail étant au moins partiellement vaporisé à une pression équilibrée avec la pression du fluide de travail en sortie du premier compresseur et la pression en sortie d’un ballon de séparation, le deuxième évaporateur étant en série avec le premier évaporateur 322 pour le premier fluide, pour lequel le fluide de travail évaporé alimente le deuxième compresseur 316 avec les alimentations en provenance du ballon de séparation 321 et du premier compresseur 314.0n notera ici que le refroidissement du premier fluide entre l’entrée 312 et la sortie 313 est réalisé en deux étapes. Dans une première étape, le premier fluide à refroidir est refroidi pour vaporiser le fluide de travail dans l’échangeur de chaleur évaporateur 311 à moyenne pression. Dans une seconde étape, le premier fluide à refroidir est refroidi pour vaporiser le fluide de travail dans l’échangeur de chaleur évaporateur 322 à basse pression. L’ordre des échangeurs est important pour garantir la meilleure efficacité possible.

Le premier fluide traverse en premier lieu l’échangeur de chaleur évaporateur 311 puis l’échangeur de chaleur évaporateur 322.

Dans les trois modes de réalisation représentés 10, 20 ou 30, le fluide de travail a alors subit un cycle thermodynamique complet dans le circuit fermé 110, 210 ou 310.

Le dispositif 10, 20 ou 30, comporte également un circuit ouvert, 130, 230 ou 330, dans lequel circule de l’eau, et comportant un éjecteur, 138, 238 ou 338, alimenté d’une part par de la vapeur à une pression primaire, préférentiellement haute pression issue d’une source, 120, 232 ou 332, et par de la vapeur issue du condenseurévaporateur, 116, 218 ou 318, à la pression secondaire, l’éjecteur mélangeant l’eau à une pression, dite « pression de sortie », comprise entre la pression secondaire et la pression primaire.

L’éjecteur, 118 ,238 ou 338, est un éjecteur de vapeur.

Préférentiellement, l’éjecteur, 138, 238 ou 338 comporte :

- une buse primaire, 119, 231 ou 331, par exemple un tuyère convergentedivergente dans laquelle est introduite la vapeur d’eau à la pression primaire

- un corps d’admission 121, 233 ou 333 dans lequel est introduite la vapeur d’eau à la pression secondaire, le corps d’admission, 121, 233 ou 333, étant adjacent au condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318,

- une zone de mélange 124, 234 ou 334, de la vapeur d’eau à la première pression et la vapeur d’eau à la deuxième pression à une pression dite « de mélange »,

- une tuyère d’aspiration 125, 235 ou 335 de la vapeur d’eau mélangée,

- un diffuseur 126, 236 ou 336, de la vapeur d’eau à la pression de sortie et

- une bride de sortie 122, 237 ou 337 de la vapeur d’eau.

La pression primaire est une haute pression, la pression secondaire est une basse pression.

Préférentiellement, le corps d’admission, 121, 233, 333, est positionné sur la calandre du condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318 au dessus de la calandre.

La vapeur à pression primaire est introduite par une zone d’injection de vapeur, 119, 231 ou 331. Préférentiellement, la zone d’injection de vapeur, 119, 231 ou 331 est dans un axe parallèle à l’axe du cylindre de l’éjecteur 125, 235 ou 335. Préférentiellement, la buse primaire d’injection de vapeur 119, 231 ou 331, est une buse convergente-divergente et l’écoulement de vapeur est supersonique.

La vapeur à la pression secondaire est introduite dans un corps d’admission, 121, 233 ou 333. Préférentiellement, le corps d’admission de vapeur, 121,233 ou 333, est perpendiculaire à l’axe de la tuyère d’aspiration, 125, 235 ou 335.

La zone de mélange 124, 234 ou 334, est une zone au sein du corps d’admission 121, 233 ou 333 situé à la sortie de la zone d’injection de vapeur 119,231 ou 331, et à l’entrée de la tuyère d’aspiration 125, 235 ou 335.

La tuyère d’aspiration, 125, 235 ou 335, est un cylindre creux. Préférentiellement, la tuyère d’aspiration 125, 235, 335 présente une section convergente.

Le diffuseur 126, 236, 336 est de forme divergente et directement connecté à la tuyère d'aspiration 125, 235 ou 335.

En sortie du diffuseur 126,236 ou 336 est située la bride 122, 237 ou 337, la vapeur est à une pression de sortie est comprise entre la pression secondaire et la pression primaire, préférentiellement une moyenne pression.

Dans des modes de réalisation, la pression de la vapeur lors de l’évaporation dans le condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318 est inférieure à un bar.

Dans des modes de réalisation :

- la pression de mélange dans l’éjecteur 138, 238 ou 338, est inférieure à la pression d’évaporation de l’eau dans le condenseur-évaporateur 116, 218 ou 318, et

- l’écoulement de vapeur dans la buse primaire 121, 233 ou 333 est supersonique.

Au sein du circuit ouvert, 118, 230 ou 330, la buse primaire d’injection de vapeur, 119, 231 ou 331, accélère la vapeur à la pression primaire ce qui a pour effet d’aspirer la vapeur à la pression secondaire qui est une basse pression. Préférentiellement, le corps d’admission 121, 233 ou 333, est connecté directement sur le condenseur-évaporateur et la vapeur formée est aspirée directement par l’éjecteur 138, 238 ou 338. Préférentiellement, le condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318, comporte des tubes 502 dans une calandre 504, le fluide de travail circulant dans les tubes et vaporisant l’eau à la pression secondaire dans la calandre 504 et le corps d’admission 533 de l’éjecteur, 138, 238 ou 338, est positionné au-dessus de la calandre 504 du condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 318, et communiquant avec la calandre 504. Dans des modes de réalisation préférentiels, le condenseurévaporateur, 116, 218 ou 318, est un rebouilleur.

Le mélange de vapeur à la pression primaire et de vapeur à la pression secondaire est réalisé dans la zone de mélange, 124, 234 ou 334, et à une pression de mélange fixée par les caractéristiques dimensionnelles de l’éjecteur 138, 238 ou 338. La tuyère divergente, 126, 236 ou 336, transforme l’énergie cinétique en énergie de pression, puis la vapeur de sortie moyenne pression est livrée en un point de livraison, 122, 237 ou 337, une bride de tuyauterie, par exemple.

Dans des modes de réalisation, la conception du circuit fermé 110, 210, ou 310, de fluide de travail est commune à plusieurs applications sur des sites industrielles et produit un débit de vapeur à la deuxième pression qui est une basse pression, à 1 bar ou moins par exemple, et l’éjecteur, 138, 238, ou 338, est adapté sur mesure pour fournir la vapeur à une moyenne pression demandée par le site industriel à partir de la vapeur à pression primaire, qui est une haute pression disponible sur le site industriel.

Ces modes de réalisations permettent de réduire les coûts de développement et d’industrialisation à un seul composant, l’éjecteur, 138, 238 ou 338, adapté sur mesure aux contraintes du site d’application, le reste des équipements composants l’invention étant standardisés.

Dans des modes de réalisation, le premier fluide est de l’eau à refroidir de 50 à 29°C, le fluide de travail est le R1233ZD, l’installation comporte deux compresseurs pour le fluide de travail, le COP est supérieur à trois, le rapport de compression de chaque compresseur est inférieur à trois et deux dixièmes, la pression primaire de vapeur est de 9 bar absolu et la vapeur est saturée, la vapeur à la pression secondaire est comprise entre un bar et un bar absolu et deux dixièmes et saturée, et l’éjecteur, 138, 238 ou 338, reçoit quatre unités de débit de vapeur à la pression primaire et une unité de débit de vapeur secondaire pour produire cinq unités de vapeur à une pression de sortie égale à quatre bar absolus.

Dans des modes de réalisation, le premier fluide est de l’eau à refroidir de 50 à 29°C, le fluide de travail est le R1233ZD, l’installation comporte deux compresseurs pour le fluide de travail, le COP est supérieur à quatre, le rapport de compression de chaque compresseur est inférieur à deux et six dixième, la pression primaire de vapeur est de 9 bar absolu et la vapeur est saturée, la vapeur à la pression secondaire est comprise entre 400 et 450 mbar absolu et saturée, et l’éjecteur, 138,238 ou 338, reçoit six unités de débit de vapeur à la pression primaire et une unité de débit de vapeur à la pression secondaire pour produire sept unités de vapeur à une pression de sortie égale à quatre bar absolus. La pression dans le condenseur-évaporateur est inférieure à un bar.

Ces modes de de réalisation permettent une plus faible consommation électrique des compresseurs, mais une plus grande consommation de vapeur haute pression à la buse primaire.

Dans des modes de réalisation, la vapeur d’eau produite en sortie de l’éjecteur est à une pression de sortie supérieure ou égale à quatre bar absolu et à une température supérieure ou égale à la température de saturation du fluide en sortie de l’éjecteur 138, 238 ou 338.

Ces modes de réalisations permettent de maximiser la pertinence de l’invention sur les sites industriels car la vapeur supérieure à quatre bar absolus constitue un standard des réseaux industriels.

Dans des modes de réalisation, la vapeur à la pression secondaire comprise entre un bar et un bar et deux dixièmes et de température environ égale à 100°C est introduite dans l’éjecteur, 138, 238 ou 338, au niveau du corps d’admission 121,233 ou 333, pour être mélangée avec de la vapeur à la pression primaire. La vapeur à la pression primaire est à une température inférieure à la température de saturation augmentée de cinq degrés et à une pression supérieure à neuf bar absolus. La pression de mélange au sein de la zone de mélange, 124, 234 ou 334, est inférieure à un bar, préférentiellement quatre-vingt-dix-neuf centièmes de bar et la vitesse de la vapeur en sortie de la buse primaire 119, 231 ou 331 est inférieure à 1200 mètres par seconde.

Ces modes de réalisation permettent de minimiser la consommation de vapeur à la pression primaire introduite tout en minimisant la consommation électrique du compresseur.

L’intégralité du dispositif est commandée par un moyen de commande en fonction de données issues de capteurs, de température et de pression, par exemple.

La figure 4 représente dans un diagramme entropie-température du fluide R1233zd, les différentes transformations et états des fluides mis en œuvre dans un mode de réalisation particulier du dispositif 20 représenté en figure 2. La température est représentée en degrés Celsius et l’entropie est représentée en joules par kilogramme par Kelvin.

La droite 410, représentée en pointillés, représente le refroidissement du premier fluide de 50°C à 30°C. Dans le mode de réalisation représenté, le premier fluide est de l’eau. La chaleur transférée durant cette opération permet l’évaporation du fluide de travail à une température de 25°C. Cette étape d’évaporation est représentée par la droite isotherme 420. L’étape d’évaporation est réalisée dans l’échangeur de chaleur évaporateur 211. A cette température, l’évaporation du fluide de travail est réalisée à une pression de un bar absolu et trois dixièmes.

Le fluide de travail est ensuite compressé une première fois, dans le compresseur 214, avec un ratio de pression inférieur à trois virgule deux représenté par la droite 421. Puis, le fluide de travail est compressé une seconde fois, dans le compresseur 216. La deuxième étape de compression est représentée par la droite

422.

Le fluide de travail est ensuite condensé dans le condenseur-évaporateur 218 à une température de 105°C. La condensation est représentée par la droite isotherme

423. A cette température, la condensation est réalisée à une pression inférieure à douze bar absolu.

Une fois liquide, en sortie du condenseur-évaporateur 218, le fluide de travail est détendu, dans la première vanne de détente 219. L’étape de détente est représentée par la droite 424. Les phases vapeur et liquide du fluide de travail sont séparées dans le ballon de séparation 221. La séparation est représentée par la droite isotherme 425. Puis le liquide est détendu une seconde fois. La deuxième détente représentée par la droite 426 est réalisée dans la deuxième vanne de détente 220. La pression de séparation est de quatre bar.

La chaleur transmise lors de la condensation du fluide de travail permet l’évaporation de l’eau représentée par la droite isotherme 430 à une température de 100°C et une pression de 1bar absolu. Cette vapeur présente une pression de un bar abs et une température de 100°C et est ensuite mélangé dans l’éjecteur 238 avec la vapeur à une pression primaire de neuf bar absolu et une température de 176°C représenté par la droite isotherme 432. Le mélange produit de la vapeur à une température de 156°C et une pression de quatre bar absolu.

On observe sur la figure 5 qui n’est pas à l’échelle, un arrangement particulier de l’ensemble 50 constitué d’une part par le condenseur-évaporateur, 116, 218 ou 31,8, et d’autre part, par une partie du circuit ouvert comprenant l’éjecteur, 138, 238 ou 338.

Le fluide de travail arrive sous forme gazeuse préférentiellement par une entrée 503 située en hauteur et se condense dans le faisceau de tubes 502, puis se dirige vers une sortie 501, préférentiellement située en position inférieure par rapport au faisceau de tubes 502. Le faisceau de tubes 502 comporte sur sa section inférieure une faible pente préférentiellement de trois pourcent par rapport à l’horizontale, pour permettre l’écoulement du liquide par gravité vers la sortie 501 dans les phases d’arrêt. Lors de la condensation du fluide de travail dans le faisceau de tubes 502 de la chaleur est transférée à l’eau qui va être évaporée dans la calandre 518. L’eau sous forme liquide arrive par une entrée 540, et est vaporisée dans la calandre 518 grâce à la chaleur transférée lors de la condensation du fluide de travail 502. La zone libre 504 au sein de la calandre 518 permet la circulation naturelle de la vapeur et l’absence de formation de gouttelettes d’eau. La vapeur ainsi formée pénètre dans un corps d’admission secondaire 533. La vapeur à la pression primaire à haute pression est introduite par une arrivée 532 dans une buse primaire d’injection de vapeur 531 qui accélère cette vapeur à la pression primaire. La vapeur à la pression primaire ainsi accélérée est mélangée dans la zone de mélange 534 à une pression de mélange avec la vapeur à la pression secondaire dans le corps d’admission 533 et le mélange se dirige vers la tuyère d’aspiration 535 puis vers le diffuseur 536. La vapeur en sortie 537 est ainsi à une pression de sortie comprise entre la pression secondaire et la 5 pression primaire.

Dans des modes de réalisation, le choix des caractéristiques dimensionnelles des éléments de l’éjecteur permettent d’assurer un effet de succion de la vapeur à la pression primaire formée dans la calandre 518 garantissant la circulation de l’eau dans le circuit ouvert.

Dans des modes de réalisation, l’écart entre la pression en entrée 532 pour la vapeur à la pression primaire et la pression dans la zone de mélange 534 permet une vitesse de la vapeur à la pression primaire en sortie de la buse primaire d’injection 531 qui soit inférieure à 1300 mètres par seconde.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif (10, 20 ,30) de refroidissement d’un fluide, dit « premier fluide caractérisé en ce qu’il comporte :

- un circuit fermé (110,210, 310) dans lequel circule un fluide de travail, le circuit fermé comportant :

- au moins un premier échangeur de chaleur évaporateur (111,211,311, 322) entre le premier fluide et le fluide de travail, le premier fluide étant refroidi et le fluide de travail étant au moins partiellement vaporisé,

- un ensemble de compression (150, 250, 350) comportant au moins un compresseur (114, 214, 314) pour augmenter la pression du fluide de travail vaporisé,

- au moins un échangeur de chaleur dit « condenseur-évaporateur » (116, 218, 318) entre le fluide de travail et de l’eau, le condenseur-évaporateur condensant le fluide de travail et vaporisant l’eau à une pression, dite « secondaire » et

- au moins une première vanne de détente (117, 219, 319) du fluide de travail jusqu’à un mélange liquide vapeur, chaque vanne de détente étant située entre le condenseur-évaporateur et un échangeur de chaleur évaporateur ;

- un circuit ouvert (118, 230, 330) dans lequel circule de l’eau, comportant un éjecteur (138, 238, 338) de vapeur, alimenté par de la vapeur d’eau issue du condenseurévaporateur à la pression à la pression secondaire et par de la vapeur d’eau à une pression, dite « primaire », supérieure à la pression secondaire, l’éjecteur de chaleur mélangeant l’eau à une pression, dite « pression de sortie », comprise entre la pression secondaire et la pression primaire.
2. Dispositif (20, 30) selon la revendication 1, dans lequel l’ensemble de compression (250, 350) comporte, de plus, un deuxième compresseur (216, 316) entre le premier compresseur (214, 314) et le condenseur-évaporateur (218, 318) pour augmenter la pression du fluide de travail en sortie du premier compresseur et avant le condenseur-évaporateur.
3. Dispositif (20, 30) selon la revendication 2, dans lequel, l’ensemble de compression (250, 350) comporte, de plus :

- une deuxième vanne de détente (220, 324) entre la première vanne (219, 319) de détente et le premier évaporateur (211, 322) et

- un ballon de séparation (221, 321) du fluide de travail en une phase liquide et une phase gazeuse, situé entre la première vanne de détente et la deuxième vanne de détente, la phase liquide alimentant la deuxième vanne de détente et la phase gazeuse alimentant le deuxième compresseur (216, 316) avec l’alimentation en provenance du premier compresseur (214, 314),.

les deux vannes, les deux compresseurs et le ballon de séparation formant un étage.
4. Dispositif (20, 30) selon la revendication 3, dans lequel l’ensemble de compression (250, 350) comporte un nombre prédéterminé d’étages.
5. Dispositif (30) selon l’une des revendications 3 ou 4, dans lequel le circuit fermé (310) comporte, de plus :

- une troisième vanne de détente (320) parallèle à la première vanne (319) de détente alimentant un deuxième évaporateur (311) et

- un deuxième échangeur de chaleur évaporateur (311) entre le premier fluide et le fluide de travail, le premier fluide étant refroidi et le fluide de travail étant au moins partiellement vaporisé à une pression équilibrée avec la pression du fluide de travail en sortie du premier compresseur et la pression en sortie d’un ballon de séparation, le deuxième évaporateur étant en série avec le premier évaporateur (322) pour le premier fluide, pour lequel le fluide de travail évaporé alimente le deuxième compresseur (316) avec les alimentations en provenance du ballon de séparation (321) et du premier compresseur (314).
6. Dispositif (10, 20, 30) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’éjecteur (138, 238, 338) comporte :

- une buse primaire (121, 233, 333) dans laquelle est introduite la vapeur d’eau à la pression primaire,

- un corps d’admission (119,231, 331 ) dans lequel est introduite la vapeur d’eau à la pression secondaire, est adjacent à l’échangeur condenseur-évaporateur,

- une zone de mélange (124, 234, 334) de la vapeur d’eau à la première pression primaire et de la vapeur d’eau la pression secondaire à une pression dite « de mélange »,

- une tuyère d’aspiration (125, 235, 335) de la vapeur d’eau mélangée,

- un diffuseur (126, 236, 336) de la vapeur d’eau à la pression de sortie et

- une bride de sortie (122, 237, 337) de la vapeur d’eau.
7. Dispositif (10, 20, 30) selon la revendication 6, dans lequel l’éjecteur (138, 238, 338) crée une aspiration et la pression de la vapeur lors de l’évaporation dans le condenseur-évaporateur (116, 218, 318) est inférieure à un bar.
8. Dispositif (10, 20, 30) selon l’une des revendications 6 ou 7, dans lequel :

- le condenseur-évaporateur (116, 218, 318) comporte des tubes (502) dans une calandre (504), le fluide de travail circulant dans les tubes et vaporisant l’eau à la pression secondaire dans la calandre et,

- le corps d’admission (119, 231, 331, 533) de l’éjecteur (138, 238, 338) est positionné au-dessus de la calandre du condenseur-évaporateur et communiquant avec la calandre.
9. Dispositif (10, 20, 30) selon la revendication 8, dans lequel le condenseurévaporateur (116, 218, 318) est un rebouilleur.
10. Dispositif (20, 30) selon l’une des revendications 1 à 9, qui comporte une alimentation (240, 340) en eau sous forme liquide du condenseur-évaporateur (218, 318) comportant au moins un réservoir (241, 341) et au moins une pompe (242, 342) configurée pour mettre en pression l’eau et faire circuler l’eau sous forme liquide.
11. Dispositif (10, 20, 30) selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le fluide de travail est un fluide réfrigérant isentropique.
12. Dispositif (10, 20, 30) selon à la revendication 1 à 10, dans lequel le fluide de travail est le fluide réfrigérant trans-1-Chloro-3,3,3-trifluoropropene, de formule chimique C3CIF3H2, dénommé communément « R1233zd ».
13. Dispositif (10, 20, 30) selon à la revendication 12, dans lequel la pression dans le circuit fermé est toujours supérieure à un bar absolus et toujours inférieure à 12 bar absolus.

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14. Dispositif (10, 20, 30) selon l’une des revendications 1 à 13, chaque compresseur est mis en mouvement par une source d’énergie mécanique unique (115, 215,217, 315, 317).
15. Dispositif (10,20,30) selon l’une des revendications 1 à 14, dans lequel la 10 vapeur d’eau produite en sortie de l’éjecteur est à une pression de sortie supérieure ou égale à quatre bar absolu et à une température supérieure ou égale à la température de saturation du fluide en sortie de l’éjecteur (138, 238, 338)