La présente invention concerne le domaine des procédés de refroidissement mettant en oeuvre du CO2. L'utilisation du CO2 dans de tels procédés de refroidissement est, on le sait, très avantageuse puisque ce fluide présente une phase solide à -80°C à la pression atmosphérique, ce qui permet de mettre en oeuvre pour certaines applications de la glace sèche, glace très efficace notamment pour apporter du froid de manière localisée sans aucune installation frigorifique. De nombreuses applications du CO2 solide existent comme par exemple les sacs de glace carbonique chargés dans les conteneurs de transport de produits alimentaires ou pharmaceutiques, ou encore les utilisations pour le maintien en froid des repas dans le domaine des transports aériens. Cependant, lorsque ce gaz est utilisé dans des échangeurs de chaleur (injection « indirecte »), typiquement à tubes ou à plaques, cet avantage se transforme en inconvénient car l'apparition intempestive de la forme solide du CO2 (neige carbonique) dans un échangeur entraine assez rapidement le bouchage de celui-ci. Pour éviter cet inconvénient de passage en phase solide, on cherche donc à éviter que la phase solide du CO2 n'apparaisse, et on favorise donc les conditions permettant que le CO2 reste sous forme liquide ou gazeuse dans l'ensemble de l'échangeur. Pour que l'échange thermique soit réalisé en restant en phase liquide et gazeuse (vaporisation du CO2 liquide sans prendre le risque de former du CO2 solide), la pression dans le tube doit être maintenue à une valeur supérieure à la pression théorique de 5,18 bar correspondant à la pression du point triple de ce fluide. Dans la pratique, on bride en quelque sorte le système à une pression de 6 à 7 bar en se ménageant ainsi une marge de sécurité de 0,82 à 1,82 bar. The present invention relates to the field of cooling processes using CO2. The use of CO2 in such cooling processes is, as is known, very advantageous since this fluid has a solid phase at -80 ° C at atmospheric pressure, which makes it possible to implement for certain applications dry ice , Ice very effective especially to bring cold localized way without any refrigeration. Many applications of solid CO2 exist such as bags of dry ice loaded in containers for transporting food or pharmaceutical products, or the uses for keeping food cold in the air transport sector. However, when this gas is used in heat exchangers ("indirect" injection), typically tubes or plates, this advantage is transformed into a disadvantage because the inadvertent appearance of the solid form of CO2 (dry ice) in a heat exchanger leads rather quickly the closure of it. To avoid this disadvantage of passage in the solid phase, it is therefore sought to prevent the solid phase of the CO2 does not appear, and therefore favors the conditions that the CO2 remains in liquid or gaseous form throughout the exchanger. In order for the thermal exchange to be carried out while remaining in the liquid and gaseous phase (vaporization of the liquid CO2 without taking the risk of forming solid CO2), the pressure in the tube must be maintained at a value greater than the theoretical pressure of 5, 18 bar corresponding to the pressure of the triple point of this fluid. In practice, the system is in some way clamped to a pressure of 6 to 7 bar thus providing a safety margin of 0.82 to 1.82 bar.
Alors que la température de sublimation du CO2 solide à la pression 3o atmosphérique est de -80°C, le fait de maintenir la pression dans l'échangeur à 6 bar relatifs augmente la température de vaporisation à environ -50°C. While the sublimation temperature of solid CO2 at atmospheric pressure is -80 ° C, keeping the pressure in the exchanger at 6 bar relative increases the vaporization temperature to about -50 ° C.
D'autre part, le fait de réaliser l'échange thermique à 6 bar et non à la pression atmosphérique diminue légèrement la capacité frigorifique du CO2. En effet, lorsqu'un kilogramme de CO2 soutiré d'un stockage, par exemple dans des conditions standard de type 20 bar absolus / -20°C, entre dans un échangeur, il y libère 277,97 kJ/kg s'il est rejeté à -50°C sous forme gazeuse à 6 bar relatifs, alors que pour la même quantité de CO2, il libère 292,6 kJ/kg lorsqu'il est rejeté à -50°C à la pression atmosphérique, soit un gain de 5%. A titre d'exemple, on trouve de telles applications d'utilisation du CO2 rejeté à 6 bar après passage dans un échangeur dans le transport réfrigéré en camion mais également dans des tunnels ou chambre de surgélation; où un échangeur de chaleur est alimenté en CO2 liquide qui en s'évaporant dans cet échangeur, extrait la chaleur du milieu à refroidir et produit ainsi le froid désiré ; le transfert du froid aux produits passe par un échange avec l'air interne du tunnel, de la chambre ou du camion par l'intervention de moyens de ventilation associés à chaque échangeur On comprend dès lors qu'il serait intéressant de pouvoir proposer une solution technique permettant de réaliser l'échange thermique dans un échangeur type à tubes ou à plaques (échange indirect), pour des températures d'échangeur néanmoins basses (typiquement -50°C), sans risquer bien entendu la formation de neige et en ne perdant pas la capacité calorifique du CO2 après sa détente de 6 bar à la pression atmosphérique. Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention propose une nouvelle solution d'échange dont les principales caractéristiques peuvent être résumées ainsi : - la solution proposée ici réside dans la configuration d'échangeur adoptée, où l'échangeur, qui peut être par exemple de type à tubes ou à plaques, est constitué de deux échangeurs montés en série ; - le premier échangeur est apte à être alimenté par du CO2 liquide (par exemple dans des conditions standards de type -20°C/20 bar), le liquide rencontrant, avant son arrivée dans le premier échangeur un détendeur thermostatique ou un ensemble sonde de température/régulateur/vanne, ou tout autre moyen permettant d'ajuster le débit de CO2 parvenant au 1 er échangeur aux besoins thermiques en jeu, i.e. de contrôler une surchauffe, en d'autres termes une différence de température entre la température correspondant à la pression de vapeur saturante (par exemple 6 bar, -53,1°C) et par exemple -50°C, ce qui correspond à 3,1 ° de surchauffe ; - on maintient dans ce premier échangeur une pression supérieure à 5,18 bar relatifs, i.e. la température du changement de phase du 002 (et on empêche ainsi la formation de neige), on pourra par exemple maintenir 6 bar absolus grâce à un déverseur ou un ensemble capteur de pression/régulateur/vanne, placé en sortie de ce premier échangeur ; - cet arrangement permet d'assurer que le 002 est présent dans le premier échangeur sous une forme strictement diphasique liquide/gaz, sans qu'à aucun moment les conditions mises en oeuvre ne permettent la formation de solide ; - la température minimum obtenue sur ce premier échangeur est alors voisine de -50°C ; - selon un des modes de réalisation, le déverseur en sortie du premier échangeur est précédé par un séparateur de phase pour éviter toute sortie de liquide du premier échangeur. Ce déverseur ainsi que la sortie du premier échangeur pourront être installés en partie haute dans l'installation globale, pour éviter les sorties de liquide, mais des configurations où les deux échangeurs sont sur le même plan sont parfaitement envisageables. La présence optionnelle du séparateur évoqué ci-dessus participe au renforcement de la fiabilité du système. Il évite l'amenée de liquide dans le déverseur et donc la formation de neige et le bouchage de ce point. - En résumé, le 002 liquide se vaporise dans ce premier échangeur et le gaz formé dans l'échangeur, par exemple à 6 bar, est libéré dans le second échangeur; - ce second échangeur est à la pression atmosphérique (et en tout état 3o de cause à une pression inférieure au point triple du fluide), le gaz passe alors en entrant dans ce second échangeur de 6 bar (ou de la pression plus généralement maintenue dans le premier échangeur) à la pression atmosphérique (ou en tout état de cause à une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique), ceci en produisant du froid, à savoir une température typiquement comprise entre -60°C et -70°C ; - et c'est tout le mérite de la présente invention puisque dans le second échangeur est alors utilisé ce froid, produit par la détente à la pression atmosphérique, et toute l'énergie contenue dans le CO2 est alors utilisée. On the other hand, the fact of carrying out the heat exchange at 6 bar and not at atmospheric pressure slightly reduces the cooling capacity of the CO2. Indeed, when a kilogram of CO2 withdrawn from storage, for example under standard conditions of 20 bar absolute / -20 ° C, enters a heat exchanger, it releases 277.97 kJ / kg if it is rejected at -50 ° C in gaseous form at 6 bar relative, while for the same amount of CO2, it releases 292.6 kJ / kg when it is rejected at -50 ° C at atmospheric pressure, a gain of 5%. For example, there are such applications for the use of CO2 released at 6 bar after passing through an exchanger in refrigerated truck transport but also in tunnels or freezing chamber; where a heat exchanger is supplied with liquid CO2 which, by evaporating in this exchanger, extracts heat from the medium to be cooled and thus produces the desired cold; the transfer of the cold to the products passes by an exchange with the internal air of the tunnel, the room or the truck by the intervention of means of ventilation associated with each exchanger One understands therefore that it would be interesting to be able to propose a solution technique to achieve heat exchange in a tube or plate heat exchanger (indirect exchange), for nevertheless low heat exchanger temperatures (typically -50 ° C), without risk of course the formation of snow and not losing not the calorific capacity of CO2 after its relaxation of 6 bar at atmospheric pressure. As will be seen in more detail in the following, the present invention proposes a new exchange solution whose main characteristics can be summarized as follows: the solution proposed here resides in the adopted exchanger configuration, where the exchanger, which can be for example of the tube or plate type, consists of two exchangers connected in series; the first exchanger is capable of being fed with liquid CO2 (for example under standard conditions of the -20 ° C. / 20 bar type), the liquid meeting, before its arrival in the first exchanger, a thermostatic expansion valve or a probe assembly of temperature / regulator / valve, or any other means for adjusting the flow rate of CO2 reaching the first heat exchanger to the thermal needs involved, ie to control overheating, in other words a difference in temperature between the temperature corresponding to the saturation vapor pressure (for example 6 bar, -53.1 ° C.) and for example -50 ° C., which corresponds to 3.1 ° overheating; in this first exchanger, a pressure greater than 5.18 bar relative to the temperature of the phase change of 002 is maintained (and thus the formation of snow is prevented), for example 6 bar absolute can be maintained by means of an overflow device or a pressure sensor / regulator / valve assembly, placed at the outlet of this first exchanger; this arrangement makes it possible to ensure that the 002 is present in the first exchanger in a strictly two-phase liquid / gas form, without the conditions used at any time permitting the formation of solid; the minimum temperature obtained on this first exchanger is then close to -50 ° C .; according to one of the embodiments, the discharge device at the outlet of the first exchanger is preceded by a phase separator to prevent any liquid exiting the first exchanger. This weir and the outlet of the first exchanger can be installed at the top in the overall installation, to avoid liquid outlets, but configurations where the two exchangers are on the same plane are perfectly conceivable. The optional presence of the separator mentioned above contributes to strengthening the reliability of the system. It avoids the supply of liquid in the discharge and thus the formation of snow and the capping of this point. In summary, the liquid 002 vaporizes in this first exchanger and the gas formed in the exchanger, for example at 6 bar, is released in the second exchanger; this second exchanger is at atmospheric pressure (and in any case 30 ° due to a pressure lower than the triple point of the fluid), the gas then passes by entering this second exchanger of 6 bar (or the pressure more generally maintained in the first exchanger) at atmospheric pressure (or in any event at a pressure between the triple point of the fluid and the atmospheric pressure), this producing cold, namely a temperature typically between -60 ° C and - 70 ° C; - And this is the merit of the present invention since in the second heat exchanger is then used cold, produced by the expansion at atmospheric pressure, and all the energy contained in the CO2 is then used.
La présente invention concerne alors un procédé mettant en oeuvre du CO2 liquide comme fluide cryogénique pour transférer des frigories à des produits, procédé du type dit à injection indirecte où le CO2 liquide est envoyé dans un système d'échangeur thermique où il s'évapore, le transfert de froid aux produits passant par un échange entre l'atmosphère environnant les produits et les parois froides de l'échangeur thermique, se caractérisant en ce que le système d'échangeur est constitué de deux échangeurs montés en série, le premier échangeur (alimenté en liquide) étant maintenu à une pression supérieure à la pression du point triple du CO2 tandis que le second échangeur (alimenté en vapeur) est lui maintenu à la pression atmosphérique ou à une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique. The present invention thus relates to a process using liquid CO2 as a cryogenic fluid for transferring frigories to products, a process of the so-called indirect injection type where the liquid CO2 is sent to a heat exchanger system where it evaporates, the transfer of cold to the products passing through an exchange between the atmosphere surrounding the products and the cold walls of the heat exchanger, characterized in that the exchanger system consists of two exchangers connected in series, the first exchanger ( supplied with liquid) being maintained at a pressure greater than the pressure of the triple point of the CO2 while the second exchanger (fed with steam) is maintained at atmospheric pressure or at a pressure between the triple point of the fluid and the atmospheric pressure. .
La présente invention concerne également une installation de transfert de frigories à des produits utilisant du CO2 liquide, l'installation mettant en oeuvre un procédé du type dit à injection indirecte et comprenant : - un système d'échangeur thermique apte y faire transiter le CO2 liquide ; et - des moyens de ventilation associés au système d'échangeur thermique, apte à mettre en contact l'atmosphère environnant les produits avec les parois froides du système d'échangeur thermique, l'installation se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes : - le système d'échangeur est constitué de deux échangeurs montés en série ; - l'installation comprend, en amont de l'entrée du premier échangeur, un moyen apte à ajuster le débit de CO2 et à en contrôler le niveau de surchauffe par rapport à la température correspondant à la pression de vapeur saturante, tel qu'un détendeur thermostatique ou un ensemble sonde de température/régulateur/vanne; - l'installation comprend un moyen pour maintenir dans le premier échangeur une pression supérieure à la pression du point triple du CO2, préférentiellement un déverseur ou un ensemble capteur de pression/régulateur/vanne; - le second échangeur est à la pression atmosphérique ou à une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique. The present invention also relates to an installation for transferring frigories to products using liquid CO2, the installation using a method of the so-called indirect injection type and comprising: a heat exchanger system capable of passing the liquid CO2 therein ; and ventilation means associated with the heat exchanger system, able to bring the atmosphere surrounding the products into contact with the cold walls of the heat exchanger system, the installation being characterized by the following measures: the exchanger system consists of two exchangers connected in series; the plant comprises, upstream of the inlet of the first exchanger, a means able to adjust the flow rate of CO2 and to control the level of superheating with respect to the temperature corresponding to the saturation vapor pressure, such that a thermostatic expansion valve or a temperature probe / regulator / valve assembly; - The installation comprises means for maintaining in the first exchanger a pressure greater than the pressure of the triple point of the CO2, preferably an overflow or a pressure sensor / regulator / valve assembly; - The second exchanger is at atmospheric pressure or at a pressure between the triple point of the fluid and the atmospheric pressure.
L'installation comprend donc le cas échéant un moyen pour maintenir dans le second échangeur la pression atmosphérique ou une pression comprise entre le point triple du fluide et la pression atmosphérique. The installation therefore comprises, if necessary, means for maintaining in the second exchanger the atmospheric pressure or a pressure comprised between the triple point of the fluid and the atmospheric pressure.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront alors plus clairement dans la description suivante, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les figures 1 et 2 annexées qui sont des représentations schématiques partielles d'installations conformes à l'invention, la figure 3 démontrant le profil de température attendu dans l'ensemble d'échangeur, coté CO2 et fluide caloporteur (air). On reconnaît sur la figure 1 la présence des éléments suivants, et donc le parcours suivi par le CO2, sous ses différentes phases, dans cette installation : - le premier échangeur est apte à être alimenté par du CO2 liquide (par exemple dans des conditions standards de type -20°C/20 bar), le liquide rencontrant, avant son arrivée dans le premier échangeur un détendeur thermostatique (en aval du point 1) ou tout autre moyen permettant d'ajuster le débit de CO2 parvenant au 1 er échangeur aux besoins thermiques en jeu, i.e. de contrôler une surchauffe, en d'autres termes une différence de température entre la température correspondant à la pression de vapeur saturante (par exemple 6 bar, -53,1°C) et par exemple -50°C, ce qui correspond à 3,1 °C de surchauffe. En aval du point 2 le fluide entre dans le 1er échangeur. - on maintient dans ce premier échangeur une pression supérieure à 5,18 bar relatifs, température du changement de phase du CO2 (permettant ainsi d'empêcher la formation de neige), grâce au déverseur placé en sortie de ce premier échangeur sur la figure (déverseur placé entre les points 3 et 4); - cet arrangement permet d'assurer que le CO2 est présent dans le premier échangeur sous une forme strictement diphasique liquide/gaz, sans qu'à aucun moment les conditions mises en oeuvre ne permettent la formation de solide ; - la température minimum obtenue sur ce premier échangeur est alors de -50°C ; - sur le mode de réalisation illustré ici, le déverseur en sortie du premier échangeur est précédé par un séparateur de phase (entre les points 3' et 3) pour éviter toute sortie de liquide du premier échangeur. Pour ce mode de réalisation, le déverseur ainsi que la sortie du premier échangeur sont installés en partie haute dans l'installation globale, pour éviter les sorties de liquide. - en sortie du point 4 et donc du déverseur, le gaz entre dans le second échangeur, dont il ressort au point 5. Other characteristics and advantages of the present invention will become clearer in the following description, given by way of illustration but not by way of limitation, with reference to the appended FIGS. 1 and 2 which are partial diagrammatic representations of installations conforming to the present invention. invention, FIG. 3 demonstrating the expected temperature profile in the exchanger assembly, on the CO2 side and heat transfer fluid (air). FIG. 1 shows the presence of the following elements, and therefore the path followed by the CO2, in its different phases, in this installation: the first exchanger is able to be fed with liquid CO2 (for example under standard conditions type -20 ° C / 20 bar), the liquid meeting, prior to its arrival in the first heat exchanger a thermostatic expansion valve (downstream of point 1) or any other means for adjusting the CO2 flow to the 1st exchanger to thermal requirements involved, ie to control overheating, in other words a temperature difference between the temperature corresponding to the saturation vapor pressure (for example 6 bar, -53.1 ° C.) and for example -50 ° C. which corresponds to 3.1 ° C overheating. Downstream of point 2 the fluid enters the 1st exchanger. in this first exchanger, a pressure greater than 5.18 bar relative to the temperature of the phase change of the CO2 (thus making it possible to prevent the formation of snow) is maintained, thanks to the discharger placed at the outlet of this first exchanger in the figure ( overflow located between points 3 and 4); this arrangement makes it possible to ensure that the CO2 is present in the first exchanger in a strictly diphasic liquid / gas form, without at any time the conditions used permitting the formation of solid; the minimum temperature obtained on this first exchanger is then -50 ° C .; - In the embodiment illustrated here, the outflow of the first exchanger is preceded by a phase separator (between points 3 'and 3) to prevent any liquid outlet of the first exchanger. For this embodiment, the discharger and the outlet of the first heat exchanger are installed at the top in the overall installation, to prevent liquid outflows. - At the exit of point 4 and therefore of the discharger, the gas enters the second exchanger, which appears in point 5.
Le tableau ci-dessous fournit les propriétés thermodynamiques du fluide aux différents points de la figure 1 et permet sans ambigüité de démontrer les avantages de l'invention en termes de rendement frigorifique. Le tableau illustre notamment plusieurs conditions de températures en sorties des échangeurs. Et pour bien démontrer l'intérêt de la présente invention, comparons justement l'efficacité énergétique d'un système ne mettant pas en oeuvre l'invention et d'un système mettant en oeuvre la présente invention, dans le cas 3o où la température finale dans l'échangeur est de -25°C et dans le cas où la température finale dans l'échangeur est de -5°C. The table below provides the thermodynamic properties of the fluid at the various points of FIG. 1 and unambiguously permits to demonstrate the advantages of the invention in terms of refrigeration efficiency. The table illustrates in particular several temperature conditions at the exchanger outlets. And to clearly demonstrate the interest of the present invention, let us compare precisely the energy efficiency of a system not implementing the invention and a system implementing the present invention, in the case where the final temperature in the exchanger is -25 ° C and in the case where the final temperature in the exchanger is -5 ° C.
Considérons le 1er cas (la température finale dans l'échangeur est de - 25°C) : - Cas d'un système mettant en oeuvre un seul échangeur : 1 kg de CO2 libère 457 - 154,5 = 302,5 kJ - Cas d'un système mettant en oeuvre deux échangeurs conformément à l'invention : 1 kg de CO2 libère 464,5 - 154,5 = 310 kJ ; soit un gain énergétique de 2,5%. Second cas d'illustration, où la température finale de l'échangeur est de -5°C : - Cas d'un système mettant en oeuvre un seul échangeur : 1 kg de CO2 libère 474,6 - 154,5 = 320,1 kJ - Cas d'un système mettant en oeuvre deux échangeurs conformément à l'invention : 1 kg de CO2 libère 480,8 - 154,5 = 326,3 kJ soit un gain de 1,9%. Point T (°C) P (bar abs) H (kJ/kg) Sur la figure 1 -20,0 19,7 154,5 2 -53, 1 6 154, 5 3' -53,1 6 431,6 3 -50,0 6 434,5 3 standard -25,0 6,0 457,0 3 standard -5,0 6,0 474,6 4 -63,1 1 434,5 5 -25, 0 1 464, 5 5 -5,0 1 480, 8 Tableau 1 Consider the first case (the final temperature in the exchanger is -25 ° C): - Case of a system using a single exchanger: 1 kg of CO2 releases 457 - 154.5 = 302.5 kJ - Case of a system implementing two exchangers according to the invention: 1 kg of CO2 releases 464.5 - 154.5 = 310 kJ; an energy gain of 2.5%. Second case illustration, where the final temperature of the exchanger is -5 ° C: - Case of a system using a single exchanger: 1 kg of CO2 releases 474.6 - 154.5 = 320.1 kJ - Case of a system implementing two exchangers according to the invention: 1 kg of CO2 releases 480.8 - 154.5 = 326.3 kJ, a gain of 1.9%. Point T (° C) P (bar abs) H (kJ / kg) In Figure 1 -20.0 19.7 154.5 2 -53, 1 6 154, 5 3 '-53.1 6 431.6 3 -50.0 6 434.5 3 standard -25.0 6.0 457.0 3 standard -5.0 6.0 474.6 4 -63.1 1 434.5 5 -25, 0 1 464, 5 5 -5.0 1 480, 8 Table 1
Et le profil de température attendu dans l'échangeur coté CO2 et fluide 20 caloporteur (air par exemple pour une application transport de produits surgelés) visualisé en figure 3 montre que la présente invention a également15 un impact positif sur le profil de température dans les échangeurs : le fait que le deuxième étage d'échangeur soit à la pression atmosphérique permet de bénéficier d'un effet cryogénique comme le démontrent les courbes de cette figure 3. And the expected temperature profile in the exchanger on the CO 2 side and coolant fluid (air for example for a transport application of frozen products) visualized in FIG. 3 shows that the present invention also has a positive impact on the temperature profile in the exchangers. the fact that the second exchanger stage is at atmospheric pressure makes it possible to benefit from a cryogenic effect, as can be seen from the curves of this FIG.
Si la figure 1 présentait un premier exemple de mode de mise en oeuvre de l'invention, la figure 2 en présente quant à elle un autre, que nous ne décrierons pas en détail ici, puisqu'on l'aura compris à sa lecture, il illustre la variante mettant en oeuvre : - en amont du premier échangeur non pas un détendeur thermostatique mais un ensemble d'un orifice calibré et d'une vanne contrôlée en température ; - en sortie de premier échangeur l'installation comprend non pas un déverseur mais comprend un ensemble capteur de pression/régulateur/vanne. 15 --------------------- If Figure 1 presented a first example of implementation of the invention, Figure 2 presents another, which we will not describe in detail here, since it will be understood when read, it illustrates the variant implementing: - upstream of the first exchanger not a thermostatic expansion valve but a set of a calibrated orifice and a temperature controlled valve; - At the outlet of the first exchanger installation does not include a discharge but includes a set pressure sensor / regulator / valve. 15 ---------------------