Procédé et installation de réfrigeration utilisant un mélange réfrigerant

Abstract

 Un constituant léger du mélange comprimé est séparé par perméation (en 3). La fraction lourde res­tante est condensée par de l'eau (en 4), sous-refroi­die (en 5) et détendue (en 6). Le constituant léger, refroidi à la même température, est adjoint au conden­sat sous-refroidi, et l'ensemble est vaporisé sous la basse pression (en 13) pour produire la réfrigération désirée.

Description

[0001] La présente invention est relative à un pro­cédé et à une installation de réfrigération utilisant un mélange réfrigérant. Elle concerne en premier lieu un procédé de réfrigération du type dans lequel on fait subir à un mélange gazeux un cycle comprenant des étapes de compression à une pression haute du cycle, de condensation par refroidissement à la pression hau­te, de détente à une pression basse du cycle et de va­porisation à la pression basse.

[0002] Les cycles de réfrigération classiques uti­lisant comme fluide réfrigérant un corps pur font évo­luer ce fluide entre deux températures, basse T1 et haut T2, et entre deux pressions, basse P1 et haute P2. Pour que le cycle soit économique et fiable, on ne choisit pas P1 au-dessous de la pression atmosphé­rique ; par ailleurs, P2 est limitée vers le haut par une pression maximale inférieure à la pression criti­que PC du corps pur. En effet, au-delà de cette pres­sion maximale, l'irréversibilité du cycle thermodyna­mique augmente considérablement. D'autre part, la tem­pérature haute T2 est habituellement la température ambiante pour permettre d'utiliser un condenseur à eau ou à air.

[0003] Pour atteindre des températures froides plus basses, on a proposé la technique dite à cascade clas­sique, mettant en oeuvre une succession de cycles fri­gorifiques utilisant chacun un corps pur. Cette solu­tion est efficace mais coûteuse et peu fiable, car elle met en oeuvre un grand nombre de machines de com­pression.

[0004] Pour conserver un compresseur unique, on a proposé les procédés du type indiqué plus haut, sui­vant la technique dite "à cascade incorporée". Cette solution s'est révélée compliquée à mettre en oeuvre et ne se justifie que pour les grosses installations.

[0005] L'invention a pour but de fournir une tech­nique applicable à des installations de taille relati­vement petite et qui, avec un compresseur de cycle unique, permette d'abaisser de façon simple la tempé­rature froide.

[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que :
- on utilise un mélange comprenant une fraction lourde et au moins un constituant léger ;
- on sépare l'essentiel dudit constituant léger de la fraction lourde par perméation entre une étape de compression et l'étape de condensation par refroidissement ;
- on ne fait subir l'étape de condensation par refroidissement et l'étape de détente qu'au résidu de la perméation ;
- on adjoint le perméat audit résidu déten­du ; et
- on fait subir l'étape de vaporisation à l'ensemble du mélange.

[0007] L'invention a également pour objet une ins­tallation destinée à la mise en oeuvre d'un tel pro­cédé. Cette installation, du type comprenant une bou­cle qui comporte en série un compresseur, un conden­seur, des moyens de détente et des passages de vapori­sation d'un échangeur de chaleur indirect qui présente en outre des passages pour un fluide à réfrigérer, cette boucle étant parcourue par un mélange qui est gazeux à l'aspiration du compresseur, est caractérisée en ce que :
- le mélange gazeux comprend une fraction lourde et au moins un constituant léger ; et
- la boucle comporte entre le compresseur et le condenseur un perméateur nettement plus perméable audit constituant léger qu'à ladite fraction lourde, dont le côté haute pression est relié au condenseur et dont le côté basse pression est relié à la sortie des moyens de détente.

[0008] Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel la figure unique représente schématiquement une installation de réfrigération conforme à l'inven­tion.

[0009] L'installation représentée au dessin est destinée à refroidir un fluide circulant dans une con­duite 1. Elle comprend un compresseur de cycle unique 2, un perméateur 3, un condenseur 4, un échangeur de chaleur indirect 5 et une vanne de détente 6.

[0010] Le cycle de réfrigération utilise un mélange réfrigérant constitué d'une fraction lourde et d'au moins un constituant léger facilement séparable de celle-ci par perméation, typiquement un mélange de propane et d'hydrogène et/ou hélium. Ce mélange arrive à l'état gazeux, via une conduite 7, au compresseur 2 sous une pression basse P1 à peu près égale à la pression atmosphérique, et est comprimé à la pression P2. Le mélange comprimé passe, via une conduite 8, dans l'espace haute pres­sion 3A du perméateur 3, qui en sépare l'essentiel de l'hydrogène par perméation sélective. L'hydrogène passe ainsi dans l'espace basse pression 3B du perméa­teur.

[0011] Le résidu de la perméation, constitué essen­tiellement par le propane, est évacué de l'espace 3A via une conduite 9. Celle-ci traverse le condenseur à eau 4, d'où le propane sort à l'état liquide sous la pression P2 et à la température haute T2 voisine de la température ambiante.

[0012] Le propane liquide traverse ensuite des pre­miers passages de refroidissement 10 de l'échangeur 5, s'y sous-refroidit à la température basse T1 du cycle, puis est détendu dans la vanne 6 jusqu'à une pression basse P1, qui est avantageusement voisine de la pres­sion atmosphérique.

[0013] Le perméat, c'est-à-dire l'hydrogène, est également refroidi à la température T1 dans des se­conds passages de refroidissement 11 de l'échangeur 5, puis est réuni dans une conduite 12 au propane dé­tendu.

[0014] Le mélange ainsi reconstitué sous forme di­phasique passe dans des passages de vaporisation-ré­chauffement 13 de l'échangeur 5, à contre-courant du sens de circulation dans les passages 10 et 11 et dans les passages 14 du même échangeur à travers lesquels circule le fluide à refroidir. Dans les passages 13, le propane se vaporise en présence d'hydrogène.

[0015] On voit que, la pression P1 et la températu­re T2 étant données, respectivement égales à la pres­sion atmosphérique et à la température ambiante pour des raisons économiques :
- la pression P2, qui est celle nécessaire pour obtenir une condensation par circulation d'eau, est la même que si le fluide réfrigérant était du propane pur, puisque l'hydrogène en est séparé en amont du condenseur 4. Cette pression P2 est donc nettement inférieure à celle qui serait nécessaire en l'absence du perméateur ; et
- la température T1 est la température de début de vaporisation du propane en présence d'hydro­gène sous la pression atmosphérique. Cette température est nettement inférieure à celle que permet d'attein­dre le propane seul.

[0016] En d'autres termes, le constituant léger est séparé du mélange lorsqu'il a un effet défavorable (avant l'étape de condensation ), et est ré-introduit dans le mélange lorsqu'il a un effet favorable (avant l'étape de vaporisation).

[0017] Le perméateur 3 est adapté pour séparer l'hydrogène des autres constituants du mélange qui y est introduit, par exemple grâce à un faisceau de fibres creuses constituées par une membrane à perméa­bilité sélective. Un exemple de membrane convenant pour cette application est basé sur une technologie polyamide aromatique développée par DU PONT DE NEMOURS selon le brevet Re 30 351 (Reissue de US 3 899 309). D'autres exemples sont décrits dans les brevets US 4 180 553 et US 4 230 463. Les paramètres de la perméation sont réglés pour que l'espace basse pression 3B soit sensiblement à la pression basse P1, au voisinage de la pression atmosphérique dans l'exemple considéré.

[0018] A titre d'exemple numérique, un cycle propa­ne classique, avec P1 = 1 bar absolu, P2 = 11 bars absolus, et T2 = + 30°C, permet d'obtenir le froid à - 42°C, qui est la température de vaporisation du pro­pane sous 1 bar. Avec le perméateur 3 et un mélange 50 % propane, 50 % hydrogène, la vaporisation se termine vers - 57°C.

[0019] En variante, comme indiqué en trait mixte au dessin, si la perméation peut s'effectuer à une pres­sion p inférieure à P2, il peut être avantageux de ne comprimer le mélange que jusqu'à cette pression p avant de le soumettre à la perméation, seul le résidu étant ensuite comprimé par un second compresseur 2A à la pression P2, en amont de l'échangeur 4. Le compres­seur 2A peut en particulier constituer le dernier étage de l'unique compresseur de cycle.

Revendications

1. Procédé de réfrigération, du type dans lequel on fait subir à un mélange gazeux un cycle com­prenant des étapes de compression à une pression haute du cycle, de condensation par refroidissement à la pression haute, de détente à une pression basse du cy­cle et de vaporisation à la pression basse, carac­térisé en ce que :
- on utilise un mélange comprenant une fraction lourde et au moins un constituant léger ;
- on sépare l'essentiel dudit constituant léger de la fraction lourde par perméation (en 3) entre une étape de compression (2) et 1 étape de con­densation par refroidissement (4) ;
- on ne fait subir l'étape de condensation par refroidissement (4) et l'étape de détente (6) qu'au résidu de la perméation ;
- on adjoint le perméat audit résidu déten­du ; et
- on fait subir l'étape de vaporisation à l'ensemble du mélange.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le cycle comprend une étape de compression unique (2).

3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le résidu de la perméation subit une seconde étape de compression (2A) avant de subir l'étape de condensation par refroidissement (4).

4. Procédé suivant l'une quelconque des re­vendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit résidu condensé est sous-refroidi avant l'étape de détente (6).

5. Procédé suivant l'une quelconque des re­vendications 1 à 4, caractérisé en ce que le perméat est refroidi avant d'être adjoint au résidu détendu.

6. Procédé suivant l'une quelconque des re­vendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit cons­tituant léger est l'hydrogène et/ou l'hélium.

7. Installation de réfrigération à mélange réfrigérant, du type comprenant une boucle qui compor­te en série un compresseur (2), un condenseur (4), des moyens de détente (6) et des passages de vaporisation (13) d'un échangeur de chaleur indirect (5) qui pré­sente en outre des passages (14) pour un fluide à ré­frigérer, cette boucle étant parcourue par un mélange qui est gazeux à l'aspiration du compresseur, carac­térisé en ce que :
- le mélange gazeux comprend une fraction lourde et au moins un constituant léger ; et
- la boucle comporte, entre le compresseur (2) et le condenseur (4), un perméateur (3) nettement plus perméable audit constituant léger qu'à ladite fraction lourde, dont le côté haute pression (3A) est relié au condenseur (4) et dont le côté basse pression (38) est relié à la sortie des moyens de détente (6).

8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que le côté haute pression (3A) du perméateur (3) est directement relié au condenseur (4).

9. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que le côté haute pression (3A) du perméateur (3) est relié au condenseur (4) par l'in­termédiaire d'un second compresseur (2A).

10. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (5) comprend des passages de sous-refroidissement (10) branchés entre le condenseur (4) et les moyens de détente (6).

11. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (5) comprend des passages de refroidissement (11) branchés entre le côté basse pression (3B) du perméateur (3) et la sortie des moyens de détente (6).

12. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisée en ce que ledit constituant léger est l'hydrogène et/ou l'hé­lium.

Dessins