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.
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.
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.
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.
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.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que :
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 :
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 :
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).
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.
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.
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.