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Tubes échangeurs solide/gaz en J inversés (CO2 NEIGE)

IP.com Disclosure Number: IPCOM000204085D
Publication Date: 2011-Feb-11
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Tubes échangeurs solide/gaz en J inversés (CO2 NEIGE)

L’utilisation du CO2 dans le domaine du refroidissement, notamment de produits alimentaires ou pharmaceutiques,  est très intéressante. En effet, le CO2 présente une phase solide à -80°C à la pression atmosphérique. Cela permet de produire aisément de la glace sèche, substance très pratique lorsque l’on veut apporter du froid de manière localisée sans aucune installation frigorifique.

Cependant, lorsque ce gaz est utilisé dans des échangeurs de chaleur à tubes ou à plaques (par exemple dans les applications de transport frigorifique en camions), cet avantage se transforme en inconvénient car l’apparition de la forme solide du CO2 (neige carbonique) dans un échangeur entraine assez rapidement le bouchage de celui-ci.

Pour éviter cet inconvénient, on cherche donc couramment à éviter que la phase solide du CO2 n’apparaisse et on cherche des 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 6 bars relatifs.

Alors que la température de sublimation du CO2 solide à la pression atmosphérique est de -80°C, le fait de maintenir la pression dans l’échangeur à 6 bars relatifs augmente la température de vaporisation à -50°C. Pour les applications où des températures très basses sont nécessaires, cela peut représenter un point de blocage.

D’autre part, le fait de réaliser l’échange thermique à 6 bars et non à la pression atmosphérique diminue légèrement la capacité frigorifique du CO2.

Pour fixer les idées :

-  lorsqu’un kilogramme de CO2  entre dans un échangeur à -20°C et à une pression de 19 bars relatifs, il libère 66.5 kcal s’il est rejeté à -50°C sous forme gazeuse à 6 bars relatifs.

- lorsque la même quantité de CO2 entre dans un échangeur dans les mêmes conditions de pression et température et qu’il est rejeté à -50°C à la pression atmosphérique, il libère 70kJ soit un gain de 5%.

Lorsque le gaz est rejeté à -20°C à 6 bars ou  à la pression atmosphérique, cette différence est de 3%.

Ainsi, pour des températures d’échangeur basses (-50°C), il peut être intéressant de trouver une solution pour réaliser l’échange thermique complet du CO2 liquide à 19 bars jusqu’au gaz à la pression atmosphérique.

Pour pouvoir utiliser toutes les frigories contenues dans le CO2 liquide à -20°C et 19 bars, plusieurs solutions sont envisageables :

-       détente directe du CO2 et contact direct du CO2 (neige + gaz) avec le produit à refroidir. Lorsque l’échange direct entre le CO2 et le produit  est possible, c’est une solution très intéressante qui présente de nombreux avantages, en particulier celui d’...