Brevet FR2016085A1 — publié le 19700430

L'invention concerne un dispositif de compresseur pour machine frigorifique. Lorsqu'on effectue la compression dans un cycle de machine frigorifique à l'aide d'un compresseur mécanique qui traite des vapeurs humides de fluide réfrigérant, le poids des vapeurs de sortie augmente, pour un déplacement volumétrique donné, lorsque la pression d'aspiration augmente et que le taux de compression diminuer Le poids des vapeurs de sortie constitue de plus une mesure de travail utile du compresseur. Cependant, comme la température de ltévaporateur s'abaisse, la pression des vapeurs de fluide réfrigérant diminue, et il en résulte une réduction de la densité de vapeur à l'aspiration du compresseur. Cela produit à son toùr une réduction proportionnelle de la quantité de fluide réfrigérant mise en circulation par le compresseur.Ainsi on ne peut obtenir une capacité d'extraction de chaleur élevée qu'à des pressions d'aspiration élevées, et inversement, comme déjà indiqué, une réduction de la température dans l'évaporateur est uniquement possible au détriment de la capacité d'extraction de chaleur. La pression de sortie des vapeurs comprimées est d'un autre cOté principalement fonction de la conception et de la tempé- rature du condenseur. Dans des conditions de fonctionnement normales, la pression de sortie reste pratiquement constante de sorte que comme la température de l'évaporateur est diminuée, et que la pression d'aspiration du compresseur est abaissée, on augmente letaux de compression du compresseur. Dans la plupart des compresseurs mécaniques le "volume mort" et les pertes intérieures produisent une chute graduelle du volume efficace déplacé, lorsque la pression différentielle dans le compresseur augmente. L'évolution du déplacement volumétrique à partir de sa valeur maximale ou nominale est donnée comme rendement de compression et ce rendement s'abaisse ainsi, cette diminution devenant très significative lorsque la pression différentielle augmente. En pratique et notamment dans les machines frigos- fiques connues, utilisées pour la lyophilisation de plantes, la perte du rendement de compression et la réduction de la densité des vapeurs à l'entrée du compresseur déterminent une température limite par laquelle on peut utiliser de façon économique une machine frigorifique à un seul étage. Les applications classiques à la lyophilisation nécessitent dans le condenseur pour enlever la glace , des températures de l'ordre de - 500 C et moins. Certaines opérations de lyophilisation particulières, exigent même une température de condensation de -700 C et même des températures plus basses. Ces températures basses sont généralement atteintes à l'aide de machines frigorifiques mécaniques à plusieurs étages, ce qui augmente cependant la complexité de l'installation et notablement les frais d'investissement. La présente invention a pour objet de créer une machine frigorifique susceptible d'atteindre ces températures de façon plus simple avec des frais d'investissement moins élevés. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de compresseur pour machine frigorifique caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur mécanique dont la sortie est reliée par l'intermédiaire d'une conduite de contre-réaction à une entrée d'amorçage d'une buse d'éjecteur dont la sortie est reliée à l'entrée du compresseur dans la partie basse pression de l'installation, ce qui améliore le rendement de celle-ci. Si la conduite de.contre-réaction est maintenue ouverte, une telle installation utilisée comme machine frigorifique, utilise une partie des vapeurs de fluide réfrigérant à haute température, pour alimenter la buse d'éjection qui agit comme une simple pompe de renvoi pour le compresseur, en abaissant d'une part la pression de la vapeur quittant l'évaporateur, et d'autre part la pression différentielle au travers du compresseur. Cela augmente le poids des vapeurs de sortie du compresseur et la capacité d'extraction de chaleur de l'évaporateur. Le réfrigérateur peut alors fonctionner à des températures d'évaporateurs basses sans nécessiter un second compresseur mécanique dans un étage de réfrigération séparé. La conduite de contre-réaction peut comporter une soupape de façon à permettre la fermeture de cette conduite. Lorsque le compresseur démarre, cette soupape est fermée de façon à permettre d'atteindre rapidement la pression d'entrée, en évitant d'endommager le compreseeur par une surchauffe. Lorsque l'on a atteint les pressions d'aspiration appropriées, on ouvre graduellement la soupape en admettant des vapeurs de fluide réfrigérant, à haute pression, pour alimenter la buse d'éjecteur. La soupape est de préférence une soupape du type de régulation, pe-rmettant des conditions d'écoulement optimales.-Ia régulation de la soupape peut s'effectuer directement par la pression différentielle au travers de la soupape, ou bien cette commande peut également s'effectuer en fonction de la température ou de la pression de l'évaporateur de la machine frigorifique, ou par tout autre point de réglage choisi dans les séquences a opérations. Si on utilise la machine frigorifique pour un travail donné ou une charge prédéterminée, il suffit d'utiliser un simple trou, un venturi ou une soupape de laminage, fixe. Les avantages résultant de la présente invention et notamment l'abaissement du taux de compression dans le compresseur, peuvent être accrus par l'utilisation de deux buses d'éjection en .érie, dont les entrées d'alimentation sont reliées chacune à la conduite de contre-réaction. Les buses d'éjecteur de vapeur auto-entrainées sont bien connues et ont été suffisamment décrites dans la littérature technique . Le rendement d'un éjecteur auto-entraîné dépend essentiellement du degré de détente de la vapeur motrice et du taux de compression. flans un compresseur mécanique ce taux de compression eet également important et on peut le faire varier au choix. Pour un taux de compression faible on peut espérer avoir un haut degré d'entratnement sur une plage très large de degrés de détente de vapeur. Une augmentation du taux de détente augmente la valeur de-l'auto-entraînement, bien l'auto-entraînement , bien que l'augmentation ne soit pas très significative. L'auto-entratnement peut 4a1aman a.' exprimer sous la iorme du quotient du débit massique de la vapeur entraînée au débit massique de vapeur motrice, et cela détermine l'efficacité à produire la réduction souhaitée de la température ultime, ou à augmenter la capacité d'extraction de chaleur à des températures plus basses que celles que le compresseur pourrait atteindre de lui-même. Des modes de réalisation de-l'invention sont repré sentés, à titre d'exemples non limitatifs, sur les dessins ci-joints dans lesquels : - la figure 1 représente une machine frigorifique munie d'un compresseur selon la présente invention. - la figure 2 représente le diagramme température entropie du fluide réfrigérant circulant dans la machine frigorifique selon la figure 1 au cours d'un cycle de fonctionnement. La figure 3 représente la machine frigorifique selon la fi 1 avec une variante. En se reportant à la figure 1 des dessins, la machine frigorifique de base comporte une pompe 1, un condenseur 2 de réfrigération de vapeur, ayant un collecteur 3 pour le liquide condensé , un organe de laminage 4 pour la détente et un évaporateur 5 de réfrigération. Un changeur de chaleur 6 refroidit le fluide relativement chaud dans le condenseur 2, avant qu'il ne soit soumis à une détente contrôlée par l'organe de laminage 4. Le compresseur comporte selon l'invention une conduite de retour 7 de contre-réaction, avec une soupape 8. Cette conduite est montée entre la sortie du compresseur 1 et l'entrée de commande de la buse 9 d'éjection de vapeur auto-enaratnée. La sortie de l'évaporateur 5 est reliée par l'échangeur de chaleur 6 à l'entrée dans la buse 9 des vapeurs à entratner et la sortie de la buse est reliée à l'entrée de la pompe 1 par le refroidisseur de vapeur 10. Quoique non représsnt de la soupape 8 est une soupape de relation susceptible d'tore commandée en fonction de la température ou de la pression de 11 évaporateur 5 pour régler l'écoulement des vapeurs d'entraînement du fluide réfrigérant vers la buse 9. Ainsi, lorsque le compresseur démarre, la soupape 8 est fermée, comme déjà indiqué, de façon à éviter la surchauffe du compresseur. Le fluide réfrigérant est alors pompé dans le circuit, sans entraînement par la buse jusqu' ce que la température de l'évaporateur soit suffisamment basse pour ouvrir la soupape à un degré qui dépend de la température ou de la pression dans l'évapora tueur. Cela permet à une certaine partie des vapeurs de réfrigérants à hautes températures d'amorceur 11 éjecteur et de réaliser un entrat- nement du réfrigérant en ébullition dans les évaporateurs 5. Cet entraSnement produit une réduction de la pression et ainsi une réduction de la température dans l'évaporateur 5, ce qui constitue le résultat voulu. Le mélange des vapeurs d'entrainement et des vapeurs entratnées est alors légèrement refroidi dans le refroidisseur 10 avant de pénétrer dans le compresseur à une pression plus élevée que ce n'était le cas avant que la soupape 8 ne soit ouverte. En clair, l'augmentation résultante de la capacité d'extraction de chaleur à des températures plus faibles est obtenue par le travail supplémentaire produit par le compresseur dans le recyclage en continu d'une partie des vapeurs pompées au travers du conduit de réaction 7. L'utilisation directe, cependant, d'une part de lténer ss e interne des vapeurs pompées pour amorcer la buse 9 évite la condensation complète qui constitue une perte d'énergie mais est nécessaire pour le fonctionnement de la plupart des machines frigorifiques mécaniques connues. L'organe de laminage de détente 4 doit assurer un certain réglage de l'écoulement de fluide réfrigérant pour avoir une alimentation constante de fluide réfrigérant à l'aspiration de la buse 9 car le rendement de cette buse dépend de cette caractéristique. L'organe de laminage 4 ne devrait pas alors comporter une soupape de détente classique, si celle-ci devait produire un emballement de l'amorçage de la buse d'éjecteur. On peut effectuer le réglage de l'écoulement en utilisant une alimentation capillaire de l'évaporateur, un évaporateur noyé ou toute autre forme appropriée de réglage en continu de l'écoulement susceptible de réaliser une détente contrôlée du liquide réfrigérant en provenance du collec- teur 3. Un cycle de réfrigération caractéristique de la machine frigorifique décrite a été représenté dans la figure 2. Cette figure représente le cycle avec la température en fonction de l'entropie . Seuls ont été représentés les états du fluide réfrigérant passant à travers 1' évaporateur. Les divers points caractOristiques du cycle portent les références A, B, C, D, E, F, G et H. Il est à remarquer que ce diagramme est donné uniquement à titre explicatif et ne doit pas entre considéré comme représentant le fonctionnement exact qui dépend par exemple du rendement de 11 éjecteur. L'état A représente l'entrée du compresseur, les vapeurs du fluide réfrigérant étant à une pression de 1,4 bar et à une température de 320C. Ces vapeurs sont alors comprimées et dans leur état au point B (sortie du compresseur) ont une pression de 13,7 bar avec une température de 1280CI On effectue alors la condensation et l'équilibre audessus du liquide dans le collecteur 3 a pour caractéristique une température de 33,30C représentée par le point O. On refroidit le liquide dans l'échangeur de chaleur 6 au point D où on effectue une détente adiabatique dans l'organe 4, jusqu'à ce qu'on atteigne le point S à la sortie de l'évaporateur.Les caracteristiques de cet état sont une pression de 0,17 bar et une température de -73,5 C Le fluide réfrigérant reçoit de la chaleur ce qui l'amène au point F, On surchauffe alors les vapeurs jusqu'au point G par leur passage dans l'échangeur de chaleur 6 ce qui les amène à une température de 15,50 C. Dans cet état les vapeurs entrent dans ltéjecteur de vapeur puis elles sont comprimées jusqu'au point G. Leur état au point G est difficile à déterminer car on effectue la compression par entratnement, cependant pour une compression isentropique,la température est de 154 C pour une compression à 1,4 bar. Néanmoins la température obtenue est plus voisine de 1130C, On refroidit alors les vapeurs dans le refroidisseur 10 pour les amener à 320C au point A. La figure 3 représente une machine frigorifique analogue à celle représentée dans la figure 1, la seule variante étant un second éjecteur 9( monté en série avec le premier éjecteur 9; cet éjecteur 9' coopérant avec une seconde soupape 8'. Ce montage permet de faire varier les pressions intermédiaires en autorisant le choix des états, pour avoir un travail faible à la pression d'aspiration la plus faible et de passer de la température d'évaporation la plus faible à une température plus élevée, en augmentant la capacité. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 10) Dispositif de compresseur pour machine frigorifique caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur mécanique dont la sortie est reliée par l'intermédiaire d'une conduite de contre-réaction à une entrée d'amorçage d'une buse d'éjecteur dont la sotie est reliée à l'entrée du compresseur dans la parti basse pression de l'installation, ce qui améliore le rendement de celle-ci. 20) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend une soupape de fermeture et de régulation d'écoulement dans la conduite de contre-réaction. 70) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la soupape de régulation d'écoulement est réglable en fonction des conditions existant à un point choisi dans le cycle de réfrigération. 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions de 1 à 3 caractérisé en ce qu'un dispositif de refroidissement pour le fluide réfrigérant est nonne entre la sortie de la buse d'éjecteur et l'entrée du compresseur. 50) Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions de 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comprend une autre buse d'éjection dont l'entrée d'amorçage est également reliée à la conduite de contre-réaction et dont la sortie est reliée à l'entrée d'amorçage de la première buse d'éjection mentionnée. 60) Machine frigorifique avec un dispositif de comr:es- sion selon l'une quelconque des revendications le 1 à 5, caractér;- sée en ce que la soupape de régulation d'écoulement dans la conduite de contre-réaction est réglée en fonction de la température ou de la pression dans l'évaporateur de 1 machine frigorifique. 70) Machine frigorifique selon la revendication , caractérisée en ce qutelle comporte un changeur de chaleur entre le fluide réfrigérant sortant de l'évaporateur et le fluide réfrigérant en cours de détente, avant l'entrée de l'évaporateur.