Brevet FR2299536A1 — publié le 19760827

La présente invention concerne les compresseurs de gaz, et plus particulièrement les compresseurs employés dans les systèmes de réfrigération pour comprimer un gaz frigorigène tel que le Fréon ou l'ammoniac. L'invention a pour but d'améliorer considérablement la souplesse d'emploi et les performances des compresseurs volumétriques rotatifs qui connaissent un succès croissant dans les applications thermodynamiques à cycle fermé. Les figures 1 et 2 des dessins annexés représentent schématiquement les diagrammes Pression-Enthalpie et Température Entropie d'un cycle fermé de vaporisation-liquéfaction d'un fluide frigorigène. La description qui suit concerne un cycle type de réfrigération et les éléments du système de réfrigération seront supposés connus du lecteur. Au point A, le fluide frigorigène sort de l'évaporateur sous forme de vapeur saturante et reçoit une certaine quantité de chaleur pendant sont transfert; de sorte qu'il atteint normalement l'entrée B du compresseur en état légèrement surchauffé. En pratique, la température du fluide au point B est généralement supérieure de 10 à 200C à sa température de saturation au moment où il entre dans la chambre de compression. Dans le compresseur le fluide subit une compression réversible isentropique, c'est à dire à entropie constante. Au point C, le fluide surchauffé sortant du compresseur à température et pression élevées entre dans le condenseur où ilest désurchauffé et liquéfié de manière réversible à pression constante. Le fluide sort du condenseur au point D sous la forme d'un liquide saturé à haute pression et à moyenne température qui traverse un détendeur dans lequel il subit une détente irréversible et adiabatique à enthalpie constante.Au point E, le fluide sortant du détendeur à basse température et avec une faible tension de vapeur entre dans l'évapo rateur où il est vaporisé réversiblement à pression constante, ce qui le ramène au point de saturation sèche A pris comme origine du cycle. Les cycles réels s'écartent un peu de ce modèle théorique à cause de phénomènes secondaires tels que les pertes de charge dans le circuit, mais ces considérations sont sans impor- tance pour la compréhension des principes de l'invention. L'invention se rapporte plus particulièrement à la phase B-C du cycle de réfrigération précédemment décrit, Il convient de noter que dans les installations à cycle fermé les performances et le domaine d'application des compresseurs de gaz dépendent de deux considérations. La première est la puissance perdue à cause du surchauffage du fluide pendant la compression isentropique réversible, et la seconde est le problème pratique posé par la dissipation de chaleur dans le compresseur liée à ce surchauffage. Si le fluide utilisé était un gaz parfait, il n'y aurait aucun sur chauffage pendant la compression et dans la formule classique PVW = Constante, l'exposant r serait égal à l'unité. On sait que t représente le rapport des chaleurs. spécifiques à volume constant et à pression constante (t - Cp/Cv) et que sa valeur est en géné p Cv) ral comprise entre 1 et 1,5. L'échauffement des compresseurs n'était pas jusqu'ici considéré comme un problème délicat dans le cas de compresseurs à pistons relativement lents dont les pièces ont des masses suffisantes pour dissiper la chaleur dégagée. Par contre, ce problème est beaucoup plus difficile à résoudre pour les compresseurs rotatifs rapides à taux de compression élevés dans lesquels la relation entre la masse du compresseur et la chaleur dégagée est très défavorable et constitue un handicap sérieux pour la géné-ralisation de ce type de compresseur. Titre d'exemple, la masse d'un compresseur rotatif à palettes tournant à 3000 tr/mn est à peu près la moitié de celle d'un compresseur à pistons tournant à la même vitesse.Malgré leurs nombreux avantages, les compresseurs rotatifs sont relativement peu utilisés dans le domaine de la réfrigération et les machines existantes sont limitées à de faibles puissances et à des taux de compression ne dépassant pas 4:1. La présente invention a pour objet un compresseur volumétrique de gaz comportant un dispositif d'injection de gaz liquéfié dans la chambre de compression. Ce compresseur est de préférence un compresseur rotatif à palettes, mais le principe de l'invention est applicable à d'autres types de compresseurs. Dans un mode préféré de réalisation, un groupe motocompresseur comprend un moteur électrique qui entraine un compresseur et une pompe de circulation de l'huile de refroidissement du moteur. L'huile est elle-même refroidie dans un échangeur de chaleur par du fluide liquéfié qui est ensuite injecté dans le compresseur. Le circuit de l'invention comprend de préférence une vanne thermostatique sensible à la température de sortie du compresseur pour commander l'injection de liquide en fonction du degré de surchauffage du gaz après compression. Ce circuit peut également comporter un dispositif interrompant l'injection lorsque le compresseur ne tourne pas. L'invention a également pour objet un système de réfrigération par compression dans lequel une certaine quantité de fluide liquéfié est réinjectée dans le compresseur pour abaisser la température du fluide en cours de compression. Ceci permet de désurchauffer le gaz pendant la compression, de préférence par une injection de liquide atomisé peu après le début de la compres sion, l'injection se faisant directement dans la chambre de compression. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit et des dessins sur lesquels: la figure 3 est le diagramme Pression-Enthalpie d'un fluide frigorigène montrant les courbes isentropiques; la figure 4 est une représentation schématique du système de réfrigération de l'invention; la figure 5 est une coupe axiale de la vanne thermostatique qui est utilisée dans le système de la figure ; la figure 6 est une vue de détail du circuit de refroidissement du groupe moto compresseur. La figure 3 est une version plus détaillée de la figure 1 et illustre la caractéristique Pression-Enthalpie d'un fluide frigorigène,tel qu'un hydrocarbure halogéné. Dans un système classique de réfrigération par compression, le cycle du fluide débute par exemple à la sortie de l'évaporateur (point A) à une température de -620C. .4près un échange de chaleur permettant de surretroidir le liquide avant son entrée dans l'évaporateur, le fluide pénètre dans la chambre de compression (point B) à l'état surchauIfé à -290C. Il est ensuite comprimé à entropie constante jusqu'à une pressiorX de 17,2 bars et une température de 930C, après quoi il entre dans le condenseur (point C).La fin de la phase de compression est représentée en trait interrompu sur le diagramme car la présente invention permet d'éviter l'élévation de température correspondante, comme on le verra par la suite. Le système de la figure 4 comprend un compresseur rotatif à palettes 1 recevant le fluide gazeux par un orifice 2 et le refoulant par un orifice 3 vers un échangeur de chaleur 4. Dans l'échangeur, le fluide gazeux est condensé en un liquide qui s'écoule dans un réservoir 5 En sortant du réservoir 5, le liquide traverse un détendeur 6 puis un échangeur de chaleur 7 dans lequel il est vaporisé, le gaz résultant étant aspiré par le compresseur 1. Jusqu'ici il s'agit d'un cycle normal de réfrigération par compression. Le système de la présente invention comprend en outre entre le condenseur 4 et le réservoir 5 un piège à liquide 8 d'où une certaine quantité de fluide liquide est extraite à travers une vanne régulatrice 9 pour être injectée au point 10 de la chambre de compression. Le point d'injection 10 est placé légèrement au-delà de l'angle de rotation qui correspond au début de la compression (sa position exacte n'est pas déterminante). Le fluide qui est injecté dans le compresseur 1 est atomisé et se vaporise au contact du gaz chaud. La chaleur latente de vaporisation du liquide permet d'abaisser la température du gaz surchauffé en cours de compression et il est possible d'optimiser la quantité de liquide injectée pour que la température du gaz suive approximativement la courbe de saturation du diagramme Pression-Enthalpie pendant la compression.L'expérience pratique montre que pour la plupart des fluides utilisés en cycle fermé, l'énergie de compression du volume supplémentaire de gaz est à peu près compensée par l'économie d'énergie permise par l'amélioration du facteur Y dans la relation thermodynamique PV= Constante. De nombreuses mesures pratiques effectuées sur des modèles expérimentaux ont démontré que l'injection de liquide ne modifiait pratiquement pas la puissance absorbée par le compresseur. La figure 3 met en évidence l'effet de cette injection de liquide qui permet de "couper" la partie extrême du diagramme de cycle, la compression suivant la ligne brisée B-C' au lieu de la ligne droite B-C. Il est évident que la température maximale atteinte par le gaz est considérablement abaissée par l'injection. La quantité de liquide injectée est automatiquement dosée par la vanne régulatrice 9 qui est de préférence une vanne ther- mostatique dont la figure 5 montre lea détails. La variable uti.- lisée pour cette régulation eat le degré de surchauffage du gaz à la sortie 3 du compresseur, La vanne peut Outre réglée pour maintenir avec une bonne précision un écart positif déterminé entre la température du gaz et la température de saturation quelle que soit la pression, Le corps 11 de la vanne comporte deux chambres coaxiales et communicantes 12 et 13 qui sont respectivement reliées au piège å liquide 8 et à l'orifice dtinJection 10 par les tuyaux 14 et 15. Un obturateur mobile 16 monté dans la chambre 12 régle le débit d'un passage 17 qui relie entre elles les deux chambres. L'obturateur 16 est poussé vers le passage 17 par un ressort 18 dont la force est réglable au moyen d'une vis 19.Une tige 20 traversant librement le passage 17 prolonge l'obturateur 76 à travers la chambre 13 et sort à l'extrémité du corps 11 par un trou axial 21. L'extrémité de la tige 20 est fixée au centre d' un diaphragme 22 partageant en deux ure capsule manométrique 23 qui est montée sur le corps 11. La chambre supérieure de la capsule contient un fluide dont la température et par conséquent la pression dépendent directement de la température du fluide frigorigène à la sortie du compresseur. En pratique, la capsule 23 est reliée par un tuyau 25 à une sonde 24 montée contre l'orifice de sortie 3 du compresseur et l'ensemble est rempli d'un fluide convenable.La température de sortie du compresseur détermine ainsi le volume du fluide dont les variations se traduisent par des déformations du diaphragme 22 qui agit par l'intermédiaire de la tige 20 sur la position de l'obturateur 16. La vanne 9 est normalement réglée pour maintenir une température du gaz supérieure de 3 à 6 C au point de saturation. Le rôle du piège à liquide 8 de la figure 4 est de couper automatiquement l'injection lorsque le compresseur cesse de tourner. Le piège fournit un débit continu de liquide tant que le fluide est pompé et condensé, mais dès que le cycle s'interromp, le piège se vide. Des essais effectués sur un système de démonstration ont montré que pour une machine rotative tournant à 3000 tr/mn et comprimant du monocklorodifluorométhane (F22) avec un taux de com pression de 18:1 (qui représente la limite pratique pour les machines de réfrigération), la température du corps et des paliers ne dépasse pas 500C sans refroidissement externe de l'huile, Dans un système n'utilisant pas le principe d'injection de l'invention, le compresseur devrait être beaucoup plus gros pour une même capacité avec un taux de compression limité à 4:1 et il faudrait en outre prévoir un refroidissement externe de l'huile. L'invention ouvre des perspectives entièrement nouvelles dans le domaine des compresseurs de gaz, et notamment des compresseurs rotatifs. Ce type de compresseur, qui présente de nombreux avantages en matière d'encombrement, de coût, de simplicité et d'absence de vibrations, était jusqu'ici limité par des problèmes d'échauffement à des capacités faibles et à des taux de compression relativement bas. L'invention offre donc un intérêt considérable dans le domaine des cycles fermés, et en particulier de la réfrigération. Les résultats obtenus par la présente invention dans le domaine de l'échauffement du compresseur peuvent être complétés par des amélioration portant sur la conception du compresseur lui-même. Les groupes motocompresseurs utilisés dans la réfrigération sont de type étanche ou semi-étanche. Dans un groupe semi-étanche, le moteur et le compresseur sont montés dans une enceinte pratiquement hermétique et le moteur est refroidi par une circulation d'air à l'extérieur de son carter combinée avec un refroidissement interne par circulation d'huile du compresseur vers le moteur. Dans un groupe étanche, le moteur et le compresseur sont solidaires l'un de l'autre et contenus dans une enceinte hermétique, le moteur étant refroidi intérieurement par le fluide de retour qui circule autour de ses bobinages avant d'entrer dans le compresseur. Les deux systèmes ont des inconvénients. Dans un groupe étanche, le rendement du compresseur (travail de compression par k1,/h) est amoindri par l'échauffement du gaz dans le moteur qui augmente son volume spécifique avant la compression. De plus, le refroidissement du moteur dépend essentiellement du débit de fluide dans le circuit de réfrigération. La nécessité d'un refroidissement suffisant impose des contraintes sévères aux conditions d'utilisation du groupe, particulièrement dans une installation travaillant à basse température, dans laquelle la masse de fluide en circulation est faible. Dans les groupes motocompresseurs semi-étanches, les bobinages du moteur sont généralement à une température proche de la limite de sécurité. Ceci est dû à l'absence de refroidissement direct du fait que le moteur est placé dans un courant d'air servant également à refroidir le condenseur. Le remplacement d'ure moteur "grillé", incident qui n'est pas rare dans les groupes étanches, pose un sérieux problème lorsque le circuit contient de l'humidité résiduelle à cause d'une deshydratation imparfaite avant le chargement du fluide frigorigène. Au contact de l'isolant brûlé le fluide dégage un acide qui contamine l'ensemble du système. Il est alors indispensable de purger et de nettoyer complètement le circuit car sinon cet acide attaquerait l'isolation des bobinages du nouveau moteur et le mettrait rapidement hors d'usage. Ce problème se pose fréquemment depuis l'introduction des groupes étanches car le nettoyage d'un système installé est délicat et coûteux et nécessite un équipement spécial. La modification décrite ci-après permet de refroidir efficacement les groupes motocompresseurs des installations de réfrigération. On peut ainsi tirer le meilleur parti des avantages considérables des compresseurs rotatifs dans toutes les conditions de fonctionnement et indépendamment de tout refroidissement externe. L'invention permet également de refroidir le moteur sans contact du fluide réfrigérant avec l'isolation des bobinages, ce qui élimine tout risque de contamination. La combinaison de tous ces avantages permet de réaliser des groupes motocompresseurs utilisables dans une large gamme d'installations de réfrigération allant des chambres froides à basses températures aux systèmes de conditionnement d'air et aux processus industriels. On sait que les groupes motocompresseurs étanches et semi-étanches sont généralement calculés pour une application déterminée. La figure 6 est une coupe détaillée du groupe motocompresseur du système de la figure 4. Le compresseur 1 est accouplé à un moteur électrique 26 et ces deux éléments sont montés dans une enceinte hermétique 27 qui fait également fonction de carter à huile 28. Un serpentin plat 29 est monté coaxialement dans le fond de l'enceinte 27 de manière à être immergé dans l'huile de refroidissement du moteur 26. Avant d'être injecté dans le compresseur 1, le liquide frigorigène circule dans le serpentin 29 pour refroidir l'huile 28. Le moteur 26 entraîne également une pompe 30 montée au bout de son arbre qui aspire l'huile refroidie 28 et la projette sur les bobinages par une rampe d'aspersion 31. Ainsi, une partie du fluide liquéfié par le condenseur 4 est dérivée par la vanne thermostatique 9 et sert à refroidir l'huile du moteur avant d'être injectée dans le compresseur. Pendant son passage dans le serpentin 29, le liquide bout et la chaleur latente de vaporisation de la fraction évaporée sert à refroidir l'huile. Le reste du liquide et la vapeur sont ensuite injectés par l'orifice 10 du compresseur. Comme indiqué précédemment, la quantité de liquide injectée est régulée en fonction du degré de surchauffage du gaz à la sortie du compresseur. La quantité de liquide réfrigérant qui circule dans le serpentin 29 est donc toujours suffisante pour refroidir convenablement le moteur. Ce refroidissement est assuré par la vaporisation d'une certaine fraction du liquide dans le serpentin 29 et la vanne 9 règle automatiquement le débit pour que la quantité de liquide injectée corresponde aux besoins du cycle thermodynamique précédemment décrit. En résumé, la quantité de liquide fournie par la vanne thermostatique est la somme de la quantité nécessaire pour le refroidissement de l'huile du moteur et de la quantité à injecter pour maintenir le degré de surchauffage désiré dans le cycle de compression. La première quantité étant automatiquement prélevée dans le serpentin 29, il suffit que la régulation de la vanne 9 soit basée sur la seconde- quantité, c'est à dire sur la température mesurée à la sortie du compresseur. Il va de soi que la description qui précède n'est nullement limitative et qu'on pourra y apporter diverses modifications ou variantes sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Compresseur volumétrique de gaz caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'injection de gaz liquéfié dans la chambre de compression. 2. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est du type rotatif à palettes. 3. Groupe motocompresseur constitué d'un compresseur selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2 et d'un moteur électrique entraînant ledit compresseur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pompe à huile également entrainée par le moteur pour faire circuler de l'huile de refroidissement sur ses bobinages, et un échangeur de chaleur en contact avec l'huile à refroidir dans lequel le gaz liquéfié circule avant d'être injecté dans le compresseur. 4. Dispositif thermodynamique comprenant un compresseur ou un groupe motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un appareil de liquéfaction du gaz à la sortie du compresseur et un circuit de recyclage partiel du gaz liquéfié vers le point dtinjection de la chambre de compression, la quantité de liquide recyclée étant réglée par un moyen thermostatique pour désurchauffer le gaz pendant sa compression. 5. Dispositif thermodynamique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen thermostatique est sensible au degré de surchauffage du gaz à la sortie du compresseur. 6. Dispositif thermodynamique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen thermostatique est sensible à la température du corps du compresseur. 7. Dispositif thermodynamique selon l'une quelconque des revendications 4 ê 6, caractérisé en ce que le moyen thermostatique comprend une vanne à commande thermostatique. 8. Dispositif thermodynamique selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le circuit de recyclage comprend un moyen de commande coupant le débit de liquide à injecter dès que le compresseur cesse de fonctionner. 9. Système de réfrigération par compression met en oeuvre le dispositif thermodynamique de l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'appareil de liquéfaction du gaz comprimé est un condenseur et en ce que le moyen thermostatique règle la quantité de gaz liquéfié qui est injectée dans le compresseur pour abaisser la température du gaz en cours de compression. 10. Système de réfrigération par compression caractérisé par le fait qu'une certaine quantité de fluide frigorigène liquéfié est injectée dans le compresseur de manière à se mélanger avec le fluide gazeux en cours de compression pour en abaisser la température.