Brevet FR2323962A1 — publié le 19770408

La présente invention a pour objet un ensemble évaporateur détendeur-échangeur. Elle trouve une application notamment dans la réalisation de machines frigorifiques ou de pompes à chaleur. On sait qu'une machine frigorifique comprend essentiellement un compresseur, un condenseur, des moyens pour détendre un liquide par laminage et un évaporateur. Le compresseur refoule la vapeur d'un fluide dans le condenseur ; la vapeur cède des Ca- lories à la source chaude, et le liquide détendu à la pression de l'évaporateur emprunte de la chaleur à la source froide. Un perfectionnement connu consiste à disposer un échangeur entre le condenseur et les moyens de laminage, de telle sorte que le liquide soit refroidi avant sa détente et que la vapeur sortant de l'évaporateur soit surchauffée. On sait, de plus, que le rendement d'une telle machine croit lorsque l'écart entre ia température de la source froide et celle de 11 évaporateur est réduit, ce qu'on obtient, par exemple en utilisant un évaporateur du genre à descendage à film mince. Un tel perfectionnement, consistant à utiliser un échangeur supplémentaire conduit, en fait, à une augmentation de ltencom- brement de la machine et, corrélativement à une augmentation de son coût. L'invention a justement pour objet un dispositif dont la structure est telle qutil combine à la fois les moyens aptes à réaliser un évaporateur, un détendeur et un échangeur. I1 en résulte une diminution notable de l'encombrement de la machine (d'un facteur 3 environ), une simplification du montage et, corrélativement, une réduction sensible du coût. De façon précise, l'invention a pour objet un ensemble éva porateur-détedur-échangeur, caractérisé en ce qu'il comprend - un premier tube en matériau bon conducteur de la chaleur, dont la paroi interne délimite une chambre cylindrique dans laquelle circule un premier fluide liquide amené par un conduit d'entrée, la paroi dudit premier tube étant munie de moyens de laminage dudit premier fluide liquide, - une ailette hélicoïdale disposée autour dudit premier tube, - un second tube, coaxial au premier, réalisé en un matériau bon conducteur de la chaleur, dont la paroi interne est appliquée sur ladite ailette hélicoïdale et dont la paroi externe comprend des ailettes, lesdits premier et second tubes et l'ailette hélicoïdale délimitant ainsi, une chambre hélicoïdale communiquant avec l'in térieur dudit premier tube par lesdits ajutages, ladite chambre étant obturée à l'une de ses extrémités et étant reliée à I'exté- rieur de l'ensemble par un conduit de sortie disposé à l'autre extrémité, - un troisième tube, coaxial aux deux premiers et disposé à l'ex- térieur des ailettes du second tube, et constituant avec ce dernier un espace où circule un second fluide liquide amené par un conduit d'entrée disposé à l'une des extrémités dudit espace et repris par un conduit de sortie disposé à l'autre extrémité. Afin d'améliorer les performances de cet ensemble, les dimensions de la chambre hélicoïdale sont telles que la vitesse de la vapeur qui y circule soit sensiblement constante. Cette propriété est obtenue en donnant à ladite chambre une largeur qui crolt de l'extrémité obstruée vers l'extrémité reliée au conduit de sortie, de telle sorte que le volume offert à la vapeur augmente le long du trajet qu'elle emprunte. De préférence, cette variation de largeur est linéaire, ce qui est obtenu en usinant la paroi externe du premier tube selon un tronc de cône, la paroi interne du second tube étant alors cylindrique. Les moyens de laminage du liquide peuvent être de tout type connu et notamment constitués par des ajutages, des orifices calibrés, des bagues poreuses, des tubes capillaires, etc.... De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - La figure 1 représente un schéma synoptique d'une machine frigorifique de l'art antérieur, - La figure 2 représente l'ensemble évaporateur-détendeur-échangeur de l'invention Sur la figure 1, il est représenté schématiquement une machine frigorifique, qui comprend essentiellement un compresseur 2, qui refoule la vapeur d'un fluide dans un condenseur 4, ladite vapeur cédant des calories à la source chaude 6.Le liquide sortant du condenseur est détendu par un laminage 6 et traverse un évaporateur 10 où il emprunte de la chaleur à la source froide 12 constituée par un liquide en circulation. Un perfectionnement connu consiste à adjoindre à ce circuit un échangeur 14 qui refroidit le liquide avant sa détente dans le laminage 8 et qui surchauffe la vapeur sortant de l'évaporateur 10. L'évaporateur 10 est avantageusement à descendage, pour les raisons déjà indiquées. L'invention a pour objet un dispositif qui rassemble les éléments de laminage 8 d'évaporation 10 et d'échange 14, en une seule structure de faible encombrement. De plus, le dispositif de l'invention est compatible avec l'utilisation d'un évaporateur du genre à descendage à film mince, ce qui confère à ltenseaLle les avantages inhérents à l'emploi de ces appareils et notamment un rendement élevé. Conformément à ce qui est illustré sur la figure 2, un ensemble évaporateur-détendeur-échangeur de l'ientim:rcnmprend. i - un premier tube 20, réalisé en un matériau Lij:n conducteur de la chaleur ; la paroi interne 22 de ce tube-délimite une chambre cylindrique 24 dans laquelle circule un premier fluide liquide amené par un conduit d'entrée 26 ; la paroi externe 2ff du tube 20 comprend une ailette hélicoldale 30 ; le tube 20 est percé par une pluralité d'ajustages 32 - autour du premier tube 20 un second tube 34, coaxial au premier, et réalisé en un matériau bon conducteur de la chaleur ; la paroi interne 34 de ce tube est applîquée sur l'ailette hélîcoïia1e 30 et la paroi externe est munie d'ailettes 36.Le premier tube 20 et le second 34 forment ainsi, entre eux, une chambre hélicoïdale 38, qui est obturée à l'une de ses extrémités 40 et qui communique avec l'extérieur par un conduit des sortie 42 ; la paroi interne du tube 34 est avantageusement lisse et peut reposer par frettage sur l'ailette hélicoldale 3Q - un troisième tube 44, coaxial aux deux premiers est disposé à l'extérieur des ailettes 36 ; ce tube délimite un espace 46 où circule un liquide amené par un conduit d'entrée 48 et repris par un conduit de sortie 50 ; le liquide pénétrant par le conduit 48 est le liquide à refroidir ; cet peut être. de l'eau, de la saumure ou tout autre fluide. Le liquide pénétrant par le conduit 26, au centre de l'appareil, est le liquide à vaporiser. Ce peut être du fréon. La conception de l'appareil permet d'accéder facilement au circuit d'eau sans intervention sur le circuit de fréon, ce point est important car les difficultés éventuelles se situent sur le circuit d'eau. Le fonctionnement de cet ensemble est le suivant Le liquide à vaporiser pénètre par le conduit 26 ses haute pression, dans l'espace 24. il se détend partiellement dans let ajutages 32 et pénètre dans l'espace hélicoïdal 38. Ce fluide connu serve assez d'énergie cinétique pour frapper chaque élément de surface de la paroi interne du tube 34 face aux ajutages et, sous l'effet des forces de tension superficielle et de cisaillement provoqué par la vapeur, Le liquide tend à se rassembler en film 52 qui n' a pas d'arrachement grace à l'effet de la force centrifuge. Ce film ne deec-end pas sous l'action de la pesanteur mais est entraîné par la vapeur le long de l'espace hélicoïdal 38. La vapeur s'échappe finalement par le conduit 42. Du fait de sa minceur, le film 52 offre, à la prai 34, le minimum de résistance thermique au flux de chaleur qui traverse ladite paroi 34, ce qui permet une évaporation dans d'excellentes conditions à l'interface du film av-ec sa vapeur Cette vapeur, formée dans l'enceinte hélicoïdale, est obligée de parcotsrir-celle- ci de son extrémité obstruée vers le conduit de stie 42 ; elle y possède une grande vitesse, de l'ordre de 10 m/s, vitesse qui t bien plus élevée que celle du film 52. Le film 52 est constamment réalimenté par les ajutages 32 répartis tout le long du tube 20 et il est transformé en vapeur au fur et à mesure de sa formation avec un excellent rendement. L'appareil fonctionne dans n'importe quelle position, verticale ou non. Le liquide chaud arrivant par le conduit 26 cède sa chaleur à travers toute la longueur de la paroi 20 à la-vapeur qui, de ce fait, se trouve être surchauffée avant de sortir par le conduit 42 C'est la fonction d'échange de l'appareil, la détente du liquide est réalisée au travers des ajutages 32 et la vaporisation apparaît dans l'espace hélicoïdal 38. Ainsi sont rassemblés, dans un seul dispositif, les trois organes évaporateur, détendeur et échangeur. Il est avantageux de conc-e-voir la chambre hélicoïdale de telle manière que la vitesse de la vapeur soit la plus grande po- sible et, par exemple, proche de la valeur maximale déterminée par des contraintes au-delà desquelles apparaîtraient des pbine- mènes parasites de nature sonique. A cette fin, les dimensions de la chambre hélicoldale 38 sont telles qu'un plus gr- volume est offert à la vapeur dans la partie supérieure de l'appareil que dans la partie inférieure. Dans une variante privilégiée, l'augmentation de largeur de l'espace hélicoldal est linéaire, ce qui est obtenu simplement en usinant la paroi extérieure 28 du tube 20 selon une forme conique, la paroi interne du tube 34 étant alors cylindrique. Naturellement, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant un tube 20 dont la paroi externe serait cylindrique, l'hélice 30 et le tube 34 devant alors présenter une forme conique. DJns un mode de réalisation particulier, le tube 44 est en polychlorure de vinyle ainsi que les entrée et sortie 48 et 50. Le tube 34 peut être réalisé en métal venu de fonderie avec ses ailettes extérieures 36. La face intérieure de ce tube peut être alésée pour faciliter son contact avec l'hélice 30. A sa partie inférieure, l'ensemble est obturé par un bouchon 54 et à sa partie supérieure par un autre bouchon 56. Le tube 20 peut être en métal bon conducteur de la chaleur, venu de fonderie. La face externe de l'hélice 30 peut être usinée pour faciliter son contact avec le tube 34. Les ajutages 32 peuvent être percés selon une génératrice du tube 20 cylindrique. Le tube 20 peut être emmanché à force dans le tube 34. Un joint étanche 58 assure l'étanchéité de l'ensemble. Dans un mode de réalisation avantageux, l'ensemble comprend, en outre, une vanne thermostatique 60, conformément à ce qui a été décrit et revendiqué dans une demande de brevet antérieure déposée au nom du demandeur pour "perfectionnement aux pompes à chaleur". Cette vanne permet d'obtenir une température d'évaporation constante, indépendante de la température du liquide pénétrant par le conduit 48, et, de ce fait, une efficacité constante. REVENDICATIONS 1. Procédé de réfrigération d'un fluide au moyen d'un fluide frigorifique circulant dans une installation frigorifique à faible écart de température, dans laquelle le fluide frigorifique est refroidi avant détente et la vapeur sortant de l'éva- porateur est réchauffée, caractérisé en ce qu'on forme un film mince sur toute la paroi de l'évaporateur par projection du fluide frigorifique contre la paroi et en ce qu'on maintient le film homogène grâce d'une part à la force centrifuge et, d'autre part, à sa vitesse par cisaillement de la vapeur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de la vapeur du fluide frigorifique est sensiblement constante dans l'ensemble de llévaporateur. 3. Ensemble évaporateur-détendeur-échangeur mettant en oeuvre le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qutil comprend - un premier tube en matériau bon conducteur de la chaleur, dont la paroi interne délimite une chambre cylindrique dans laquelle circule un premier fluide liquide amené par un conduit d'entrée, la paroi dudit premier tube étant munie de moyens de laminage dudit premier fluide liquide, - une ailette hélicoïdale disposée autour dudit premier tube, - un second tube, coaxial au premier, réalisé en un matériau bon conducteur de la chaleur, dont la paroi interne est appliquée sur ladite ailette hélicoldale et dont la paroi externe comprend des ailettes, lesdits premier et second tubes et l'ailette hélicoïdale délimitant ainsi une chambre hélicoldale communiquant avec l'interieur dudit premier tube par lesdits ajutages, ladite chambre étant obturée à l'une de ses extrémités et étant reliée à l'extérieur de l'ensemble par un conduit de sortie disposé à l'autre extrémité, - un troisième tube, coaxial aux deux premiers et disposé à l'extérieur des ailettes du second tube, et constituant avec ce dernier un espace où circule un second fluide liquide amené par un conduit d'entrée disposé à l'une des extrémités dudit espace et repris par un conduit de sortie disposé à l'aut-re extrémité. Nouvelles revendications déposées après premier projet d'avis documentaire. 4. Ensemble évaporateur-détendeur-échangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chambre hélicoidale ménagée entre le premier et le second tubes a une largeur qui croît de l'extrémité obturée vers l'extrémité reliée au conduit de sortie. 5. Ensemble évaporateur-détendeur-échangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la variation de largeur de la chambre hélicoïdale est linéaire. 6. Ensemble évaporateur-détendeur-échangeur selonla revendication 5, caractérisé en ce que la paroi externe du premier tube est conique, la paroi interne du second tube étant cylindrique. 7. Ensemble évaporateur-détendeur-éch-angeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de laminage sont constitués soit par des ajutages, soit par des orifices calibrés, soit par des bagues poreuses, soit par des tubes capillaires. 8. Ensemble évaporateur-détendeur-échaRgeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conduit de sortie du second fluide est muni d'une vanne thermostatique de régulation. 9. Application de l'ensemble évaporateur-détendeur-échangeur selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, à la réalisation d'une pompe à chaleur. 10. Application de l'ensemble évaporateur-détendeuréchangeur selon l'une quelconque des revendications 3 a 8, à la réalisation d'une machine frigorifique. Nouvelles revendications déposées après premier projet d'avis documentaire.