Brevet FR2372404A1 — publié le 19780623

La présente invention a pour objet un procédé de refroidissement d'un bain de fluide dans une enceinte fermée,ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention s'applique en parti c ulier, bien que non limitativement,au refroidissement du bain de lubrifiant des machines, et plus particulièrement encore, au refroidissement du bain d'huile des compresseurs hermétiques dans les installations frigorifiques. Le procédé selon l'invention consiste essentiellement en ce que, pour assurer l'autorEgulation thermique d'un bain de fluide absorbant des déperditions énergétiques dans une enceinte fermée, on provoque la vaporisation partielle d'un liquide vaporisable, par échange thermique à travers une surface d'échange immergée dans ledit bain et suffisante pour permettre la transmission et l'absorption par la chaleur de vaporisation, d'au moins la totalité de la puissance maximale dissipée dans le bain, ledit liquide vaporisable circulant unidirectionnellement par gravité dans un circuit fermé entre ladite surface d'échange et un condenseur du liquide vaporisé. Le dispositif selon l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, comprend essentiellement un circuit de liquide vaporisable comprenant un bouilleur immergé dans ledit bain, présen- tant une surface d'échange suffisante pour transmettre, dans des conditions de vaporisation partielle du liquide, un flux thermique equi- valent à au moins la puissance maximale dissipée dans le bain, un condenseur du liquide vaporisé, et une canalisation descendante conduisant le liquide par gravité du condenseur au bouilleur et comportant un organe anti-retour. Dans le cadre des applications préférées de l'invention, le bain de liquide dans lequel est immergé le bouilleur, est avantageusement constitué par le bain de lubrifiant d'une machine qu'il s'agit de refroidir lorsque la machine est en fonctionnement, pour évacuer l'énergie dissipée sous forme thermique. Toutefois, l'invention convient également au refroidissement de tout autre fluide compris dans une enceinte fermée, par exemple au refroidissement de l'huile lubrifiante contenue dans les carters des moteurs, des réducteurs, des paliers, et de tout autre appareil analogue. L'invention permet d'assurer ce refroidissement par un dispositif simple, dont le fonctionnement se règle de lui-même en fonction du flux thermique à évacuer, soit en particulier suivant le régime de fonctionnement de la machine dont on refroidit le lubrifiant. D'autre part, le dispositif de l'invention a pour avantage que le circuit assurant le refroidissement du bain de fluide est indépendant, notamment indépendant du circuit frigorifique dans une installation dans laquelle le circuit de fluide vaporisable set à refroidir l'huile du compresseur hermétique. I1 est ainsi possible de choisir au mieux chacun des fluides de l'installation suivant sa fonction propre, et la pression régnant dans le circuit de liquide vaporisable peut être beaucoup plus faible que dans les autres circuits de l'installation. En outre, l'invention permet d'éviter les pertes de charge des circuits utilisés de manière classique pour le refroidissement des compresseurs d'installations frigorifiques; le rendement du compresseur s'en trouve augmente et la consommation d'énergie globale diminue. Le fonctionnement correct du dispositif selon l'invention implique que dans le circuit fermé de liquide vaporisable, il reste toujours, en équilibre avec sa vapeur saturante, une quantité de liquide en circulation toujours suffisante pour alimenter le bouilleur et absorber la puissance thermique dissiPée, et pour qu'il remplisse suffisamment la canalisation descendante pour maintenir le sens de circulation naturelle par gravité. Ces conditions sont faciles à réaliser par un dimensionnement correct du circuit fermé, qui s'effectue par des calculs classiques faisant intervenir en particulier les surfaces d'échange du bouilleur et du condenseur, la charge en fluide dans le circuit fermé, les conditions de refroidissement du condenseur, en fonction de la température maximale autorise pour le bain à refroidir et de la puissance thermique maximale à évacuer. En fonctionnement, un circuit ainsi dimensionné se règle automatiquement en s'adaptant à la puissance thermique à évacuer, suivant le régime de fonctionnement de la machine à laquelle il est associé. Lors de la mise en route, la température du circuit augmente, à partir de celle imposée au repos par le condenseur, le liquide se vaporise partiellement dans le bouilleur, sa pression de vapeur augmente corrélativement, ainsi que sa vitesse de circulation. Plus le bain à refroidir s'échauffe, plus la puissance thermique évacuée augmente, dans les limites du flux thermique maximal que peut transmettre la surface d'échange du bouilleur. Le matériel utilisé pour construire un dispositif selon l'invention est un matériel tout à fait courant. Le bouilleur, ou évaporateur, immergé dans le bain à refroidir , peut être un serpentin en tube rond, ovale ou aplati, aileté ou non, un échangeur à plaques ou une batterie de tubes. En général, on peut utiliser comme bouilleur, l'échangeur qui est disposé dans les bains de lubrifiant des machines courantes, pour les refroidir par des moyens classiques, par exemple par circulation d'eau de refroidissement ou par circulation du fréon d'une machine frigorifique.La meme variété de maté- riel peut être utiliséepour constituer le condenseur du circuit fer mé. Ce condenseur peut etre refroidi par tout moyen, suivant 1 'ins- taAlation à laquelle l'invention est appliquée. En général, et notamment dans le cadre du refroidissement du bain d'huile d'un compresseur hermétique d'installation frigorifique, il est avantageux d'utiliser un refroidissement par air, en convection naturelle ou en convection forcée, le condenseur pouvant etre simplement exposé à l'air ambiant. Le liquide vaporisable peut etre constitué par tout fluide, celui-ci étant introduit dans le circuit fermé, après avoir fait le vide dans ce dernier, en quantité telle que le liquide reste en é- quilibre avec sa vapeur saturante dans toute la gamme des conditions de fonctionnement envisagées. L'invention sera maintenant décrite plus en détail en faisant référence à des modes de réalisation particuliers, nullement limitatifs, qui sont illustrés par les figures 1 à 3 des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente le schéma d'une installation frigorifique classique à compresseur hermétique et précondenseur. La figure 2 représente une installation frigorifique selon l'invention, équipée d'un dispositif de refroidissement du compresseur à circuit fermé indépendant du circuit frigorifique. La figure 3 représente un palier comportant un dispositif analogue, selon l'invention, pour le refroidissement de l'huile du palier. Sur les figures 1 et 2, on a représenté schématiquement une installation frigorifique comportant une armoire frigorifique 1, et un circuit de fluide frigorifique comprenant un évaporateur 2 disposé dans l'armoire 1, un compresseur 3, un condenseur 4, et un détendeur 5, ainsi que les canalisations appropriées pour faire circu- ler le fluide frigorifique,en circuit fermé ,entre successivement l'évaporateur 2, le compresseur 3, où le fluide vaporisé dans l'éva- porateur est comprimé, le condenseur 4, où ce fluide comprimé est condensé par échange thermique avec l'air ambiant, et le détendeur 5, constitué par un détendeur capillaire. Le compresseur 3 est un compresseur hermétique. Son carter fermé renferme un bain d'huile 6 qui absorbe en fonctionnement les déperditions d'énergie sous forme thermique. Pour évacuer en fonctionnement l'énergie dissipe dans le bain 6, l'installation classique de la figure 1 comporte un refroidisseur 7, immergé dans le bain d'huile 6, et un échangeur 8, ou précondenseur,expose à l'air ambiant. Le fluide de refroidissement est constitué par le fluide frigorifique de l'installation lui-meme. Le précondenseur 8 et le refroidisseur 7 sont disposés successivement, sur le circuit de fluide frigorifique , entre le compresseur 3 et le condenseur 4. Dans une telle installation, le fluide refroidissant le bain d'huile du compresseur est donc véhiculé par le compresseur. Les pertes de charge, qui se produisent inévitablement dans le sens pentin noy dans le bain d'huile et dans celui du précondenseur, entraînent une diminution du rendement du compresseur. Ces pertes de charge correspondent également à une consommation supplémentaire d'énergie électrique, et en outre, elles accroissent le taux de compression en augmentant la-température de fin de compression. A ces inconvénients s'ajoute encore le fait que lorsque le compresseur s'arrete, le refroidissement du bain d'huile ne peut plus s'effectuer et le bain d'huile reste chaud même lorsque le compresseur est à l'arrêt. Dans l'installation selon l'invention représentée sur la figure 2, le refroidissement du bain d'huile 6 du compresseur est effectué au moyen d'un circuit fermé indépendant du circuit de fluide frigorifique. Ce circuit fermé contient un liquide en équilibre avec sa vapeur saturante. Ce liquide peut être en particulier un fréon, introduit dans le circuit fermé après mise sous vide de ce lui-ci. Le circuit du dispositif selon l'invention comprend un bouilleur 11, où le liquide se vaporise partiellement par échange avec le bain d'huile à refroidir0 Ce bouilleur est en fait constitué par le meme serpentin, noyé dans le bain d'huile, que le refroidisseur 7 de la figure 1. Pour évacuer la chaleur ainsi transmise , le circuit comprend un condenseur 12, où le liquide vaporisé est condensé. Ce condenseur est constitué par un serpention ailette, exposé à l'air ambiant.Il est disposé à un niveau supérieur au compresseur 6.Le circuit du dispositif de refroidissement huile selon l'invention comprend donc une canalisation ascendante 13,qui conduit le mélange biphasique de liquide partiellement vaporisé du bouilleur 11 au condenseur 12, et une canalisation descendante 14 par laquelle le liquide condensé s'écoule, par simple gravité, jusqu'au bouilleur 11. Sur cette canalisation descendante est disposé un organe de non-retour, constitué ici par une boucle 15 de la canalisation 14, formant siphon. Toutefois, ce système de fermeture hydraulique pourrait être remplacé par tout autre organe remplissant une fonction analogue, par exemple par un dispositif à flotteur ou par un clapet anti-retour. Dans un exemple particulier de l'installation selon la figure 2, le compresseur du circuit frigorifique a une puissance de 200 watts. La puissance à extraire du bain d'huile en fonctionnement est de l'ordre de 40 à 50 watts. Le circuit de refroidissement du bain d'huile contient du fréon 113 (tri-fluoro tri-chloro éthane). La quantité de fréon introduite dans le circuit ( après mise sous vide ) est de 30 cms de liquide à la température ordinaire et sous 1 bar de pression. Sa température d'ébullition dans ces conditions est de 470C. La surface interne du serpentin noyé dans le bain d'huile 2 au niveau du bouilleur 11 est de 140 cm , et la surface externe du 2 serpentin du condenseur 12 est de 2 000 cm . Dans le bouilleur, le tube dans lequel circule le liquide présente un diamètre externe de 6 mm et un diamètre interne de 4 mm, tandis que dans le condenseur, ce tube présente un diamètre externe de 12 mm et un diamètre interne de 10 mm. Le diamètre interne de la canalisation 13 est de 8 mm et celui de la canalisation 14 est de 6 mm. La fermeture hydraulique 15 est disposée à une hauteur de 20 cm au-dessus du bouilleur 11. Lorsque l'installation frigorifique est en fonctionnement, il s'établit une circulation stable du liquide vaporisable dans le circuit fermé.A l'équilibre, lorsque le compresseur est en fonctionnement, la température au niveau du bouilleur 11 est de l'ordre de 60 à 700C,et la pression correspondante de la vapeur saturante de fréon dans le circuit fermé est de 2 à3bars. Pour des périodes d'arrêt du compresseur de l'ordre de 10 mn, correspondant à un fonc tionnement normal de l'installation frigorifique, la température au environ niveau du bouilleur Il s'abaisse à/500C..n cas d'arrêt de longue durée, la circulation du liquide vaporisable se poursuit jusqu'à un refroidissement à la température ambiante et la pression dans le circuit fermé s'abaisse à une valeur de l'ordre de 0,4 bars. La figure 3 illustre un autre cas d'application d'un circuit de refroidissement d'huile analogue au précédent. Cette figure représente un palier 21, dans lequel le refroidisseur d'huile 22, constitué par un serpentin noyé dans le bain d'huile, est disposé sur un circuit fermé par lequel il est relié à un condenseur 23 exposé a l'air ambiant. Ce condenseur est disposé au-dessus du bain d'huile, et la canalisation 24 qui le relie au refroidisseur 22 est une canalisation descendante munie d'une fermeture hydreulique 25 imposant au liquide un sens de circulation qui correspond au sens de circulation naturelle par gravité. Naturellement et comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention n'est nullement limitée aux exemples particuliers décrits ci-dessus, non plus qu'aulx applications particulières considérées dans cette description. REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement d'un bain de fluide dans une enceinte fermée, caractérisé en ce que l'on provoque la vaporisation partielle d'un liquide vaporisable, par échange thermiqùe à travers une surface-d'échange immergée dans ledit bain et suffisante pour permettre la transmission et llabsorp- tion par la chaleur de vaporisation, d'au moins la totalité de la puissance maximale dissipez dans le bain, ledit liquide vaporisable circulant unidirectionnellement par gravité dans un circuit fermé entre ladite surface d'échange et un condenseur du liquide vaporisé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit fermé est dimensionné, en liaison avec la quantité de liquide vaporisable ou vaporisé qu'il contient, de manière qu'au moins jusqu'à la valeur maximale de la puissance thermique dissipée dans le lubrifiant, il reste suffisamment de liquide non vaporisé dans le circuit pour y maintenir le sens de la circulation naturelle par gravité. 3. Application du procédé selon la revendication 1 ou 2 au refroidissement du bain de lubrifiant d'une machine. 4. Application selon la revendication 3, caractérisée en ce que'ladite machine est constituée par un compresseur hermétique d'installation frigorifique. 5. Dispositif d'autorégulation thermique d'un bain de fluide absorbant des déperditions thermiques dans une enceinte fermée, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit fermé de liquide vaporisable comprenant un bouilleur immergé dans ledit bain, présentant une surface d'échange suffisante pour transmettre, dans des conditions de vaporisation partielle du liquide, un flux thermique équivalent à au moins la puissance maximale dissipée dans le bain, un condenseur de liquide vaporisé, et une canalisation descendante conduisant le liquide par gravité du condenseur au bouilleur et comportant un organe anti-retour. 6. Dispositif de refroidissement du bain de lubrifiant d'une machine, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de liquide vaporisable selon la revendication 5 dont le bouilleur est immergé dans le bain de lubrifiant. 7. Installation frigorifique à compresseur hermétique, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'autorégulation thermique selon la revendication 5 pour refroidir le bain d'huile du compresseur. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le condenseur dudit dispositif est exposé l'air ambiant.