Brevet FR2402847A1 — publié le 19790406

La présente invention concerne un procédé et un appareil en circuit fermé convenant d'une façon générale pour le transfert de chaleur d'un milieu a un autre mais conçu en premier lieu pour refroidir les compartiments pour passagers de véhicules en utilisant un réfrigérant successivement comprimé condensé par extraction de chaleur soumis a la détente et vaporisé par absorption de chaleur avant d'être a nouveau comprimé. Dans un système de réfrigération classique, une vapeur saturée de réfrigérant est comprimée isentropiquement et sa température augmente pour former de la vapeur surchauffée. Cette vapeur est refroidie et ensuite condensée tout en restant sous une pression élevée constante jusqu'a devenir un liquide saturé. Ensuite, celui-c-i subit une détente en un étage par passage travers un étranglement détendeur en se refroidissant et avec vaporisation partielle. Le détendeur débouche dans un évaporateur dans lequel le réfrigérant est finalement complètement vaporisé en absorbant de la chaleur de vaporisation partir de la matière a refroidir avant d'être envoyé a un compresseur pour le renouvellement du cycle. Le compresseur est habituellement un compresseur rotatif a palettes et, pour eviter le surchauffage entrainant des problèmes pour la lubrification, il peut être refroidi par utilisation d'une partie du réfrigérant liquide condensé qui est injectée a l'état liquide dans le compresseur rotatif a palettes. La présente invention a pour objet un appareil pour le transfert de chaleur en circuit fermé ainsi qu'un procédé pour ce transfert. Par le procédé en circuit fermé pour le transfert de chaleur selon l'invention, un réfrigérant est comprimé par un compresseur rotatif a palettes est ensuite condensé dans un condenseur par extraction de chaleur, est ensuite soumis a une détente partielle a travers un détendeur primaire et est ensuite vaporisé dans un évaporateur par absorption de chaleur avant d'être 9 nouveau comprimé par le compresseur, le procédé étant caractdrisé par la détente partielle du réfrigérant condensé dans un ou plusieurs étages additionnels par des- détendeurs additionnels correspondants, au moins une partie de la vapeur du réfrigérant produite dans l'étage ou chaque étage additionnel étant renvoyée au compresseur dans lequel cette vapeur est combinée a la vapeur de réfrigérant en cours de compression et résultant de la détente partielle du réfrigérant condensé par le détendeur primaire suivi de la vaporisation dans l'évapo- rateur. Dans un appareil pour le transfert de chaleur selon l'invention, un-réfrigérant circule en circuit fermé successivement a travers un compresseur rotatif palettes, un condenseur, un détendeur primaire et un évaporateur, l'entrée du compresseur communiquant avec l'évaporateur et la sortie du compresseur communiquant avec le condenseur, cet appareil étant caractérisé par un ou plus d'un détendeur additionnel, chacun communiquant avec une canalisation de retour pour le retour d'au moins une partie de la vapeur -du réfrigérant produite par chaque détendeur additionnel au moins a une entrée du compresseur située entre l'entrée et la sortie du compresseur. Le détendeur ou les dé tendeurs additionnels peuvent être en série avec le détendeur primaire et l'évaporateur afin que la vapeur pénétrant dans le compresseur rotatif a palettes par son orifice d'entrée ait subi tous les étages de détente. Avec cet arrangement, le rendement est amélioré parce que, pour un débit massique donné de réfrigérant travers l'évaporateur, il y a une capacité supérieure de refroidissement qui assure plus que la compensation pour le travail supplémentaire nécessaire pour comprimer la vapeur prélevée dans les étages additionnels de détente. En variante, le détendeur additionnel ou chaque détendeur additionnel peut être en parallèle avec le détendeur primaire et l'évaporateur. Plus particulièrement, le détendeur additionnel ou chaque détendeur additionnel peut provoquer la détente d'un mélange d'huile et de réfrigérant condensé provenant d'un séparateur d'huile situé entre le condenseur et la sortie du compresseur. L'huile en combinaison avec du réfrigérant condensé subsistant après la détente dans le détendeur additionnel est renvoyée directement a l'orifice d'entrée du compresseur.Avec cette combinaison, le rendement est amélioré parce que, bien que la capacité de refroidissement pour un débit massique donné de réfrigérant a travers l'évaporateur reste le même, l'action de refroidissement de huile avec le réfrigérant-condensé pouvant subsister entraine une diminution nette du travail nécessaire devant être effectué par le compresseur. il sera noté que, suivant les différents modes de mise en oeuvre de l'invention comportant plusieurs détendeurs additionnels, ceux-ci peuvent être combinés a la fois en série et en parallèle avec le détendeur primaire. I1 sera noté aussi que, comme le but principal est la réfrigération, ces différents modes de réalisation ne sont pas nécessaire ment utilisés pour assurer le chauffage du milieu environnant entourant le condenseur. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée a titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un système de réfrigération ayant un détendeur additionnel connecté en série, selon un mode de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 2 est un graphique de la pression en fonction de l'enthalpie du système de réfrigération de la figure 1; - la figure 3 représente schématiquement en coupe un compresseur rotatif a palettes pouvant être utilisé dans le système de la figure 1; - la figure 4 représente schématiquement un système de réfrigération ayant un détendeur additionnel monté en parallèle, selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention; et - la figure 5 représente schématiquement un système de réfrigération selon l'invention pouvant être considéré comme une combinaison des systèmes des figures 1 et 4. Les caractéristiques de base.d'un système classique de réfrigération sont bien connues et, par suite, il suffit d'expliquer que, en ce qui concerne le système de réfrigération représenté sur les figures 1 3, un compresseur rotatif a palettes 10 -(figure 1) est connecté par les conduits en série avec un condenseur 12, un détendeur primaire 14 et un évaporateur 16. La nouveauté de ce système de réfrigération consiste dans l'utilisation d'un détendeur supplémentaire 18 ou-d'un autre dispo sitif .d'étranglement, qui est situé en série avec le détendeur primaire 14, et débouchant dans une chambre 20 raccordée par un conduit 22 au compresseur. Ce détendeur additionnel 18 a pour fonction de provoquer la détente du réfrigérant condensé dans une phase initiale (indiquée.par la ligne décroissant verticalement a partir du point A sur la figure 2) a une phase finale de détente provoquée par le détendeur 14 (indiquée par la ligne décroissant verticalement a partir du point B sur la figure 2). La vapeur produite après la phase initiale de détente est immédiatement renvoyée b travers le conduit 22 au compresseur rotatif a palettes 10 (en pénétrant par le point C) dans lequel elle est combinée avec la vapeur en cours de compression ayant subi les phases de détente primaire et l'évaporation consécutive (et arrivant au compresseur au point D).Le conduit 22 communique ainsi avec un orifice situé entre l'orifice d'entrée 24 et l'orifice de sortie 26 (figure 3), la vapeur sortant du conduit 22 étant enfermée par une paire de palettes 28 qui ont un mouvement alternatif par rapport au rotor 30 par lequel elles sont entrainées. Si-le conduit 22 est muni-d'une vanne d'arrêt pour couper l'écoulement de la vapeur a travers ce conduit, le système n'a pas nécessairement besoin de fonctionner selon l'invention. Le choix des dimensions du détendeur 18 et le choix de La position dans laquelle le conduit 22 débouche dans le compresseur rotatif palettes 10 déterminent la pression, la température et le titre du mélange réfrigérant liquide/vapeur dans la chambre 20, de la façon indiquez par le point X sur la figure 2. Pour démontrer le rendement supérieur atteint dans le système de réfrigération décrit ci-dessus, il sera comparé a un système classique de réfrigération dans lequel du Fréon 11 liquide subit la détente en un étage unique à partir de 490C/2,206 bars(a) à 4,40C/0,49 bar (a) la totalité du liquide subsistant étant ensuite évaporée. L'indication (a) représente une pression absolue. L'augmentation de l'enthalpie dans le système classique est de 225.079 - 76.499 = 140.580 J/kg. Pour un débit massique a travers l'évaporateur, par exemple de 100 kg/h, la capacité de refroidissement (débit massique x variation de llenthalpie) est par suite de 14.858.000 J/h.Le travail effectué sur le réfrigérant pendant la compression est le produit du débit massique (100 kg/h) par l'enthalpie de 2 205 J/kg et, par suite, il est de 2.720.500 J/h, ce qui correspond à 343 W. Comme le coefficient de rendement est le rapport de la capacité de refrutdlssement au travail effectué, il a par suite dans ce cas une valeur de 14.858.000 x 4,3 x 10-4/343 = 18,63. Par contre, si la détente du réfrigérant liquide a lieu ell deux stages d'après le mode de réalisation décrit ci-dessus selon l'invention, un changement de Irétat liquide 3 270C/1,24 bar (a) (point B) à la vapeur saturée S i,45 C/0,49 bar (a) (point D) donne un changement d'enthalpie a 165.000 J/kg. Pour le même débit massique de 100 kg/h å travers l'évaporateur, cela donne une capacité de refroidissement de 16.800.000 J/h. La capacité supérieure de refroidissement par rapport au système classique considéré ci-dessus peut être considérée comme étant ru esentee par la dimension a sur la figure 2. En plus du travail nécessaire pour comprimer le réfrigérant ayant traversé l'évaporateur, qui reste à 343 W de la façon calculée ci-dessus, une quantité supplémentaire travail est nécessaire pour comprimer la vapeur dérivée a travers le conduit 22. Les débits massiques de liquide et de vapeur quittant la chambre 20 (ml et m2 respectivement) sont clairement égaux au débit massique (m3) pénétrant dans la chambre 20 c'est-a-dire que ml + m2 = m3.De plus comme il n'y a sensiblement aucune différence dans les valeurs de l'enthalpie avant et après la détente, le gain d'énergie thermique entrainée par la partie du courant sortant a l'état de vapeur est équivalent a la perte d'énergie thermique subie par la partie du courant entrant échappant sous la forme liquide. Le changement de l'enthalpie du liquide a 49"C/2,2 bars (a) au liquide a 27 Ctl,26 bar (a) est de 19.500 J/kg, ce qui, pour un débit massique ml de 100 kg/h, donne une variation de chaleur de 1.950.000 J/kg. Comme le changement de l'enthalpie du liquide a 490C/2,2 bars (a) a la vapeur à 270C/1,24 bar (a) est de 168.000 J/kg, le débit massique de vapeur m2 est de 12,2 kg/h. Le travail effectué pour comprimer cette vapeur a 2,2 bars(a) est le produit de la variation de l'enthalpie par le débit massique, ce qui donne 69.500 J/h correspondant a 19,3 W. Le coefficient de rendement pour ce système de réfrigération est aussi le rapport de la capacité de refroidissement au travail effectué et il est égal a 16.800.000 x 4,3 x 10 / (343 + 19,3) = 19,955. Il ressort de ce qui précède que l'augmentation calculée du rendement est d'environ 7%. Il y a aussi une augmentation du rendement avec le système de réfrigération selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, représenté sur la figure 4. Toutefois, dans ce système, une partie du réfrigérant condensé est détendueen parallèle avec le reste du réfrigérant et passe ensuite a travers l'évaporateur comme dans un système classique de réfrigération. Les références pour éléments de base du système de réfrigération classique sont utilisées sur la figure 4 avec l'adjonction de la lettre a. Dans le système de la figure 4, un séparateur d'huile est situé entre le condenseur 12e et la sortie du compresseur l0a. Le séparateur d'huile 40 est d'un type classique et il peut extraire environ 85 a 95% de l'huile pouvant etre mélangée la-vapeur de réfrigérant traversant le séparateur. Le séparateur d'huile 40 sépare aussi la vapeur de réfrigérant pouvant s'être condensée dans le séparateur. Le liquide évacué du séparateur 40 a travers le conduit 42 peut contenir environ 70% d'huile et 30% de réfrigérant condensé.Au lieu que ce liquide soit renvoyé directement aux paliers du compresseur 10a pour la lubrification et pour former des joints d'étanchéité, comme il a déja été proposé, le liquide passant par le conduit 42 est envoyé dans un détendeur additionnel 44 qui débouche dans une chambre 46. Le détendeur 44 peut être remplacé par n'importe quel autre étranglement de détente, par exemple par une certaine longueur d'un tube capillaire, et 11 huile peut avoir n'importe quelle composition connue compatible avec le réfrigérant. L'effet de cet étage additionnel de détente, qui est en parallèle avec le détendeur primaire 14a, est la vaporiration d'une certaine quantité du liquide et le refroidissement du reste. La vapeur est renvoyée travers un conduit 48 a un orifice (voir figure 3) situé entre orifice d'entrée et l'orifice de sortie du compresseur 10a. Le liquide refroidi est dirigé par un conduit 50 a une position dans laquelle il est mélangé a la vapeur sortant de l'évaporateur 16a. Comme il a été expliqué ci-dessus, le gain de chaleur entrainée par la partie du courant provenant du conduit 42 et sortant l'état de vapeur est équivalent a la perted'énergie thermique subie par la partie de courant provenant du conduit 42 et sortant a l'état de liquide refroidi. De plus, comme il a été expliqué ci-dessus, le choix des dimensions du détendeur additionnel 44 et le choix de la position dans laquelle le conduit 48 débouche dans le compresseur rotatif a palettes 10a déterminent la pression, la température et le titre du mélange de liquide et de vapeur d'huile et de réfrigérant dans la chambre 46. La combinaison est de préférence telle que pratiquement tout le réfrigérant condensé récupéré par le séparateur d'huile 40 soit vaporisé afin que le liquide refroidi passant dans le conduit 50 soit pratiquement de l'huile pure. Pendant le fonctionnement, le liquide refroidi provenant du conduit 50 peut être considéré coimne absorbant la chaleur de compression qui, autrement, augmenterait encore la température de la vapeur provenant de l'évaporateur 16a, pendant son passage a travers le compresseur 10a, En fait, il a été trouvé que la température de la vapeur comprimée peut entre commande avec une grande précision afin qu'elle ne devienne pas surchauffée. Pour l'exemple considéré ci-dessus, la température finale de la vapeur comprimée peut ainsi être soigneusement commandée pour qu'elle soit réduite de 57,50C à 490C, correspondant a une diminution de l'enthalpie de 252.000 a 247.000 J/kg.Cela correspond å son tour à une réduction de 343 à 284 W du travail effectué par le compresseur pour comprimer la vapeur provenant de l'évaporateur ce qui est un pourcentage appréciable. Cela correspond aussi à une réduction de 211.000 J/h de la teneur en chaleur de la vapeur comprimée. cette réduction équivalant a un débit massique de vapeur de réfrigérant travers le conduit 48 de 1,35 kg/h seulement. Ce calcul suppose une variation de l'enthalpie pendant la vaporisation du réfrigérant condensé passant dans le conduit 42 de 76.500 J/kg (490C/22 bars (a))jusqu' 234.000 J/kg (15,5 C/0,75 bar (a)). I1 sera remarqué que la petite quantité de travail supplémentaire utiliséepour comprimer la vapeur provenant du conduit 48 est plus que compensée par la diminution substantielle du travail neces- saire pour comprimer la vapeur provenant de l'évaporateur 16a apres la détente par le détendeur primaire 14a. Comme la capacité de refroidissement reste en grande partie la même que celle calculée ci-dessus, le débit d'huile pouvant etre seulement de l'ordre de 5 cm /s, il y a un accroissement final du coefficient de rendement. La figure 5 représente un système selon l'invention pour lequel les éléments semblables ceux des figures 1 a 4 sont désignés par les memes références, mais avec adjonction de la lettre b. Il suffit, par suite, de préciser que la vapeur présente dans la chambre 46b peut être mélangée a la vapeur présente dans la chambre 20b travers un conduit 52, le mélange des vapeurs étant ensuite dirigé vers le compresseur rotatif a palettes lOb par le conduit 22b. Les conduits 52 et 22b forment ensemble un circuit de retour pour renvoyer au moins une partie de la vapeur de réfrigérant produite par les deux étages additionnels de détente un orifice situé entre les orifices d'entrée et de sortie du compresseur rotatif palettes lOb.Avec cette combinaison comportant les détendeurs additionnels 18b et 44b montés en parallèle, leur ensemble étant monté en série avec le détendeur primaire 14b et ltévaporateur 16b, l'amélioration du coefficient de rendement est encore supérieure. Une autre variante de système selon l'invention utilise de l'huile de lubrification et d'étanchéité compatible avec le réfrigérant. Ce système est identique à celui de la figure 1 en dehors de l'addition d'un dispositif de refroidissement de l'huile comportant un séparateur d'huile en série avec un échangeur de chaleur. Le séparateur d'huile est situé entre le condenseur et la sortie du compresseur rotatif a palettes comme dans le cas des figures 4 et 5. Le liquide (de façon prédominante de l'huile) sortant du séparateur d'huile nlest cependant pas soumis à la détente, mais il est refroidi dans l'échangeur de chaleur qui peut être placé soit dans le chambre de détente additionnelle (20 sur la figure 1), soit dans l'évaporateur (16 sur le figure I). Le liquide refroidi est ensuite renvoyé de l'échangeur de chaleur au compresseur dans lequel il pénètre soit par l'orifice d'entrée, soit par l'orifice situé entre les orifices d'entrée et de sortie. La température finale de la vapeur comprimée est ainsi réduite et la réduction du travail nécessaire pour la compression par le compresseur l'emporte à nouveau sur la légère perte de capacité de refroidissement résultant du fonctionnement de l'échangeur de chaleur, de sorte que le coefficient de rendement est encore amélioré. Suivant tous les modes de réalisation des systèmes selon l'invention, il peut y avoir plus d'un étage additionnel de détente pour le réfrigérant condensé et, de plus, il peut y avoir sur le compresseur plus d'un orifice entre son orifice d'entrée et son orifice de sortie. En résume, le coefficient de rendement d'un système de réfrigération par ailleurs classique est amélioré en utilisant un ou plusieurs étages additionnels de détente par des détendeurs additionnels respectifs (18, 44, 18b et 44b), chacun communiquant avec un conduit de retour (22, 48, 52 et 22b) pour le renvoi d'au moins une partie de la vapeur de réfrigérant produite dans chacun des étages additionnels de détente au moins un orifice du compresseur situé entre l'entrée et- la sortie du compresseur, dans lequel- cette vapeur de réfrigérant est combinée avec la vapeur de réfrigérant en cours de compression et ayant été produite par détente par un détendeur primaire (14, 14a, 14b), suivie par la vaporisation dans un évaporateur afin-que la capacité désirée de refroidissement puisse être plus facilement atteinte en utilisant un seul compresseur rotatif a palettes dans un système de conditionnement d'air monté dans un véhicule. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et L'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé en circuit fermé pour le transfert de chialeur, suivant lequel un réfrigérant est successivement comprimé par un compresseur rotatif e paulettes, condensé dans un condenseur avec enlèvement de chaleur détendu par un détendeur primaire et vaporisé dans un évaporateur par absorption de chaleur avant d'être nouveau comprimé par le compresseur, caractérisé par la détente du réfrigérant condensé dans au moins un étage additionnel par des détendeurs additionnels correspondants, au moins une partie de la vapeur de réfrigérant produite dans chacun des étages additionnels étant renvoyée au compresseur dans lequel elle est combinée avec la vapeur de réfrigérant en cours de compression et ayant été produite par détente du réfrigérant condensé par le détendeur primaire et ensuite vaporisé par l'évaporateur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'un des détendeurs additionnels est en série avec le détendeur primaire et l'évaporateur. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'eu moins un détendeur additionnel est en parallèle avec le détendeur primaire et ltévaporateur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins un détendeur additionnel monté en parallèle provoque la détente d'un mélange d'huile et de réfrigérant condensé. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé par l'utilisation de deux détendeurs additionnels, l'un en série et l'autre en parallèle, avec le détendeur primaire et l'évaporateur, les vapeurs de réfrigérant produites par ces deux étages additionnels de détente étant mélangées avant d'être renvoyées au compresseur. 6. Appareil à traitement en circuit fermé pour le transfert de la chaleur, dans lequel un réfrigérant circule en circuit fermé successivement a travers un compresseur rotatif a paulettes, un condenseur, un détendeur primaire et un évaporateur, l'orifice d'entrée du compresseur communiquant avec l'évaporateur et l'orifice de sortie du compresseur communiquant avec le condenseur, caractérisé par au moins un détendeur additionnel, chacun communiquant avec une canalisation de retour pour le retour d'au moins une partie de la vapeur de réfrigérant produite par chacun des détendeurs additionnels vers au moins un orifice du compresseur situé entre l'entrée et la sortie du compresseur. 7. Appareil selon la retendication 6, caractérisé par au moins un détendeur additionnel en série avec le détendeur primaire et l.'évapo- rateur. 8. Appareil selon la revendication 6 caractérisé par au moins un détendeur additionnel en parallèle avec le détendeur primaire et ltévaporateur. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par un séparateur d'huile situé entre le condenseur et l'entrée du compresseur et dirigeant le mélange d'huile et de réfrigérant condensé vers, soit le détendeur additionnel en parallèle, soit les détendeurs additionnels en parallèle. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 caractérisé par deux détendeurs additionnels, l'un étant en série et l'autre en parallèle avec le détendeur primaire et l'évaporateur, les deux détendeurs additionnels communiquant avec des chambres respectives interconnectées pour permettre le mélange des vapeurs, mais non des liquides des chambres. 11. Véhicule à moteur, caractérisé en ce qu'il comporte un système de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.