Brevet FR2438807A1 — publié le 19800509

t'invention concerne un procédé et un systeme pour rapidement et facilement dégivrer et refroidir à nouveau l'unité évaporatrice d'un système de réfrigération et elle trouve une application particulièrement utile dans un système qui fonctionne selon les principes d'un thermo-siphon, sans compresseur pour le réfrigérant. Nombre des systèmes de réfrigération de la technique antérieure sont munis d'un dispositif pour dégivrer ltévaporateur quand celui-ci se trouve recouvert de givre, ce qui le rend inefficace pour le refroidissement. L'un de ces dispositifs de dégivrage utilisé dans un système de réfrigération du type à compresseur et décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique Hoessel 2.281.770, comporte la fourniture directe du réfrigérant à ltévaporateur par le compresseur en passant dans un dispositif qui chauffe le fluide tandis qu'on court-circuite le condenseur. De cette manière, le réfrigérant chauffé provoque la fusion du givre accumulé sur la surface de ltévaporateur. Un tel système de dégivrage est entièrement dépendant du fonctionnement du compresseur.Dans un deuxième système de réfrigération où l'on utilise un compresseur, on effectue le dégivrage de ltévaporateur en remplissant un accumulateur situé sous l'évapora- teur avec le réfrigérant liquide refroidi venant du condenseur pendant le cycle de refroidissement. Quand on désire dégivrer, on arrête ltécoulement de réfrigérant du compresseur vers ltévaporateur, on chauffe le réfrigérant liquide de l'accumulateur pour le faire bouillir, et le fluide vaporisé peut monter vers l'évaporateur où il se trouve en échange thermique avec le givre accumulé sur l'évaporateur et le fait fondre, la vapeur étant ainsi liquéfiée et retournant à l'accumulateur par gravité pour y être rechauffée.Un tel système est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique Lewis 2.630.685. Dans un autre système de réfrigération à compression, tel que décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique Pokers et autre 2.628.479, le réfrigérant liquide refroidi venant du condenseur staccumule dans un réservoir de stockage d'où il est directement pompé vers l'unité évaporatrice par une pompe à liquide pendant la période de refroidissement ou d'abord à travers, un échangeur de chaleur, avant d'être appliqué à l'unité evaporatrice pendant la période de dégivrage. Le réfrigérant partiellement vaporisé venant de l'unité évaporatrice retourne au réservoir de stockage pour y établir la pression maintenant le réfrigérant dans la phase liquide. Tous les systèmes de la technique antérieure ci-dessus dépendent pour leur fonctionnement en réfrigération du compresseur classique. En plus, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N- 2.281.770, on compte sur le compresseur pour fournir le réfrigérant chaud à l'évaporateur pendant le cycle de dégivrage. Les autres brevets de la technique antérieure mentionnés ci-dessus, bien qutils ne reposent pas sur le fonctionnement du compresseur pour fournir du réfrigérant chaud à l'évaporateur pendant le cycle de dégivrage, ont l'inconvénient qu'il faut une durée considérable pour chauffer le réfrigérant liquide froid stocké dans un récipient de stockage, du fait qu'il arrive du condenseur, avant qu'il passe à ltévaporateur pour dégivrer ce dernier.Il s'écoule aussi, quand le cycle de refroidissement du système a connnencé, après le dégivrage de la surface de l'unité d'évaporation, un temps considérable avant que le réfrigérant liquide soit suffisamment refroidi par le fonctionnement du système de compresseur pour amener ltévaporateur à atteindre la basse température voulue. Un avantage de la présente invention sur la technique antérieure réside dans le fait que le dégivrage de l'unité d'évaporation et son refroidissement à nouveau à la température voulue peuvent être effectués plus rapidement que dans la technique antérieure. Un autre avantage de cette invention sur la techr- nique antérieure consiste dans le fait que l'on peut effectuer ce dégivrage et ce refroidissement dans un système de réfrigération fonctionnant sans le classique moto-compresseur pour le réfrigérant. te système de réfrigération auquel la pressente invention convient particu lie'remuent fonctionne selon les principes d'un système à thermo-siphon et comprend fondamentalement : deux échangeurs de chaleur, dont un premier est un refroidisseur qui condense le fluide de travail dans sa phase liquide et un deu xième est'un réchauffeur qui fait évaporer le fluide, des canalisations d'interconnection, une charge de fluide de travail et un réservoir d'expansion facultatif pour stocker le fluide de travail sous forme de vapeur dans les conditions de non-fonctionnement.En fonctionnement normal, de la chaleur est retirée du fluide de travail dans le premier échangeur de chaleur, ce qui condense le fluide de travail, le condensat s'écoulant par gravité dans un récipient d'où une portion s'écoule par gravité à travers une vanne de coonande vers le deuxième échangeur ou échangeur d'absorptionde chaleur où il bout et se vaporise du fait de l'amenée de chaleur d'une source externe. La vapeur qui en résulte retourne se recondenser dans le premier échangeut du échangeur de rejet de chaleur, l'écoulement se produisant par gravita et différence de densités de vapeur et de liquide dans le système. Selon l'invention, quand on désire chauffer rapidement l'échangeur absorbant de la chaleur pour faire fondre le givre et la glace accumulé sur sa surface, la vanne de commande de liquide est fermée pour empêcher le réfrigérant liquide de s'écouler vers cet échangeur. Une pompe à vapeur reliée à l'chan- geur d'absorption de chaleur en retire la vapeur et le condensat et les envois dans une unité de stockage de chaleur où ils sont chauffes et évaporé puis repompes vers l'échangeur d'absorption de chaleur, pour chauffer celui-ci.Pendant la période de chauffage ou pendant un arrêt, le fluide de travail vaporisé venant du réservoir d'expansion relié à leéchangeur de rejet de chaleur est condensé par extraction de chaleur du fluide de travail par ltéchangeur de de rejet de chaleur, le liquide en résultant étant stocké dans le récipient. Ainsi, quand un cycle de refroidissement doit avoir lieu, la vanne de commande de liquide est ouverte et- une portion du liquide réfrigérant condensé s'écoule du récipient vers ltéchangeur d'absorption de chaleur où il bout rapidement pour refroidir promptement ce dernier. Un objet de l'invention est donc de dégivrer rapidement la surface de l'unité d'évaporation d'un système de réfrigération en chauffant directement seulement le réfrigérant de l'unité d'évaporation. Un autre objet de l'invention est de changer rapidement entre deux limites la température d'un échangeur d'absorption de chaleur, dans un système de syphon thermique à deux phases (liquide-vapeur). Un autre objet de l'invention est aussi de rapidement dégivrer l'unité d'évaporation d'un système de réfrigérateur en chauffant directement seulement le réfrigérant de l'unité d'évaporation tandis que le réfrigérant liquide refroidi venant du condeuseur est fourni à une unité de stockage pour être immédiatement disponible à des fins de refroidissement après la période de dégivrage. Un autre objet de l'invention est encore de fournir un système de réfrigération dans lequel le condenseur fournit du réfrigérant liquide refroidi à une unité de stockage tandis que son unité évaporatrice est chauffée afin d'être immédiatement disponible pour passer en unité d'évaporation et refroidir son environnement. Dans le dessin joint, la Fig 1 est un schéma d'une première réalisation de la présente invention ; et la Fig 2 est un schéma d'une deuxième réalisation de la présente invention. tes objets ci-dessus et d'autres deviendront évidents dans la suite de la description de l'invention. La Fig 1 du dessin illustre sous forme schématique l'invention appliquée à un système de réfrigération fonctionnant sur le principe du siphon thermique et sans l'utilisation du classique moto-compresseur. Un premier échangeur de chaleur 1 comprend une enveloppe 3 formant une chambre creuse 5 contenant dans son espace intérieur un serpentin échangeur de chaleur 7. Un récipient de liquide 11 est relié à I'extrémité inférieure de l'enveloppe 3 par un conduit 9. Une unité évaporatrice 13 formant le deuxième échangeur de chaleur est reliée à une extrémité à ltextrémité inférieure du récipient 11 par un conduit 15, par l'intermédiaire d'une vanne de commande de liquide 17, et à son autre extrémité par un conduit de retour 19 à l'enveloppe 3, au-dessus de I'extrémité basse de celle-ci. Le système que l'on vient de décrire reçoit une charge du fluide ré frigérant de travail, W F, sous forme de vapeur. Facultativement, un réservoir d'expansion de vapeur 21 peut etre relié par une ouverture au conduit de retour 19 pour stocker du fluide dans les conditions de non - fonctionnement.On peut prévoir un conduit de derivation de vapeur facultatif 22 entre le réservoir de liquide 11 et la partie supérieure de l'enveloppe 3, comme on l'a représenté. En fonctionnement normal, un fluide refroidisseur venant d'une source extérieure E S circule dans le serpentin échangeur de chaleur 7 pour absorber la chaleur du fluide réfrigérant de travail W F et faire condenser celui-ci dans la chambre 5. Le condensat s'écoule ensuite par gravité dans le réservoir de liquide 11 d'où une portion de ce condensat s'écoule encore par gravité à travers la vanne de commande de liquide 17 normalement ouverte vers le deuxième échangeur de chaleur comportant le serpentin évaporateur 13 dans lequel il bout en abeer- bant de la chaleur à l'environnement dans lequel se trouve ce serpentin. ta vapeur qui en résulte revient au premier échangeur de chaleur 1 pour y être recondensée.L'écoulement de vapeur et de condensat dans ce système, tel que l'indiquent les flèches pleines, s'effectue par gravité et par la différence de den sités entre liquide et vapeur dans le système. Une pompe a' vapeur 23 est reliée entre les extrémités du serpentin évaporateur 13 au moyen d'un conduit dont une portion 25 est en échange thermique avec une masse de stockage thermique désignée par la référence 27 et formant une unité de réchauffage et/ou de réévaporation. Ce stockage thermique est continuellement maintenu chauffé pendant le fonctionnement d'ensemble du système. Quand on désire rapidement chauffer l'échangeur absorbeur de chaleur 13, la vanne de commande de liquide 17, qui peut astre actionnée par un solé w tde, est fermée pour éviter que le condensat s'écoule vers l'échangeur absorbeur de chaleur 13 et on met en marche la pompe à vapeur 23. Les vapeurs froides et le condensat du deuxième échangeur de chaleur 13 sont entratnés dans l'unité de réchauffage et! ou réévaporation 25 où ils sont chauffés et évaporés puis repempes vers le deuxième échangeur de chaleur 13 pour chauffer celui-cl. On a représent la circulation de fluide pendant le cycle de dégivrage par des flèches en pointillé. Lorsque l'échangeur absorbeur de chaleur 13 atteint une température chaude désir rée, on arrête le fonctionnement de la pompe de vapeur. Pendant le fonctionnement en chauffage du deuxième échangeur de chaleur ou unité d'évaporation 13 ou penr dant une période d'arrêt après ce fonctionnement et avant réouverture de la vanne de liquide 17, de la chaleur est retirée, par lséchangeur de rejet de chaleur 1, des vapeurs de fluide de travail qui sont extraites du réservoir d'expansion de vapeur 21 et le condensat en résultant est stocké dans le réservoir de liquide 11. Quand on désire rapidement refroidir ou refroidir à nouveau ltéchangeur absorbeur de chaleur 13 à son niveau de fonctionnement froid normal, on ouvre la vanne de commande de liquide 17 pour permettre ltécoulement dans ltéchangeur 13 du condensat stocké dans le réservoir et pour rapidement le porter à ltébullitlon afin de refroidir promptement ltéchangeur, le fonctionnement du système de réfrigération revenant ainsi à la normale.On peut répéter ce cycle aussi fréquemnent qu'on le désire, les résultats à obtenir dans le cycle de chauffage étant limités seulement par la masse de stockage thermique et la capacité du dispositif de chauffage qui réchauffe le fluide réfrigérant, et dans le cycle de refroidissement par la capacité d'extraction de chaleur sur ltéchangeur 1 de rejet de chaleur et par les dimensions du réservoir d'expansion et du récipient de liquide permettant un refroidissement rapide nouveau. Une application très importante de l'invention réside dans des processus à production de vide élevé comme l'enrobage ou la lyophilisation, qui utilisent des charges de vapeur importantes pouvant être manipules au mieux par un cryopompage aussi proche que possible de la source de vapeur. Ce cryopompage est effectué en utilisant une bobine cryogénique montée directement dans une chambre à vide. Cette disposition nécessite que la surface cryogénique soit rapidement refroidie pour chaque cycle de mise sous vide et promptement chauffée à la tem pérature ambiante chaque fois que la chambre doit être ouverte. Ce réchauffage de la surface de la bobine cryogénique empêche la condensation de vapeur d'eau venant de l'air ambiant sur la bobine et se gelant pendant le cycle de refroidissement. Le fluide ou réfrigérant le plus communément utilisé dans le système décrit ci-dessus fonctionnant dans une gamme de températures cryogéniques est le réfrigérant - 14 (tetrafluoromethane) pour une température comprise entre environ - 1500C et - 80-C. En variante, le réfrigérant - 503 (un azéotrope de R - 13 et R - 23) est facilement utilisable dans la gamme de - 140-C à - 70-C ou le réfrigérant - 13 (chlorotrifluoranérhane) dans celle de - 1400C à 50-C. Le réfrigérant R - 23 mentionné ci-dessus est le trifluor éthane. On peut très bien utiliser d'autres halocarbones ou fluorocarbones, et on base son choix sur les caractéristiques thermophysiques souhaitées et la gamme de températures de fonctionnement prévues.Dans un exemple spécifique de système à refroidissement - dégivrage rapide tel que décrit ci-dessus, utilisant un condenseur ou premier échangeur de chaleur et une bobine cryogénique ou deuxième échangeur de chaleur, convenablement assortis, la surface cryogénique a été refroidie de la température ambiante de 20 C C à une température de - 1200C ou plus froide en cinq à sept minutes. La surface cryogénique a été également chauffée d'une température de - 12OC ou plus froide à au moins 25-C en cinq à sept minutes. Le temps total de chauffage et refroidissement impliqué dans une marche de production devrait être d'environ quarante minutes pour permettre le rétablissement du système de stockage de chaleur 25. On a trouvé que la vitesse de dégivrage de l'unité évaporatrice 13 selon la manière décrite ci-dessus pouvait être grandement accrue en empêchant laccoule ment du fluide circulant à travers ltévaporateur d'atteindre le réservoir de stockage de réfrigérant 21.A cette fin, on peut prévoir, comme le montre la Fig 2, une vanne telle que 28 dans la ligne 19 de retour de vapeur, entre la jonction de la pompe et de l'unité évaporatrice et le réservoir 21, pour isoler le volume interne de ce réservoir par rapport à l'unité évaporatrice 13 et à la pompe de vapeur 21 pendant le dégivrage. te temps de dégivrage avec la vanne 28 fermée peut ainsi être reduit d'une durée de cinq à sept minutes nécessaire avec la vanne ouverte, à une durée d'une minute à deux minutes, les dimensions des appareils et les gammes de températures étant équivalentes dans tous les cas. L'utilisation de cette vanne en l'emplacement décrit élimine aussi l'influence adverse que le dégivrage de ltévaporateur a sur le stockage d'effet de refroidisseur pendant le dégivrage. Le liquide qui est vaporisé dans l'évaporateur au déclenchement du cycle de dégivrage et qui crée une pression plus élevée est contenu à cette pression plus élevée dans cette portion du circuit. il est isolé de l'autre portion du circuit qui stocke concuresment de l'effet refroidisseur. Pendant le cycle de refroidissement normal, la vanne 28 est ouverte et elle peut être commandée manuellement ou actionnée par une commande à distance. Une seconde vanne 29 qui peut être du type sensible à la pression est montee en parallèle avec la vanne 28 pour s'ouvrir afin de court-circuiter cette dernière lorsque le fluide dans la ligne 19 atteint un niveau de pression prédéterminé. La vanne 29 peut également être du type actionné par commande à distance en réponse à la commande d'un capteur de pression dans la ligne 19. Parce que, pendant le dégivrage, on peut facilement régler la pression dans la portion de circuit isolée de l'évaporateur à des niveaux de trois à six fois supérieurs à ceux du système sans ces vannes, la pompe de vapeur peut deplacer des gaz à des densités proportionnellement plus grandes. il en résulte un transe port de chaleur de l'unité de réchauffage et/ou réévaporation 25 (unité de stockage de chaleur) vers ltévaporateur à des vitesses beaucoup plus grandes. La relation n'est pas linéaire. Un quadruplement de la densité réduit le temps de dégivrage à environ un tiers. Avec cette isolation pendant le dégivrage, les moyens de refroidissement externes peuvent continuer à condenser le fluide de travail dans ltéchangeur de chaleur 1 à des pressions plus basses, en extrayant des vapeurs du réservoir d'expansion de vapeur 21 et en stockant le condensat dans le récipient de liquide 11, sans que ce processus de refroidissement soit affecté même avec une pression supérieure dans l'évaporateur 13. Le système de dégivrage rapide décrit ci-dessus est également utile dans un système de récupération de chaleur en hiver (du type à siphon thermique) pour le conditionnement de l'air ambiant, où l'on utilise leéchangeur de rejection de chaleur ou condenseur pour préchauffer l'air extérieur entrant et où ltéchangeur d'absorption de chaleur ou serpentin évaporateur retire de la chaleur de l'air évacué de l'intérieur. te dégivrage de ce dernier échangeur peut être effectué de la manière décrite précédemment. Bien qu'on ait décrit le système ci-dessus de refroidissement - dégivrage rapide conjointement avec un système de siphon thermique, ses enseignements indiquent que l > on peut l'utiliser avec profit dans un système de réfrigération du type moto-compresseur. Dans un tel systeme, on peut prévoir une unité de stockage de chaleur telle que l'on puisse, lorsqu'on désire dégivrer l'unité évaporatrice, isoler celle-ci du compresseur et du condenseur par des vannes d'arrêt, et une pompe de vapeur mise en action pour faire circuler la vapeur et le condensat à partir de l'unité évaporatrice, seulement à travers l'unité de stockage thermique afin de réchauffer et/ou vaporiser le réfrigérant. Quand l'unité évaporatrice a été chauffée à la température voulue, elle peut être rebranchée sur le compresseur, la pompe de vapeur arretée et le condensat liquide qui a été stocké à partir du condensateur i édiatement envoyé à l'unité évaporatrice pour la refroidir. On a décrit l'invention en en donnant le meilleur mode d'utilisation, mais on doit comprendre que les personnes compétentes en la matière peuvent y apporter des changements et des modifications sans s'écarteur de l'esprit et de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Système de réfrigération avec un moyen condenseur pour refroidir et condenser une vapeur de réfrigérant dans la phase liquide, une unité évaporatrice pour recevoir un écoulement de ce condensat liquide et être refroidie par celui-ci, sur laquelle de la glace se forme par condensation d'humidité de l'atmosphere ou espace environnant et d'où le réfrigérant retourne normalenent au moyen condenseur dans sa phase vapeur, et des moyens de dégivrage rapide de l'unité évaporatrice, caractérisé en ce que ces moyens de degivrage ccxprennent un moyen pour arreter ltécoulement de condensat liquide refroidi du moyen condenseur vers l'unité évaporatrice sans arrêter le fonctionnement du moyen condenseur, une unité de stockage thermique, une pompe à vapeur directement reliée à ltunité évaporatrice pour faire circuler le fluide se trouvant dans cette unité, en échange thermique avec l'unité de stockage thermique afin de réchauffer et vaporiser ce fluide en vue de rapidement chauffer l'unité evaporatrice, cette unité de stockage thermique étant continuellement chauffée pendant les fonctionnements en dégivrage et en refroidissement de l'unité evaporatrice. 2 - Système de réfrigeration selon la revendication 1, avec un réservoir de stockage comportant une source pour la vapeur de réfrigérant reliée au moyen condenseur, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne pour empocher l'écoulement du fluide en circulation vers le réservoir de stockage pendant que la pompe fonctionne pour dégivrer l'unité evaporatrice. 3 - Système de réfrigeration selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen sensible à un niveau de pression fluide prédéterminé dans l'unité évaporatrice pendant que la pompe fonctionne pour dégivrer l'unité évaporatrice, afin de court-circuiter la vanne et permettre un écouleront du liquide en circulation vers le réservoir de stockage. 4 - Système de réfrigération selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce qu'il comprend un moyen de stockage dans le parcours d'eeoulement du condensat entre le moyen condenseur et l'unité évaporatrice pour intercepter et stocker une quantité de ce condensat, le moyen pour arrêter l'écoulement du condensat vers l'unité évaporatrice rapprenant une vanne de commande disposée entre le moyen de stockage et l'unit évaporatrice. 5 - Système de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de stockage dans le parcours d'écoe- laient du condensat entre le moyen condenseur et l'unité evaporatrice pour continuellement stocker une quantité de ce condensat, le moyen pour arreter l'écoule- ment du condensat vers l'unité evaporatrice comprenant une vanne de commande disposez entre le moyen de stockage et l'unité evaporatrice. 6 - Système de réfrigeration selon l'une quelconque des tevondicati précé- dentes, dans lequel le réfrigérant circule selon les principes d'un thermosiphon sans utiliser de compresseur, et où le moyen condenseur a une entrée et une sortie tandis que l'unité évaporatrice a une entrée et une sortie situes à un niveau inférieur à celui du moyen condenseur, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle fermée comportant un premier passage reliant la sortie du moyen condenseur à l'entrée de l'unité évaporatrice afin que le liquide réfrigérant s'écoule vers celle-ci par gravité pour la refroidir et un deuxième passage entre la sortie de l'unité évaporatrice et l'entrée du moyen condenseur pour le retour vers celui-ci de la vapeur de réfrigérant à partir de l'unité évaporatrice, l'écoulement du réfrigérant dans cette boucle se produisant par gravité et par la différence de densités de vapeur et de liquide dans le système, et une source de réfrigérant dans sa phase vapeur reliée à I'entrée du moyen condenseur. 7 - Système de réfrigération selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne pour empêcher lsécoulement du fluide en circulation vers la source de réfrigérant pendant que la pompe fonctionne pour dégivrer l'unité évaporatrice. 8 - Système de réfrigération selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen sensible à un niveau de pression fluide prédéterminé dans l'unité évaporatrice pendant que la pompe fonctionne pour dégivrer cette unité; afin de court-circuiter cette vanne et permettre un écoulement du liquide en circulation vers la source de réfrigérant. 9 - Système de réfrigération selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source de réfrigérant comprend un réservoir de stockage de vapeur de réfrigérant. 10 - Système de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de stockage dans le parcours d'écoulement du condensat entre le moyen condenseur et l'unité évaporatrice pour continuellement stocker une quantité de ce condensait, le moyen pour arrêter ltécoulement du condensat vers l'unité evaporatrice comprenant une vanne de commande entre le moyen de stockage et l'unité évaporatrice.