Brevet FR2459385A1 — publié le 19810109

La présente invention concerne un procédé pour suralimenter et régler un compresseur à vis unique. Par "régler", on entend ici le fait de donner au débit une valeur prédéterminée ajustable à tout instant en fonction de be- soins variables, et non le fait d'effectuer sur le compresseur un ajustement définitif. On sait que, dans de tels compresseurs, la vis coopère avec au moins un pignon (le plus souvent deux) pour former, par la coopération des filets avec le carter et les dents de pignon en prise, des chambres de compression dont le volume diminue à mesure que les dents progressent dans les filets. L'invention vise essentiellement le cas o un tel compresseur est inclus dans un cycle frigorifique pour refouler dans un con- denseur o le fluide frigorifique gazeux se condense. Le fluide condensé s'accumule dans un accumulateur, puis passe par une vanne de détente pour être envoyé ensuite dans un évaporateur d'o ,après ébullition, il retourne sous forme gazeuse au compresseur. Il est connu d'améliorer le rendement des compresseurs à vis en effectuant une détente du liquide frigorigène condensé à une pression intermédiaire entre la pression du condenseur et celle de l'évaporateur, en séparant le gaz formé au cours de cette détente du liquide lui-même envoyé à l'évaporateur et en injectant ce gaz dans le compresseur par un ou plusieurs orifices de suralimentation pratiqués dans le carter en un point isolé de l'aspiration, mais situé au début de la zone de compression, à une pression intermé- diaire entre la pression d'aspiration et la pression de refoule- ment du compresseur. On augmente ainsi un peu le travail fourni par le compresseur, mais on augmente beaucoup plus notablement la masse de gaz balayée par le compresssur,et l'on améliore de ce fait son rendement thermodynamique. L'avantage d'une telle disposition est cependant limité, dans les compresseurs à vis, par la nature des moyens de réglage géné- ralement utilisés pour en régler le débit. Ces moyens de réglage comprennent en effet le plus souvent des glissières telles que celles décrites dans le brevet français n0 76 25 431,que l'on déplace afin de retarder le début de la compression, ce qui a pour effet de faire communiquer l'orifice de suralimentation avec des filets de vis encore en communication avec l'as- piration. Sauf à déplacer l'orifice de suralimentation avec la glissière, ce qui s'avère complexe, il en résulte que la suralimentation n'est possible qu'au voisinage de l'utilisation à 100% du volume du compresseur. Or, les débits partiels correspondent à la situation la plus fréquente. Le but de la présente invention est de réaliser un procédé qui permette de suralimenter un compresseur à vis, tout en conservant des possibilités de régulation de son débit dans une bande importante. Le procédé suivant l'invention est destiné à suralimenter et régler un compresseur à vis unique co- opérant avec au moins deux pignons pour constituer autant de compresseurs partiels qu'il y a de pignons. Ces com- presseurs partiels fonctionnent en parallèle et l'une d'eux au moins est muni d'un dispositif de régulation de débit. Le procédé est caractérisé en ce qu'on injecte le débit de suralimentation dans un seul des compresseurs partiels et en ce qu'on règle le débit du compresseur par réduc- tion à partir du débit maximal en réduisant en priorité le débit des compresseurs partiels dans lesquels on n'in- jecte pas le débit de suralimentation. La régulation s'effectue ainsi sur un circuit gazeux distinct du circuit sur lequel s'opère la surali- mentation. De la sorte, les deux opérations sont sans interaction l'une sur l'autre. De plus, on montrera plus loin, en détail, qu'une telle façon dissymétrique d'opérer se trouve être sans effet. nuisible sur le rendement de l'ensemble. Suivant une réalisation préférée du procédé, on réduit ensuite le débit sur le compresseur partiel o s'effectue l'injection jusqu'à une position intermédiaire du dispositif de réglage de ce compresseur partiel, et l'on déplace l'orifice d'injection vers l'aval du com- presseur jusqu'en un point o cet orifice n'est pas en communication avec l'aspiration du compresseur pour ladite position intermédiaire du dispositif de régulation. Par ce moyen, on peut, par exemple, réduire de moitié le débit de ce compresseur partiel. Si l'on tient compte de la réduction de 50 % obtenue par l'opération précédente, on voit que l'on peut réduire le débit à 25 % du débit maximal, valeur au-dessous de laquelle les avan- tages économiques de la suralimentation deviennent négli- geables. D'autres particularités et avantages de l'inven- tion ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la Figure 1 est une vue schématique d'un com- presseur mettant en oeuvre le procédé conforme à l'inven- tion, et inclus dans un circuit frigorifique, - -la Figure 2 est un diagramme de la compression s'effectuant dans ce compresseur, donnant la pression p dans un filet de la vis en fonction de l'angle Q dont a tourné la vis à partir de la position o ce filet a été isolé de l'aspiration, - la Figure 3 est une vue schématique du com- presseur ce la Figure 1, pour une variante du procédé, - la Figure 4 est une vue développée de la vis du compresseur équipé d'un système de régulation à glis- sières, - les Figures 5 et 6 montrent des positions particulières de la glissière. En référence à la Figure 1, un système de réfri- gération comprend un compresseur 1 du genre comprenant une vis unique coopérant avec deux pignons, tel que ceux décrits dans les brevets français N' 1 331 998 ou 1586 832. On peut considérer qu'un tel compresseur est en réalîLé formé de deux compresseurs partiels la et lb, chacun d'eux co responaclnrt à 'un des pig(nons erijr edhrlt dVe( 1.i vis. Deux échrppemnrcs respect ts 2u CL 2b sont reliés à u condenrseur 3 par l'intermrrdidulr au cldpuLS anti-retour 4a, 4b, ce conaenîseur déboucndrnt dans un réservoir 5 de fluide frigorigène liquéfié. Ce réservoir communique, par l'intermédiaire d'une première vanne 6 de détente du liquide, avec un réservoir 7 à pression intermédiaire muni d'un flotteur 8 contrôlant une seconde vanne de détente 9 admettant le fluide à un évaporateur 11. Cet évaporateur est, d'autre part, relié aux aspi- rations 12a et 12b des deux compresseurs partiels la et lb. La partie supérieure du réservoir 7 est reliée par une canalisation 13 à un orifice de suralimentation 14 ménagé dans le carter du compresseur 1, dans la partie correspondant au demi-compresseur lb, en un point qui sera défini plus précisément ci-après. Lorsque le compresseur travaille à plein déelt, le gaz comprimé issu des deux compresseurs partiels se condense dans le condenseur 4 et le liquide est recueilli dans le réservoir 5. De là, le liquide est admis dans le réservoir 7 en étant partiellement vaporisé par la déLentu dans la vanne 6. Le liquide refroidi par la détente est admis à l'évaporateur 11, tandis que le gaz résultant de la vaporisation partielle est envoyé, par la canalisation 13, à l'orifice de suralimentation 14. L'orifice de suralimentation 14 est disposé en un point du carter qui, en fonctionnement, est isolé ce l'alimentation 12b par une dent du pignon du compres- seur partiel lb. Ce point est, de préférence, situé au voisinage du début de la course de compression de cettL dent. Comme un point du carter voit un filet pendant une rotation de la vis d'un certain angle qui est de l'ordre de 60 pour une vis à six filets, il enr résulte que, si l'on veuL placer l'orifice de suralimentation 14 en un poins toujours isolé de l'aspiration par une aent de pignon, mais o la pression est aussi faible que pos- sible, le centre de cet orifice doit se trouver en un point 15 (Figure 2) correspondant à une rotation de la vis d'environ 30 à partir du point 16 o la dent du pignon vient fermer le filet. On doit d'ailleurs remarquer que l'angle de 600 qui vient d'être indiqué peut être réduit si le point du carter que l'on considère est situé dans la région o le sommet du filet a une plus large épaisseur, car alors le creux du filet couvre une distance angulaire plus faible. Si l'on cherche alors à diminuer le débit du compresseur en supprimant la compression par soulèvement du pignon (comme décrit dans le brevet français N0 77 23379) 1s ou par déplacement continu d'une partie du carter (comme décrit dans le brevet français N0 76 25431), cette man- oeuvre aboutit à déplacer le point de fermeture 16 vers la gauche de la Figure 2 pour retarder le début de la compression, donc à mettre en communication l'orifice de suralimentation 14 avec l'aspiration, ce qui revient à supprimer la suralimentation. Dans le cas courant o l'on utilise un compres- seur muni d'un système de régulation par tout ou rien du type à soulèvement de pignon sur les deux compresseurs partiels, le procédé conforme à l'invention consiste à diminuer le débit du compresseur en supprimant en priorité l'effet de compression du compresseur partiel la. On obtient ainsi deux régimes de débit: 100 % et 50 %, en conservant la suralimentation aux deux régimes. On peut également obtenir O % en soulevant également le pignon du compresseur partiel lb. On peut encore obtenir des paliers intermédiaires en pratiquant un trou dans le carter, dans la partie cor- respondant au compresseur partiel la, et en renvoyant à l'aspiration le gaz sortant de ce trou, de façon, par exemple, à ne plus comprimer que la moitié du volume des filets. On dispose ainsi d'un palier intermédiaire à -75 %, en conservant toujours la suralimentation. On peut aussi obtenir un palier à 25 % en sou- levant le pignon du compresseur partiel lb et en faisant fonctionner le compresseur partiel la à son palier inter- médiaire, mais on perd alors le bénéfice ae la suralimen- tation. On va maintenant envisager le cas o le com- presseur est muni d'un système de régulation suivant le brevet français N0 76 25431. Pour plus de clarté, on va rappeler brièvement le principe de ce système, en référence aux Figures 4 à 6. Sur la Figure 4, on a représenté, en vue déve- loppée, la totalité de la vis, avec deux zones lOOa et _ correspondant respectivement aux demi-compresseurs la et lb, et les deux pignons lOla et 101b délimitant ces zones et dont les dents s'engagent dans les filets de la vis. En fonctionnement normal, ces filets se déplacent dans le sens de la flèche 102. Le système de régulation précité comprend deux glissières 103a et 103b ménagées dans le carter et per- mettant, suivant leur position, de réaliser des orifices d'échappement variables 104a et 104b, à côté d'orifices d'échappement fixes 105a et 105b. On a représenté sur la Figure 5 une glissière 103 en position partiellement avancée, découvrant un orifice 106 par lequel le gaz en début de compression retourne à l'aspiration, l'orifice variable 104 étant partiellement fermé. Sur la Figure 6, la glissière 103 est complète- ment avancée et la totalité du filet 108 est constam- ment reliée à l'aspiration, de sorte qu'il n'y a plus de compression. On a représenté sur la Figure 4 l'orifice de suralimentation 14, qui s'inscrit dans un sommet de filet, et qui entre en communication avec le creux d'un filet 108, lorsque ce creux est isolé de l'aspi- ration par une dent-de pignon 109, suivant les dispo- sitions prévues plus haut. Comme indiqué précédemment, on a intérêt, pour améliorer le rendement, à placer l'orifice de suralimentation 14 de telle manière qu'il entre en communication avec le filet 108 dès que celui-ci est fermé par la dent 109. Mais il en résulte que, dès que l'on déplace la glissière 103, le filet est mis en communication à la fois avec l'orifice 14 et le pas- sage 106 à la pression d'aspiration, ce qui rend impra- ticable la suralimentation. En conséquence, dans le cas o on l'applique à un compresseur muni d'un système de régulation à glis- sières, le procédé selon l'invention consistera à régler le débit en continu en agissant uniquement sur la glis- sière relative au compresseur partiel la, qui ne comporte pas d'orifice de suralimentation, sans toucher à la glissière relative au compresseur partiel lb. En utili- sant la course complète de la glissière, on obtient ainsi un réglage continu du débit entre 100 % et 50 % tout en conservant le bénéfice de la suralimentation. La présente invention aboutit à un résultat inattendu. Le fait d'utiliser un seul orifice de sur- alimentation au lieu de deux devrait, en effet, normale- ment détériorer le rendement du système, car en injectant dans les filets d'un seul compresseur partiel le débit de suralimentation normalement destiné à être injecté dans les deux compresseurs partiels, on élève de ce fait la pression moyenne dans le filet suralimenté, et donc la pression dans le réservoir 7. Il en résulte une élévation de la température dans ce réservoir, une diminution de la quantité de gaz injecté dans l'orifice de suralimentation et une augmen- tation du gaz envoyé inutilement dans l'évaporateur, qui doit donc être totalement recomprimé par le compresseur au lieu de n'être que partiellement recomprimé lorsqu'il est injecté par l'orifice de suralimentation. Or, les résultats expérimentaux montrent que, si ce phénomène a bien lieu, un autre phénomène bénéfique compense largement cette dégradation. On a constaté, en effet, qu'en injectant le gaz dans les filets par la suralimentation, ceci accroissait les fuites volumétriques du compresseur, mais que les fuites étaient notablement plus faibles lorsque un même débit est injecté dans un seul compresseur partiel au lieu des deux compresseurs partiels. C'est ainsi que, dans un compresseur monovis de 1600 litres de volume balayé à 3000 tours/min. comprimant du frigorigène 22 de 3 bars à 12 bars, la suralimenta- tion effectuée avec deux orifices d'environ 1,5 cm2 chacun conduit à réinjecter le gaz sous une pression moyenne d'environ 5,10 bars. Il en résulte la possibilité de réinjecter dans le compresseur par ces orifices environ 20,4 % du gaz aspiré au prix d'une augmentation de la puissance consom- mée d'environ 5 % et d'une réduction du débit (par rapport au débit sans suralimentation) d'environ 8 %, soit un gain net énergétique procuré par la suralimentation d'environ ,4 % - 5 % - 8 % = 7,4 %. Lorsque l'on réalise l'injection avec un seul orifice de 2 cm2, la-pression moyenne qui s'établit dans le filet suralimenté monte à 5,8 bars, et le pourcentage de gaz réinjecté tombe à 18 % l'augmentation de puissance consommée reste sensiblement la même avec 5 %, mais la réduction de débit n'est que de %, d'o un gain énergétique procuré par la suralimenta- tion de 18% - 5% - 5% = 8 %. On voit que le rendement reste sensiblement inchangé. Il est en outre possible d'étendre le bénéfice de la suralimentation à des régimes inférieurs à 50 % en déplaçant l'orifice, soit de façon continue en le dis- posant sur une glissière, soit comme montré Figure 3, en prévoyant un deuxième orifice 17 correspondant, dans le diagramme de compression de la Figure 2, à un point 18 plus éloigné du point 16 que le point 15, de façon que cet orifice 17 reste isolé de l'aspiration sur une partie de la course de la glissière associée au compresseur par- 1.0 tiel lb, par- exemple qu'il ne communique avec le filet que lorsque le volume de celui-ci n'est plus que la moitié de sa valeur totale. Lorsque le débit chute en-dessous de 50 %, on ferme une vanne 19 associée à l'orifice 14, et l'on ouvre une vanne 20 associée à l'orifice 17. Cette disposition permet d'étendre le bénéfice de la suralimentation jusqu'au point o les filets du compresseur partiel lb sont remplis à moitié, c'est-à- dire jusqu'à un débit de 25 %, au-dessous duquel les avan- tages économiques de la suralimentation deviennent négli- geables du fait que le compresseur travaille normalement assez peu au-dessous de cette valeur. On notera que la séparation du gaz à la pression intermédiaire peut se faire de bien d'autres manières que par un réservoir tel que 7 avec flotteur sans modifier l'invention, par exemple par un séparateur centrifuge ou, comme c'est classique dans ces dispositifs bi-étagés, en faisant vaporiser une partie du liquide à la pression intermédiaire, et en sous-refroidissant à travers un échangeur le reste du liquide condensé. La présente invention ne serait pas modifiée si, au lieu de deux pignons, et donc de deux compresseurs partiels, il y en avait trois, et un ou deux orifices de suralimentation répartis entre ces trois compresseurs partiels, ou qu'au lieu de compresseurs à vis cylindriques et pignons plans tels que décrit dans le brevet français No 76 25431, on utilise des compresseurs à vis cylin- driques, coniques ou planes avec des pignons plans ou cylindriques tels que décrits dans les brevets français Numéros 1 331 998 ou 1 586 832 par exemple. 11. REVENDICATIONS 1. Procédé pour suralimenter et régler un compresseur à vis unique coopérant avec au moins deux pignons pour constituer autant de compresseurs partiels qu'il y a de pignons, ces compresseurs partiels fonc- tionnant en parallèle et l'un d'eux au moins étant muni d'un dispositif de régulation de débit, caractérisé en ce qu'on injecte le débit de suralimentation dans un seul des compresseurs partiels, et en ce qu'on règle le débit du compresseur par réduction à partir du débit maximal en réduisant en priorité le débit des compres- seurs partiels dans lesquels on n'injecte pas le débit de suralimentation. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réduit ensuite le débit sur le compresseur partiel o s'effectue l'injection jusqu'à une position intermédiaire du dispositif de réglage de ce compresseur partiel, et en ce qu'on déplace l'orifice d'injection vers l'aval du compresseur jusqu'en un point o cet orifice n'est pas en communication avec l'aspira- tion du compresseur pour ladite position intermédiaire du dispositif de régulation.