Brevet FR2480918A1 — publié le 19811023

On sait que dans de nombreuses applications l'on doit refroidir un courant de fluide et notamment d'air prélevé à partir de l'atmosphère extérieure et/ou d'un circuit de recyclage. Pour fixer les idées on peut citer le cas de la climatisation de locaux par temps chaud et surtout celui des séchoirs à air chaud où dans une première phase on désire débarrasser l'air utilisé de son humidité avant de le chauffer pour l'amener aux produits à sécher. Ce refroidissement s'effectue en général en faisant passer le courant d'air à travers un échangeur ou batterie constituant ltévaporateur d'une machine frigorifique.Comme par ailleurs il est le plus souvent nécessaire de régler le refroidissement en fonction de l'utilisation de l'air traité, par exemple du cycle de séchage des produits renfermés par le séchoir, on prévoit couramment d'agir sur le courant d'air par le moyen de volets appropriés. On peut ainsi moduler la puissance frigorifique (ou plus exactement thermique) fournie au séchoir ou autre installation d'utilisation de l'air refroidi. L'inconvénient de cette façon d'opérer la modulation est que la machine frigorifique tend au contraire à fonctionner a puissance thermique constante et qu > à mesure qu'on réduit le débit d'air qui traverse la batterie ou évaporateur, elle abaisse la température de celui-ci. I1 en résulte tout d'abord que l'humidité de l'air traité, qui à pleine puissance se condensait sur la batterie sous forme liquide et s'évacuait donc sans difficulté, arrive à se déposer sous la forme d'un givre qu'il faut éliminer a des intervalles de temps rapprochés, ce qui oblige soit à arrêter l'installation pendant des temps successifs notables, inadmissibles dans la plupart des applications, soit à prévoir deux batteries, l'une étant en dégivrage pendant que l'autre fonctionne utilement, avec des vannes de commutation et un appareil de commande correspondant. De plus, lorsque la baisse de température de la batterie devient trop importante, il peut arriver que certaines fractions du fluide frigorigène liquéfié provenant du compresseur de la machine ne se transforment plus en vapeur et reviennent au compresseur à l'état liquide, ce qui risque d'entraîner des dommages très importants (c'est ce qu'on appelle couramment un coup de liquide"). On a proposé d'éviter ces inconvénients en faisant fonctionner la machine frigorifique en discontinu pendant des temps successifs suffisamment courts pour que le givrage n'apparaisse pas de façon notable. I1 est alors possible de moduler les temps de marche et d'arrêt pour adapter la puissance thermique moyenne de la machine à la valeur requise. Mais dans bien des applications un tel fonctionnement saccadé est défavorable ou même inadmissible. On pourrait certes songer à moduler la puissance de la machine frigorifique à mesure qu'on agit sur le débit du courant d'air à travers la batterie, mais cela exigerait en pratique un moteur d'entraînement à vitesse variable, ou bien un compresseur particulier dont il soit possible de régler le débit de refoulement, ainsi que l'adjonction à la machine ainsi établie d'un système de réglage automatique en fonction de la puissance requise de la batterie. On aboutirait donc à des groupes motocompresseurs spéciaux, de fabrication relativement compliquée, avec sys tème de régulation particulier, c'est-à-dire à des ensembles extrêmement coûteux. La présente invention vise à résoudre le problème d'une façon simple et économique, sans faire appel à des appareils spéciaux et sans que cette solution entraîne des frais supplémentaires exagérés. Conformément à l'invention l'on ajoute au circuit frigorifique, de préférence en aval de la batterie de refroidissement d'air jouant le rôle d'évaporateur principal de la machine frigorifique, un évaporateur secondaire dont on règle le circuit d'agent d'apport de calories de ma nière à maintenir la pression à l'aspiration du compresseur à une valeur supérieure à un seuil de sécurité déterminé. On comprend que tant que la température intérieure de l'évaporateur -principal ou batterie est supérieure au seuil précité, tout l'agent frigorigène se transforme en vapeur à l'intérieur de celui-ci, l'évapora- teur secondaire n'intervenant pas. Si le seuil précité est supérieur à OOC, on ne court aucun risque de givrage de cette batterie, ni non plus aucun danger de "coup de liquide" au compresseur. Au contraire, quand en raison du ralentissement ou de l'arrêt du courant d'air qui traverse la batterie, la température dudit agent tend à s'abaisser au-dessous du seuil précité, l'évaporateur secondaire intervient et arrête cet abaissement. On est donc assuré que dans tous les cas l'installation frigorifique fonctionnera de façon parfaitement fiable. L'évaporateur secondaire peut en pratique être refroidi à l'air ou à l'eau, le réglage étant obtenu par des volets ou par une vanne dont la commande est assurée par un thermostat ou par un manostat convenablement réglé, étant rappelé qu'en pareil cas pression et température sont liées et que par conséquent au seuil de température choisi correspond un seuil de pression nettement déterminé pour chaque genre d'agent frigorigène. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 est un schéma très simplifié d'une installation suivant l'invention. Fig. 2 montre, toujours sous forme schématique une forme d'exécution plus complète. En fig. 1 on a représenté en 1 un carneau dans lequel circule l'air à refroidir et qu'on peut supposer, par exemple, destiné à une installation de climatisation. Bien entendu le déplacement de l'air doit être assuré par des moyens non représentés et qui sont en pratique constitués par des ventilateurs d'aspiration ou d'extraction non figurés. Le courant d'air qui circule dans le carneau 1 peut être réglé par le moyen de volets 2. Pour assurer le refroidissement de l'air, on a disposé dans le carneau 1 une batterie 3 réalisée sous la forme d'un évaporateur de machine frigorifique. Cet évaporateur forme échangeur de chaleur entre l'air qui le traverse et un agent frigorigène approprié, tel par exemple qu'un fréon. La machine frigorifique à laquelle l'évaporateur ou batterie 3 est associé comprend un moto-compresseur 4 qui refoule sous pression le fréon gazeux par une canalisation 5 dans un condenseur 6 (refroidi par air ou par eau) à l'intérieur duquel il se liquéfie. Ce liquide sort par une canalisation 7, traverse un mano-détendeur 8 et arrive ainsi à l'évapora- teur 3 sous une pression réduite. A l'intérieur de celui-ci il se transforme en gaz en absorbant à cet effet les calories de l'air en circulation dans le carneau 1. Dans les installations connues le fréon gazeux sortant de l'évapora- teur 3 par la canalisation 9 revient directement au compresseur 4, mais au contraire, suivant l'invention, entre l'évaporateur 3, ou évaporateur principal, et le compresseur 4 on a inséré un évaporateur secondaire 10 auquel aboutit la canalisation 9 et c'est la sortie de cet évaporateur secondaire 10 qui est reliée au compresseur 4 par une canalisation 11. L'évaporateur secondaire 10 peut être de tout type approprié. I1 peut être réchauffé par tout agent convenable tel que l'eau ou l'air. Sa puissance d'évaporation est réglable par le moyen d'un régulateur 12 dont le signal de commande est constitué par la pression qui règne à l'entrée du compresseur 4, c'est-à-dire dans la canalisation 11. On a schématiquement représenté en traits interrompus en 13 une canalisation de liaison qui fait communiquer la canalisation 11 précitée avec le régulateur 12, et en 14 l'organe de transmission entre ce régulateur et l'évaporateur secondaire 10. En fait le régulateur 12 peut être un manostat actionnant une vanne insérée sur une circulation d'eau de réchauffement de l'évaporateur secondaire 10. En fig. 1 l'on a supposé que, comme à l'ordinaire, le détendeur 8 était commandé par la pression d'entrée au compresseur 4 et l'on a représenté en traits interrompus en 15 la canalisation de liaison correspondante. Si l'on néglige pour l'instant l'évaporateur secondaire 10 (en supposant par exemple que sa circulation d'eau de réchauffement soit fermée), la machine frigorifique est établie de manière à assurer dans les conditions voulues le refroidissement de l'air qui circule dans le carneau 1 lorsque la puissance thermique exigée d'elle est maximale (les volets 2 étant bien entendu complètement ouverts). Cela revient à dire que l'évaporateur principal 3 se trouve alors à une température superficielle égale ou supérieure à OOC, de sorte qu'il ne se forme sur lui aucun givre et que l'eau condensée sur sa paroi s'écoule normalement dans une cuvette collectrice appropriée, non représentée. Mais lorsque la puissance requise baisse, et plus particulièrement quand on ferme plus ou moins les volets 2, la température superficielle de cet évaporateur principal 3 tend à baisser. A cette baisse de température correspond bien entendu une baisse de pression dans la canalisation 9 et par voie de conséquence dans la canalisation 11, si l'on néglige la très légère perte de charge provoquée par l'évaporateur secondaire 10. Le régulateur 12 est pré-réglé de manière à mettre en action cet évaporateur secondaire 10 dès que la pression dans la canalisation 11 correspond à une température superficielle de l'évaporateur principal 3 se rapprochant trop de Oc C.L'évaporateur secondaire 10 tend alors à réchauffer le fréon qui vient se condenser préférentiellement à son intérieur jusqu'à ce que les deux évaporateurs 3 et 10 se trouvent substantiellement à la même pression, c'est-à-dire à la même température. On comprend que dans ces conditions, si le régulateur 12 a été convenablement pré-réglé, la température superficielle de l'évaporateur principal 3 ne peut jamais atteindre une valeur telle qu'il y ait givrage. On est de plus assuré de la vaporisation complète du fréon sortant du condenseur 6 et par conséquent de l'absence de tout risque de coup de liquide" au compresseur 4. Pour mieux fixer les idées on a représenté en fig. 2 de façon plus détaillée une installation du même genre que celle de fig. 1, mais destinée à la fourniture d'air sec, par exemple à un séchoir. On retrouve ici le carneau 1 avec les volets 2 et l'évaporateur principal 3. Toutefois le condenseur 6 est réalisé sous la forme dune batterie insérée dans le carneau 1 en aval de l'évaporateur principal 3. I1 s'agit donc d'un condenseur à air dont le rôle consiste à réchauffer l'air refroidi sortant de l'évaporateur 3. En amont de ce condenseur 6, ou condenseur principal, on a prévu un condenseur secondaire 16 relié au compresseur 4 par la canalisation 5 et au condenseur principal 6 par une canalisation 17. Le condenseur secondaire 16 est à circulation d'eau et sur les canalisations 18 correspondantes est insérée une vanne 19 actionnée par un régulateur 20 lui-même commandé à travers une ligne 21 par une sonde thermométrique 22 disposée à l'intérieur du carneau 1 dans la zone de celui correspondant à l'air déjà traité. On retrouve ici la canalisation 7 qui relie la sortie du condenseur principal 6 à l'entrée de l'évaporateur principal 3 avec le mano detendeur 8 qui y est inséré et avec la canalisation 15 qui relie ce mano-détendeur à la canalisation 11 d'entrée du compresseur 4.On retrouve également l'évaporateur secondaire 10 relié à l'évaporateur principal 3 par la canalisation 9 et au compresseur 4 par la canalisation 11. Mais ici cet évaporateur secondaire 10 est supposé à réchauffage par eau et sur les canalisations 23 correspondantes est insérée une vanne 24 actionnée par le régulateur 12, lui-meme relié à la canalisation 11 par la canalisation de liaison 13 On a figuré en aval du condenseur principal 6 le ventilateur 25 destiné à assurer la circulation de l'air dans le carneau 1. On a encore représenté en fig. 2 un autre régulateur 26 propre à actionner les volets 2, ce régulateur étant commandé par une sonde d'humidité relative 27 à laquelle il est relié par une liaison appropriée 28 indiquée en traits mixtes. On comprend que là encore l'évaporateur principal 1 refroidit l'air en condensant sous forme liquide l'humidité que celui-ci renferme, l'air ainsi refroidi étant réchauffé par le condenseur principal 6. Comme exposé en référence à fig. 1, l'évaporateur secondaire 10 est mis en action par le régulateur 12 aussitôt que la température superficielle de l'évaporateur principal 3 s'abaisse de façon exagérée. Le condenseur secondaire 16 intervient seulement pour moduler l'effet de réchauffement d'air du condenseur principal 6, de façon à limiter la température de l'air traité à une valeur appropriée, fonction du pré-réglage de l'ensemble 20-22. Quant au régulateur 26, il module le débit d'air en fonction de l'humidité initiale de celui-ci. Bien entendu la commande des volets 2 pourrait être assurée en fonction de toutes autres grandeurs appropriées, par exemple du temps dans un programme de séchage déterminé. I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. On conçoit que l'application particulière représentée en fig. 2 ne constitue qu'un cas de mise en oeuvre de l'invention. Celle-ci peut être appliquée toutes les fois qu'on a à refroidir un courant d'air dans des conditions de puissance thermique variable et qu'on désire éviter les inconvénients précités de givrage et de "coups de liquide sans avoir à fonctionner de façon discontinue ou à recourir à des machines frigorifiques spéciales, coûteuses et délicates. On comprend par ailleurs qu'il serait possible de disposer l'évaporateur secondaire 10 entre le mano-détendeur 8 et l'évaporateur principal 3, donc en amont de celui-ci ; il serait alors traversé par la totalité de l'agent frigorigène, mais n > en assurerait la vaporisation que dans la mesure du réchauffage déterminé par le régulateur 12, de sorte que le fonctionnement resterait le même que celui exposé plus haut. On pourrait même envisager de monter les deux évaporateurs en parallèle l'un avec l'autre. Par ailleurs il est à peine besoin d'ajouter que l'invention est applicable non seulement à l'air, mais encore à tout autre fluide gazeux ou liquide qu'on désirerait refroidir de la même manière. REVENDICATIONS 1. Procédé pour moduler une installation de refroidissement d'air ou autre fluide par le moyen d'une batterie frigorifique réalisée sous la forme d'un évaporateur à détente directe alimenté en un agent frigorigène approprié à l'état liquide, caractérisé en ce qu'on associe à cet évaporateur (3), ou évaporateur principal, un évaporateur secondaire (10) qu'on réchauffe de manière à ce que la température superficielle dudit évaporateur principal (3) ne s'abaisse pas au-dessous d'un seuil prédéterminé. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dispose l'évaporateur secondaire (10) en série avec l'évaporateur principal (3) sur le circuit de l'agent frigorigène. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on dispose l'évaporateur secondaire (10) en aval de l'évaporateur principal (3). 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel on utilise une machine frigorifique comprenant un compresseur, caractérisé en ce qu'on règle le réchauffage de l'évaporateur secondaire (10) en fonction de la pression qui règne à l'entrée du compresseur (4) de cette machine. 5. Installations pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes.