Brevet FR2541437A1 — publié le 19840824

Il est connu dans les systèmes de réfrigération employant des compresseurs volumétrique rotatifs ou centrifuges à plusieurs étages d'utiliser des économiseurs. Dans un tel système représenté figure 1, avec une variante figure 2, un compresseur 1 aspire un gaz frigorigène arrivant par une canalisation 2 et le refoule dans un condenseur 3 et un réservoir de stockage,sous forme liquide 4. Dans certaines installations, ce réservoir est pratiquement formé par une partie du condenseur, mais on conservera ce réservoir pour la clarté de l'exposé. De ce réservoir, le liquide condensé part, par une canalisation 5. vers un réservoir de vaporisation 6 dont la partie supérieure est raccor- dée par la canalisation 7 à au moins un orifice 8 dans le carter du compresseur o la pression est intermédiaire entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement Le liquide séparé du gaz dans ce réservoir intermédiaire part par une canalisation 9 vers un évaporateur 10 en traversant une valve d'expansion 11 Le gaz vaporisé dans la valve 11 ou l'évaporateur 10 retourne au compresseur par la canalisation 2. On notera qu'entre les réservoirs 4 et 6 il existe une vanne 12 dont l'ouverture est commandée par un flotteur 13. De même l'ouverture de la valve 11 est commandée par un dispositif 14 de mesure de la surchauffe à la sortie de l'évaporateur. Lors d'un appel de froid à l'évaporateur 10, le dispositif 14 fait ouvrir davantage la valve 11; le niveau de liquide baisse dans le réservoir 6 entraînant ouverture supplémentaire de la vanne 12. 1 L'avantage, connu, de ce dispositif d'économiseur est qu'une partie du gaz formé pour refroidir le liquide allant à l'évaporateur est recomprimé à partir d'une pression intermédiaire et non à partir de la pression d'aspiration ce qui entraîne une amélioration du rendement et une augmentation de la capacité frigorifique du compresseur. Il présente toutefois différents inconvénients Il est d'abord volumineux et cher car il entraîne la nécessité d'un réservoir supplé- mentaire 6, d'une charge supplémentaire de liquide frigorigène pour remplir ce réservoir Il diminue par ailleurs la fiabilité du système dans la mesure o les dispositifs à flotteurs sont souvent sujets à panne Enfin, il rend beaucoup plus difficile la régulation du système dans la mesure o la valve d'expansion 11 ne travaille plus sous la pression règnant entre condenseur et évaporateur, mais sous la -2- différence réduite entre la pression intermédiaire et la pression d'aspiration, et dans la mesure o ce dispositif ne fonctionne plus lorsque l'économiseur est hors service, par exemple à régime partiel du compresseur lorsque ce compresseur est un compresseur à vis équi- pé de glissières En effet, dans ce cas, la pression à l'orifice 8 devien L égale à la pression d'aspiration et il n'existe plus de différence de pression entre le réservoir 6 et l'évaporateur 10 pour permettre la circulation du liquide On est donc conduit à prévoir des dispositifs complémentaires tels qu'une vanne d'arrêt sur la canalisation 7, mais il peut alors se produire des entraînements brutaux de liquide par la canalisation 7 dans le compresseur au moment o l'on rouvre cette vanne d'arrêt et que le liquide qui, lorsque la vanne est fermée, était forcément à la pression du condenseur, tend à revenir subitement à la pression intermédiaire Ces entraînements peuvent à la limite créer des dommages graves au compresseur. Aussi est-il plus usuel d'employer le dispositif de la figure 2 o la canalisation 9 et la valve d'expansion sont directement raccordées au réservoir 4, mais qui comporte un échangeur refroidi par un évaporateur auxiliaire 16 disposé sur la ligne d'économiseur 8 et alimenté par la valve d'expansion 17, ccrrrndée par un mesureur de surchauffe 18. Dans cette disposition la plupart des inconvénients du dispositif de la figure 1 sont supprimés dans la mesure o, que l'économiseur fonctionne ou non, la valve d'expansion 11 travaille toujours sous la différence de pression régnant entre évaporateur et condenseur. Elle présente toutefois de nombreux inconvénients Ce dispositif reste coûteux dans la mesure o il nécessite un échangeur-évaporateur et une valve d'expansion supplémentaire 17 D'autre part, pour fonc- tionner, l'échangeur nécessite qu'il existe une différence de tempéra- ture entre 15 et 16, différence qui est usuellement de l'ordre de 5 ; ceci entraîne que le liquide arrivant à la vanne 11 est beaucoup moins sous refroidi que dans le cas de la figure 1, et cela réduit très sensiblement les performances de l'économiseur et les annule même aux bas taux de compression. La présente invention a pour objet un dispositif économiseur pour système tel que système de réfrigération ou pompe de chaleur constitué d'un compresseur refoulant dans un circuit formé d'au moins un condenseur, un réservoir d'accumulation, une valve d'expansion, un évaporateur relié luimême à l'aspiration du compresseur et au dispositif économiseur disposé entre la valve d'expansion et l'évaporateur, ce dispositif comprenant des moyens de séparation du liquide et du gaz formés à la traversée de la valve d'expansion, une conduite de gaz reliant ce dispositif à au moins un orifice dans le carter du compresseur, disposé à une pression intermédiaire entre la pression d'aspiration au compresseur et la pression de refoulement. une conduite de liquide reliant ce dispositif à l'évaporateur, dispositif caractérisé en ce que les moyens de séparation comprennent un rotor muni de pales tournant dans une enceinte fixe, en ce que la canalisation de gaz débouche dans ladite enceinte sensiblement dans l'axe dudit rotor, en ce que lé conduit de liquide débouche dans ladite enceinte à la périphérie du rotor et en ce que des moyens-auxi- Maires sont disposés sur ledit conduit de liquide pour maintenir entre la pression du liquide à l'entrée du conduit et la pression du gaz dans la canalisation de gaz une petite différence de pression. Dans une disposition préférentielle de l'invention, le rotor est directement disposé sur l'arbre du compresseur. L'on s'est aperçu en effet que tous les inconvénients des dispositifs d'économiseur antérieurement utilisés étaient éliminés le dispositif est d'un encombrement très faible, il n'y a pas de réservoir de liquide supplémentaire à rajouter et le coût d'un rotor muni de pales en bout d'arbre de compresseur est négligeable comparé aux réservoirs séparateurs ou aux échangeurs précédemment décrits; le liquide sortant de ce dispositif est sous refroidi au maximum, c'est-à-dire, à la température correspondant à la pression de vapeur saturante du gaz séparé; simultanément, du fait de l'effet centrifuge, la pression à la sortie du dispositif centrifuge est supérieure à cette pression ce qui facilite son évacuation vers l'évaporateur; la valve d'expansion fonctionne toujours sous une différence de pression importante puisqu'elle est disposée-non pas entre l'économiseur et l'évaporateur, mais entre le condenseur et l'économiseur. -4 Pdr ailleurs, ce dispositif ne coûte rien énergétiquement car la viscosité des liquides frigorigènes étant extrêoin ent faible, le frottement visqueux de l'anneau de liquide créé à la périphérie du rotor est négligeable; l'on pourrait même utiliser le rotor centri Fuge pour récupérer,de façon connue en soi, une partie de l'énergie de détente en l'accouplant avec une turbine de détente. L'on s'est également aperçu que le's résultats ci-dessus pouvaient être obtenus lorsque l'arbre du compresseur est entraîné par un moteur dipolaire soit à 3000 soit à 3600 tours suivant que la fréquence du réseau est 50 ou 60 hertz, et que l'encombrement du rotor assurant à ces vitesses une séparation gazliquide acceptable était suffisamment petit pour permettre de le disposer entre les commandes des glissières de régulation de débit des compresseurs à vis et pignon, commandes telles que décrites dans le brevet français 2 321 613. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après et du dessin annexé donné à titre d'exemple non-limitatif et o la figure 3 montre le schéma d'un système frigorifique conforme à l'invention, la figure 4 montre la coupe d'une valve permettant de maintenir un anneau liquide autour du rotor du dispositif, la figure 5 montre la coupe partielle d'un compresseur à vis et pignon muni d'un dispositif économiseur conforme à l'invention. L'on voit sur la figure 3 un système conforme à l'invention. Dans ce système, le liquide frigorigène provenant du réservoir 4 passe à travers la valve d'expansion 11 et le mélange liquide-gaz vaporisé dans cette valve parvient par un orifice 19 dans une enceinte fixe 20 o tourne un rotor 21 muni de pales 22 et entraîné en rotation par l'arbre 23. Cet arbre peut être entraîné par un moteur auxiliaire mais dans le cas de la figure 3 est entraîné par l'arbre du compresseur lui-même entraîné par le moteur 24. Dans la rotation des pales, le liquide entrant par l'orifice 19 est projeté à la périphérie tandis que le gaz quitte l'enceinte 20 par un orifice 25 relié à la canalisation 7. Le liquide lui-même quitte l'enceinte 20 par un orificze 26 relié à la canalisation 9 et comportant un dispositif 27 maintenant autour des pales un anneau de-liquide 28 d'épaisseur radiale sensiblement constante. 2541437 L'une des façons de maintenir cette épaisseur constante est de mesurer la pression créée par la force cc-trifuge en comparant au moyen de la ligne de mesure 29 la pression du gaz sortant de l'enceinte et la pression du liquide arrivant au dispositif 27, et en ouvrant plus au moins une valve incluse dans le dispositif 27 pour permettre l'évacuation du liquide vers l'évaporateur. Un exemple de réalisation du dispositif 27 est donné sur la figure 4. On voit que le liquide en provenance de l'orifice 26 arrive par la canalisation 30 et pénètre dans un alésage 31 o peut se déplacer axialement un piston 32 qui découvre des trous radiaux tels que 33 ou 34 ménagés dans la paroi de l'alésage 31; ces trous sont disposés autour du cylindre de façon à former sensiblement une hélice de manière que le piston 32 les découvre successivement lorsqu'il se déplace vers le haut de la figure. Sur la partie supérieure du cylindre 31 débouche la canalisation 29 qui mesure la pression du gaz au centre du dispositif de séparation centrifuge et il existe en outre un ressort 35 qui tend à appuyer le piston 32 vers le bas et à fermer les trous tels que 33 ou 34. Le fonctionnement du dispositif est le suivant: il s'exerce sur le piston du côté bas, la pression du liquide arrivant de l'orifice 26, de l'autre la pression du gaz et la pression du ressort. Le piston se met donc dans une position d'équilibre telle que la pression du ressort équilibre la différence de pression entre gaz et liquide, c'est à dire, la différence de pression créée par la force centrifuge et qui est sensiblement proportionnelle,à une vitesse de rotation donnée, à l'épaisseur radiale de l'anneau 28. Si cette épaisseur augmente, la différence de pression augmente poussant le piston 32 vers le haut jusqu'à ce que de nouveaux trous étant ouverts, le débit du dispositif de la figure 4 équilibre le débit de liquide arrivant par l'orifice 19 et l'épaisseur initiale de l'anneau liquide soit rétablie. On notera que pour obtenir un fonctionnement correct il est nécessaire que la force de rappel du ressort varie peu avec le déplacement du ressort, ce que l'on obtient par exemple par un ressort assez long, d'autre part que le volume situé avant les trous est très large de façon à ce que la pression dans le volume ne soit pas influencée par le débit passant par les trous; de même ces trous sont perpen- diculaires au déplacement du piston de façon à ce que la direction de vitesse des filets ne crée aucun effort de pression sur la paroi du piston. Le liquide ayant traversé les trous tels que 33 chute brutalement de pression et donc se vaporise en partie; le mélange liquide-gaz est rassemblé dans la chambre 36 et part par la canalisation 9 vers l'évaporateur. L'on voit sur la figure 5 une coupe partielle d'un compresseur à vis cylindrique et glissières de régulation conforme aux brevets français 1 331 998 et 2 321 613 o l'on voit une réalisation pratique d'un montage du dispositif séparateur de la figure 3 sur l'arbre d'un compresseur. On voit en particulier que l'arbre 23 coopère avec des labyrinthes tels que 37 et une chambre de récupération 38 qui renvoie les fuites de gaz entre arbre et labyrinthe à la base de la vis globique 40 et de là, de façon connue et non représentée, à l'aspi- ration. On voit également que le rotor centrifuge est suffisamment petit pour loger entre les commandes 41 des glissières de régulation 42. A titre d'exemple numérique, un compresseur à vis et pignon, de vis de diamètre 140 mm ayant un volume balayé d'environ 2500 litres/minute à 3000 tours, a pu être équipé d'un rotor centrifuge dont le diamètre intérieur des pales est seulement de 110 mm En envoyant tout le liquide condensé (provenant du gaz aspiré sous 4 bars, ce gaz étant du frigorigène R 22) soit environ 40 litres/minute par l'orifice 19, on a mesuré que le liquide sortant par l'orifice 26 était à la tempéra- ture de vapeur saturante du gaz sortant par l'orifice 25, à moins de un dixième de degrés, et ne contenait pas de bulles visibles,donc était parfaitement séparé, et que le gaz sortant par l'orifice 25 contenait moins de trois % en masse de liquide Lasurpression créée par l'anneau de liquide était d'environ 0,35 bars. En revenant maintenant à la figure 3, on remarquera une vanne trois voies disposée après la valve d'expansion 11 sur le circuit allant au dispositif centrifuge et ayant une connection 44 se dirigeant vers la canalisation 9 entre la vanne 27 et l'évaporateur 11. 7 2541437 Normalement lorsque le dispositif de séparation centrifuge est en service, la voie vers le dispositif est ouverte et la voie vers la canalisation 44 est fermée. Si l'on désire supprimer le fonctionnement de l'économiseur, il suffit d'ouvrir la voie allant vers la canalisation 44 et de fermer l'autre De par sa construction, la valve 27 se ferme, et joue le rôle d'anti-retour Il est doncpossible de ce fait de laisser l'orifice d'économiseur 8 ouvert même si, par suite de la régulation de débit, cet orifice est à la pression d'aspiration et si cette pression s'est établie dans l'ensemble du dispositif centrifuge. 2541437 REVENDICATIONS 1 Dispositif économiseur pour système tel que système de réfrigération ou pompe de chaleur, constitué d'un compresseur refoulant dans un circuit formé d'au moins un condenseur, un réservoir d'accumulation, une valve d'expansion, un évaporateur relié lui-même à l'aspiration du compresseur et au dispositif économiseur disposé entre la valve d'expan- sion et l'évaporateur, ce dispositif comprenant des moyens de séparation du liquide et du gaz formés à la traversée de la valve d'expansion, une conduite de gaz reliant ce dispositif à au moins un orifice dans le carter du compresseur, disposé à une pression intermédiaire entre la pression d'aspiration au compresseur et la pression de refoulement, une conduite de liquide reliant ce dispositif à l'évaporateur, dispositif caractérisé en ce que les moyens de séparation comprennent un rotor muni de pales tournant dans une enceinte fixe, en ce que la canalisation de gaz débouche dans ladite enceinte sensiblement dans l'axe dudit rotor, en ce que le conduit de liquide débouche dans laditq enceinte à la périphérie du rotor et en ce que des moyens auxiliaires sont disposés sur ledit conduit de liquide pour maintenir entre la pression du liquide à l'entrée du conduit et la pression du gaz dans la canalisation de gaz une petite différence de pression. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens auxiliaires sont constitués d'une valve dont l'ouverture est pilotée par la différence de pression entre ladite canalisation de gaz et ladite canalisation de liquide et maintient cette différence sensible- ment constante. 3 Dispositif suivant la revendication 2 o ladite valve est constituée d'un cylindre muni de trous radiaux disposés en hélice, d'un piston déplaçable à l'intérieur dudit cylindre et exposé d'un côté à la pression du gaz et d'un ressort réglable, de l'autre à la pression du liquide, en ce que le liquide arrive dans le cylindre par le côté o s'exerce cette pression et qu'une chambre est organisée à l'intérieur du cylindre pour rassembler le liquide sortant desdits trous radiaux et est reliée à la canalisation conduisant à l'évaporateur. 4 Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ledit rotor est entraîné par l'a; e dudit compresseur.