Brevet FR2549209A1 — publié le 19850118

PROCEDE D'EXPLOITATION D'UN CIRCUIT DE FLUIDE REFRIGERANT, ET CIRCUIT DE REFRIGERANT POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé d'exploitation d'un circuit de fluide réfrigérant dans lequel un fluide réfrigérant à l'état gazeux est d'abord comprimé, puis liquéfié, sous-refroidi, détendu, vaporisé et à nouveau comprimé; l'invention concerne également un circuit de fluide réfrigérant pour la mise en oeuvre du procédé précité. Pour produire du froid, on utilise des circuits de fluide refrigérant dans lesquels un fluide réfrigérant, qui est d'abord présent à l'état gazeux, est liquéfié sous pression élevée, par extraction de chaleur. La liquéfaction est effectuée, par exemple, par échange de chaleur avec de l'eau de refroidissement ou avec de l'air ambiant. Le fluide réfrigérant comprimé est ensuite sous-refroidi par extraction supplémentaire de chaleur, puis il est détendu et vaporisé sous basse pression, de sorte qu'il extrait alors de la chaleur à un consommateur de froid. Toutefois, le taux de rendement obtenu lors de l'application du procédé décrit ci-dessus n'est pas toujours optimum, en ce qui concerne la production de froid. Ceci s'explique par le fait que seule une partie de la chaleur extraite du système opère un sous-refroidissement du fluide réfrigérant liquéfié. La présente invention a donc pour but de créer un procédé du genre défini plus haut, qui se distingue par un taux de rendement satisfaisant et par une capacité de réfrigération élevée. Ce but est atteint, selon l'invention, en ce qu'on procède, entre l'retape de liquéfaction et 1 l'étape de sous-refroidissement, à une séparation de phases afin de séparer du fluide réfrigérant liquéfié des fractions presentes à l'état de vapeur. Dans le cadre de la presente invention, on a constaté que le fluide réfrigérant renferme encore des fractions à l'état de vapeur, après sa liquéfaction. La phase vapeur se forme à la suite de chutes de pression ou surchauffages locaux dans le conduit de fluide réfrigérant. Selon l'invention, on sépare du fluide réfrigérant les fractions à l'état de vapeur, avant son sous-refroidissement, de sorte que la zone de sous-refroidissement ne reçoit exclusivement que le fluide de refroidissement à l'état liquide. De ce fait, le taux de rendement du sousrefroidissement est accru, et l'on obtient un meilleur transfert de chaleur vers le milieu réfrigérant. Grâce aux mesures préconisées selon l'invention, la puissance frigorifique du circuit est augmentée pour un meme débit-masse donné de fluide réfrigérant en circulation, notamment dans les machines réfrigérantes à compression; en d'autres termes, pour une même demande de puissance -par exemple du compresseur de fluide réfrigérant- on obtient une puissance frigorifique plus élevée. Ceci ne nécessite aucune construction supplémentaire, étant donné que tous les composants essentiels du circuit de fluide réfrigérant, tels que compresseur, conduites et robinetterie sont conservés tels quels. Une chute de pression du fluide réfrigérant dans la zone de sous-refroidissement n'entrain pas d'inconvénients énergétiques d'exploitation, si bien qu'on peut réaliser des vitesses d'ecoulement et des coefficients d'échange thermique élevés. Un autre avantage du procédé selon l'invention réside en ce que l'étage consécutif de detente ne reçoit que du fluide réfrigérant à l'etat liquide, sans fraction à l'état de vapeur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la liquéfaction et le sousrefroidissement sont effectués par refroidissement à l'air ou par évaporation. L'invention vise également un circuit de fluide réfrigérant pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, qui comporte un compresseur, un condenseur, une zone de sous-refroidissement et un dispositif de detente, et qui est caractérisé en ce qu'un dispositif séparateur de phases est interpose entre le condenseur et la zone de sous-refroidissement qui est reliée à une enceinte collectrice de liquide du séparateur de phases. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le condenseur et la zone de sous-refroidissement forment une seule et même unité de construction. Selon un agencement particulièrement avantageux, le condenseur et la zone de sous-refroidissement sont constitués par des refroidisseurs à serpentin. De préférence, le condenseur et la zone de sous-refroidissement forment ensemble un bloc lamellaire ou à ailettes unique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le condenseur et la zone de sous-refroidissement sont associés à une installation de refroidissement commune. Dans une forme d'exécution avantageuse de l'objet de l'invention, le condenseur et la zone de sous-refroidissement sot .josés dans un échangeur de chaleur commun, la section d'écoulement pour le fluide réfrigérant a la sortie du condenseur étant placee au voisinage de la section d'écoulement dudit fluide à l'entrée de la zone de sous-refroi pissement. Les sections d'écoulement de la zone de sous-refroidissement les plus proches du condenseur sont les premieres à être traversees par le fluide réfrigérant. Ceci est avantageux en ce que le flux thermique entre le condenseur et la zone de sous-refroidissement s'en trouve réduit a un minimum. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le condenseur et la zone de sous-refroidissement sont disposés l'un derriere l'autre sur le trajet d'écoulement d'un fluide de refroidissement, la zone de sous-refroidissement étant situee en amont du condenseur. Comme fluide de refroidissement, on utilise notamment de l'air. Le fluide refrigérant pénétrant d'abord dans la zone de sous-refroidissement, on obtient ainsi un effet maximum de sous-refroidissement. De plus, on obtient alors un autre avantage, notamment pendant la saison froide ou, pour des raisons de securité, la température de liquéfaction ne doit malgré la faible température de l'air ambiant pas être abaissée dans toute la mesure qui serait thermodyamiquementpossible: en effet, dans ces conditions, l'air froid est utilisé pour le sous-refroidissenient, cependant qu'on dispose, pour la liquéfaction, d'air déjà réchauffé. L'invention sera décrite ci-dessous de manière plus détaillée, notauient en réference aux figures annexées qui représentent, à titre d'illustration, mais non de limitation, plusieurs modes de mise en oeuvre de 1 'invention. - la figure 1 montre un circuit de fluide réfrigérant selon llinvention; - la figure 2 représente un diagramme erlthalpie/pression relatif au procédé selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement un circuit de fluide réfrigérant d'une machine réfrigérante à compression. Un fluide refrigc- rant, tel que du chlorodifluorométhane, est comprimé, a l'état gazeux, a une pression de 15,3 bars par exemple, dans un compresseur 1. Le fluide réfrigérant comprimé est ensuite introduit dans un condenseur 2 ou il est refroidi et liquéfié par échange thermique avec l'air ambiant. L'air est aspire par un ventilateur 3. Le fluide réfrigérant liquéfié pénètre dans un séparateur de phases 4 ou le fluide réfrigérant liquéfié est séparé de la phase gazeuse. Le fluide réfrigérant liquéfie est extrait de la cuve du séparateur de phases 4 et dirige vers une zone de sousrefroidissement 5 dans laquelle le fluide réfrigérant comprimé est sous-refroidi. Dans le mode de réalisation représenté, le condenseur 2 et la zone de sous-refroidissement 5 forment une unité de construction et sont alimentés ensemble en air de refroidissement à partir de l'atmosphère ambiante. Le fluide réfrigérant comprimé sortant du séparateur de phases 4 passe d'abord par les sections de conduites de la zone de sous-refroidissement 5 qui sont voisines du condenseur 2, afin de réduite à un minimum le flux thermique du condenseur 2 vers la zone de sous-refroidissement 5. Cette disposition est particulièrement importante lorsque les tubes du condenseur et ceux de la zone de sous-refroidissement 5 portent des ailettes (lamelles) communes. Le fluide réfrigérant comprimé et sous-refroidi est détendu dans une valve de détente (détendeur) 7 et vaporisé dans un vaporisateur-8 disposé en aval, ou il extrait de la chaleur d'un consommateur de froid. Le fluide réfrigérant est ensuite comprime à nouveau. A la place de la disposition représentée du condenseur 2 et de la zone de sous-refroidissement 5, il est également possible de disposer ces deux éléments de construction l'un derrière l'autre dans le courant d'air de refroidissement, la zone de sous-refroidissement 5 étant située en amont du condenseur, par rapport à la direction de l'écoulement de l'air. La figure 2 est un diagramme enthalpie/pression (H/p) relatif à un procédé classique et au procédé selon l'invention. 10 désigne la courbe -de saturation, et 11 désigne le point critique du fluide réfrigérant. A - partir du point a, le fluide réfrigérant est comprimé jusqu'au point b. Son enthalpie monte alors en passant de la valeur h a à la valeur hb. Le fluide réfrigérant comprimé est ensuite liquéfié, ce qui correspond, sur le diagramme, aux isobares b-c. Le point c se situe sur la courbe de saturation 10. La température au point c est, par exemple, de 39 , l'enthalpie présente la valeur hc. Selon l'invention, le fluide réfrigérant est sous-refroidi le long de la ligne c-c', par exemple a une température de 300C. En ce point, l'enthalpie présente la valeur h'c. Le fluide réfrigérant est ensuite détendu isenthalpiquement et atteint l'état d' dans lequel sa température est,par exemple, de -10 C. Le circuit est fermé par vaporisation du fluide réfrigérant le long de l'isobare, retournant vers le point a. Si le fluide réfrigérant était détendu isenthalpiquement sans sous-refroidissement préalable, il passerait de l'état c à l'état d. On compare ci-dessous l'économie d'énergie réalisée par le procédé selon l'invention par rapport au procédé classique. On s'est base, à cet effet, à titre d'exemple, sur les valeurs suivantes: h a = 407,5 kJoule/ks h c = 249,2 kJoule/kg h' c = 236,7 kJoule/kg Le travail de compression (W) est donnée par la différence hb ha . On obtient alors pour l'énergie de refroidissement Q, en l'absence de sous-refroidissement: Q = h a - hc = 158,3 kJoule/kg et pour l'énergie de refroidissement Q', avec sous-refroidissement: Q' = h a - h' c = 170,8 kJoule/kg. Les indices de rendement e et ' du circuit de fluide réfrigérant sans et avec sous-refroidissement, sont donnés respectivement par: Q Q' # = W et #' = W L'accroissement relatif du rendement du procédé selon l'invention est: #' = Q' = 170,8 = 1,079 # Q 158,3 Gracie au procédé selon l'invention, le rendement augmente donc d'environ 87q. La présente invention n'est pas limite aux modes de réalisation decrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'home de l'art sans que l'on ne s'ecarte de l'esprit de 1'invention, REVENDICATIONS 1.- Procedé d'exploitation d'un circuit de fluide réfrigérant dans lequel un fluide réfrigérant à l'état gazeux est d'abord comprimé, puis liquéfié, sous-refroidi, détendu, vaporise et à nouveau comprimé, caractérisé en ce qu'entre l'étape de liquéfaction et l'étape de sousrefroidissement, l'on procède à une séparation de phases afin de séparer du fluide réfrigérant liquéfié des fractions présentes à l'état de vapeur. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liquéfaction et le sous-refroidissement sont effectués par refroidissement à l'air ou par évaporation. 3.- Circuit de fluide réfrigérant pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant un compresseur, un condenseur, une zone de sous-refroidissement et un dispositif de détente, caractérisé en ce qu'un séparateur de phases (4) est disposé entre le condenseur (2) et la zone de sous-refroidissement (5), cependant que la zone de sousrefroidissement (5) est reliée à une enceinte collectrice de liquide dudit séparateur de phases (4). 4.- Circuit de fluide réfrigérant selon la revendication 3, caractérisé en ce que le condenseur (2) et la zone de sousrefroidissement (5) forment une unité de construction. 5.- Circuit de fluide réfrigérant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le condenseur et la zone de sous-refroidissement sont constitués par des refroidisseurs à serpentin. 6.- Circuit de fluide réfrigérant selon une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'un dispositif de refroidissement commun est associé au condenseur (2) et à la zone de sousrefroidissement (5). 7.- Circuit de fluide réfrigérant selon une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le condenseur (2) et la zone de sous-refroidissement (5) sont placés dans un échangeur de chaleur commun, la section d'ecoulement pour le fluide réfrigérant à la sortie du condenseur (2) étant disposée au voisinage de la section d'ecoulement pour le fluide réfrigérant à l'entrée de la zone de sousrefroidissement (5). 8.- Circuit de fluide réfrigérant selon une quelconque des rever- dications 3 à 7, caractérisé en ce que le condenseur (2) et la zone de sous-refroidissement (5) sont disposés l'un derriere l'autre sur le trajet d'écoulement d'un fluide de refroidissement, la zone de sousrefroidissement (5) étant placée en amont du condenseur (2) par rapport à la direction d'écoulement dudit fluide de refroidissement.