Brevet FR2574529A1 — publié le 19860613

Appareil combinant un réservoir de fluide frigorigène, un réservoir tampon et un échangeur de chaleur. La présente invention se rapporte à l'art de la réfrigération et elle concerne en particulier une réalisation favorisant le rendement frigorifique en fournissant une structure qui combine d'une manière particulière un réservoir de fluide frigorigène liquide, un réservoir tampon de gaz d'aspiration du fluide frigorigène et un échangeur de chaleur entre phases du fluide frigorigène. Dans un système de réfrigération destiné au transport sous froid, tel qu'il est prévu par le déposant et comme le représente quel- que peu schématiquement la figure 1 des dessins ci-joints, le fluide frigorigène liquide s'écoule par la sortie du serpentin condenseur 10 dans un réservoir 12 d'o il passe par une conduite 14 dans un échan- geur 16 de chaleur entre le fluide frigorigène liquide et le gaz d'as- piration, pour rejoindre enfin le serpentin évaporateur 20 par l'inter- médiaire d'un robinet détendeur 18. Le gaz d'aspiration quittant le serpentin évaporateur est amené par la conduite 22 dans l'échangeur 16 de chaleur et, de là, par la conduite 24, dans un réservoir tampon 26 qui se compose, dans sa forme classique, d'un tube plongeur 28 en forme de U à travers lequel la vapeur de fluide frigorigène est aspirée dans une conduite 30 reliée à l'entrée d'aspiration du compresseur 32. Lorsqu'ils sont utilisés, l'évaporateur 20 et l'échangeur 16 de chaleur sont placés dans les limites de l'espace conditionné, par exem- ple à l'intérieur d'une remorque 34, tandis que le condenseur 10 et le réservoir tampon 26 sont logés tous deux dans une armoire 36 extérieure à la remorque et soumise aux températures ambiantes. De manière carac- téristique, la température intérieure de l'armoire 36, à laquelle est soumis le réservoir 12, sera encore plus élevée que la température am- biante régnant à l'extérieur de l'armoire car la chaleur provenant du condenseur 10 et du radiateur du moteur qui entraine le compresseur 32, s'ajoute à la chaleur venant de l'extérieur. Du fait de la température ambiante relativement élevée au voisinage du réservoir 12 et de la con- duite correspondante 14, le fluide frigorigène liquide sous-refroidi quittant le serpentin condenseur est réchauffé. La puissance frigorifi- que du système s'en trouve donc diminuée dans la mesure o le fluide frigorigène liquide est chauffé par le milieu chaud ambiant. L'échan- geur 16 de chaleur est destiné à réduire cet inconvénient en transmet- tant de la chaleur du fluide frigorigène liquide chaud à la vapeur de fluide frigorigène plus froide. Passant de l'échangeur 16 de chaleur au compresseur 32, le gaz d'aspiration est envoyé dans le réservoir tampon 26, comme on l'a men- tionné précdemment. Le réservoir tampon, ou en bref le tampon, remplit sa fonction normale de réservoir de fluide frigorigène liquide et empê- che le passage d'une quantité significative de fluide frigorigène li- quide vers le compresseur. Dans un milieu à fluide frigorigène destiné au transport sous froid, le réservoir tampon fonctionne également à la manière d'un évaporateur lorsque le groupe réversible fonctionne selon le mode de chauffage, distinct du mode de refroidissement. Pour faire fonctionner le réservoir tampon en évaporateur pendant le mode de chauffage, on doit prévoir de fournir de la chaleur a la partie basse du réservoir tampon, par exemple au moyen de tubes 38 enroulés autour de cette partie basse du réservoir tampon et reliés au circuit de re- froidissement du moteur. La puissance et le rendement frigorifiques du système sont éga- lement influencés -défavorablement jusqu'a un certain point par le chauffage du réservoir tampon 26, dû aux températures ambiantes élevées qui règnent dans l'armoire 36, en raison du fait que le milieu chaud ambiant provoque une surchauffe de la vapeur de fluide frigorigène jus- qu'à une température largement supérieure à la température de la vapeur saturée. Le système est pénalisé dans la mesure o se produit cette surchauffe. Afin de montrer comment le système est pénalisé par des tempé- ratures relativement élevées de l'air extérieur, on donnera quelques exemples caractéristiques de valeurs-de température. Si la température de l'air extérieur est d'environ 38 C, la température de l'air entou- rant le réservoir peut être de manière significative plus haute, par exemple égale à 57 C, du fait de la chaleur dégagée par le radiateur du moteur et le condenseur. Le fluide frigorigène liquide chaud reçu par le réservoir 12 peut avoir une température de l'ordre de 46 'C, de sorte qu'il se produit un réchauffement du fluide frigorigène dans le réservoir et dans son passage par la conduite 14 vers l'échangeur 16 de chaleur, ce qui pénalise le système. Dans les conditions de température supposées, la vapeur de fluide frigorigène quittant l'évaporateur 20 et passant dans l'échan- geur de chaleur peut être, par exemple, à la température de - 12 C et, dans cet échangeur, elle est peut-être chauffée, par exemple, à 18 C température à laquelle elle passe dans le réservoir tampon 26. Dans le cas d'une température ambiante relativement élevée, par exemple de 57 C, la vapeur de fluide frigorigène peut être chauffée, par exemple, à 32 C dans le réservoir tampon et pendant son passage vers le com- presseur. Dans ces conditions, la vapeur est donc fortement surchauf- fée, bien au delà de son degré de surchauffe lorsqu'elle quitte l'échangeur de chaleur entre phases du fluide frigorigène. Cette sur- chauffe élevée pénalise également le système. Dans le système suivant l'art antérieur, le rendement frigori- fique du compresseur est également pénalisé par un étranglement de la conduite d'aspiration qui se produit dans le tube 28 en U à l'intérieur du réservoir tampon 26. Cet étranglement de l'aspiration est dû à l'effet combiné de la perte de charge à l'entrée du tube en U et à l'obstruction interne partielle provoquée par l'huile liquide de lubri- fication qui a tendance à se rassembler au fond du tube en U. Un autre inconvénient propre aux systèmes suivant l'art anté- rieur concerne le retour de l'huile de lubrification au carter du com- presseur. Le brouillard d'huile qui revient au compresseur 32, entraîné par la vapeur d'aspiration, se sépare dans les passages d'entrée du compresseur et est évacué vers le carter du compresseur. A cause des vitesses relativement élevées de transport de la vapeur dans les passa- ges d'entrée du compresseur, une proportion indésirable de cette huile de retour peut continuer à être entraînée dans la vapeur et peut être recyclée dans l'ensemble du système. Ce fait pénalise le fonctionnement total en diminuant l'efficacité de pompage du compresseur et en rédui- sant la transmission de chaleur dans le serpentin condenseur 10 et dans le serpentin évaporateur 20. L'objet principal de la présente invention est d'atténuer les inconvénients mentionnés plus haut. La présente invention fournit donc un appareil combinant un ré- servoir de fluide frigorigène liquide, un réservoir tampon de gaz d'as- piration du fluide frigorigène et un échangeur de chaleur entre phases du fluide frigorigène. Cet appareil comprend une calandre cylindrique extérieure servant de réservoir tampon et comportant une entrée de fluide frigorigène gazeux et une sortie de fluide frigorigène gazeux, une enveloppe cylindrique intérieure disposée concentriquement dans la calandre de manière à former entre elles un espace annulaire et servant de réservoir de fluide frigorigène liquide, ce réservoir comportant une entrée reliée à la sortie du condenseur et une sortie placée à l'inté- rieur de la calandre, et un échangeur de chaleur situé dans l'espace annulaire, cet échangeur de chaleur comportant une entrée reliée à la sortie du réservoir et une sortie qui communique avec une entrée de l'évaporateur de fluide frigorigène par l'intermédiaire d'un appareil détendeur, et servant à échanger de la chaleur entre le liquide qui le traverse et le gaz qui passe sur lui. D'autres aspects de la présente invention apparaîtront au fur et à mesure de la description. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: - la figure lest une vue schématique des parties principales du système classique de réfrigération destiné au transport sous froid et décrit ci-dessus; et - la figure 2 est une vue de c8té, partiellement arrachée et partiellement en coupe, d'un appareil combinant un réservoir, un réser- voir tampon et un échangeur de chaleur afin de constituer un exemple de réalisation de la présente invention. On se reportera à la figure 2. L'appareil constituant un exem- ple de réalisation de la présente invention comprend une calandre cy- lindrique extérieure 40, dotée d'une paroi supérieure 42 et d'une paroi inférieure 44, et prévue pour servir de réservoir tampon du fluide fri- gorigène. Une enveloppe cylindrique intérieure 46 est placée dans la par- tie supérieure de la calandre 40 et de préférence, coaxialement avec cette dernière, de manière à former un espace annulaire 48 entre l'en- veloppe et la calandre, celles-ci ayant en commun la paroi supérieure 42 et l'extrémité inférieure 50 de l'enveloppe étant située au moins à la même hauteur, et de préférence plus haut, que le niveau du tube 52 amenant la vapeur de fluide frigorigène de l'évaporateur du réservoir tampon. Cette enveloppe 46, avec sa partie supérieure et sa partie in- férieure, joue le rôle d'un réservoir de fluide frigorigène liquide, prévu pour recevoir le fluide frigorigène liquide chaud par l'intermé- diaire du tube 54 relié à la sortie du condenseur de fluide frigorigè- ne, par exemple le condenseur 10 représenté à la figure 1. Un échangeur de chaleur, désigné par la référence générale 56, est placé dans une partie au moins de l'espace annulaire et peut pren- dre la forme d'un tube 58 sur lequel est enroulée en spirale une ailet- te continue 60. Cet échangeur de chaleur 56 est lui-même enroulé en spirale autour du réservoir 46, une extrémité du tube 58 étant reliée à la sortie 62 du réservoir tandis que l'autre extrémité du tube sort de la paroi supérieure 42 par le manchon 64 de sortie. On doit bien noter qu'une sortie 66 du gaz d'aspiration venant du réservoir tampon est placée à la partie-supérieure de ce dernier, de sorte que l'échangeur de chaleur 56 en forme de tube à ailette, situé dans l'espace annulaire, se trouve sur le trajet de la vapeur de fluide frigorigène qui entre dans le réservoir tampon par le tube 52 et en sort par la sortie 66. Un avantage de ce montage particulier réside dans le fait que les ailettes 60 de l'échangeur de chaleur 56 fonction- neront également en collecteur de brouillard afin de réduire l'entrai- nement de fluide frigorigène liquide. En outre, toute gouttelette de fluide frigorigène liquide collectée sur les ailettes de l'échangeur de chaleur, améliorera encore le refroidissement du fluide frigorigène li- quide à l'intérieur du tube 58 lors d'une évaporation ultérieure des gouttelettes. Le montage du tube à ailettes de l'échangeur de chaleur 56 occupant, dans le sens diamétral, l'étendue de l'espace annulaire, la vapeur de fluide frigorigène devra en passant entrer en contact in- time avec les ailettes. Dans le type commercial d'échangeur de chaleur 16 représenté à la figure 1, le tube à ailettes de l'échangeur de cha- leur s'enroule en hélice, ce qui a pour r&sultat de créer un passage à alésage central à l'intérieur de l'hélice. Ceci a pour effet de créer une certaine tendance de la vapeur de fluide frigorigène à suivre ce trajet de moindre résistance entre l'entrée et les sorties de la vapeur de fluide frigorigène. Dans le montage représenté à la figure 2, le ré- servoir occupe l'espace délimité par le serpentin de l'échangeur de chaleur. La performance de ce dernier est également augmentée en raison du plus grand diamètre d'hélice autorisé dans le montage suivant la présente invention. Du fait de la plus grande longueur de la circonfé- rence des serpentins annulaires de l'échangeur de chaleur, une longueur plus grande de tube à ailettes est possible. De même, le diamètre plus grand du serpentin peut avoir pour effet un meilleur coefficient de re- froidissement du film liquide à l'intérieur du tube à ailettes. Après avoir été chauffée par l'échangeur de chaleur 56, la vapeur de fluide frigorigène sort à la partie supérieure 42 du réservoir tampon, par le tube 66 de sortie de la vapeur, et une conduite d'aspiration telle que la conduite 30 d'aspiration de la figure 1, l'amène à l'entrée de va- peur du compresseur. A la différence du réservoir tampon suivant l'art antérieur, le réservoir tampon du montage qui constitue un exemple de réalisation de la présente invention, n'utilise pas un réentrainement d'huile au moyen d'un tube en U renvoyant au compresseur l'huile de lubrification prove- nant de la partie inférieure du réservoir tampon. L'huile qui se sépare de la vapeur de fluide frigorigène après avoir pénétré dans l'espace relativement tranquille du réservoir tampon endessous du réservoir de fluide frigorigène liquide, s'écoule par la sortie 68 prévue dans le fond 44 du réservoir tampon et p&n&tre dans la conduite 70 reli6e au carter du compresseur comme le décrit le brevet américain n 4 249 389. Ce montage augmente la puissance frigorifique de l'ensemble du système en combinant les avantages d'un étranglement moindre de l'aspiration du compresseur et d'une plus petite quantité d'huile de recyclage. Bien que le montage du retour d'huile prévu dans le brevet amé- ricain n 4 249 389 soit préférable, on pourrait en variante prévoir un montage de retour d'huile dans lequel un tube en U est placé à l'exté- rieur du réservoir tampon, dans ce cas, l'huile s'écoulant de la partie inférieure du réservoir tampon serait amenée par un tube 'à la partie inférieure du tube en U occupant un espace le long du réservoir tampon, et le gaz d'aspiration quittant le réservoir tampon par le tube 66 pas- serait dans l'extrémité amont du tube en U. Un tel montage devrait éga- lement comprendre un tube de purge (non représenté) portant de la par- tie supérieure du réservoir et de la branche aval du tube en U. Dans la région supérieure du réservoir, là o le manchon 54 d'entrée du liquide permet au liquide chaud venant du serpentin conden- seur de pénétrer dans le réservoir, un conduit 72 placé transversale- ment oblige le liquide chaud à heurter la surface intérieure de la pa- roi du réservoir 46 qui est refroidie par la vapeur de fluide frigori- gène venant de l'évaporateur. Les extrémités 74 en biseau ou en sifflet du conduit transversal 72 permettent d'obtenir la collision désirée du jet liquide, à la fois pour des débits faibles et élevés, sans créer un étranglement excessif de l'écoulement. Comme il est bien connu de l'homme de l'art, une source de cha- leur extérieure est prévue, de manière caractéristique, à la partie ex- térieure inférieure du réservoir tampon afin de porter à ébullition tout fluide frigorigène liquide collecté à la partie inférieure du ré- servoir tampon, ainsi que pour fournir une source de chaleur au réser- voir tampon lorsque celui-ci marche en évaporateur pendant le fonction- nement du système selon le mode de chauffage. Dans l'exemple de réali- sation représenté, la source extérieure de chauffage prend la forme d'un chapeau 76 disposé à la partie inférieure du réservoir tampon et équipé d'un tuyau 78 véhiculant le fluide de refroidissement du moteur (non représenté) d'entraXnement du compresseur. En variante, le fluide de refroidissement pourrait être recyclé dans un tube enroulé autour de la partie inférieure du réservoir tampon ou, dans certains cas, la cha- leur extérieure peut être fournie par des résistances électriques chauffantes. L'isolant thermique 80 en forme de matelas entourant au moins les parties inférieures des parois latérales du réservoir et la paroi de fond, sert à empêcher la condensation d'eau et le dép8t de givre sur le réservoir tampon, ainsi que toute perte de chaleur du fluide de re- froidissement vers le milieu ambiant froid qui règne, de manière carac- tgristique, pendant le fonctionnement du système selon le mode de chauffage. Bien qu'on puisse croire que les principes de base du fonction- nement du montage suivant la présente invention apparaissent clairement d'après la description qui précède, on résumera maintenant ce fonction- nement. Dans l'hypothèse o une température ambiante relativement éle- vée règne dans l'armoire qui contient l'appareil combinant le réservoir tampon, le réservoir de fluide frigorigène et l'échangeur de chaleur, le fluide frigorigène liquide chaud passe du condenseur dans le réser- voir 46. Dans l'hypothèse d'un certain degré de sous-refroidissement, il est souhaitable que le fluide frigorigène liquide ne soit pas ré- chauffé à un degré significatif quelconque pendant son passage vers l'évaporateur. Le fluide frigorigène liquide chaud sortant du réservoir traverse le tube 58 de l'échangeur de chaleur, ce tube comportant les ailettes extérieures 60. En même temps, le gaz froid d'aspiration pénè- tre dans le réservoir tampon après être passé dans l'évaporateur, et ce gaz froid circule sur les ailettes 60 de l'échangeur de chaleur 56 qui a tendance à refroidir davantage le fluide frigorigène liquide, tout en apportant une certaine chaleur au gaz froid de fluide réfrigérant qui sort ensuite du réservoir tampon à son extrémité supérieure par le pas- sage vers le compresseur. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réali- sation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Appareil combinant un réservoir de fluide frigorigène liqui- de, un réservoir tampon de gaz d'aspiration du fluide frigorigène et un échangeur de chaleur entre phases du fluide frigorigène, incorporé à ou destiné à un groupe frigorifique comprenant un compresseur de fluide frigorigène, un condenseur de fluide frigorigène avec une entrée et une sortie, et un évaporateur de fluide frigorigène avec une entrée et une sortie, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend: une calandre extérieure sensiblement cylindrique (40) formant un réservoir tampon comportant une entrée (52) de fluide frigorigène gazeux et une sortie (66) de fluide frigorigène gazeux; une enveloppe intérieure sensiblement cylindrique (46) disposée dans la calandre extérieure (40) de manière à former entre elles un es- pace annulaire (48), cette enveloppe formant un réservoir de fluide frigorigène liquide avec une entrée du condenseur, et une sortie (62) placée à l'intérieur de la calandre; et un échangeur de chaleur (56) disposé dans l'espace annulaire (48) et comportant une entrée reliée à la sortie (62) du réservoir, et une sortie (64) reliée ou prévue pour être reliée à l'entrée de l'éva- porateur. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que cet espace annulaire (48) contenant l'échangeur de chaleur (56) est placé en série entre l'entrée (52) du réservoir tampon et la sortie (66) de manière à assurer la communication avec cette entrée et cette sortie et permettre l'écoulement de fluide. 3. Appareil suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractéri- sé en ce que l'échangeur de chaleur (56) comprend un tube (58) entouré d'ailettes extérieures (60) et enroulé autour de l'enveloppe intérieure (46). 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la calandre (40) et l'enveloppe (46) sont pla- cées en position verticale, lorsqu'elles fonctionnent, l'enveloppe étant située dans la demi-partie généralement supérieure de la calan- dre, l'entrée (52) de fluide frigorigène gazeux étant placée à un ni- veau au moins aussi bas que l'extrémité inférieure (50) de l'enveloppe (46) tandis que la sortie (66) de fluide frigorigène gazeux est placée à la partie supérieure de la calandre (40). 5. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'entrée (54) de l'enveloppe (46) comprend un moyen (72) pour diriger l'entrée du fluide frigorigène liquide contre la surface intérieure de la paroi de l'enveloppe, au voisinage de son extrémité supérieure. 6. Appareil suivant l'une des revendications 4 ou 5, caractéri- sé en ce que la calandre (40) et l'enveloppe (46) ont une paroi supé- rieure commune (42). 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que des moyens (76, 78) sont associés à la calandre (40) pour fournir de la chaleur extérieure à sa partie infé- rieure. 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'un isolant thermique (80) est disposé sur la calandre (40) de manière à entourer au moins une partie importante des parois latérales et la paroi de fond de la calandre.