Brevet FR2588066A1 — publié le 19870403

Il est connu par le brevet français 2.541.437 de réaliser un économiseur centrifuge pour système frigorifique ou équivalent: pompe de chaleur, etc.. On rappelle que dans un circuit avec économiseur, une partie du gaz fabriqué au niveau de la vanne de détente est retournée au compresseur à une pression intermédiaire entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement, ce qui accroit d'autant la quantité de gaz "utile" aspiré par le compresseur et améliore tant son débit que son rendement thermodynamique. Dans le brevet précité la séparation entre le liquide qui va à l'évaporateur et le gaz envoyé au trou d'économiseur est effectuée par un rotor tournant dans un carter fixe, le gaz sortant sensiblement au voisinage de l'axe de rotation du rotor et le liquide à la périphérie; et l'on s'assure que le gaz ne s'échappe pas avec le liquide, ce qui réduirait l'intérêt du dispositif, en contrôlant le débit de liquide par une vanne dont l'ouverture est liée à l'épaisseur de l'anneau liquide se formant autour du rotor. On s'est aperçu toutefois que cette disposition présentait certains inconvénients. Tout d'abord cette vanne, bien que simple, coûte un certain prix. Et surtout, si pour une raison quelconque, un copeau par exemple, elle vient à se coincer, le séparateur centrifuge ne fonctionne plus, soit qu'elle soit trop ouverte et qu'une grande partie du gaz parte à l'évaporateur, soit qu'au contraire elle reste trop fermée et qu'une grande partie du liquide produit soit renvoyée inutilement dans 251e compresseur. La présente invention se rapporte à un système frigorifique à économiseur, constitué d'au moins un compresseur dont l'échappement est relié à un condenseur muni d'une vanne d'expansion reliée à un économiseur centrifuge, lui même relié par une canalisation de gaz à un trou d'économiseur disposé sur le compresseur et par une seconde canalisation de liquide à un évaporateur relié à l'aspiration dudit compresseur, l'économiseur centrifuge étant lui-même constitué d'un rotor tournant dans un carter fixe muni de trois orifices respectivement reliés à la vanne d'expansion, au trou d'économiseur et à l'évaporateur et caractérisé en ce que la canalisation de liquide comporte un rétrécissement dont la section est choisie pour que, pour les rapports de pression les plus élevés vus par le système frigorifique en -2- fonctionnement permanent, le débit de gaz s'échappant avec le liquide ne dépasse pas 20 % du débit de gaz retournant au trou d'économiseur. L'on s'est aperçu en effet qu'en remplaçant la vanne de contr8le précitée par un simple rétrécissement à la section judicieusement choisie, on arrivait pratiquement au même résultat, c'est-à-dire que du liquide et seulement du liquide - même si dans les conditions les plus extrêmes on peut, si on le désire, laisser échapper un peu de gaz - s'échappe par l'orifice du liquide, et ce dans toutes les conditions de pression du compresseur; et que simultanément le centrifuge ne s'engorge pas et ne laisse pas partir avec le gaz de quantités importantes de liquide. De par son caractère statique, un rétrécissement ne peut se bloquer et la fiabilité du système, sans parler de son coût, est donc considérablement améliorée. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et du dessin, donnés à titre d'exemple non limitatif, et o - la figure 1 montre le schéma d'un système frigorifique conforme à t'invention _ la figure 2 montre en coupe le séparateur centrifuge utilisé dans la figure 1 - la figure 3 montre le diagrammme de pressions dans lequel opère le compresseur et la zone de conditions qui déterminent la section du rétrécissement On voit sur les figures 1 et 2 un système frigorifique constitué d'un compresseur 1 débitant dans un condenseur 2 relié à une vanne d'expansion 3 reliée par une canalisation 4 à un orifice 5 d'injection du mélange de liquide et de gaz formé à la vanne d'expansion, orifice disposé dans le carter 6 d'un économiseur centrifuge 7 constitué d'un rotor muni de pales 8 ou de tout autre moyen équivalent permettant de mettre en rotation le mélange gaz-liquide entrant dans le carter. Le rotor est disposé sur un arbre 9 entraîné en rotation par des moyens non représentés; une étanchéité, par exemple un labyrinthe, est placé en 10 autour de l'arbre. Le gaz séparé s'échappe par un orifice Il et une canalisation 12 vers un trou 13 disposé dans le carter du compresseur, à une position -3intermédiaire entre l'aspiration et l'échappement. Un orifice 14 disposé dans le carter 6 permet d'évacuer le liquide qui, en fonctionnement, tend à former un anneau liquide, visible en 15, autour du rotor et dirige le liquide, par la canalisation 16, à travers le rétrécissement 17 vers l'évaporateur 18 relié lui-même par la canalisation 19 avec l'aspiration 20 du compresseur. Le rétrécissement 17 est dimensionné de la façon suivante. En se référant à la figure 3, en portant en abscisse les pressions d'aspiration qu'est susceptible de rencontrer le compresseur au cours de son fonctionnement et en ordonnée les pressions de refoulement, on a figuré par un polygone 21 les conditions extrêmes que doit rencontrer le compresseur, l'ensemble des cas de fonctionnement devant se situer à l'intérieur de ce polygone. L'on a également figuré en 22, 23, 24 et 25 des lignes qui figurent les conditions de fonctionnement pour un rapport de pression entre l'échappement et l'aspiration constant. L'on s'est aperçu que dans un rétrécissement soumis d'un côté à la pression d'économiseur, de l'autre à la pression d'aspiration, le débit, qui varie en fonction de ces conditions, reste sensiblement dans un rapport constant avec le débit, en poids, aspiré par le compresseur pour un taux de compression déterminé. Par exemple si le débit est de Q pour mettons 3 bars absolus à l'aspiration et 12 au refoulement, il devient sensiblement 2Q si les conditions deviennent 6 et 24 bars, alors que précisément le débit massique aspiré double sensiblement d'un cas à l'autre. Si donc on a choisi le rétrécissement pour laisser passer le débit dans les conditions 3-12 bars, le rétrécissement reste adapté pour les conditions 6-24 bars; donc s'il est adapté pour un point d'une droite telle que 22 à 25, il l'est aussi pour tous les autres points de la même droite. Par contre le phénomène ne reste plus du tout vrai lorsque l'on fait varier le taux de compression. Lorsque celui-ci augmente et que l'on passe progressivement de la courbe 22 à la courbé 25, le rapport entre le débit passant par le rétrécissement et le débit aspiré par le compresseur augmente. -4- Si donc l'on ajustait le rétrécissement pour satisfaire par exemple les conditions de la droite 23, le débit du rétrécissement serait beaucoup trop important pour les conditions de la droite 25 et une grande quantité de gaz partirait avec le liquide, faisant disparaître l'intérêt de l'économiseur. On peut fixer à environ 20 % le volume de gaz au delà duquel les pertes deviennent trop importantes pour rester acceptables et l'on dimensionne le rétrécissement pour que, pour les valeurs de taux de compression les plus élevées vues par le compresseur en régime permanent établi (les régimes transitoires pouvant conduire à des taux de compression plus élevés), le débit sous la pression entre économiseur et aspiration soit égal au débit massique aspiré par le compresseur. Il devrait en résulter alors que pour les taux de compression plus faibles, le centrifuge se "noie", et que du liquide parte avec le gaz vers le trou d'économiseur du compresseur, ce qui serait également très dommageable. Mais l'on s'est aperçu que lorsque ce phénomène se produit, comme l'anneau liquide s'épaissit, il se crée une pression hydrostatique supplémentaire qui s'ajoute à la différence de pression entre. économiseur et aspiration et ramène le débit à coïncider avec celui aspiré par le compresseur. Par exemple si l'on prend un système frigorifique fonctionnant au Fréon 22 avec pour conditions extrêmes des pression d'aspiration de 2 bars et 8 bars et des taux de compression extrêmes, en régime établi, de 2,5 et 6, le rapport entre le volume débité par le rétrécissement ( dont la longueur dans l'essai ci-après est environ fois le diamètre) et le volume du compresseur, varie de 1 pour le rapport de compression de 6 à environ 0,5 pour 2,5. Mais il revient à 1 si l'on crée, grâce au centrifuge, une pression additionnelle inférieure à 1 bar - dans le cas ou l'aspiration est à 3 bars - et de l'ordre de 2,5 bars lorsqu'elle est à 6 bars. Or ces pressions - additionnelles sont de celles que l'on crée facilement avec un centrifuge. -5- En particulier, dans les compresseurs à vis entraînée directement par un moteur électrique à minute et o le rotor de l'économiseur est placé un centrifuge ayant le diamètre de la vis crée à accélérations- centrifuges qui dépassent aisément l'accélération de la pesanteur) et une épaisseur centimètres crée donc une pression hydrostatique dont la vis est 3000 ou 3600 tours/ sur le même arbre, sa périphérie des 1000 g (g désignant d'anneau de 2 supérieure à 2 bars. -6- Revendication Système frigorifique à économiseur constitué d'au moins un compresseur (1) dont l'échappement est relié à un condenseur (2) muni d'une vanne d'expansion (3) reliée à un économiseur centrifuge (7), lui même relié par une canalisation de gaz à un trou d'économiseur (13) disposé sur le compresseur et par une seconde canalisation de liquide à un évaporateur (18) relié à l'aspiration dudit compresseur, l'économiseur centrifuge étant lui-même constitué d'un rotor (8) tournant dans un carter fixe (6) muni de trois orifices respectivement reliés à la vanne d'expansion, au trou d'économiseur et à l'évaporateur et caractérisé en ce que la canalisation de liquide comporte un rétrécissement (17) dont la section est choisie pour que, pour les rapports de pression les plus élévés vus par le système frigorifique en fonctionnement permanent, le débit de gaz s'échappant avec le liquide ne dépasse pas 20 % du débit de gaz retournant au trou d'économiseur.