Brevet FR2591724A1 — publié le 19870619

$59 1724 REFRIGERATEUR-CONGELATEUR COMPORTANT DES MOYENS DE DESHUMIDIFICATION DE L'AIR POUR LE DEGIVRAGE L'invention se rapporte à un réfrigérateur- congélateur, en particulier à un réfrigérateur-armoire et/ou à un congélateur-armoire à usage ménager, dont le volume utilisable est refroidi par un générateur de froid à la manière d'un circuit d'air froid, dans lequel de l'air, aspiré du volume utilisable et se trouvant au plus haut niveau de temp6rature, est refroidi après la compression, dans un échangeur de chaleur exposé à lVair ambiant approximativement jusqu'à la température de celui-ci et, après détente consécutive et refroidissement, ainsi provoqué, à une température en-dessous du niveau de température le plus bas, est ramené au volume utilisable, des moyens de déshumidification de l'air en circulation étant prévus dans le circuit. Dans les r6frigérateurs-congélateurs du type dont il est question ici, l'air atmosphérique utilisé comme fluide de travail circule en circuit ouvert. Comme cet air est en l'occurence en mesure d'absorber de la vapeur d'eau provenant de l'environnement et des produits à réfrigérer ou à congeler, des cristaux de glace se forment aux basses températures régnant derrière l'étage d'expansion. Il y a donc risque que ceux-ci se détachent derrière l'étage d'expansion et se déposent sous forme de givre ou de glace perturbant considérablement le fonctionnement du circuit d'air froid. Dans les réfrigérateurs-congélateurs connus du type précit&, on prévoit donc des séparateurs à labyrinthe ou à cyclone qui éliminent du courant d'air les cristaux de glace se formant derrière l'étage d'expansion. Les cristaux de glace éliminés sont ensuite dégelés et évacués du système sous la forme d'eau de dégivrage. Lorsque, en pareil cas, on utilise une turbine à expansion en tant qu'étage d'expansion, la formation de givre est cependant incontrôlable. Comme celle-ci dépend, par exemple, de l'indice de germination de l'air en circulation, du sous-refroidissement. local, des conditions d'écoulement locales, de la température et de l'humidité de l'air, il est possible que des cristaux de glace - à l'inverse du cas normal o ils n'apparaissent que derrière en raison de leur vitesse de croissance finale - puissent déjà se former à l'intérieur de la couronne d'aubes de la turbine à expansion. S'il se forme alors des cristaux de glace compacts qui sont déplacés à grande vitesse relative, il y a risque que ceux-ci soient à l'origine de contraintes mécaniques et de d6tériorations aussi bien des aubes mobiles que des aubes directrices de la turbine à expansion. L'invention a pour objet de supprimer de façon simple et efficace les risques résultant des précédentes considérations. Ce résultat est atteint selon la présente invention par le fait que, pour la déshumidification du courant d'air en circulation, on utilise un échangeur de chaleur supplémentaire dans lequel l'air aspiré de la chambre de congélation et se trouvant au niveau de température supérieur est séché à l'aide de l'air froid détendu par condensation de l'humidité absorbée sur les surfaces de l'échangeur de chaleur. Grâce à l'échangeur de chaleur supplémentaire monte selon l'invention dans le circuit, on a l'assurance que l'air en circulation ne parvient qu'à l'état séché dans la turbine d'expansion, si bien qu'aucun cristaux de glace ne peut plus s'y former. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'échangeur de chaleur supplémentaire se présente sous la forme d'un échangeur de chaleur à plaques à courants inversés avec plaques disposées verticalement et dont le distributeur d'extr&mité sous- jacent comporte une évacuation pour l'eau de condensation de dégivrage. Dans un mode de réalisation simplifie selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le distributeur d'extrémité inférieur de l'échangeur de chaleur à plaques à courants inversés, comporte une pente allant en descendant vers la vidange. Une possibilité particulièrement simple de raccourcir le temps de dégivrage consiste, selon une autre particularité avantageuse de l'invention, à doter les plaques de l'échangeur de chaleur d'un chauffage de dégivrage. Selon une autre variante de l'invention, l'échangeur de chaleur à plaques à courants inversés peut comporter deux sections pouvant être commutées à volonté dans le courant d'air et- thermiquement séparées l'une de l'autre. Cet agencement permet, de façon simple, un fonctionnement continu du réfrigérateur-congélateur selon l'invention. Cela peut se faire de façon particulièrement $9%1?24 efficace, selon une autre conception de l'objet de l'invention, en commandant au moyen de clapets déflecteurs le trajet des courants d'air passant par les sections de l'échangeur de chaleur à plaques à courants inversés. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente schématiquement un circuit d'air froid d'un congélateur doté de l'échangeur de chaleur supplémentaire selon l'invention; la figure 2 représente dans un diagramme TS la courbe thermodynamique du processus idéal du circuit d'air froid avec l'échangeur de chaleur supplémentaire; les figures 3 à 5 représentent différentes vues de l'échangeur de chaleur supplémentaire réalisé sous la forme d'un simple échangeur de chaleur à plaques a courants inversés; la figure 6 représente un échangeur de chaleur à plaques à courants inversés commandé par clapets en tant que variante à l'exemple de réalisation selon les figures 3 à 5. Sur la figure 1, la référence K désigne la chambre de congélation d'un congélateur qui comporte de façon usuelle une carrosserie thermiquement isolée pouvant être fermée par une porte non représentée. Le congélateur est muni d'un générateur de froid à la manière d'un circuit d'air froid qui peut fonctionner en continu ou par intermittence. En cas de fonctionnement intermittent, la température de l'air dans la chambre de congélation K augmente pendant les temps d'inaction du générateur de froid. Cela est dû aussi bien à l'apport de chaleur venu de l'extérieur à travers l'isolation 1S9 17t4 thermique de la carrosserie que de la pénétration de l'air extérieur lors de l'ouverture de la porte, de même qu'aussi de l'énergie thermique introduite dans la chambre de congélation K par les produits à congeler récemment stockés. Lorsque la température de l'air à l'intérieur du congélateur augmente jusqu'au point d'enclenchement supérieur d'un thermostat non représenté, cela a pour effet de fermer le circuit électrique d'un moteur EM qui entraîne un turbo-groupe combiné constitué d'une turbine à compression V à grande vitesse et d'une turbine à expansion E. L'air se trouvant à l'état 0 est alors aspiré de l'espace interne de la chambre de congélation K et traverse un échangeur de chaleur supplémentaire A dans lequel son état passe à l'état O' de la façon décrite ci-dessous. Dans cet état, il passe ensuite sur le côté froid d'un échangeur de chaleur interne VTI. A la sortie de cet échangeur de chaleur interne WTI, l'air parvient à l'état 1 à la turbine de compression V à partir de laquelle il arrive à l'état 2 dans un échangeur de chaleur externe WTA exposé à la température ambiante. Dans cet échangeur de chaleur externe WTA exposé à l'air ambiant, la température de l'air comprimé s'abaisse à l'état 3' au-dessus de la température ambiante. Les états de l'air désignés par des chiffres et se modifiant lors du passage à travers les différentes phases, correspondent ici aux états selon le diagramme TS de la figure 2. L'air quitte l'échangeur de chaleur externe ITA à l'état 3' et pénètre dans le côté chaud de l'échangeur de chaleur interne WTI dans lequel se produit un échange thermique avec l'air aspire du congélateur et amené à l'état O' dans l'échangeur de chaleur supplémentaire A. La température de l'air est alors abaissée à l'état 3. tS91724 Dans cet état 3, l'air est alors aspiré de l'échangeur de chaleur interne WTI par la turbine à expansion E dans laquelle il est détendu à l'état 4, sa température étant abaissée à environ -25 C. L'air froid se trouvant à l'état 5 est ensuite ramené à la chambre de congélation K par l'échangeur de chaleur supplémentaire A. Dans l'échangeur de chaleur supplémentaire A a lieu un échange thermique entre l'air chaud à l'état O aspiré de l'espace interne de la chambre de congélation K et l'air extrêmement froid à l'état 4 provenant de la turbine à expansion E. De ce fait, l'humidité absorbée par l'air-à l'état O dans l'espace interne de la chambre de congélation K se condense sous forme de givre dans l'échangeur de chaleur supplémentaire A, si bien que l'air quitte cet échangeur de chaleur séché à l'état O'. De cette façon, on exclut avec certitude toute possibilité de formation incontrôl6ée de cristaux de givre ou de glace dans ou derrière la turbine à expansion E, attendu que moyennant une conception appropriée de l'échangeur de chaleur A, l'air à l'état O peut être déshumidifié presque jusqu'à la température du point de rosée 4. L'échangeur de chaleur supplémentaire A est réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur à plaques à courants inversés comportant une enveloppe extérieure G et des plaques P disposées verticalement à l'intérieur, voir figures 3 à 6. L'air plus chaud et humide à l'état O provenant du volume utile de la chambre de congélation K traverse l'échangeur de chaleur supplémentaire A réalisé en forme de séparateur et entre en contact avec les plaques froides P dont la cavité est parcourue par le courant d'air froid à l'état 4 provenant de la turbine à tZ91724 expansion E. L'humidité absorbée par l'air dans la chambre de congélation se condense sous forme de givre sur les parois des plaques P de sorte que l'air est refroidi à l'état 0' et déshumidifi6. L'air froid à l'état 4 s'écoulant en courant inversé par rapport à l'air chaud s'échauffe à l'état 5 dans lequel il est insufflé dans le volume utilisable. Les plaques P réalisées sous forme de simples parois en tôle sont soudées ou serties dans des distributeurs d'extrémités EV et sont avantageusement suspendues à des pattes de retenue L. Aucune exigence très sévère n'est par ailleurs impos6e en ce qui concerne l'étanchéité, attendu que les pressions de l'air sont presque égales dans les états O et 4. Sur les arêtes des plaques, qui peuvent être également soudées ou serties, sont fixés des fils de chauffage électriques H qui sortent par une vidange d'eau sous-jacente S, puis en suivant une conduite d'évacuation ER. L'humidité provenant du courant d'air à l'état O et condensée sous forme de glace, s écoule par des perçages D lors du dégivrage et, peu au-dessus de la plaque de distribution inférieure EV qui est disposée obliquement pour l'écoulement de l'eau, traverse les À plaques P du côté de l'air à l'état O et arrive dans un tube R qui, au point le plus bas de la poche des plaques, traverse la plaque P du distributeur inférieur. Après cela, par exemple un tuyau flexible ER chauffé par Hi et en forme de siphon est raccordé à R pour amener l'eau, avec obturation hydraulique constituée par le siphon, à une cuvette d'évaporation non représentée en vue de la faire à nouveau évaporer. Le processus de dégivrage peut, soit être commandé en fonction du temps, soit être enclenché en cas de dépassement d'une chute de pression déterminée t891724 dans le courant d'air à l'état O et O', ou par contrôle optosensoriel de l'épaisseur du givre. A cet effet, le générateur de froid est arrêté et le chauffage électrique H mis en route. Le processus de dégivrage prend fin par mise hors circuit des chauffages de dégivrage H, soit en fonction du temps, soit par mesure de la température des surfaces des plaques P en cas de dépassement du point de congélation. Dans l'exemple de réalisation en variante de l'échangeur de chaleur supplémentaire A' dont une moitié seulement est représentée à la figure 6, il s'agit d'un séparateur dégivrable périodiquement dans lequel, à l'inverse de l'exemple de réalisation précédemment décrit, des systèmes de commnde à clapets KL, -côtés entrée et sortie, sont installés des deux côtés du passage de l'air. Ceux-ci sont constitués, selon la figure 6, par un entraînement par arbre W qui permet de déplacer alternativement le clapet KL entre les deux butées Al et A2. L'air à l'état O provenant du volume utilisable de la chambre de congélation K, traverse, dans l'exemple de réalisation représenté, les canaux d'air inférieurs et est refroidi et déshumidifié par l'air froid à l'état 4 s'écoulant en contre-courant dans les canaux d'air froid des plaques P. En pareil cas, le chauffage électrique Hl est branché dans la section supérieure, si bien que cette section est précisément soumise à un dégivrage. Pour éviter un transfert de chaleur entre les deux sections, une pièce isolante I, placée entre les deux moitiés, empêche également un passage de l'air à la hauteur du plan de l'arbre W. Le clapet déflecteur KL, qui est fabriqué en un matériau mauvais conducteur de la chaleur et qui est appliqué ici 2S91724 sur la butée Ai, empêche le passage de l'air dans l'autre moitié précisément en voie de dégivrage. Lorsque cette moitié est dégivrée, le chauffage électrique Hi - commandé par thermostat ou en fonction du temps - est arrêté, le côté d'entrée d'air est commuté avec un certain retard et le chauffage électrique H2 est mis en route. Ce processus se répète cycliquement. Dans ce cas, par ailleurs, le chauffage de la conduite d'évacuation peut aussi être assuré par la tubulure d'air chaud, attendu qu'elle doit être constamment maintenue en fonctionnement pour éliminer la glace de la vidange d'eau S. Dans l'autre moitié, non représentée, de l'échangeur de chaleur à plaques à courants inversés, est également disposé un clapet déflecteur qui est déplacé de façon analogue à celui représenté, mais en sens contraire. 2S9 17?4 REVENDICATIONS 1. Réfrigérateur-congélateur, en particulier réfrigérateur-armoire et/ou congélateur-armoire à usage ménager, dont le volume utilisable est refroidi par un générateur de froid à la manière d'un circuit d'air froid, dans lequel de l'air, aspiré du volume utilisable et se trouvant au plus haut niveau de température, est refroidi, après la compression, est dans un échangeur de chaleur exposé à l'air ambiant approximativement jusqu'à la température de celui-ci et, après détente consécutive et refroidissement, ainsi provoqué, à une température en-dessous du niveau de température le plus bas, est ramené au volume utilisable, des moyens de déshumidification de l'air en circulation étant prévus dans le circuit, caractérisé par le fait que, pour la déshumidification du courant d'air en circulation, on utilise un échangeur de chaleur supplémentaire (A,A') dans lequel l'air aspiré de la chambre de congélation (K) et se trouvant au niveau de température supérieur est séché à l'aide de l'air froid d'étendu par condensation de l'humidité absorbée sur les surfaces (P) de l'échangeur de chaleur. 2. Réfrigérateur-congélateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'échangeur supplémentaire est réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur à plaques à courants inversés avec plaques (P) disposées verticalement et dont le distributeur d'extrémité (EV) sousjacent comporte une évacuation (S,ER) pour l'eau de condensation de dégivrage. 3. Réfrigérateur-congélateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le distributeur d'extrémité inférieur (EV) de l'échangeur de chaleur à plaques à courants inversés comporte une pente allant en descendant vers la vidange (S). Z591724 il 4. Réfrigérateur-congélateur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que les plaques (P) de l'échangeur de chaleur à courants inversés sont munies d'un chauffage de dégivrage (HM. 5. Réfrigérateur-congélateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur à plaques à courants inversés (A') comporte deux sections qui peuvent être commutées à volonté dans le courant d'air et qui sont thermiquement séparées l'une de l'autre par une paroi isolante (I). 6. Réfrigérateur-congélateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le trajet des courants d'air passant par les sections de l'échangeur de chaleur à plaques a courants inverses (A') peut être commandé par des clapets déflecteurs (KL).