Brevet FR2603666A1 — publié le 19880311

Il est connu de réaliser des compresseurs rotatifs munis d'injections liquides. Ces compresseurs peuvent par exemple être du type à palettes, monovis ou à double vis. Le liquide injecté dans le compresseur peut être par exemple de l'huile, de l'eau ou du gaz condensé dans le cas des compresseurs frigorifiques. Ce liquide provient d'une source haute pression dont la pression est créée par le compresseur lui-même. Par exemple cette source peut etre un ballon où l'huile est séparée par gravité du gaz comprimé, ou ce peut être le condenseur d'un système frigirifique. Fondamentalement le liquide sert à refroidir le compresseur parfois, lorsque c'est de l'huile, il lubrifie et étanche également le compresseur. La position de l'orifice d'injection (ou des orifices, par exemple dans le cas du compresseur monovis qui comporte deux chambres de compression opposées et peut donc recevoir deux orifices au moins, éventuellement disposés symétriquement) est importante pour le rendement. Si l'orifice est disposé dans le carter du compresseur près de l'extrémité basse pression, le rendement est abaissé ; en effet, le liquide contient une quantité importante de gaz, ce qui est particulièrement vrai dans les systèmes frigorifiques où le condensat issu du condenseur injecté à une pression voisine de l'aspiration flashe. Le gaz issu du dégazage du liquide ou du flash peut réduire la quantité de gaz aspiré ; il doit être recomprimé et réduit donc le rendement. Il est donc avantageux de déplacer l'orifice d'injection vers l'extrémité haute pression du carter de façon à éliminer la réduction volumétrique et aussi à réduire le travail de recompression. Mais, dans des compresseurs utilisés à des taux de compression variables entre aspiration et échappement, tels les compresseurs frigorifiques, il peut arriver que la pression de refoulement devienne égale ou inférieure à la pression moyenne face à l'orifice d'injection et en ce cas l'injection liquide s'arrente ; comme le compresseur n'est plus refroidi, cela peut conduire à son grippage. La présente invention se rapporte à un compresseur volumétrique rotatif comprenant un carter fixe muni d'une aspiration basse pression et d'un échappement haute pression pour ie gaz à comprimer, au moins deux orifices d'injection dans ledit carter, la pression moyenne du gaz en cours de compression face au premier orifice étant inférieure à celle face au second, chaque orifice étant relié à une source de liquide haute pression par des conduites, et caractérisé en ce que au moins la conduite reliée au premier orifice d'injection est munie d'une vanne de commande comportant un dispositif d'obturation arrêtant le débit de liquide quand la pression différentielle entre la pression moyenne face au premier orifice d'injection et la pression d'échappement dépasse un seuil prédéterminé. L'injection à la pression la plus faible peut être disposée dans le carter de telle sorte que la pression moyenne de la chambre qui lui fait face soit voisine de la pression d'aspiration, ou elle peut même être disposée dans l'aspiration du compresseur de sorte que l'orifice voie uniquement la pression d'aspiration. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après et du dessin joint donné à titre d'exemple non-limitatif et où - la figure 1 est une coupe d'un compresseur nu selon figure 2 - la figure 2 est le schéma d'un circuit frigorifique incorporant un compresseur nu selon l'invention - la figure 3 est une coupe de la vanne de commande de la figure 2 - la figure 4 est un diagramme montrant le fonctionnement de l'invention sous diverses conditions de pression. On voit sur la figure 1 la coupe d'un compresseur volumétrique rotatif du type à palettes ; mais l'invention pourrait s'appliquer sans changement, à d'autres compresseurs volumétriques rotatifs tels que les compresseurs monovis ou à double vis. Le compresseur consiste en un carter 1 dans lequel tourne, dans le sens de la flèche 4, un rotor 2 portant des palettes 3. Le carter comporte une aspiration basse pression 5 par laquelle le gaz à comprimer entre dans le compresseur ; ce gaz est refoulé par l'échappement 7 à la haute pression. Le carter comporte aussi deux orifices d'injection 8 et 9 par lesquels on peut injecter du liquide. Ces orifices sont disposés en des emplacements différents du carter, l'orifice 8 se trouvant dans une zone où la compression vient de commencer, l'orifice 9 se situant plus loin dans le cycle de compression en un point où la pression moyenne dans le carter, face à l'orifice, est en conséquence supérieure à celle homologue de l'orifice 8. L'orifice 8 pourrait être disposé dans l'aspiration ou dans la conduite qui y mène le gaz sans changer la nature de l'invention. La figure 2 montre comment un compresseur selon l'invention s'intègre dans un système frigorifique classique. Le compresseur de la figure 1 est représenté en 10 ; entrainé par un moteur non représenté, il refoule le gaz comprimé dans un condenseur 11 relié à une vanne de détente 12 et un évaporateur 13 d'où le gaz retourne à l'aspiration. Une partie du condensat est reprise à l'extrémité du condenseur par les conduites 14 et 15 reliées respectivement aux orifices d'injection 8 et 9. Sur la conduite 14 on a disposé une vanne 16 qui comporte des moyens d'obturation pour arrêter le débit de liquide dans la conduite 14 quand l'écart entre la pression à l'échappement 7 et la pression face à l'orifice 8 dépasse une valeur prédéterminée. La figure 3 repésente une vanne conçue pour obtenir cet effet, mais il est clair qu'il existe une multitude de dispositifs équivalents conduisant au même résultat. La figure 3 est composée de deux demi-coupes, celle de gauche représentant la vanne ouverte et celle de droite fermée. La direction du débit liquide est figurée par la flèche 17. On voit un dispositif d'obturation 18 mobile axialement et de forme cylindrique. Un ressort 19 le maintient normalement en position ouverte. La section de la conduite 14 est choisie de sorte que la pression du liquide en amont de la vanne soit sensiblement celle du condenseur 11, elle-même voisine de la pression au refoulement en 7. De façon analogue la section de la conduite aval est choisie suffisante pour que la pression y soit voisine de la pression moyennne dans l'orifice 8. La perte de charge est donc assurée par le passage entre 20 et 21, de sorte que l'obturateur 18 soit exposé sur la section 22 à une pression différentielle dpi sensiblement égale à l'écart entre la pression d'échappement et la pression moyenne dans l'orifice 8, et qu'il ferme la vanne lorsque la force créée par cette pression différentielle dépasse la force de compression du ressort. Cette vanne est donc construite comme un anti-retour, maintenu ouvert par le ressort et orienté dans la conduite de manière à se fermer lorsque la haute pression du liquide augmente. Lorsque l'obturateur 18 se ferme, il repose par un anneau 23 sur la face 24 de l'enveloppe de la vanne ; ledit anneau 23 a une section supérieure à la section 22 ; ainsi, une pression différentielle dp2 inférieure à dpl est nécessaire au ressort 19 pour ouvrir la vanne. Ce détail évite à la vanne de battre lorsque la pression différentielle atteint les seuils d'ouverture ou de fermeture. La figure 4 montre le fonctionnement de cette vanne sur un diagramme où les abscisses représentent les pressions d'aspiration et les ordonnées, à une échelle différente, les pressions d'échappement. Le contour 25 représente les conditions de pression limite dans lesquelles le compresseur est prévu de fonctionner, les régimes de fonctionnement se situant à l'intérieur du contour ; typiquement, pour un système frigorifique utilisé par exemple pour le conditionnement d'air avec le réfrigérant R22, les pressions absolues d'aspiration se situeraient entre un maximum de 7 et un minimum de 1,5 bars, la pression maximum absolue de refoulement à 28 bars, etc .., correspondant aux sections 26, 27 et 28 respectivement du contour 25. On peut représenter sur ce diagramme la pression moyenne face à l'orifice 9 par la ligne 29. Il est clair, au vu du diagramme, qu'il est impossible d'injecter du liquide à travers l'orifice 9 pour toute pression de refoulement située au-dessous de la ligne 29 ; pour que l'injection se produise, il faut même que cette pression de refoulement dépasse la pression de la ligne 29 d'une certaine valeur, par exemple 1 ou 2 bars. La ligne 30 représente la pression moyenne du gaz face à l'orifice 8 ; lorsque cet orifice débouche dans l'aspiration, cette pression est égale à la pression d'aspiration. La ligne 31 représente la pression de refoulement à laquelle la vanne 16 s'ouvrira lorsque la pression de refoulement baissera (ou la pression d'aspiration augmentera) et la ligne 32 la pression de refoulement à laquelle elle se fermera lorsque la pression de refoulement augmentera (ou la pression d'aspiration baissera). La pression différentielle entre les lignes 30 et 31 est égale à la force du ressort 19, divisée par la section couverte par l'anneau 23 et la pression différentielle entre 30 et 32 est approximativement égale à la force du ressort divisée par la section 22. (Il y a quelques écarts minimes en pratique, dus aux pertes de charge hydrodynamiques et au fait que les pressions amont et aval de la vanne ne sont pas identiques aux pressions de refoulement et moyenne de l'orifice 8). On notera que la ligne 31 se situe, à l'intérieur du contour 25, au-dessus de la ligne 29 avec un écart égal ou supérieur à la pression différentielle minimale à travers l'orifice 9 jugée nécessaire pour assurer un fonctionnement sûr du compresseur. Le compresseur fonctionne alors comme suit - quand la pression de refoulement dépasse la ligne 32, la vanne 16 est fermée et l'injection n'a lieu que par l'orifice 9, - quand la pression de refoulement est inférieure à la ligne 31, la vanne 16 est ouverte et l'injection a lieu par l'orifice 8, - lorsque la pression de refoulement se situe entre les lignes 31 et 32, la vanne 16 est ouverte si le compresseur vient d'une pression inférieure à 31 et fermée s'il vient d'une pression supérieure à 32. Donc l'orifice d'injection 8 ne peut s'ouvrir que dans les conditions figurées par l'aire hachurée 33. On peut remarquer qu'il ne s'ouvre que pour des pressions de refoulement et pour des taux de compression faibles, les taux de compression les plus élevés étant obtenus dans la partie supérieure gauche du contour 25. Or il est connu que plus la pression moyenne face à un orifice d'injection est élevée, moins les pertes dues à cette injection sont importantes. En particulier dans les compresseurs frigorifiques, l'injection de liquide, qu'il s'agisse d'huile ou de condensat, apporte au compresseur une grande quantité de gaz qui, s'il est injecté près de l'aspiration, diminue le volume de gaz utile aspiré et, en conséquence, le rendement volumétrique ; même s'il est injecté dans une chambre de compression déjà isolée de l'aspiration, ce gaz qui flashe à l'injection doit être recomprimé, ce qui entraine un travailsupplémentaire ; plus la pression dans la chambre s'approche de la pression de refoulement, moins ce travail est important. C'est pourquoi l'injection par l'orifice 9 améliore le rendement par rapport à celle par l'orifice 8. A titre d'exemple, un compresseur monovis balayant environ 3000 litres/minute de R22, au taux de compression de 6 et injecté de réfrigérant liquide, peut voir son rendement s'améliorer de 10 pour cent si la pression face à l'orifice d'injection est amenée de 1,lui fois la pression d'aspiration à 1,9 fois. La présente invention procure cette possibilité tout en assurant que même à des taux de compression voisins de 1,9 ou même inférieurs, l'injection de liquide sera assurée, et qu'en conséquence le compresseur continuera à être refroidi et qu'aucun grippage, dû à un échauffement du compresseur par manque de fluide refroidissant, ne se produira. On notera que si les conditions de fonctionnement avec l'orifice 8 n'apportent pas le même rendement, elles ne se produisent que pour des taux de compression plus réduits, où les avantages de l'orifice 9 sont fortement réduits (du fait du taux de compression réduit du compresseur, le travail supplémentaire de recompression diminue) ainsi, pour l'ensemble de l'aire 33, dans l'exemple donné ci-dessus, l'avantage de l'orifice 9 par rapport à l'orifice 8 n'est que de quelques pour cent. D'autre part, la pression de refoulement étant plus basse, ces pertes se produisent lorsque le compresseur consomme peu de puissance et donc leur influence sur le rendement global du compresseur (par exemple tel que mesuré aux Etats Unis selon le rapport SEER "taux saisonnier de rendement énergétique/seasonal energy efficiency ratio") devient négligeable. Comme perfectionnement supplémentaire de la présente invention, on peut installer une soupape anti-retour sur la conduite 15, qui évitera que le débit dans cette conduite ne s'inverse et que le gaz ne circule du compresseur à travers la conduite 15 et de là à travers la conduite 14 et l'orifice 8 quand la pression à l'orifice 9 devient supérieure à la pression de refoulement ; un tel débit réduirait le débit d'injection par l'orifice 8, donc l'effet de refroidissement et augmenterait la quantité de gaz à recomprimer. En lieu et place d'une soupape anti-retour, il est aussi possible d'installer une vanne qui, de façon classique, est commandée par la vanne 16 et se ferme lorsque 16 s'ouvre et vice-versa. REVENDICATIONS 1. Compresseur volumétrique rotatif comprenant un carter fixe (1) muni d'une aspiration basse pression et d'un échappement haute pression pour le gaz à comprimer, au moins deux orifices d'injection dans ledit carter, la pression moyenne du gaz en cours de compression face au premier orifice (8) étant inférieure à celle face au second (9), chaque orifice étant relié à une source de liquide haute pression par des conduites, et caractérisé en ce que au moins la conduite (14) reliée au premier orifice d'injection (8) est munie d'une vanne de commande (16) comportant un dispositif d'obturation arrêtant le débit de liquide quand la pression différentielle entre la pression moyenne face au premier orifice d'injection et la pression d'échappement dépasse un seuil prédéterminé. 2. Compresseur volumétrique rotatif selon la revendication numéro 1 caractérisé en ce que ladite vanne de commande est une soupape anti-retour, dont le dispositif d'obturation (18) est soumis à l'effet d'un ressort (19) tendant à la maintenir ouverte, et dont l'orientation dans ladite conduite est fixée de manière à ce que la soupape se ferme lorsque la haute pression augmente. 3. Compresseur volumétrique rotatif selon la revendication numéro 1 caractérisé en ce que la conduite (15) alimentant l'orifice d'injection (9) situé à la pression supérieure comporte également une vanne à fermeture, et que des moyens soient disposés entre la vanne de commande et la vanne à fermeture de façon à fermer la vanne de fermeture quand la vanne de commande s'ouvre et à ouvrir la vanne de fermeture lorsque la vanne de commande se ferme. 4. Compresseur volumétrique rotatif selon la revendication numéro 1 caractérisé en ce que la conduite (15) alimentant l'orifice d'injection (9) situé à la pression supérieure comporte une soupape anti-retour.