Brevet FR2692343A1 — publié le 19931217

La présente invention concerne un système frigorifique à compression bi-étagée. Jusqu'à présent on a utilisé, pour produire du froid à basse température, d'une manière centralisée, des systèmes frigorifiques à compression mono-étagée utilisant un frigorigène particulier à savoir le R502. Ce système frigorifique comporte un ensemble de compresseurs implanté dans une salle des machines d'où partent des canalisations de frigorigène liquide qui aboutissent à des évaporateurs où le frigorigène extrait de la chaleur, c'est-à-dire produit du froid généralement après une détente isenthalpe, après quoi les vapeurs de frigorigène sont aspirées par les compresseurs dans d'autres canalisations spécifiques.Pour des puissances frigorifiques allant de 100 à 300 kW à une température de -400C, puissances qui sont couramment rencontrées dans les hypermarchés, les évaporateurs sont des évaporateurs à détente directe où la surchauffe des vapeurs est contrôlée par des détendeurs thermostatiques parfois électroniques. Dans tous les cas le retour de l'huile des compresseurs qui est miscible avec le frigorigène, impose des dessins favorables des canalisations de vapeur. Ces systèmes frigorifiques à compression mono-étagée ont été utilisés jusqu'à présent d'une manière satisfaisante grace au fait que le frigorigène R502 permet, par suite de ses propriétés thermodynamiques spécifiques, de produire du froid dans des cycles à compression de vapeur mono-étagée pour des écarts de température de plus de 800C entre la source froide (évaporateur) et l'ambiance (condenseur). Or ce fluide ne pourra plus être utilisé à l'avenir dans les installations neuves, du fait de son agressivité envers la couche d'ozone. D'autres fluides frigorigènes qui sont peu ou pas agressifs à l'égard de l'ozone, peuvent être utilisés pour remplacer le R502 dans ces installations mais beaucoup d'entre eux (R22, ammoniac, R32 en particulier) présentent un échauffement considérablement plus important au refoulement du compresseur. Des niveaux de température supérieurs à 1500C entraînent des destructions catalytiques du mélange huilefrigorigène et sont donc inacceptables. Pour éviter un tel échauffement et également pour des raisons d'efficacité énergétique, il est désormais nécessaire de passer à une conception bi-étagée du système frigorifique centralisé. De nombreuses variantes de systèmes frigorifiques à compression bi-étagée existent à ce jour. Dans tous les cas un certain nombre de compresseurs dits "basse pression", effectuent, dans un circuit fermé à basse pression et basse température, appelé ci-après, en abrégé, "circuit basse pression", un cycle frigorifique à compression entre la pression des évaporateurs et une pression de condensation intermédiaire, et d'autres compresseurs, dits "haute pression", effectuent, dans un circuit fermé à haute pression et à haute température, appelé ci-après, en abrégé, "circuit haute pression" un cycle de compression entre cette pression intermédiaire et la pression de condensation liée à la condensation dans le milieu ambiant. Pour les fluides qui présentent une miscibilité avec les huiles, les systèmes frigorifiques à compression bi-étagée qui comportent une capacité intermédiaire où se mélangent directement le frigorigène du circuit haute pression et le frigorigène du circuit basse pression, créent une difficulté majeure pour le retour d'huile aux compresseurs basse pression. En effet les vapeurs revenant du circuit frigorifique utilisateur ramènent l'huile dans la capacité ou bouteille intermédiaire où cette huile est piégée et est très difficile à récupérer, du fait de sa miscibilité. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient en supprimant la capacité ou bouteille à pression intermédiaire dans un tel système frigorifique à compression bi-étagée et en la remplaçant par un échangeur particulier. A cet effet ce système frigorifique à compression biétagée comprenant au moins un compresseur basse pression branché en série, dans un circuit fermé à basse pression contenant un frigorigène, avec au moins un évaporateur produisant du froid, et au moins un compresseur haute pression branché en série, dans un circuit fermé à haute pression contenant un frigorigène, avec un condenseur, est caractérisé en ce qu'il comprend, entre les circuits basse pression et haute pression, un échangeur de chaleur intermédiaire à contre-courant comportant, dans le circuit basse pression, entre la sortie refoulement du compresseur basse pression et l'évaporateur, une section de désurchauffe en série avec une section de condensation et, dans le circuit haute pression, entre le condenseur et le côté aspiration du compresseur haute pression, des première et deuxième sections d'évaporation en série lesquelles sont disposées en relation d'échange thermique respectivement avec la première section de condensation et la section de désurchauffe du circuit basse pression. L'échangeur de chaleur intermédiaire qui est prévu, dans le système frigorifique suivant l'invention, entre les circuits basse pression et haute pression, permet de condenser les vapeurs du circuit basse pression sans que se produise un mélange entre le frigorigène du circuit haute pression et le frigorigène du circuit basse pression, et l'huile du ou des évaporateurs du circuit basse pression peut ainsi revenir vers le compresseur basse pression comme dans le cas d'un cycle à compression de vapeur mono-étagée. L'échangeur de chaleur est du type à contre-courant de manière à minimiser l'écart de température entre les deux circuits basse pression et haute pression. Par ailleurs les première et deuxième sections d'évaporation de l'échangeur sont contrôlées par un détendeur thermostatique ou électronique et ce contrôle, associé à des dispositions géométriques adéquates, permet un retour d'huile correct vers le ou les compresseurs haute pression. Suivant une forme d'exécution particulièrement avantageuse de l'invention l'échangeur de chaleur comporte, dans le circuit basse pression, une section de désurchauffe additionnelle branchée, en série, en amont de la première section de désurchauffe et, dans le circuit haute pression, une section de surchauffe additionnelle branchée, en série, en aval de la deuxième section d'évaporation, la section de désurchauffe additionnelle amont du circuit basse pression et la section de surchauffe aval du circuit haute pression étant disposées en relation d'échange thermique mutuel. L'échangeur de chaleur intermédiaire du système frigorifique suivant l'invention est avantageusement réalisé sous la forme de deux sous-ensembles distincts. Un premier sous-ensemble comprend la section de désurchauffe du circuit à basse température et basse pression et la seconde section d'évaporation du circuit à haute température et haute pression, associées en relation d'échange thermique, et éventuellement la section de désurchauffe additionnelle amont du circuit basse température et la section de surchauffe aval du circuit haute température, associées en relation d'échange thermique. Ce premier sous-ensemble permet de désurchauffer la vapeur de frigorigène sortant du ou des compresseurs basse pression.Le second sous-ensemble de l'échangeur de chaleur comprend la section de condensation du circuit à basse température et basse pression et la première section d'évaporation du circuit à haute température et haute pression, associées en relation d'échange thermique. Ce second sous-ensemble, comprenant la partie évaporateur-condenseur de l'échangeur, peut être soumis à des niveaux de température inférieurs à la température de rosée de l'air ou de givre de l'air. Dans ce cas il est avantageux d'enfermer ce second sous-ensemble, c'est-à-dire la partie évaporateur-condenseur dans une boite étanche anhydre, cette boite étant soit sous vide, soit remplie d'un gaz anhydre tel que par exemple de l'air ou de l'azote. La séparation de l'échangeur de chaleur en deux sousensembles permet d'éviter que les dilatations thermiques associées aux grands écarts de température soient appliquées sur la totalité de l'échangeur. De plus le premier sousensemble, assurant la désurchauffe de la vapeur de frigorigène dans le circuit à basse température et basse pression, permet de gérer au mieux la surchauffe du frigorigène à haute température. En effet, suivant les fluides employés, il peut être intéressant d'utiliser la surchauffe du frigorigène du circuit haute pression pour désurchauffer le frigorigène du circuit basse pression et le fait que cette partie de l'échangeur soit séparée permet un contrôle plus aisé de l'écart de température dans cette partie de l'échangeur à contre courant vapeur-vapeur. Par ailleurs on sait que les charges frigorifiques peuvent être fort variables et que la pression intermédiaire favorable est telle que le rapport entre les masses volumiques aspirées par l'ensemble haute pression et celles aspirées par l'ensemble basse pression est de l'ordre de 1/3, ce qui veut dire qu une variation du débit volumique basse pression entraîne une variation amplifiée du débit aspiré haute pression. On sait également qu'il faut éviter l'aspiration de liquide frigorigène par les compresseurs, quel que soit leur type. La conception de l'évaporateur-désurchauffeur doit être telle qu'il doit empêcher le retour de frigorigène liquide vers l'ensemble de compression haute pression.L'alimentation en liquide de cette branche évaporatrice peut être contrôlée à partir de la variation de température à la sortie de cet échangeur, qui est très rapide en fonction de la variation de la charge frigorifique de l'installation. Un capteur de température disposé à la sortie de l'échangeur surchauffeur-désurchauffeur fournit des indications rapides du fait de la grande sensibilité de cette partie de l'échangeur aux variations de la charge frigorifique et il permet ainsi un pilotage de la variation de vitesse du ou des. compresseurs haute pression. L'échangeur de chaleur intermédiaire comprenant d'une part un sous-ensemble évaporateur-condenseur et d'autre part un autre sous-ensemble évaporateur-désurchauffeur, avec éventuellement une partie additionnelle formant sur chauffeurdésurchauffeur, peut être utilisé avec un frigorigène identique dans les circuits basse et haute pression, tel que par exemple le R22 ou l'ammoniac. I1 peut être aussi utilisé avec deux frigorigènes différents dans les circuits basse et haute pression, par exemple du R125 ou du R23 dans le circuit basse pression et du R22, du R152a ou du R134a dans le circuit haute pression. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est un schéma d'un système frigorifique à compression bi-étagée suivant l'invention. La figure 2 est une vue schématique de l'échangeur de chaleur intermédiaire associé à un diagramme donnant la variation de la température en fonction de l'emplacement sur la surface de l'échangeur. Le système frigorifique à compression bi-étagée suivant l'invention, qui est représenté sur la figure 1, comprend deux circuits fermés contenant le même frigorigène ou des frigorigènes différents, à savoir un circuit 1 à basse température et à basse pression et un circuit 2 à haute température et à haute pression lesquels sont couplés par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur intermédiaire 3. Le circuit 1 à basse pression et basse température comprend, dans le sens de circulation du frigorigène basse pression, au moins un compresseur basse pression 4, entraîné par un moteur électrique 5, une branche primaire 3a, à basse pression et à basse température, de l'échangeur de chaleur intermédiaire 3, dont l'entrée est reliée au côté refoulement du compresseur 4, un ou plusieurs évaporateurs 6, ayant chacun une puissance frigorifique Qo constituant des sources de froid, dont les entrées sont reliées en parallèle à la sortie de la branche primaire de l'échangeur de chaleur 3 et dont les sorties sont reliées en parallèle au côté aspiration du compresseur 4, et un détendeur 7 branché en amont de chaque évaporateur 6. Le circuit 2 à haute pression et à haute température comprend, dans le sens de circulation du frigorigène haute pression, au moins un compresseur haute pression 8 entraîné par un moteur électrique 9, un condenseur 11 ayant une puissance de condensation Qk, dont l'entrée est reliée au côté refoulement du compresseur 8 et dont la sortie communique avec un réservoir 12 de frigorigène liquide, et un détendeur 13 branché entre le réservoir 12 et l'entrée d'une branche secondaire 3b, à haute pression et haute température, de l'échangeur de chaleur intermédiaire 3, dont la sortie est reliée au côté aspiration du compresseur 8. La branche primaire 3a de l'échangeur de chaleur intermédiaire 3 comprend successivement, de son entrée vers sa sortie, c' est-à-dire de l'amont vers l'aval dans le sens de l'écoulement du frigorigène dans le circuit fermé 1, une section de désurchauffe 14, une autre section de désurchauffe 15 et une section de condensation 16. Par ailleurs la branche secondaire 3b de l'échangeur intermédiaire 3 comprend successivement de son entrée vers sa sortie, c'est-à-dire de l'amont vers l'aval dans le sens de circulation du frigorigène dans le circuit 2, une première section d'évaporation 17, une seconde section d'évaporation 18 et une section de surchauffe 19. La première section d'évaporation 17 et la section de condensation 16 sont couplées thermiquement, c'est-à-dire sont en relation d'échange thermique, de manière à constituer un sous-ensemble évaporateur-condenseur 21.La seconde section d'évaporation 18 et la section de désurchauffe 15 sont couplées thermiquement, c'est-à-dire sont en relation d'échange thermique de manière à constituer un autre sousensemble évaporateur-désurchauffeur 22. Enfin la section de surchauffe 19 et la section de désurchauffe additionnelle 14 peuvent être prévues en plus pour constituer un sous-ensemble surchauffeur-désurchauffeur 23. D'après la description qui précède, on voit que l'échangeur de chaleur intermédiaire 3 permet de condenser la vapeur du frigorigène dans le circuit 1 à basse pression et à basse température, sans qu'il y ait un mélange entre le frigorigène à haute pression et le frigorigène à basse pression. L'huile du ou des circuits évaporateurs basse pression 6 peut ainsi revenir vers le ou les compresseurs basse pression 4, comme dans un circuit à compression monoétagée. Le diagramme représenté dans la partie inférieure de la figure 2 indique la variation de la température T des frigorigènes s'écoulant dans les branches primaire 3a et secondaire 3b de l'échangeur de chaleur intermédiaire 3. La température du frigorigène circulant dans le circuit 1 à basse pression et basse température est indiquée par la courbe T1 tandis que celle du frigorigène circulant dans le circuit 2 à haute pression et haute température est indiquée par la courbe T2. La courbe T1 de la température du frigorigène basse température est tracée en trait mince, de meme que les éléments constituant la branche primaire 3a de l'échangeur de chaleur 3 disposée dans le circuit 1 à basse pression et basse température.La courbe T2 de la température du frigorigène haute température est, elle, tracée en trait épais, de même que les éléments constitutifs de la branche secondaire 3b de l'échangeur de chaleur 3 dans le circuit 2 à haute pression et haute température. La température T est portée en ordonnée tandis qu'en abscisse est indiquée la distance x entre le point xl correspondant à l'entrée de la branche primaire 3a et à la sortie de la branche secondaire 3b, et le point x2 correspondant à la sortie de la branche primaire 3a et à l'entrée de la branche secondaire 3b. Les plages D et C du diagramme de la figure 2 correspondent respectivement à la désurchauffe et à la condensation du frigorigène basse température, tandis que les plages E et S du diagramme correspondent respectivement à l'évaporation et à la surchauffe du frigorigène haute température. Le sous ensemble évaporateur-condenseur 21, lequel comprend la première section d'évaporation 17 et la section de condensation 16, peut être soumis, en cours d'utilisation, à des niveaux de température inférieurs à la température de rosée de l'air ou de givre de l'air. Dans ce cas il peut être avantageux d'enfermer ce sous-ensemble évaporateur-condenseur 21 dans une boîte étanche anhydre 24, cette boîte étant soit sous vide, soit remplie d'un gaz anhydre tel que l'air ou l'azote. Le sous-ensemble évaporateur-désurchauffeur 22, constitué de la seconde section d'évaporation 18 et de la section de désurchauffe 15, peut être, lui aussi, logé dans une enceinte indépendante, de même que le sous-ensemble surchauffeur-désurchauffeur 23 constitué de la section de surchauffe 19 et de la section de désurchauffe additionnelle amont 14. Pour empêcher le retour de frigorigène liquide vers le compresseur haute pression 8, on contrôle, dans le système frigorifique suivant l'invention, l'alimentation de la branche évaporatrice secondaire 3b en fonction de la variation de la température à la sortie xl de l'échangeur, dans le circuit haute pression 2, variation qui est très rapide en fonction de la variation de la charge frigorifique du système. A cet effet un capteur de température 25 est branché à la sortie du sousensemble surchauffeur-désurchauffeur 23 pour mesurer la température du frigorigène haute pression à cet endroit laquelle varie d'une manière très sensible en fonction des variations de la charge frigorifique, et ce capteur de température est relié à la commande du moteur électrique 9 entraînant le compresseur 8, afin de faire varier corrélativement la vitesse du compresseur haute pression. REVENDICATIONS 1.- Système frigorifique à compression bi-étagée comprenant au moins un compresseur basse pression (4) branché en série, dans un circuit fermé (1) à basse pression contenant un frigorigène, avec au moins un évaporateur (6) produisant du froid, et au moins un compresseur haute pression (8) branché en série, dans un circuit fermé (2) à haute pression contenant un frigorigène, avec un condenseur (11), caractérisé en ce qu'il comprend, entre les circuits basse pression et haute pression, un échangeur de chaleur intermédiaire (3) à contrecourant comportant, dans le circuit basse pression (1), entre la sortie refoulement du compresseur basse pression (4) et l'évaporateur (6), une section de désurchauffe (15) en série avec une section de condensation (16) et, dans le circuit haute pression (2), entre le condenseur (11) et le côté aspiration du compresseur haute pression (8), des première et deuxième sections d'évaporation (17,18) en série lesquelles sont disposées en relation d'échange thermique respectivement avec la première section de condensation (16) et la section de désurchauffe (15) du circuit basse pression. 2.- Système frigorifique suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte, dans le circuit basse pression (1), une section de désurchauffe additionnelle (14) branchée, en série, en amont de la première section de désurchauffe (15) et, dans le circuit haute pression (2), une section de surchauffe additionnelle (19) branchée, en série, en aval de la deuxième section d'évaporation (18), la section de désurchauffe additionnelle amont (14) du circuit basse pression (1) et la section de surchauffe aval (19) du circuit haute pression (2) étant disposées en relation d'échange thermique mutuel. 3.- Système frigorifique suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur intermédiaire (3) est réalisé sous la forme de deux sous-ensembles distincts, à savoir un premier sous-ensemble (22) comprenant la section de désurchauffe (15) du circuit à basse pression (1) et la seconde section d'évaporation (18) du circuit haute pression, associées en relation d'échange thermique, et un second sous-ensemble (21) comprenant la section de condensation (16) du circuit à basse pression (1) et la première section d'évaporation (17) du circuit haute pression (2), associées en relation d'échange thermique. 4.- Système frigorifique suivant la revendication 3 caractérisé en ce que le second sous-ensemble (21) est enfermé dans une boîte étanche anhydre (24), cette boite étant soit sous vide, soit remplie d'un gaz anhydre. 5.- Système frigorifique suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qutil comporte un capteur de température (25) pour détecter la température du frigorigène du circuit haute pression (2) à la sortie de l'échangeur de chaleur intermédiaire (3) et pour piloter la variation de vitesse d'un moteur (9) entraînant le compresseur haute pression (8).