Brevet FR2738331A1 — publié le 19970307

DISPOSITIF D'OPTIMISATION ENERGETIOUE D'UN ENSEMBLE DE REFRIGERATION A COMPRESSION ET A DETENTE DIRECTE La présente invention est relative à un dispositif de réfrigération à compression et à détente d'un fluide frigorigène. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication d'installation de réfrigération par compression et détente d'un fluide frigorigène. L'invention s'applique aux installations de réfrigération utilisant la compression et la détente d'un fluide frigorigène tel que par exemple un fluide chloro fluoro carboné (CFC). La présente invention s'applique à de telles installations qui comportent de manière connue, successivement raccordées en série sur un circuit de circulation du fluide frigorigène (qui essentiellement constitué de canalisations reliant les divers composants principaux) un ou plusieurs compresseurs, un ou plusieurs condenseurs, un réservoir tampon, un ou plusieurs détendeurs, un ou plusieurs évaporateurs. L'invention s'applique à de telles installations dans lesquelles la compression du fluide frigorigène est mono étagée, de meme que la détente, ou bien à des installations dites bi ou pluri étagée et éventuellement à plusieurs détentes. Un tel exemple d'installation de réfrigération à compression à deux étages est par exemple décrite dans le brevet EP424003 (Général Electric Company) qui est relatif à une installation de réfrigération pour réfrigérateur équipé d'un compartiment de congélation et d'un compartiment pour produits frais (qui doivent être maintenus à des températures différentes). La présente invention à pour objet d'améliorer les installations de réfrigération à compression et détente directe. La présente invention à plus particulièrement pour objectif de permettre des économies d'énergie et de faciliter l'adaptation et le fonctionnement de telles installations lorsque les conditions externes varient ; en effet, dans de telles installations, la chaleur produite par la condensation du fluide frigorigène, qui est évacuée par un fluide externe grâce à un échange thermique entre le fluide externe et le fluide frigorigène au niveau du ou des condenseurs, nécessite l'adaptation de l'installation à des conditions externes notamment dans le cas où le fluide externe utilisé est de l'air, et dans ce cas notamment dû aux variations climatiques de plus ou moins grandes amplitude et période. La présente invention s'applique notamment aux installations de réfrigération qui sont utilisées pour maintenir à basse température des chambres froides dans lesquelles est disposé un (ou plusieurs) évaporateur qui permet par échange thermique entre le fluide frigorigène circulant dans l'évaporateur et l'air de la chambre froide, de refroidir celles-ci. L'invention s'applique également à des installations de réfrigération pour supermarchés et grandes surfaces qui permettent d'alimenter en fluide frigorigène des vitrines d'exposition de produits alimentaires notamment, qui comportent chacune un évaporateur permettant de refroidir l'air circulant à l'intérieur des meubles ou vitrines d'exposition réfrigérés. Un problème existant dans de telles installations est que les détendeurs disposés en amont des évaporateurs et permettant de réguler le débit de fluide frigorigène introduit dans l'évaporateur (notamment les détendeurs thermostatiques), sont soumis à des conditions de fonctionnement variables lorsque la température de l'air extérieur utilisé par exemple pour l'évacuation de chaleur de condensation du fluide frigorigène varie. Plus particulièrement, de tels détendeurs sont équipés de moyens de réglage qui permettent de les adapter à des conditions de fonctionnement situés dans une certaine plage dans laquelle ces détendeurs doivent fonctionner de manière stable pour maintenir une pression d'évaporation sensiblement constante. Les variations climatiques notamment les variations de température d'air externe utilisées pour la condensation, entre les périodes hivernales et les périodes d'été, seraient susceptibles d'entraîner des variations importantes dans la différence de pression à laquelle est soumis le détendeur et par conséquent d'entraîner des dysfonctionnements de ces détendeurs ; la conséquence est que l'on maintient généralement en hiver une pression de condensation identique à celle pour un fonctionnement correct pendant les périodes d'été, ce qui nécessite de fournir (en hiver) un travail de compression qui est inutile et consommateur d'énergie. L'invention remédie aux inconvénients susmentionnés en procurant un dispositif de réfrigération à compression et à détente directe d'un fluide frigorigène, qui comporte - un ou plusieurs condenseurs pour la condensation dudit fluide frigorigène comprimé par échange thermique avec un premier fluide externe - un ou plusieurs réservoirs ou bouteilles pour l'accumulation ou le stockage tampon dudit fluide frigorigène condensé - un organe de détente de grande capacité qui est disposé entre la sortie dudit condenseur et l'entrée dudit réservoir -.un organe de régulation de la pression régnant dans ledit réservoir. En d'autre termes, I'invention procure un dispositif de réfrigération à compression et à détente d'un fluide frigorigène, qui comporte, raccordés successivement en série sur un circuit de circulation dudit fluide frigorigène - un ou plusieurs compresseurs pour la compression dudit fluide frigorigène à l'état gazeux - un ou plusieurs condenseurs pour la condensation dudit fluide frigorigène comprimé par échange thermique avec un premier fluide externe - un ou plusieurs réservoirs ou bouteilles pour l'accumulation ou le stockage tampon dudit fluide frigorigène condensé - un ou plusieurs détendeurs pour la détente dudit fluide frigorigène délivré par ledit réservoir ou bouteille - un ou plusieurs évaporateurs pour l'évaporation dudit fluide frigorigène par échange thermique avec un deuxième fluide externe - un organe de détente dudit fluide frigorigène qui est disposé sur une canalisation dudit circuit de circulation dudit fluide frigorigène, entre la sortie dudit condenseur et l'entrée dudit réservoir - un organe de régulation de la pression régnant dans ledit réservoir qui maintient une pression sensiblement constante, - un organe de régulation de la pression de condensation, qui fait varier cette pression en fonction des conditions extérieures (température du fluide utilisé pour la condensation) en l'abaissant dans la mesure du possible, en hiver notamment à une valeur peu supérieure à la pression régnant dans le réservoir. Selon des modes préférentiels de réalisation - ledit organe de détente est un détendeur à flotteur - ledit organe de régulation de pression est essentiellement constitué par une vanne disposée sur une canalisation de dégazage qui relie une partie supérieure dudit réservoir à un orifice ou une canalisation d'entrée ou d'aspiration dudit compresseur - I'ouverture de ladite vanne de régulation de pression est pilotée en fonction de la pression régnant en amont de ladite vanne, c'est à dire en fonction de la pression régnant dans ledit réservoir par un pilote ou régulateur de pression intégré à ladite vanne - plusieurs évaporateurs sont connectés en parallèle sur ledit circuit de circulation du fluide frigorigène, qui sont chacun équipé d'un détendeur individuel respectif; ; - deux compresseurs au moins sont raccordés en série et assurent une compression pluri-étagée, par exemple une compression à deux étages - le dispositif comporte un échangeur économiseur qui est alimenté en fluide frigorigène liquide délivré par ledit réservoir par l'intermédiaire d'un détendeur, et dont la sortie est raccordée à un orifice d'aspiration ou d'entrée (intermédiaire) d'un compresseur de préférence par l'intermédiaire d'un clapet anti retour - ledit organe de régulation de la pression régnant dans ledit réservoir ou bouteille est réglé pour maintenir dans ledit réservoir une pression du fluide frigorigène correspondant à une température de saturation comprise entre 10-C et 2O0C, par exemple voisine de 15'C - ledit premier fluide externe ou fluide de condensation est de l'air - ledit deuxième fluide externe ou fluide d'évaporation est de l'air. L'invention permet d'assurer un fonctionnement optimum et correct des détendeurs (thermostatiques notamment) d'alimentation des évaporateurs d'une installation de réfrigération, quelles que soient les conditions climatiques qui provoquent des variations de la pression de condensation. L'invention à notamment pour résultat de permettre de maintenir une pression d'alimentation constante des détendeurs et par conséquent, du fait qu'ils assurent généralement une pression d'évaporation constante, de faire "fonctionner" ces détendeurs sous une différence de pression sensiblement constante et permettent donc d'assurer un fonctionnement stable et d'éviter les dysfonctionnements des installations. L'invention a également pour résultat de permettre des économies d'énergie importantes en permettant d'abaisser la pression de condensation lorsque le fluide externe l'autorise et par conséquent en permettant d'abaisser l'énergie nécessaire à la compression du fluide frigorigène. Les nombreux avantages procurés par l'invention seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation d'installation de réfrigération selon l'invention. La figure 1 illustre schématiquement un circuit comportant les composants principaux d'une installation de réfrigération selon l'invention, dans laquelle la compression et la détente s'effectuent avec un seul étage, et dans lequel circuit sont prévus plusieurs évaporateurs connectés en parallèle sur ce circuit. La figure 2 est un diagramme enthalpique illustrant schématiquement le principe de fonctionnement en période hivernale de l'installation représentée figure 1 et illustrant plus particulièrement le cycle thermodynamique suivi ou effectué par le fluide frigorigène circulant dans l'installation de la figure 1. La figure 3 illustre schématiquement, de la même manière que la figure 2, une installation de réfrigération à compression étagée, qui est munie en outre d'un échangeur économiseur. La figure 4 est un diagramme enthalpique qui illustre de manière similaire à celui de la figure 2, le cycle thermodynamique suivi par le fluide frigorigène circulant dans l'installation de la figure 3. La figure 5 illustre en vue en coupe par un plan général de symétrie de l'appareil, un mode particulier de réalisation d'un régulateur à flotteur équipant une installation selon l'invention. Sur les diagrammes enthalpiques représentés aux figures 2 et 4, l'axe des abscisses représente l'enthalpie du fluide frigorigène et l'axe des ordonnées représente la pression du fluide frigorigène qui à titre d'exemple peut être du Fréon (marque déposée de Dupont de Nemours) vendue sous la dénomination "R22". On rappelle que pour de tels fluides, à l'intérieur de la courbe 7 de saturation de ce fluide, les isobares correspondent à des isothermes et par conséquent, à l'intérieur de cette courbe 7, dans la partie centrale de ces figures, les transformations du fluide frigorigène constituées par la condensation et l'évaporation, qui sont supposées s'effectuer à pression constante (respectivement repérées 48 et 45 et par exemple respectivement voisines de 106 Pascal et 105 Pascal dans le cas de la figure 4), s'effectuent également et par conséquent à température constante (par exemple respectivement voisines de 20-C et moins 30-C). Par références aux figures 1 et 3, l'installation comporte un ou plusieurs compresseurs 20, dont la sortie est raccordée par un tronçon de canalisation 10 à l'entrée d'un ou plusieurs condenseurs 21 permettant la condensation du fluide frigorigène circulant dans le circuit par échange thermique avec un fluide externe tel que de l'air. Le fluide frigorigène condensé sortant du condenseur est acheminé par un deuxième tronçon de canalisation 10 à un réservoir 23 formant une bouteille tampon contenant en partie inférieure le fluide frigorigène liquide et en partie supérieure le fluide frigorigène gazeux en équilibre avec la phase liquide. Le fluide frigorigène liquide délivré par la bouteille 23 est acheminé par une canalisation 10 jusqu'à un détendeur 24 alimentant un évaporateur 25 dans lequel le fluide frigorigène liquide s'évapore par échange thermique avec un fluide externe tel que de l'air. Le fluide frigorigène évaporé sortant de l'évaporateur est ensuite retourné au compresseur par un autre tronçon 10 de canalisation. Sur les figures 1 et 2, correspondant à une installation à un seul étage de compression et de détente (de mesure que sur les figures 3 et 4 correspondant à une compression bi-étagée) on a repéré par des repères 1, 2, 3, 4, 5, 6, les états successifs du fluide frigorigène circulant dans le circuit principal de réfrigération et effectuant un cycle thermodynamique de réfrigération. Ces repères (ainsi que les repères SA, 6A, 7, 8, 7A, 8A) sont portés sur les figures 1 et 3 au voisinage des portions du circuits où l'on observe ces différents états. Comme illustré figure 2, le fluide gazeux à l'état 1 est comprimé par le compresseur pour passer à un état 2 gazeux comprimé. La condensation du fluide de l'état 2 à l'état 3 est obtenu par le condenseur. Le passage de l'état 3 à l'état 4 du fluide frigorigène est obtenu par détente dans le détendeur à flotteur (repéré 22 sur la figure 1) qui est intercalé entre la sortie du condenseur 21 et l'entrée du réservoir 23 de fluide frigorigène (essentiellement liquide). Une partie (principale) du fluide frigorigène ayant traversé le détendeur à flotteur 22 est complètement condensé (à l'état liquide dans le réservoir 23) ce qui est représentée par le passage de l'état repéré 4 à l'état repéré 5 sur la figure 2, l'état 5 correspondant à un état sensiblement saturé du fluide frigorigène liquide. Le liquide formant la majeure partie du fluide frigorigène subit ensuite une détente dans le détendeur (repère 24 figure 1) qui le fait passer de l'état repéré 5 figure 2 à l'état repéré 6 sur cette figure, avant de s'évaporer (dans l'évaporateur à la pression 45) pour revenir à l'état 1 initial du cycle. Comme illustré figure 1, une canalisation 9 relie la partie supérieure du réservoir liquide 23 à l'entrée du compresseur 20, laquelle canalisation 9 comporte successivement une électrovanne 26 munie d'un pilote régulant le débit de dégazage traversant la vanne 26 et circulant dans la canalisation 9, pour maintenir une pression constante à l'intérieur du réservoir de liquide 23 ; un organe 27 de réglage manuel supplémentaire, peut être prévue sur la canalisation 9. La transformation (représentée figure 2 en traits interrompus) subie par le fluide frigorigène en phase gazeuse qui est prélevé à l'état SA à l'intérieur du réservoir 23 également représenté figure 2, est une détente dans les organes 26, 27 faisant passer le fluide frigorigène gazeux circulant dans la canalisation 9, de l'état SA à l'état 6A voisin de l'état 1 gazeux correspondant aux conditions d'aspiration du fluide frigorigène par le compresseur. Par référence aux figures 3 et 4, le fonctionnement de l'installation est similaire à celui déjà explicité par référence aux figures 1 et 2; cependant dans le cas des figures 3 et 4 la compression s'effectue à deux étages et comporte un état intermédiaire 2 (à une pression intermédiaire 49 ou moyenne pression) entre l'état 1 du fluide frigorigène à l'aspiration du premier étage et l'état 3 du fluide frigorigène comprimé et sortant du dispositif 20 de compression. Le fluide frigorigène à l'état 2 correspondant à la sortie du premier étage de compression du compresseur 20 subit un léger refroidissement par contact avec le fluide frigorigène gazeux délivré à l'état 8A ; cet état repéré 8A correspond à la sortie d'une part de la canalisation 9 de dégazage de la bouteille 23 comportant, de la même manière que représenté à la figure 1, l'électrovanne pilotée 26 et le régleur manuel 27 ; l'état repéré 8A correspond également à la sortie d'un clapet antiretour 30 disposé sur une canalisation 8 dans laquelle est inséré un échangeur 28 économiseur alimenté par la bouteille 23 par l'intermédiaire d'un détendeur 29. Dans la transformation subie par le fluide frigorigène dans cette canalisation 8 (qui est représentée par des traits interrompus sur la figure 4), le fluide frigorigène passe de l'état 6 correspondant à la sortie du réservoir de liquide 23 à l'état 7A par suite de la détente dans le détendeur 29, puis passe de l'état 7A à l'état 8A par évaporation dans l'économiseur 28 ; cette évaporation provoque ainsi le refroidissement aussi appelé sous refroidissement, (passage de l'état 6 à l'état 7), de la partie principale du fluide frigorigène qui passe dans la canalisation 10 et dans l'autre partie de l'économiseur, avant détente dans le détendeur principal 24 de l'installation. L'invention permet , lorsque l'air extérieur (fluide externe utilisé pour la condensation) est à une température par exemple voisine de 5iC correspondant à une pression repérée 46, en maintenant une pression 47 dans le réservoir 23 (par les moyens de régulation) correspondant par exemple à une température voisine de 15in, d'abaisser la pression 48 de condensation jusqu'à une valeur par exemple supérieure de 105 Pascal seulement à la pression 47. Dans le cas d'une compression bi étagée, la pression intermédiaire 49 est par exemple voisine de la moyenne géométrique des pressions d'aspiration (évaporation) 45 et de refoulement (condensation) 48, afin d'assurer un taux de compression par étage sensiblement identique. Par référence à la figure 5, le détendeur 22 à flotteur peut être essentiellement constitué par un corps ou virole cylindrique 33 fermé à une extrémité par un fond bombé 34 par exemple soudé au corps 33. L'appareil ou réservoir ainsi constitué peut être obturé à sa deuxième extrémité par un fond plat amovible 41 susceptible d'être fixé au corps 33 par des boulons et par l'intermédiaire d'une bride soudée au corps 33. Sur le fond plat 41 obturant le récipient, sont prévus des orifices d'entrée et sortie communiquant avec des raccordement d'entrée 40 et de sortie 39 du détendeur 22 à flotteur. Le fluide frigorigène pénétrant par l'orifice 40 dans le corps du détendeur 22, provoque le déplacement du flotteur 35 monté à l'extrémité d'un bras 36 pivotant selon un axe 37 perpendiculaire au plan de la figure ; le pivotement de ce bras 36 provoque le déplacement d'un clapet de sortie coopérant avec un ajutage ou orifice 38 de sortie ; le dispositif à flotteur permet ainsi de provoquer une détente du fluide frigorigène traversant le détendeur 22. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réfrigération à compression et à détente d'un fluide frigorigène, qui comporte - un ou plusieurs condenseurs (21) pour la condensation dudit fluide frigorigène comprimé par échange thermique avec un premier fluide externe, - un ou plusieurs réservoirs (23) ou bouteilles pour l'accumulation ou le stockage tampon dudit fluide frigorigène condensé, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - un organe (22) de détente de grande capacité qui est disposé entre la sortie dudit condenseur (21) et l'entrée dudit réservoir (23), - un organe (26) de régulation de la pression régnant dans ledit réservoir (23). 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel ledit organe de détente (22) est un détendeur à flotteur (35). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel ledit organe (26) de régulation de pression est essentiellement constitué par une vanne (26) disposée sur une canalisation (9) qui relie une partie supérieure dudit réservoir (23) à l'entrée d'un compresseur (20). 4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel l'ouverture de ladite vanne (26) est pilotée en fonction de la pression régnant en amont de ladite vanne, par un pilote ou régulateur de pression (43) intégré à ladite vanne (26). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 comportant plusieurs évaporateurs (25) connectés en parallèle sur ledit circuit de circulation du fluide frigorigène, qui sont chacun équipé d'un détendeur (24) individuel respectif. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 comportant au moins deux compresseurs (20) raccordés en série et assurant une compression pluri-étagée. 7. Dispositif selon la revendication 6 comportant en outre un échangeur économiseur (28) alimenté en fluide frigorigène liquide délivré par ledit réservoir (23) par l'intermédiaire d'un détendeur (29), et dont la sortie est raccordée à l'entrée d'un compresseur (20). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel ledit organe de régulation de la pression régnant dans ledit réservoir ou bouteille (23) est réglé pour maintenir dans ledit réservoir une pression (47) du fluide frigorigène correspondant à une température de saturation comprise entre 100C et 200C. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel dudit premier fluide externe ou fluide de condensation est de l'air. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel ledit deuxième fluide externe ou fluide d'évaporation est de l'air.