Brevet FR2775339A1 — publié le 19990827

Installation frigorifique à compression La présente invention concerne une installation frigorifique à compression du type comprenant au moins un compresseur, un condenseur refroidi par un médium de refroidissement, tel que de l'air ou de l'eau, et dont la température de condensation varie à l'intérieur d'une plage de températures prédéterminée en fonction de la température du médium de refroidissement, un détendeur thermostatique et un évaporateur à travers lesquels circule en circuit fermé et dans cet ordre un fluide frigorigène. Dans une machine frigorifique à compression, un fluide frigorigène se vaporise dans un évaporateur en enlevant de la chaleur au milieu extérieur. Un compresseur aspire les vapeurs formées et les refoule dans un condenseur, refroidi généralement par air ou par eau, dans lequel les vapeurs se liquéfient. Un détendeur laisse passer le frigorigène liquide vers l'évaporateur en abaissant sa pression. Le fluide est renvoyé, après évaporation, au compresseur. Dans une telle installation, on distingue la partie haute pression de l'installation entre compresseur et détendeur et la partie basse pression de l'installation entre détendeur et compresseur. La puissance du détendeur est fonction du delta P entre haute pression et basse pression. La basse pression est fixe puisqu'elle dépend de la température que l'on veut obtenir dans l'enceinte réfrigérée, les détendeurs étant des détendeurs thermostatiques. La haute pression, encore appelée pression de condensation élevée retenue, est quant à elle la haute pression maximale pouvant être atteinte lorsque la température maximale du médium de refroidissement du condenseur est atteinte. L'énergie consommée par le compresseur est proportionnelle au delta P. Pour diminuer cette consommation d'énergie, il serait donc intéressant de diminuer la haute pression. Cette haute pression diminue naturellement lorsque la température du médium de refroidissement du condenseur diminue. Cette température du médium de refroidissement peut être par exemple abaissée naturellement (en hiver, la nuit) ou au moyen de ventilateurs dans le cas de condenseurs à air. Toutefois, du fait des grandes variations de température du médium de refroidissement entre hiver et été, la température de condensation ne peut pas toujours être régulée avec précision. Dans ce cas, la puissance en entrée du détendeur varie de manière très importante. Le détendeur traditionnel est incapable d'absorber ces variations de pression et l'évaporateur n'est plus alimenté correctement. I1 faut donc, avec les installations classiques, maintenir toute l'année une haute pression forte par une régulation appropriée et donc consommer plus que nécessaire. Les industriels ont toutefois tenté de développer des installations frigorifiques dans lesquelles la température du médium de refroidissement du condenseur et par suite la température de condensation du fluide frigorigène varient librement à l'intérieur d'une plage prédéterminée. Une première solution a consisté à développer une installation frigorifique dans laquelle les détendeurs sont choisis pour fonctionner à une pression du fluide frigorigène correspondant à la pression maximale atteinte par ce fluide lorsque la température du médium de refroidissement du condenseur est maximale. Cette pression maximale est notamment atteinte en été pour un condenseur à eau ou à air. Les détendeurs ont donc été choisis pour être alimentés avec cette pression maximale. Toutefois, la température du médium de refroidissement descend en hiver. I1 devient alors nécessaire, pendant cette période, de ramener le fluide frigorigène à la pression maximale correspondant à celle obtenue en été de manière à obtenir une alimentation correcte des détendeurs. Pour ce faire, on dispose dans l'installation, en aval du condenseur sur le circuit de fluide frigorigène, une pompe de fluide frigorigène, cette pompe étant agencée pour comprimer le fluide frigorigène et le ramener ainsi à une pression identique à celle obtenue en été afin d'obtenir la pression optimale en entrée des détendeurs et une delta P sensiblement constante avec une température de condensation qui est malgré tout maintenue libre. Cette solution, bien qu'engendrant une économie d'énergie, s'avère toutefois onéreuse. Une autre solution consiste à développer des installations frigorifiques dans lesquelles on utilise des détendeurs à multi-orifices capables d'absorber une partie des variations de pression liées à la variation des températures du médium de refroidissement du condenseur. Toutefois, cette solution s'avère techniquement limitée car les détendeurs ne sont pas capables d'absorber l'ensemble des variations de pression dues aux variations de température. Par ailleurs, cette solution s'avère à nouveau onéreuse. Une autre solution est encore décrite dans le brevet FR-A2.748.799. Dans l'installation décrite dans ce document, on sous-refroidit de manière régulée le fluide frigorigène liquide d'une installation par actionnement des moyens de ventilation, dont le fonctionnement est asservi à la température extérieure et à la température ou à la pression de condensation. Le but de la présente invention est donc de proposer une installation frigorifique dont la température de condensation du fluide frigorigène varie librement à l'intérieur d'une plage de températures prédéterminée sans nuire au fonctionnement des détendeurs, cette installation frigorifique engendrant des économies d'énergie importantes par rapport à des installations classiques. A cet effet, l'invention a pour objet une installation frigorifique à compression du type comprenant au moins un compresseur, un condenseur refroidi par un médium de refroidissement tel que de l'air ou de l'eau et dont la température de condensation varie à l'intérieur d'une plage de température prédéterminée en fonction de la température du médium de refroidissement, un détendeur thermostatique et un évaporateur à travers lesquels circule dans cet ordre en circuit fermé un fluide frigorigène, caractérisée en ce que l'installation comporte, inséré sur le circuit du fluide frigorigène, entre condenseur et détendeur, au moins un réservoir à travers lequel circule ledit fluide frigorigène, ce réservoir étant en outre relié à l'aspiration du compresseur par une liaison équipée d'une vanne à seuil de pression, cette vanne s'ouvrant au-delà d'une pression de saturation prédéterminée du fluide frigorigène saturé dans le réservoir pour créer, par aspiration des vapeurs sèches par le compresseur, une détente primaire dans ledit réservoir. Grâce à la conception de cette installation frigorifique, la pression de saturation dans le réservoir est maintenue constante indépendamment de la température de condensation du condenseur de telle sorte que la puissance du détendeur peut être choisie de manière déterminée en fonction de la pression régnant à l'intérieur dudit réservoir. Il en résulte un fonctionnement optimum du détendeur et de l'évaporateur avec une puissance nécessaire du détendeur relativement faible. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le réservoir de fluide frigorigène comporte des moyens de régulation du niveau du fluide frigorigène liquide à l'intérieur dudit réservoir pour maintenir ce niveau à l'intérieur d'une plage de valeurs prédéterminée. Ces moyens de régulation du niveau de fluide frigorigène liquide à l'intérieur du réservoir ont notamment pour objet d'empêcher l'aspiration de liquide en entrée du compresseur par la liaison entre réservoir et compresseur. Ces moyens de régulation garantissent ainsi un fonctionnement sûr et fiable de l'installation dans le temps. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente une vue schématique d'une installation frigorifique conforme à l'invention et la figure 2 représente le diagramme enthalpique de l'installation représentée à la figure 1. L'installation frigorifique à compression représentée à la figure 1 est une installation dite à détente directe et à simple étage de compression. Cette installation frigorifique comprend au moins un compresseur 1, un condenseur 2 refroidi par un médium de refroidissement, généralement de l'air ou de l'eau, un détendeur thermostatique 3 et un évaporateur ll à travers lesquels circule dans cet ordre et en circuit fermé un fluide frigorigène. Une telle installation frigorifique est parfaitement classique. Elle peut être utilisée pour diverses applications telles que chambre froide ou de réfrigération, vitrines réfrigérées, etc. Le compresseur utilisé dans une telle installation est d'un type quelconque. Il peut notamment s'agir d'un compresseur centrifuge rotatif à vis ou à piston. De même, le condenseur peut être un condenseur à air, à serpentin immergé, à ruissellement ou autre. Le détendeur thermostatique est quant à lui un dispositif qui permet de modifier le débit massique d'un fluide en fonction de la température du fluide mesurée en aval de l'évaporateur. Il comprend donc un capteur de température qui pilote un organe de modification de débit massique de fluide. L'utilisation d'un détendeur thermostatique est parfaitement classique et a le mérite de créer des installations parfaitement fiables. La nature du fluide frigorigène est quant à elle déterminée en fonction du type et de la destination de l'installation. On peut citer à titre d'exemple de fluide frigorigène les chlorofluoro carbures, les mélanges azéotropiques, etc. La circulation du fluide frigorigène à travers les différents éléments de l'installation s'effectue en circuit fermé. En effet, chaque élément de l'installation est relié par l'intermédiaire d'une canalisation à un autre élément de l'installation de telle sorte que le fluide frigorigène circule de manière unidirectionnelle à travers lesdits constituants de l'installation et ce de manière telle qu'une circulation cyclique ou une recirculation du fluide frigorigène est possible. Le condenseur 2 refroidi par un médium de refroidissement condense le fluide frigorigène à une température de condensation variable fonction de la température du médium de refroidissement. Cette température de condensation varie librement à l'intérieur d'une plage prédéterminée généralement comprise entre [+l0 C - +40 C]. La borne haute de cette plage de température est maintenue à une valeur prédéterminée par des moyens de refroidissement du condenseur tels que des moyens de ventilation. Ces moyens de ventilation sont activés lorsque la température de condensation dépasse la valeur de +40 C. De la même manière, il est prévu des moyens de régulation de la température de condensation pour maintenir cette température au-dessus de +10 C. Ces moyens sont constitués, dans le cas d'un condenseur à air, par une régulation pressostatique asservie au fonctionnement des ventilateurs du condenseur. Cette régulation ouvre un ou plusieurs contacts en fonction du nombre d'étage de condensation afin de permettre une élévation de la température de condensation. Dans le cas d'un condenseur à eau, il est possible de réduire le débit d'eau traversant le condenseur par adjonction d'une vanne à eau pressostatique dont le rôle est de réguler le débit d'eau en fonction d'une pression. Il est ainsi aisé de maintenir la température de condensation à l'intérieur d'une plage prédéterminée. Ces variations de la température de condensation sont liées aux variations de températures entre saisons qui influent sur la température du médium de refroidissement. En effet, la température du médium de refroidissement pourra atteindre l'été 30 C, 40 C tandis que l'hiver elle sera de l'ordre de l0-C, 15 C. Pour que le détendeur ne soit par perturbé par cette variation de la température de condensation du fluide frigorigène qui génère une variation de la pression de saturation, l'installation comporte, inséré sur le circuit du fluide frigorigène, entre condenseur 2 et détendeur 3, au moins un réservoir 4 à travers lequel circule le fluide frigorigène. Ce réservoir 4 est de préférence isolé thermiquement. Ce réservoir 4 est en outre relié à l'aspiration du compresseur 1 par une liaison 5, telle qu'une conduite ou une canalisation, équipée d'une vanne 6 à seuil de pression. Cette vanne 6 s'ouvre au-delà d'une pression de saturation prédéterminée du fluide frigorigène saturé dans le réservoir 4 pour créer, par aspiration des vapeurs sèches par le compresseur 1, une détente primaire dans ledit réservoir 4. La pression de saturation du fluide frigorigène à l'intérieur du réservoir 4 est ainsi maintenue constante du fait de la création de cette détente. La pression de saturation prédéterminée, qui constitue la pression minimale seuil au-delà de laquelle la vanne 6 à seuil de pression s'ouvre, est la pression qui correspond à la température de condensation minimale de la plage de températures à l'intérieur de laquelle peut varier la température de condensation. Ainsi, dans l'exemple représenté, cette température de condensation est égale à l0iC. A l'inverse, la vanne 6 à seuil de pression est dimensionnée pour pouvoir répondre aux pressions les plus importantes, ces pressions intervenant en particulier l'été lorsque la température du médium de refroidissement est très élevée le jour. La vanne 6 à seuil de pression est donc configurée pour permettre le maintien d'une pression constante à l'intérieur du réservoir 4, y compris lorsque la température de condensation atteint la partie haute de la plage de températures prédéterminée du condenseur. Pour garantir un fonctionnement fiable et sûr de l'installation, le réservoir 4 de fluide frigorigène comporte des moyens de régulation 7, 8, 9 du niveau du fluide frigorigène liquide à l'intérieur dudit réservoir 4. Ces moyens de régulation ont pour objet de maintenir le niveau du fluide frigorigène liquide à l'intérieur d'une plage de valeurs prédéterminée. En effet, la fonction de ces moyens de régulation est d'empêcher l'aspiration de liquide par le compresseur, cette aspiration pouvant nuire gravement au fonctionnement de ce dernier. En conséquence, la liaison 5 entre réservoir 4 et compresseur 1 doit être telle que la portion de liaison 5 qui débouche dans le réservoir 4 est maintenue dans tous les cas au-dessus du niveau du fluide frigorigène liquide à l'intérieur dudit réservoir. Pour ce faire, les moyens de régulation 7, 8, 9 du niveau du fluide frigorigène liquide à l'intérieur du réservoir 4 sont constitués d'une vanne 8 généralement à impulsion disposée sur le circuit de circulation du fluide frigorigène entre condenseur 2 et réservoir 4 et d'un organe de mesure 7 du niveau de liquide dans le réservoir 4. Cet organe de mesure 7 du niveau de liquide peut par exemple être constitué par un flotteur. Cet organe génère un signal éventuellement amplifié par un amplificateur 9. Ce signal commande l'ouverture et la fermeture de la vanne 8. Le fonctionnement d'une telle installation est donc particulièrement simple. Pour faciliter la régulation du niveau du fluide frigorigène liquide à l'intérieur du réservoir 4, il peut être prévu, en aval du condenseur 2 et en amont du réservoir 4, un second réservoir 10 de fluide frigorigène, comme le montre la figure 1. De même, en cas de problème dans l'installation, il est prévu une liaison supplémentaire entre la sortie de ce second réservoir 10 et l'entrée du détendeur 3 de manière à pouvoir arrêter à tout moment le passage à travers le réservoir 4. Le diagramme enthalpique représenté à la figure 2 montre clairement l'intérêt d'une telle installation où le point E en sortie du réservoir 4 est maintenu toujours à une pression constante indépendamment de la température de condensation du condenseur 2. Dans ce diagramme, la section AB correspond à la compression, BC à l'étape de condensation, CD à l'étape de chute de la pression du fait de la vanne 6, DE au déplacement du fluide entre entrée et sortie de réservoir, EF à l'étape de détente et FA à l'étape d'évaporation. REVENDICATIONS 1. Installation frigorifique à compression du type comprenant au moins un compresseur (1), un condenseur (2) refroidi par un médium de refroidissement tel que de l'air ou de l'eau et dont la température de condensation varie à l'intérieur d'une plage de température prédéterminée en fonction de la température du médium de refroidissement, un détendeur thermostatique (3) et un évaporateur (11) à travers lesquels circule dans cet ordre un fluide frigorigène, caractérisée en ce que l'installation comporte, inséré sur le circuit du fluide frigorigène, entre condenseur (2) et détendeur (3) au moins un réservoir (4) à travers lequel circule ledit fluide frigorigène, ce réservoir (4) étant en outre relié à l'aspiration du compresseur (1) par une liaison (5) équipée d'une vanne (6) à seuil de pression, cette vanne (6) s'ouvrant au-delà d'une pression de saturation prédéterminée du fluide frigorigène saturé dans le réservoir (4) pour créer, par aspiration des vapeurs sèches par le compresseur (1), une détente primaire dans ledit réservoir (4). 2. Installation frigorifique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réservoir (4) de fluide frigorigène comporte des moyens de régulation (7, 8, 9) du niveau du fluide frigorigène liquide à l'intérieur dudit réservoir (4) pour maintenir ce niveau à l'intérieur d'une plage de valeurs prédéterminée. 3. Installation frigorifique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de régulation (7, 8, 9) du niveau du fluide frigorigène liquide à l'intérieur dudit réservoir sont constitués d'une vanne (8) généralement à impulsion disposée sur le circuit de circulation du fluide frigorigène entre condenseur (2) et réservoir (4) et d'un organe de mesure (7) du niveau de liquide dans le réservoir, tel qu'un flotteur, cet organe générant un signal éventuellement amplifié commandant l'ouverture et la fermeture de la vanne (8). 4. Installation frigorifique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte, en aval du condenseur (2) et en amont dudit réservoir (4), un second réservoir (10) de fluide frigorigène. 5. Installation frigorifique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la pression de saturation du fluide frigorigène au-delà de laquelle s'ouvre la vanne (6) est la pression qui correspond à la température de condensation minimale de la plage de température à l'intérieur de laquelle peut varier la température de condensation du condenseur (2).