Brevet FR2780659A3 — publié le 20000107

FR 2780659 A3 20000107 FR 9808576 A 19980701 La présente invention a trait à un dispositif de sépara- tion de liquide et de gaz, notamment d'huile et de gaz, notamment pour appareils frigorifiques, du type comprenant une entrée d'un mélange formé du liquide et du gaz, une zone destinée à recueillir le liquide séparé et des moyens d'évacua- tion du gaz séparé, ainsi que des moyens de centrifugation du mélange et des moyens de filtration du mélange par coalescence. Le terme de mélange de liquide et de gaz désigne un mélange dont sont extraits, en tant que produits finaux, un liquide et un gaz. Cependant, un tel mélange peut, lors de sa séparation, être monophasique gazeux, cette séparation faisant intervenir une condensation de l'un des éléments gazeux. De manière connue, les appareils frigorifiques font appel à un compresseur assurant la compression d'un gaz frigorigène, à un condenseur destiné à refroidir le gaz comprimé de manière à provoquer son passage en phase liquide, ainsi qu'à un évaporateur apte à absorber la chaleur depuis la zone à réfrigérer, lorsque le réfrigérant liquide s'évapore. De tels appareils frigorifiques font également usage de liquide, en l'occurence d'huile disposée à l'intérieur du carter du compresseur afin d'en assurer une lubrification satisfaisante. Etant donné que cette huile est au contact du gaz frigorigène, on en retrouve une certaine quantité au refoulement du compresseur, mélangée au gaz frigorigène. Il est nécessaire d'effectuer alors une séparation de ces deux corps, d'une part puisque le rendement frigorifique est moins élevé car le gaz est mélangé à de l'huile, et d'autre part dans la mesure o une telle séparation permet de recycler l'huile au carter du compresseur. A cet effet, il est connu de prévoir, en aval du compres- seur, un dispositif de séparation d'huile et de gaz. On connaît, par USA-5 271 245, un tel dispositif de séparation qui comprend une enceinte cylindrique dont l'entrée est alimentée par le mélange à séparer. A l'intérieur de cette enceinte est disposé un organe de séparation formé par une rampe s'étendant selon un trajet hélicoïdal. Cette rampe assure une séparation primaire de l'huile et du gaz par centrifuga- tion, de sorte que l'huile s'accumule au niveau de la paroi interne de l'enceinte et s'écoule en direction de la sortie de cette dernière. Ce dispositif de séparation inclut en outre un filtre coalescent, disposé en amont de la sortie de l'enceinte, dans le sens d'écoulement du mélange. Ce filtre, qui est de manière habituelle constitué par une grille, assure une sépara- tion supplémentaire de l'huile et du gaz, par coalescence. Ce dispositif de séparation présente cependant un certain nombre d'inconvénients. En effet, il est nécessaire de faire appel à deux éléments de séparation distincts, assurant respec- tivement la centrifugation et la coalescence, de sorte que l'ensemble du dispositif est d'un coût relativement élevé. De plus, l'efficacité de la séparation ainsi réalisée se révèle insuffisante, notamment lorsque le débit de mélange à séparer est élevé. Une quantité non négligeable d'huile reste donc mélangée au gaz frigorigène, ce qui tend à diminuer les perfor- mances du gaz et à induire une consommation d'huile indésira- ble. Afin de pallier les inconvénients de l'art antérieur évoqués cidessus, l'invention se propose de réaliser un dispositif de séparation dont la structure soit simple et qui assure une séparation satisfaisante du liquide et du gaz, même dans le cas de forts débits de mélange à séparer. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de séparation du type précité, caractérisé en ce que les moyens de centrifugation et de filtration par coalescence sont formés par au moins deux organes de séparation disposés en parallèle, en faisant référence à l'écoulement du mélange de liquide et de gaz, chaque organe de séparation s'étendant selon un trajet sensiblement hélicoïdal et assurant les deux fonctions de centrifugation et de filtration par coalescence. Etant donné que chaque organe de séparation équipant le dispositif conforme à l'invention est à l'origine d'une séparation non seulement par centrifugation, mais également par coalescence, son efficacité globale est nettement supérieure à celle des organes de séparation de l'art antérieur qui assument uniquement une fonction de centrifugation. De plus, le fait de prévoir plusieurs organes de sépara- tion en parallèle permet au dispositif de séparation conforme à l'invention d'être efficient même lorsque le débit de mélange à séparer est très élevé. En effet, il est possible de conférer au dispositif conforme à l'invention des dimensions transversa- les importantes lui permettant de s'adapter à ces forts débits et, dans le même temps, chaque organe de séparation possède des dimensions transversales plus faibles qui lui autorisent une bonne tenue mécanique et garantissent une séparation satisfai- sante par coalescence. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif de séparation comporte des moyens d'amenée du mélange à séparer depuis l'entrée vers les organes de sépara- tion, moyens qui comprennent une plaque s'étendant transversa- lement par rapport à l'écoulement du mélange à séparer, cette plaque étant pourvue d'orifices d'amenée du mélange vers chaque organe de séparation. De la sorte, l'ensemble du mélange entre en contact avec les organes de séparation. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'inven- tion, ces orifices d'amenée du mélange sont disposés autour d'une zone centrale pleine de la plaque. Ceci permet d'assurer une répartition homogène du mélange à séparer, en évitant que ce dernier ne soit dirigé vers cette zone centrale pleine, en direction de laquelle il aurait tendance à s'écouler naturelle- ment par gravité. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, chaque organe de séparation comprend plusieurs éléments allongés s'étendant vers l'intérieur, à partir d'une paroi sensiblement cylindrique du dispositif et disposés le long du trajet hélicoïdal, ces éléments allongés définissant des passages par lesquels le mélange est apte à s'écouler par gravité de manière à être séparé au moins partiellement par coalescence. Le terme d'élément allongé désigne notamment un élément filiforme, ou bien encore un élément formé au moins partielle- ment par une lamelle mince. Il s'est avéré que, de manière surprenante, le fait de disposer dans l'enceinte plusieurs éléments allongés le long d'un trajet hélicoïdal permet d'assurer, dans le même temps, une séparation du liquide et du gaz à la fois par centrifuga- 3NSOCID tion et par coalescence. Une partie du mélange s'écoule le long du trajet hélicoï- dal défini par l'implantation des éléments allongés, et se trouve donc séparée par centrifugation au niveau des parois de l'enceinte, de manière conforme à ce qui s'opère dans les dispositifs de l'art antérieur. De plus, une autre fraction du mélange s'écoule par gravité dans les passages ménagés entre des éléments allongés voisins, ce qui assure une séparation supplémentaire par coalescence au voisinage de ces éléments allongés. La présence de ces derniers provoque également des turbulences favorisant le rendement de la séparation. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments allongés s'étendent radialement à partir d'une tige sensiblement verticale. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments allongés sont réalisés en un matériau inerte vis-à-vis du liquide et du gaz. En particulier, ils peuvent être réalisés en un matériau métallique, par exemple en acier, ou bien encore en un matériau synthétique. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les éléments allongés présentent une forme discontinue. En particulier, ils peuvent comprendre une partie sensi- blement rectiligne s'étendant radialement à partir de la tige centrale, prolongée par une partie coudée dirigée vers l'amont ou l'aval. Ils peuvent également comporter des arêtes. Cette discontinuité de formes permet d'augmenter la surface d'impact du mélange au niveau de chaque élément allongé, et donc d'améliorer le rendement de la séparation induite par ces chocs. La densité d'implantation des éléments allongés doit permettre d'une part au mélange de suivre de manière satisfai- sante le trajet hélicoïdal imposé par la disposition des éléments allongés tout en assurant sa coalescence, en évitant d'autre part des pertes de charge trop importantes qui seraient susceptibles d'abaisser le rendement de la séparation. Selon un second mode de réalisation de l'invention, chaque organe de séparation comprend une plaque s'étendant le long dudit trajet hélicoïdal, pourvue de perçages par lequel le mélange est apte à s'écouler par gravité, de manière à être séparé au moins partiellement par coalescence. De la sorte, une partie du mélange s'écoule le long de la plaque et se trouve donc séparée par centrifugation. D'autre part, une autre fraction du mélange s'écoule par gravité au travers des perçages dont est pourvue cette plaque, provoquant une séparation supplémentaire par coalescence au voisinage de ces perçages. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'inven- tion, chaque organe de séparation est disposé dans une enceinte cylindrique comportant une sortie mise en relation avec la zone destinée à recueillir le liquide séparé, et le dispositif comprend un déflecteur disposé en aval de la sortie des en- ceintes, apte à détourner le mélange vers une chambre disposée à la périphérie extérieure des enceintes. Ceci a tout d'abord pour effet de provoquer une chute de vitesse sensible du mélange en aval de l'enceinte, qui est favorable au rendement de la séparation. De plus, le changement de direction et le choc induits par la présence du déflecteur permettent d'augmenter encore la qualité de la séparation. Enfin, il s'opère une séparation supplémentaire au niveau de la paroi extérieure de la chambre sur laquelle le liquide séparé se dépose et s'écoule par gravité. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'inven- tion, le déflecteur est pourvu d'au moins une ouverture disposée en dehors de la trace des enceintes sur le déflecteur. On désigne par trace des enceintes sur le déflecteur la projec- tion sur ce dernier, selon un axe vertical, des parois des enceintes. Cette ouverture permet de collecter le liquide séparé qui est évacué par gravité, afin de le diriger vers la zone du dispositif destinée à la recueillir. De plus, le fait que cette ouverture soit disposée en dehors de la trace des enceintes sur le déflecteur permet d'éviter au mélange non séparé de s'écou- ler par cette ouverture à sa sortie de l'enceinte. L'invention a également pour objet un appareil frigorifi- que, du type comprenant un compresseur dans lequel est admis un mélange de gaz frigorigène et d'un liquide de lubrification, ainsi qu'un dispositif de séparation de ce gaz et de ce liquide, disposé en aval du compresseur, caractérisé en ce que le dispositif de séparation est tel que décrit ci-dessus. - L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe axiale du disposi- tif de séparation conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II- II à la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective schématique d'un des organes de séparation dont est pourvu le dispositif conforme à l'invention; et - les figures 4 et 5 sont des vues en coupe analogues à la figure 2, illustrant d'autres variantes de réalisation de l'invention. Le dispositif de séparation représenté aux figures 1 et 2 et désigné dans son ensemble par la référence 2 présente une forme globalement cylindrique. Il comprend un fût 4 dont les parties respectivement inférieure et supérieure sont obturées par un fond 6 et un couvercle 8 rapportés par tout moyen approprié. Le couvercle 8 est percé d'une ouverture centrale mettant en communication l'intérieur du dispositif avec un compresseur non représenté d'un système frigorifique, par l'intermédiaire d'une tubulure 10. Cette tubulure permet l'arrivée, dans le dispositif, d'un mélange formé d'un gaz et d'un liquide, en l'occurence d'un gaz frigorigène et d'une huile de lubrification. Un conduit 12 radial, dont la fonction sera explicitée par la suite, est piqué sur la partie supé- rieure du fût 4. Une plaque 14 sensiblement transversale est fixée par exemple par soudage sur le sommet du fût 4, au-dessus du conduit 12. Cette plaque délimite une chambre de détente 16, placée en aval de la plaque 14 en faisant référence à l'écoule- ment du mélange à séparer. Cette plaque 14 est percée de quatre orifices 18 qui sont répartis régulièrement autour d'une zone centrale 20 de la plaque 14. Cette zone 20 s'étend au voisinage d'un axe central A sensiblement vertical, qui constitue l'axe principal du dispositif. Des parois 22 sont rapportées au niveau des orifices 18 ménagés dans la plaque 14 et s'étendent de manière sensiblement verticale vers l'amont, en faisant référence à l'écoulement du mélange à séparer. Chacune de ces parois 22 définit une enceinte 24 ainsi qu'une zone périphérique exté- rieure 25 globalement annulaire. Chaque enceinte reçoit un organe de séparation désigné dans son ensemble par la référence 26. Comme le montre plus précisément la figure 3, cet organe 26 comprend une tige 28 centrale dirigée verticalement, à partir de laquelle s'étendent radialement des fils 30 d'acier, jusqu'au voisinage immédiat de la paroi 22. Ces fils 30 définissent des passages intermédiaires 31 au sein desquels un fluide est apte à s'écouler par gravité, et sont disposés selon le trajet d'une hélice H. Chaque organe 26 est emmanché à force dans l'enceinte 24 correspondante le recevant. Au-dessous de l'extrémité aval des parois 22 est prévu un déflecteur 32 soudé sur la partie inférieure du fût 4. Ce déflecteur 32 délimite deux compartiments, à savoir un compar- timent supérieur 34 destiné à la séparation proprement dite du gaz et de l'huile, ainsi qu'un compartiment inférieur 36 destiné à recueillir l'huile séparée. Ce compartiment inférieur 36 reçoit un ensemble flotteur 38 connu en soi. Le déflecteur 32 est en outre percé d'une ouverture centrale 32A qui est placée en dehors de la trace des enceintes 24, comme le montre en particulier la figure 2. Le fonctionnement du dispositif de séparation conforme à l'invention va maintenant être explicité en référence aux figures 1 à 3. Le mélange constitué d'une huile de lubrification et d'un gaz frigorigène, par exemple du fréon, est admis via la tubulure 10 au sein de la chambre de détente 16. Du fait de la présence de la plaque 14, le mélange est forcé à s'écouler au niveau des orifices 18 dont est pourvue cette plaque. Ce mélange est donc admis dans les enceintes 24 munies d'un organe de séparation 26 correspondant. zmqrfrl Dans chaque enceinte 24, le mélange à séparer s'écoule pour partie suivant le trajet de l'hélice H, de sorte que l'huile est séparée et s'accumule au niveau de la paroi 22. De plus, le mélange s'écoule également par les passages 31 ménagés entre des fils voisins, ce qui assure la coalescence de l'huile et permet donc une séparation supplémentaire. L'huile séparée lors de son trajet dans l'enceinte s'écoule par gravité de manière à se déposer sur la surface supérieure du déflecteur 32. Elle est alors conduite vers l'ouverture centrale 32A de ce déflecteur et se trouve recueil- lie au niveau de l'ensemble flotteur 38. La fraction non séparée du mélange quitte l'enceinte 20. Etant donné que la zone intermédiaire disposée entre l'extré- mité aval de cette enceinte 24 et le déflecteur 32 possède une section transversale notablement plus importante que celle des enceintes, le mélange y subit une perte de vitesse importante qui induit une séparation par inertie entre le gaz et l'huile. Puis, ce mélange percute le déflecteur 32 et se trouve entraîné en direction de la zone périphérique extérieure 25. Le choc contre le déflecteur provoque ainsi une séparation supplémentaire au terme de laquelle l'huile ainsi isolée s'écoule par gravité au niveau de l'ouverture centrale 32A du déflecteur 32. Il s'opère également une séparation au niveau de la face intérieure du fût 4 et des faces extérieures des enceintes 24. L'huile ainsi séparée est dirigée par gravité vers l'ouverture 32A. Le gaz frigorigène libéré de la fraction d'huile qui y était mélangée s'échappe alors par le conduit de sortie 12 et se trouve dirigé vers un condenseur non représenté. Les figures 4 et 5 représentent des variantes de réalisa- tion de l'invention. Le dispositif de séparation représenté à la figure 4 comprend une plaque tranversale 14' percée de deux orifices 18' disposés de manière diamétralement opposée de part et d'autre d'une zone centrale 20' pleine de la plaque. Ces orifices définissent deux enceintes correspondantes 24', disposées en aval de ces orifices et dans lesquelles sont logés des organes de séparation non représentés. Ces enceintes définissent une zone périphérique extérieure 25' permettant au gaz séparé de s'écouler vers le conduit 12, de manière à être évacué du dispositif de séparation. La figure 5 représente un dispositif de séparation équipé d'une plaque 14'' percée de six orifices 18'' régulièrement répartis autour d'une zone centrale pleine 20'' de cette plaque. Ces orifices définissent six enceintes 24'' dans lesquelles sont logés des organes de séparation analogues à celui 26 de la figure 3. Ces enceintes délimitent, avec les parois externes du dispositif, une zone périphérique extérieure 25'' permettant de diriger le gaz séparé vers le conduit 12. Chacun des dispositifs illustrés sur ces figures 4 et 5 est muni d'un déflecteur non représenté, analogue à celui 32 de la figure 1. Chaque déflecteur est percé d'une ouverture centrale, désignée sur ces figures 4 et S par les références 32'A et 32''A et qui est disposée en dehors de la trace des enceintes 24', 24'. L'invention s'applique également à un dispositif équipé d'un nombre quelconque d'organes de séparation, par exemple mais non exclusivement de trois ou huit de ces organes. L'invention trouve également son application à un disposi- tif de séparation dans lequel l'écoulement du mélange n'est pas assuré par gravité, par exemple dans le cas d'un dispositif placé selon une position globalement horizontale. L'invention trouve aussi son application à des appareils autres que frigorifiques, tels que notamment mais non exclusi- vement des séparateurs de condensats ou encore des déshuileurs d'air comprimé. REVENDICATIONS 1. Dispositif de séparation (2) de liquide et de gaz, notamment d'huile et de gaz, notamment pour appareils frigori- fiques, du type comprenant une entrée (10) d'un mélange formé du liquide et du gaz à séparer, une zone (36) destinée à recueillir le liquide séparé et des moyens d'évacuation (12) du gaz séparé, ainsi que des moyens de centrifugation du mélange et des moyens de filtration du mélange par coalescence, caractérisé en ce que lesdits moyens de centrifugation et de filtration par coalescence sont formés par au moins deux organes de séparation (26) disposés en parallèle, en faisant référence à l'écoulement du mélange de liquide et de gaz, chaque organe de séparation s'étendant selon un trajet sensi- blement hélicoïdal et assurant les deux fonctions de centrifu- gation et de filtration par coalescence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (14) d'amenée dudit mélange à séparer depuis ladite entrée (10) vers lesdits organes de séparation (26), qui comprennent une plaque (14) s'étendant transversale- ment par rapport à l'écoulement du mélange à séparer, ladite plaque étant pourvue d'orifices (18) d'amenée dudit mélange vers chaque organe de séparation (26). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits orifices (18) d'amenée du mélange sont disposés autour d'une zone (20) centrale pleine de ladite plaque (14). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits orifices (18') d'amenée du mélange sont prévus au nombre de deux et sont diamétralement opposés par rapport à ladite zone (20') centrale pleine. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits orifices (18; 18'') d'amenée du mélange sont prévus au nombre de trois, quatre, six ou huit, et sont disposés régulièrement à la périphérie de ladite zone (20; '') centrale pleine. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque organe de séparation (26) comprend il plusieurs éléments allongés (30) s'étendant vers l'intérieur à partir d'une paroi (22) sensiblement cylindrique du dispositif, et disposés le long dudit trajet hélicoïdal, ces éléments allongés (30) définissant des passages (31) par lesquels le mélange est apte à s'écouler par gravité, de manière à être séparé au moins partiellement par coalescence. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque organe de séparation comprend une plaque s'étendant le long dudit trajet hélicoïdal, pourvue de perçages par lequel le mélange est apte à s'écouler par gravité, de manière à être séparé au moins partiellement par coelescence. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque organe de séparation (26) est disposé dans une enceinte cylindrique (24) comportant une sortie mise en relation avec ladite zone (36) destinée à recueillir le liquide séparé, et en ce que le dispositif comprend un déflecteur (32) disposé en aval de la sortie desdites enceintes (24), apte à détourner le mélange vers une zone (25) disposée à la périphérie extérieure des enceintes. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le déflecteur (32) est pourvu d'au moins une ouverture (32A) disposée en dehors de la trace des enceintes (24) sur ce déflecteur. 10. Appareil frigorifique, du type comprenant un compres- seur dans lequel est admis un mélange de gaz frigorigène et d'un liquide de lubrification, ainsi qu'un dispositif de séparation (2) du gaz et du liquide, disposé en aval du compresseur, caractérisé en ce que le dispositif de séparation (2) est conforme à l'une quelconque des revendications précé- dentes. DNSDOCID: