Brevet FR2820987A1 — publié le 20020823

La présente invention se rapporte à un séparateur de phases liquide/gaz pour un circuit frigorifique et plus particulièrement pour un circuit de pompe à chaleur d'une installation de récupération d'énergie calorifique. Les séparateurs de phases sont utilisés dans les circuits frigorifiques pour améliorer la pureté physique des fluides qui, de façon idéale, doivent se trouver intégralement sous une forme physique déterminée : liquide ou gaz dans les parties caractéristiques et actives du circuit, notamment dans les échangeurs, celui de l'évaporateur et celui du condenseur, mais aussi et surtout, dans le ou les compresseur (s). En effet, pour des raisons de longévité, les compresseurs doivent travailler exclusivement sur un fluide parfaitement gazeux exempt de toutes gouttelettes ou noyaux de condensation. Cette séparation améliorée des deux phases permet aux composants du circuit de mieux travailler et donc d'économiser de l'énergie de fonctionnement. Leur autre aspect non exploité jusqu'à présent concerne l'amélioration des échanges thermiques liés à la présence du séparateur de phase et à sa conformation intérieure. La présente invention a pour but de fournir un séparateur de phase économique, simple et efficace dans lequel les échanges de chaleur sont favorisés et qui ne représente pas de pertes de charge sensibles pour le circuit frigorifique dans lequel il est monté. Sa présence dans le circuit frigorifique apporte un intérêt tout particulier car il remplit plusieurs fonctions à la fois. Il constitue à la fois une bouteille anti-coup de liquide, un échangeur de chaleur entre le liquide à haute pression et le gaz à basse pression. Il assure une protection pour le ou les compresseur (s) et forme un réservoir de liquide biflux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple et accompagnée des dessins dans lesquels : . la figure 1 est une vue schématique en perspective du corps du séparateur selon une première variante de l'invention, . la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la première variante représentée sur la figure 1, . la figure 3 est le schéma hydraulique d'un exemple de circuit d'utilisation dans lequel est inséré le séparateur selon l'invention dans son premier mode de réalisation, . la figure 4 est une vue en perspective du corps du séparateur selon une deuxième variante de l'invention, . la figure 5 est une vue en coupe longitudinale de la deuxième variante représentée sur la figure 1, . la figure 6 est le schéma hydraulique d'un exemple de circuit d'utilisation dans lequel est inséré le séparateur selon l'invention dans son deuxième mode de réalisation. Les deux variantes représentées présentent les caractéristiques techniques générales suivantes. Le séparateur de phases 1 selon l'invention se présente sous la forme générale d'un corps creux cylindrique 2 vertical ou horizontal, par exemple un tronçon de tube, fermé à chacune de ses extrémités par une calotte d'extrémité, respectivement une première calotte 3 inférieure ou de droite et une deuxième calotte 4 supérieure ou de gauche. Le corps cylindrique tubulaire 2 formé, par exemple, dans un tube en acier par exemple inoxydable est traversé longitudinalement par un tube longitudinal traversant intérieur central 5 pour la première variante (figures 1 et 2) et un tube longitudinal excentré 6 pour la deuxième variante (figure 4 et 5). Dans ce dernier cas, le tube longitudinal traversant 6 est de préférence excentré le plus possible vers le bas. Chaque tube longitudinal intérieur traversant 5 ou 6 est immobilisé en position par sa traversée des calottes d'extrémité 3 et 4. La partie du tube traversant les calottes d'extrémité est solidarisée de façon étanche à la calotte par soudage ou autre moyen au niveau de sa traversée. Le tube longitudinal intérieur traversant 5 ou 6 transporte le fluide frigorifique en phase gazeuse vers le ou les compresseur (s) 7 en provenance du ou des échangeur (s) 8 et 9 jouant le rôle d'évaporateur (s) comme on peut le voir sur les figures 3 et 6. Le tube longitudinal traversant 5 ou 6 présente deux extrémités constituant une entrée 10 côté amont et une sortie 11 côté aval. On décrira maintenant plus précisément la première variante. De la calotte inférieure 3 émergent deux naissances de tube 12 et 13 de plus petite section traversants ou soudés à la calotte inférieure 3 et correspondant au circuit du fluide frigorifique liquide chaud à dégazer. Ces naissances de tube correspondent pour l'une à une entrée 14 raccordée à un ou des tubes provenant d'un ou des échangeur (s)-condenseur (s) ou autres parties du circuit frigorifique dans lesquelles le fluide frigorifique est à l'état liquide par exemple 9 et 15 sur la figure 3 et pour l'autre à la sortie 16 du séparateur de phases alimentant un ou plusieurs évaporateur (s) par exemple 8 sur la figure 3 mais aussi 17 sur la figure 6. Pour éviter la déperdition de chaleur vers l'extérieur, le corps de l'échangeur est isolé thermiquement par exemple par une jaquette ou enveloppe d'un matériau ou d'une matière thermiquement isolante non représentée. Selon un exemple de réalisation correspondant à une installation de petite puissance, le diamètre du corps du séparateur est de 150 mm à 250 mm, le diamètre du tube central intérieur d'environ 41 mm et le diamètre des naissances de tube d'environ 13 mm. Le corps est en acier par exemple inoxydable d'une épaisseur de préférence égale à 3 mm. Une variante intéressante concerne un corps à enveloppe tubulaire traversée longitudinalement par un tube excentré 6 c'est-à-dire placé en position non centrale et de préférence le plus bas possible. Ce corps est utilisé selon cette variante en position couchée pour augmenter le volume de l'espace intérieur supérieur occupé par le fluide à l'état gazeux permettant ainsi de faire fonctionner l'évaporateur à l'état noyé c'est-à-dire avec un meilleur rendement. Exemple de fonctionnement en mode de chauffe. Le séparateur est utilisé notamment dans un circuit de pompe à chaleur par exemple celui tel que représenté sur les figures 3 ou 6. Il reçoit sur son entrée 14 un fluide à l'état liquide à une température moyenne de 63 oC pour une pression de 18 bars correspondant à une condensation moyenne dans les échangeurs de 65 C soit 18 bars. L'entrée 14 reçoit du fluide frigorifique liquide à une température de 63 C pour une température de condensation de 65OC soit 18 bars. Le tube intérieur central 5 ou 6 est traversé par la totalité du fluide aspiré par le ou les compresseur (s) 7. La nature de ce fluide est mixte. Il peut contenir jusqu'à 10% de liquide. Ce dernier s'évapore facilement grâce aux échanges thermiques avec le liquide haute pression et chaud contenu dans le corps du séparateur 1. Lorsque la température extérieure est de l'ordre de -20oC, le fluide à ce niveau peut descendre à -25OC pour une pression de 0,1 bars. Soit une différence moyenne entre les fluides à l'intérieur du séparateur qui est l'ordre de 800C. La température à l'entrée étant égale à-20 C pour une température d'évaporation de -25OC, soit une surchauffe faible au niveau de l'échangeur en mode évaporateur de 5 C, garantit un bon rendement de cet échangeur. La température à la sortie il du séparateur étant égale à-15 C pour une température d'évaporation de -25OC, soit une surchauffe totale des gaz de 10oC, cette surchauffe est suffisante pour garantir l'absence de liquide en aval de la sortie 11. Ceci permet d'augmenter le pourcentage du fluide à l'état liquide dans la zone voisine de la calotte inférieure et donc à la sortie de l'échangeur utilisé comme évaporateur c'est-à-dire d'augmenter le rendement énergétique de l'échangeur car le liquide a un coefficient de conductibilité thermique supérieur à celui du gaz. Le fluide à l'état liquide sortant du séparateur par la sortie 16 est à une température rendue plus faible par les échanges thermiques avec le flux de gaz froid qui traverse le séparateur par le tube longitudinal intérieur 5 ou 6. Ce sous-refroidissement de la ligne liquide en amont du détendeur aura pour avantage d'augmenter le pourcentage de fluide à l'état liquide après le détendeur et donc d'augmenter le rendement énergétique de l'échangeur ainsi alimenté car le liquide a un coefficient de conductibilité thermique supérieur à celui du gaz. La section du tube longitudinal central ou excentré 5 ou 6 d'aspiration traversant le séparateur de phase présente une section de passage supérieure au collecteur d'aspiration des gaz dans le circuit frigorifique afin de diminuer la vitesse du flux gazeux et de favoriser ainsi la dissociation de la phase liquide de la phase gazeuse. Le volume existant au-dessus du tube longitudinal intérieur d'aspiration 5 ou 6 sert uniquement au stockage ou à la compensation du volume du réfrigérant nécessaire. Le séparateur de phase selon l'invention est monté dans un circuit frigorifique selon un montage dont deux exemples sont représentés sur les figures 3 et 6 correspondant respectivement aux deux variantes. Comme on est assuré de l'intégrité totale de la phase gazeuse, le tube longitudinal intérieur 5 ou 6 est monté en direct dans le circuit d'alimentation du ou des compresseurs. Comme indiqué, le fluide entre dans le séparateur à l'état gazeux plus ou moins chargé de gouttelettes de liquide qui disparaîtront rapidement en raison de la vaporisation totale provoquée par la température ambiante élevée provenant du fluide à l'état liquide dans le volume intérieur traversé par le tube. Il s'agit du sens du fluide provenant d'un ou des évaporateurs vers le ou les compresseurs en vue de la compression du fluide à l'état gazeux dans le ou les compresseur (s). Les schémas d'utilisation montrent deux exemples d'implantation du séparateur à chaque fois dans un circuit frigorifique d'utilisation donné en référence aux figures 3 et 6. Bien entendu, d'autres applications sont possibles ainsi que d'autres positions dans le ou les circuit (s) d'utilisation. REVENDICATIONS 1. Séparateur des phases liquide/vapeur pour un circuit frigorifique notamment celui d'une pompe à chaleur caractérisé en ce qu'il se compose d'un corps creux de forme générale cylindrique dont le volume intérieur est traversé en long par un tube longitudinal intérieur (5) ou (6) transportant le fluide frigorifique en phase gazeuse vers le ou les compresseur (s) en provenance du ou des échangeur (s) jouant le rôle d'évaporateur (s) et en ce que le corps présente une entrée (14) dans et une sortie (16) de son volume intérieur pour un autre circuit. 2. Séparateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le tube longitudinal intérieur est un tube central (5) et l'entrée (14) et la sortie (16) sont situées du même coté sur la même face latérale d'extrémité. 3. Séparateur selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il est utilisé en position debout. 4. Séparateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le tube longitudinal intérieur est un tube excentré (6) et en ce que l'entrée (14) et la sortie (16) sont placées l'une sur une des faces latérales d'extrémité et l'autre sur la face opposée. 5. Séparateur selon la revendication 4 caractérisé en ce que le tube longitudinal intérieur (6) est excentré vers le bas. 6. Séparateur selon la revendication précédente caractérisé en ce que le tube longitudinal intérieur (6) est excentré vers le bas le plus bas possible. 7. Séparateur selon la revendication précédente caractérisé en ce que le tube longitudinal intérieur (6) et l'entrée (14) et la sortie (16) sont excentrés vers le bas le plus bas possible. 8. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes de 4 à 7 caractérisé en ce qu'il est utilisé en position couchée. 9. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la section de passage du tube longitudinal intérieur (5) ou (6) est supérieure à celle du collecteur d'aspiration des gaz dans le circuit frigorifique. 10. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le corps (2) du séparateur est isolé thermiquement.