Brevet FR2833340A1 — publié le 20030613

La présente invention concerne le domaine technique général de l'échange de chaleur indirect entre, d'une part, un fluide frigorigène ou réfrigérant en cours de vaporisation et, d'autre part, un fluide à refroidir en limite de solidification, tel qu'un fluide comprenant deux phases d'un même corps en équilibre de fusion, c'est-à-dire comprenant une phase liquide et une phase solide, telle que par exemple de l'eau additionnée d'un agent antigel comme du sel, de l'alcool, du monoéthylène-glycol ou du monopropylène-glycol de sorte que le point de cristallisation soit inférieur à 0 C. Dans l'état de la technique, il est connu de nombreuses variantes de réalisation de machines de production de froid mettant en oeuvre un fluide à refroidir diphasique consistant en un mélange homogène de phases liquide et solide. Par exemple, le brevet EP 0 257 936 décrit une machine de production de froid comprenant un dispositif d'échange de chaleur, formé d'une série d'échangeurs du type à plaques. Chaque échangeur comporte au moins une paroi d'échange thermique entre le fluide frigorigène et le fluide à refroidir circulant chacun dans des circuits indépendants. Cette paroi d'échange thermique présente, d'un côté, une première surface dite chaude en contact avec le fluide à refroidir et, de l'autre côté, une deuxième surface dite froide en contact avec le fluide frigorigène. Afin d'éviter le dépôt, sur la première surface de la paroi d'échange, d'une couche solide du fluide à refroidir, un moyen mécanique antagoniste au dépôt de cette couche solide est déplacé en rotation en relation de cette première surface. Dans le brevet EP 0 257 936, il est proposé d'utiliser comme moyen mécanique antagoniste au dépôt d'une couche, une lame racleuse, tandis que le brevet EP 0 641 980 propose de le réaliser sous la forme de filaments souples. S'il peut être estimé que la mise en oeuvre d'un moyen mécanique antagoniste permet d'empêcher le dépôt d'une couche solide sur la surface en relation de laquelle il agit, il apparaît difficile, voire impossible, compte tenu des coûts prohibitifs engendrés, de réaliser en pratique un moyen antagoniste apte à agir sur la totalité de la première surface d'échange. Il s'ensuit qu'il apparaît un dépôt d'une couche solide sur les surfaces en relation desquelles n'agit pas le moyen antagoniste. Ce dépôt solide a tendance à proliférer pour atteindre les surfaces concernées par le moyen antagoniste, ce qui entraîne fréquemment une perturbation de son fonctionnement. La présente invention vise donc à remédier aux inconvénients énoncés cidessus en proposant un dispositif d'échange de chaleur présentant une conception simple et un coût de réalisation réduit, tout en étant conçu de manière à éviter la formation d'une couche solide sur la totalité de la surface. de la paroi d'échange thermique en contact avec le fluide à refroidir. Pour atteindre un tel objectif, le dispositif selon l'invention d'échange de chaleur entre, d'une part, un fluide frigorigène en cours de vaporisation et, d'autre part, un fluide à refroidir en limite de solidification comporte : * au moins une paroi d'échange thermique entre le fluide frigorigène et le fluide à refroidir circulant chacun dans des circuits indépendants, la paroi d'échange thermique présentant d'un côté, une première surface en contact avec le fluide à refroidir et de l'autre côté, une deuxième surface en contact avec le fluide frigorigène, au moins un système mécanique antagoniste au dépôt sur la première surface de la paroi d'échange, d'une couche solide du fluide à refroidir, un tel système mécanique comportant au moins un moyen antagoniste au dépôt, apte à être déplacé en rotation relativement par rapport à la première surface, Conformément à l'invention la partie du circuit de circulation du fluide frigorigène située en relation de la paroi d'échange est décomposée, d'une part, en un circuit amont assurant la circulation du fluide frigorigène à l'état liquide provenant du condenseur et, d'autre part, un circuit aval relié au circuit amont par un organe de détente et assurant la circulation du fluide frigorigène en cours de vaporisation, le circuit amont étant aménagé pour s'étendre à proximité d'au moins une zone de la paroi d'échange pour laquelle le moyen antagoniste au dépôt n'agit pas, de manière à limiter la formation d'une couche solide de fluide à refroidir sur la première surface de ladite paroi, tandis que le circuit aval est aménagé pour s'étendre en relation des autres zones de la paroi. Un autre objet de l'invention est de proposer une machine de production de froid comportant au moins un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue schématique en coupe transversale partielle d'un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention. La fig. 2 est une vue en plan d'un élément constitutif du dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention. La fig. 3 est une vue en perpective montrant un dispositif d'échange de chaleur incluant l'élément illustré à la fig. 2. La fig. 4 est une vue en perspective montrant un autre exemple de réalisation d'un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention. Tel que cela ressort plus précisément de la fig. 1, l'objet de l'invention concerne un dispositif d'échange de chaleur 1 permettant d'échanger indirectement de la chaleur entre, d'une part, un fluide frigorigène 2 par exemple de l'ammoniac en cours de vaporisation et, d'autre part, un fluide 3 à refroidir en limite de solidification, tel que par exemple de l'eau dont le point de congélation a été abaissé. Le fluide frigorigène 2 et le fluide à refroidir 3 circulent chacun dans des circuits indépendants non représentés dans leur totalité. Le dispositif d'échange de chaleur 1 comporte au moins une paroi d'échange thermique 4 entre le fluide frigorigène 2 et le fluide à refroidir 3. Cette paroi d'échange thermique 4 présente, d'un côté, une première surface 6 dite chaude en contact avec le fluide à refroidir et, de l'autre côté, une deuxième surface 7 dite froide en contact avec le fluide frigorigène 2. Le dispositif d'échange de chaleur 1 comporte également au moins un système mécanique 9 antagoniste au dépôt sur la première surface 6 d'une couche solide du fluide à refroidir 3. Un tel système mécanique 9 comporte au moins un moyen 11 antagoniste au dépôt d'une couche solide, ce moyen antagoniste étant constitué par exemple par une lame racleuse ou une série de filaments souples. Un tel moyen antagoniste 11 est destiné à être déplacé en rotation relativement par rapport à la première surface 6, permettant ainsi d'éviter la formation d'une couche solide telle que de la glace sur la partie de la première surface 6 en relation de la laquelle agit le moyen antagoniste 11. La fig. 2 illustre, de manière plus précise, une partie 12 du circuit de circulation du fluide frigorigène 2 située en relation de la paroi d'échange thermique 4, de manière à éviter la formation d'une couche solide du fluide à refroidir sur la paroi d'échange thermique. Conformément à l'invention, cette partie 12 du circuit de circulation du fluide frigorigène est décomposée d'une part, en un circuit amont 13 assurant la circulation du fluide frigorigène à l'état liquide provenant du condenseur et, d'autre part, à un circuit aval 14 relié au circuit amont 13 par l'intermédiaire d'un organe de détente 16. Ce circuit aval 14 (représenté par des doubles flèches) assure ainsi la circulation du fluide frigorigène en cours de vaporisation. Conformément à l'invention, le circuit amont 13 (représenté par des simples flèches) est aménagé pour s'étendre à proximité d'au moins une zone 17 de la paroi d'échange 4 pour laquelle le moyen antagoniste 11 n'agit pas, de manière à limiter la formation d'une couche solide du fluide à refroidir sur la première surface 6 de la paroi d'échange 4. Le circuit aval 14 du circuit de circulation du fluide frigorigène 2 est aménagé pour s'étendre en relation des autres zones de la paroi d'échange 4, c'est-à-dire des zones 18 en relation desquelles le moyen antagoniste 11 agit. Il doit être compris que le fluide frigorigène 2 qui arrive du réservoir de liquide ou du condenseur est à une température par exemple de 35 C pour un fluide frigorigène. Ce fluide frigorigène est donc amené directement à circuler dans le circuit amont 13 du circuit de circulation du fluide frigorigène, c'est-à-dire dans les zones 17 de la paroi d'échange 4 en relation desquelles le moyen 11 antagoniste au dépôt d'une couche de glace n'agit pas. En d'autres termes, le circuit amont 13 est réalisé en vis à vis des zones 17 propices à l'accroche des particules de glace. Le liquide frigorigène 2 circulant dans le circuit amont 13 réchauffe ainsi les zones critiques 17 permettant d'éviter toutes accroches de particules de glace sur la première surface 6. En sortie du circuit amont 13, le fluide frigorigène arrive à l'organe de détente 16 à une température inférieure à la température d'entrée dans le circuit amont 13. Le fluide sous refroidi garantit ainsi, à l'entrée de l'organe de détente 16, un rapport liquide sur gaz plus important de sorte que le fluide présente une plus grand stabilité qui améliore le fonctionnement de l'organe de détente 16. Les fig. 2 et 3 illustrent plus particulièrement une forme préférée de réalisation du dispositif d'échange de chaleur 1 selon une forme de type à plaque. Selon cette forme de réalisation, le moyen antagoniste 11 est entraîné en rotation par l'intermédiaire d'un arbre d'entraînement passant au travers d'un alésage de passage 19 aménagé dans la paroi d'échange thermique 4. Selon cette forme de réalisation, le circuit amont 13 est aménagé pour s'étendre à proximité des zones critiques 17 formées par la zone périphérique 171 de la paroi d'échange 4 et/ou la une zone centrale 172 s'étendant autour de l'alésage de passage 19 pour l'arbre d'entraînement du moyen antagoniste. Le circuit amont 13 s'établit ainsi en relation des zones 17 de la paroi d'échange 4 pour laquelle le moyen antagoniste 11 peut difficilement agir. La paroi d'échange thermique 4 est équipée pour le circuit amont 13 d'une entrée EAM et d'une sortie SAM ainsi que d'une entrée EAv pour le circuit aval 14, reliée à la sortie SAM du circuit amont 13 par l'intermédiaire de l'organe de détente 16 placé à l'extérieur de la paroi d'échange thermique. La paroi d'échange thermique 4 est équipée également d'une sortie SAY pour le circuit aval 14. Pour l'exemple de réalisation illustrée, l'organe de détente 16 est placé à l'extérieur de la paroi d'échange thermique 4. Bien entendu, il peut être prévu de placer l'organe de détente 16 à l'intérieur de la paroi d'échange thermique. Dans cette variante de réalisation, la paroi d'échange thermique 4 est équipée d'une entrée EAM pour le circuit amont 13 et d'une sortie SAY pour le circuit aval 14 tandis que l'organe 16 de détente est situé à l'intérieur de la paroi pour assurer la communication entre la sortie SAM du circuit amont et l'entrée EAv du circuit aval. L'organe de détente 16 peut être réalisé, par exemple, par un capillaire ou un diaphragme calibré. Tel que cela ressort plus précisément de la variante de réalisation illustrée à la fig. 2, le circuit amont 13 comporte un premier demi-tronçon 13A s'étendant selon une demi-zone périphérique de la paroi d'échange 4, en étant d'un côté relié à l'entrée EAM du circuit amont 13 et de l'autre côté par l'intermédiaire d'un tronçon de raccordement 138 à une boucle 13c s'étendant dans la zone centrale autour de l'alésage de passage 19. Le circuit amont 13 comporte également un deuxième demitronçon 13D s'étendant selon l'autre demi-zone périphérique de la paroi d'échange en étant relié, d'un côté, à la sortie SAM du circuit amont 13 située à proximité de l'entrée EAM du circuit amont et, de l'autre côté, à la sortie de la boucle 13c par l'intermédiaire d'un autre tronçon de raccordement 13E s'étendant à proximité du tronçon de raccordement 13B. Le circuit aval 14 est aménagé pour assurer la circulation du fluide frigorigène entre les demi-tronçons périphériques 13A, 13D et la bouche 13c du circuit amont 14. Selon une caractéristique préférée de réalisation, le dispositif d'échange thermique 1 comporte au moins une deuxième paroi d'échange thermique 41 s'étendant à distance par rapport à la première paroi d'échange 4 pour constituer un disque délimitant intérieurement une enceinte de logement pour les circuits amont 13 et aval 14. En d'autres termes, le dispositif d'échange de chaleur 1 comporte une première 4 et une deuxième 41 parois d'échange thermique s'étendant parallèlement l'une à l'autre et constituées chacune par une plaque reliées entre elles de façon étanche pour délimiter une enceinte de logement pour les circuits amont 13 et aval 14. Dans l'exemple de réalisation illustré plus particulièrement à la fig. 3, le dispositif d'échange 1 comprend une plaque 30 dans laquelle sont aménagées des rainures 31 pour laisser subsister des nervures 32 permettant de délimiter les circuit amont 13 et aval 14 tels que décrits ci-dessus. Cette première plaque 30 est destinée à recevoir une deuxième plaque 33 venant en contact avec les nervures 32 pour fermer les circuits de circulation du fluide frigorigène 2. La fig. 4 illustre une autre variante de réalisation d'un dispositif d'échange thermique 1 selon l'invention présentant des plaques d'extrémité 35,36 entre lesquelles est placée une feuille déformée 37 pour présenter des nervures et des rainures permettant la réalisation des circuits amont 13 et aval 14 du circuit de circulation du fluide frigorigène 2. Cette feuille 37 est introduite entre les deux plaques d'extrémité 35,36 qui réalisent l'étanchéité du circuit frigorigène après une opération de brasage, soudage ou collage. Le dispositif d'échange thermique selon l'invention permet d'augmenter la durée de fonctionnement sans toutefois nécessiter une intervention pour l'enlèvement d'une couche solide sur la paroi d'échange thermique. Un dispositif d'échange thermique est utilisé seul ou, de préférence, en association avec des dispositifs d'échange thermique similaires pour constituer un empilement de disques ou de plaques montés à l'intérieur d'une machine de production de froid. REVENDICATIONS 1-Dispositif d'échange de chaleur entre, d'une part, un fluide frigorigène (2) en cours de vaporisation et, d'autre part, un fluide (3) à refroidir en limite de solidification, le dispositif d'échange de chaleur (1) comportant : 'au moins une paroi d'échange thermique (4) entre le fluide frigorigène (2) et le fluide à refroidir (3) circulant chacun dans des circuits indépendants, la paroi d'échange thermique (4) présentant d'un côté, une première surface (6) en contact avec le fluide à refroidir (3) et de l'autre côté, une deuxième surface (7) en contact avec le fluide frigorigène, * au moins un système mécanique (9) antagoniste au dépôt sur la première surface (6) de la paroi d'échange, d'une couche solide du fluide à refroidir, un tel système mécanique comportant au moins un moyen antagoniste au dépôt (11), apte à être déplacé en rotation relativement par rapport à la première surface, caractérisé en ce que la partie (12) du circuit de circulation du fluide frigorigène située en relation de la paroi d'échange est décomposée, d'une part, en un circuit amont (13) assurant la circulation du fluide frigorigène à l'état liquide provenant du condenseur et, d'autre part, un circuit aval (14) relié au circuit amont par un organe de détente (16) et assurant la circulation du fluide frigorigène en cours de vaporisation, le circuit amont (13) étant aménagé pour s'étendre à proximité d'au moins une zone (17) de la paroi d'échange pour laquelle le moyen antagoniste (11) au dépôt n'agit pas, de manière à limiter la formation d'une couche solide de fluide à refroidir sur la première surface de ladite paroi, tandis que le circuit aval (14) est aménagé pour s'étendre en relation des autres zones de la paroi. 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit amont (13) est aménagé pour s'étendre à proximité d'au moins la zone périphérique de la paroi d'échange thermique. 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le circuit amont (13) est aménagé pour s'étendre dans une zone centrale autour d'un alésage de passage (19) pour l'arbre d'entraînement du système mécanique. 4-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la paroi d'échange thermique (4) est équipée : - d'une entrée EAM et d'une sortie SAM pour le circuit amont (13), - d'une entrée EAv pour le circuit aval (14) reliée à la sortie SAM du circuit amont par l'intermédiaire d'un organe de détente (16) placé à l'extérieur de la paroi d'échange thermique, - et d'une sortie SAV pour le circuit aval (14). 5-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la paroi d'échange thermique (4) est équipée d'une entrée EAM pour le circuit amont (13) et d'une sortie pour le circuit aval (14), et en ce que l'organe de détente (16) est situé à l'intérieur de la paroi (4) et assure la communication entre la sortie SAM du circuit amont et l'entrée EAv du circuit aval. 6-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le circuit amont (13) comporte : - un premier demi-tronçon (13A) s'étendant selon une demie zone périphérique de la paroi d'échange en étant, d'un côté, reliée à l'entrée EAM du circuit amont, et de l'autre côté, par l'intermédiaire d'un tronçon de raccordement (138), à une boucle (13c) s'étendant dans la zone centrale autour de l'alésage central (19), - un deuxième demi-tronçon (13D) s'étendant selon l'autre demie zone périphérique de la paroi d'échange en étant relié, d'un côté, à la sortie SAM du circuit amont située à proximité de l'entrée EAM du circuit amont, et de l'autre côté, à la sortie de la boucle (13c) par l'intermédiaire d'un autre tronçon de raccordement (13E). 7-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'il comporte au moins une deuxième paroi d'échange thermique (4.) s'étendant à distance de la première paroi d'échange thermique (4) pour constituer un disque délimitant intérieurement une enceinte de logement pour les circuits amont (13) et (14) aval. 8-Dispositif selon la revendication 7, caractérisée en ce que les deux parois d'échange thermique (4, 41) sont réalisées par l'assemblage de plaques. 9-Machine de production de froid, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'une des revendications 1 à 8.