Brevet FR2915793A1 — publié le 20081107

RFR0334 1 Echangeur de chaleur amélioré pour circuit de climatisation de véhicule automobile L'invention concerne un échangeur de chaleur pour circuit de refroidissement de véhicule automobile comprenant un faisceau de tubes d'échange de chaleur reçus à chaque extrémité dans une boîte collectrice, les boîtes collectrices comportant des cloisons définissant au moins deux passes d'échange de chaleur. De tels échangeurs de chaleur sont connus notamment sous la forme de condenseurs à sous-refroidissement forcé pour circuit de climatisation de véhicule automobile parcouru par un fluide réfrigérant. Le fluide réfrigérant est également connu sous la dénomination de fluide supercritique, et est communément le fluide R134A. Dans les circuits de climatisation de véhicule automobile, le fluide réfrigérant chaud est mis en mouvement par un compresseur et est envoyé en phase vapeur surchauffée dans le condenseur où il est d'abord refroidi, condensé en phase liquide chaude puis "sous-refroidi" en phase liquide froide. Les condenseurs de ce type ont fait l'objet de nombreux travaux, afin d'optimiser l'échange de chaleur du fluide réfrigérant et de limiter les pertes de charges lors de sa circulation dans le condenseur. 25 Les évolutions récentes dans le domaine des fluides réfrigérants ont amené des nouveaux types de fluides qui présentent des caractéristiques d'échange de chaleur plus intéressantes que celle des fluides précédemment utilisés. Ces nouveaux fluides réfrigérants présentent également des propriétés physiques très différentes des fluides comme le R134A. 30 De ce fait, les optimisations apportées dans la technique aux condenseurs à base de fluide comme le R134A sont rendues inefficaces, lorsqu'elles ne sont pas pénalisantes, pour les condenseurs à base de ces nouveaux fluides. L'invention vient améliorer la situation. A cet effet, l'invention propose un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes (6) d'échange de chaleur reçus à chaque extrémité dans une boîte collectrice (2, 4), les boîtes collectrices (2, 4) comportant des cloisons (10a-10e) définissant au moins deux sections (P1-P6) d'échange de chaleur, caractérisé en ce que la réduction de section entre les passes successives est définie par la formule : 1 Section passe i 2i +09 2 Section ù passe _ i + 1 le nombre de section de passes N étant compris entre 2 et 8 (i : 15 nombre entier tels que 2 i 8). Par ailleurs, le rapport de section entre la première et la dernière passe est définie par la formule : Section _ passe _ 1 Section passe ù N 5. 1,15.(N -1) + 0,2 Un tel échangeur est particulièrement intéressant en ce qu'il permet des échanges de chaleur adaptés au cycle de transformation du fluide réfrigérant, ce qui permet d'optimiser l'échangeur de chaleur pour les fluides réfrigérants modernes. De manière optionnelle et dans des modes de réalisation particuliers, la boîte collectrice décrite ci-dessus peut présenter les caractéristiques suivantes : * les deux premières sections de passes (P1, P2) présentent un rapport de débit fluidique compris entre 1 et 3,2. 20 25 * les troisième et quatrième passes (P3, P4) présentent un rapport de débit fluidique compris entre 1 et 2,4. * les cinquième et sixième passes (P5, P6) présentent un rapport de débit fluidique compris entre 1 et 1,3. * le fluide réfrigérant traversant l'échangeur est un fluide sous-critique quasi-azéotrope. * le fluide réfrigérant traversant l'échangeur présente les caractéristiques d'un réfrigérant sous-critique quasi-azéotrope, c'est-à-dire : - en partie haute pression du cycle frigorifique, le dégagement de chaleur se fait 15 au moyen de la condensation du réfrigérant (sous-critique) ; - à pression constante, le changement de phase s'effectue à température quasi constante (maximum de 0,2 C) (quasi-azéotrope). 20 D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, d'exemples tirés des dessins sur lesquels : - la figure 1 montre une vue schématique d'un échangeur de chaleur selon 25 l'invention ; - la figure 2 montre un diagramme enthalpie / pression d'un fluide réfrigérant classique et d'un fluide réfrigérant utilisé dans l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; 30 - la figure 3 montre un diagramme montrant la relation entre l'échange de chaleur et le rapport entre les sections des deux premières passes de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; - la figure 4 montre un diagramme montrant la relation entre l'échange de chaleur et le rapport entre les sections de la deuxième et de la troisième passe de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; - la figure 5 montre un diagramme montrant la relation entre l'échange de 10 chaleur et le rapport entre les sections de la troisième et de la quatrième passe de l'échangeur de chaleur de la figure 1 - la figure 6 montre un diagramme montrant la relation entre l'échange de chaleur et le rapport entre les sections de la quatrième et de la cinquième 15 passe de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; et - la figure 7 montre un diagramme montrant la relation entre l'échange de chaleur et le rapport entre les sections de la cinquième et de la sixième passe de l'échangeur de chaleur de la figure 1. Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition le cas échéant. 25 La figure 1 représente l'exemple d'un échangeur de chaleur de type condenseur à sous-refroidissement forcé pour circuit de climatisation de véhicule automobile parcouru par un fluide réfrigérant. Il est entendu que l'invention vise également tous les types de condenseurs et d'échangeurs de chaleur que 30 l'homme du métier saura envisager. Ce condenseur est muni de deux boîtes collectrices 2 et 4 reliées entre elles par un faisceau de tubes 6 s'étendant d'un côté de la boîte collectrice 2 à la boîte collectrice 4 de l'autre côté. 20 Les boîtes collectrices sont dans l'exemple décrit ici tubulaires et ont des axes longitudinaux L parallèles entre eux. Selon l'exemple de la figure 1, la boîte collectrice 2 comporte des première deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième chambres 8a à 8f séparées entre elles à chaque fois des cloisons 10a à 10e. Entre deux tubes consécutifs du faisceau de tubes 6, des intercalaires 10 ondulés 12 s'étendent de la boîte collectrice 2 à la boîte collectrice 4 pour favoriser les échanges thermiques entre le fluide réfrigérant circulant dans le condenseur et l'air s'écoulant entre les tubes 6 et les intercalaires 12. La boîte collectrice 4 comprend des première, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième chambres 14a à 14f séparées entre elles à chaque fois 15 par des cloisons 16a à 16e. De manière optionnelle, la boîte collectrice 2 et la boîte collectrice comportent en outre respectivement une chambre 8g et une chambre 14g dont les rôles seront précisés plus bas. Le condenseur présente une entrée 18 débouchant dans la chambre 8a de la boîte collectrice 2 et une sortie 20 reliée à la chambre 8g. Le fluide réfrigérant chaud est mis en mouvement par un compresseur et est 25 envoyé en phase vapeur surchauffée dans le condenseur où il est d'abord refroidi, condensé en phase liquide chaude puis "sous-refroidi" en phase liquide froide. Le fluide réfrigérant arrive dans le condenseur par l'entrée 18 dans la chambre 30 8a de la boîte collectrice 2. Ce fluide réfrigérant effectue une première passe P1 à travers des tubes 6a du condenseur et arrive dans la première chambre 14a de la boîte collectrice 4. 20 Comme cela sera expliqué plus bas, le fluide réfrigérant subit une "désurchauffe" dans la passe P1, pendant laquelle il reste sensiblement à l'état gazeux et ne perd que peu de pression. Sous l'effet des cloisons 10a et 16a, le fluide réfrigérant effectue une deuxième passe P2, en partant de la deuxième chambre 8b de la boîte collectrice 2 à travers des tubes 6b du condenseur et arrive dans la deuxième chambre 14b de la boîte collectrice 4. Comme cela sera expliqué plus bas, la "désurchauffe" entamée dans la passe P1 se prolonge dans la passe P2, et le fluide réfrigérant reste sensiblement à l'état gazeux et ne perd que peu de pression. Sous l'effet des cloisons 10b et 16b, le fluide réfrigérant effectue une troisième 15 passe P3, en partant de la deuxième chambre 8c de la boîte collectrice 2 à travers des tubes 6c du condenseur et arrive dans la deuxième chambre 14c de la boîte collectrice 4. Comme cela sera expliqué plus bas, le fluide réfrigérant subit un changement 2C) de phase dans la passe P3, pendant laquelle il reste à température sensiblement constante et passe de l'état gazeux à l'état liquide. Sous l'effet des cloisons 10c et 16c, le fluide réfrigérant effectue une quatrième passe P4, en partant de la deuxième chambre 8d de la boîte collectrice 2 à 25 travers des tubes 6d du condenseur et arrive dans la deuxième chambre 14d de la boîte collectrice 4. Comme cela sera expliqué plus bas, le changement de phase entamé dans la passe P3 se prolonge dans la passe P4, et le fluide réfrigérant reste à 30 température sensiblement constante et passe de l'état gazeux à l'état liquide. Sous l'effet des cloisons 10d et 16d, le fluide réfrigérant effectue une quatrième passe P5, en partant de la deuxième chambre 8e de la boîte collectrice 2 à travers des tubes 6e du condenseur et arrive dans la deuxième chambre 14e de la boîte collectrice 4. Comme cela sera expliqué plus bas, le fluide réfrigérant subit un refroidissement dans la passe P5, pendant laquelle il reste à l'état liquide et baisse significativement de température. 10 Sous l'effet des cloisons 10e et 16e, le fluide réfrigérant effectue une quatrième passe P6, en partant de la deuxième chambre 8f de la boîte collectrice 2 à travers des tubes 6f du condenseur et arrive dans la deuxième chambre 14f de la boîte collectrice 4. 15 Comme cela sera expliqué plus bas, le refroidissement entamé dans la passe P5 se prolonge dans la passe P6, et le fluide réfrigérant reste à l'état liquide et baisse significativement de température. Après ces six passes, le fluide réfrigérant condensé est alors envoyé dans un 20 réservoir 22. Ce réservoir 22 est connu pour favoriser la séparation des phases gazeuses et liquides du fluide réfrigérant, par exemple par effet de gravitation, la phase gazeuse ayant tendance à s'élever et la phase liquide ayant tendance à descendre. 25 La phase liquide préalablement condensée est alors recueillie et subit un sous-refroidissement dans une passe PSR (Passe de Sous-Refroidissement), en partant de la chambre 16g de la boîte collectrice 4 à travers des tubes 6SR (Sous-Refroidissement) du condenseur vers la chambre 8g avant de sortir par la sortie 20. Les chambres 8g et 14g sont séparées respectivement des 30 chambres 8f et 14f au moyen de cloisons 10f et 16f.5 En l'absence des chambres 8g et 14g, c'est-à-dire lorsqu'il n'y a pas de passe de sous-refroidissement, la sortie 20 est reliée à la sortie du réservoir 22, ou à la chambre 14f de la boîte collectrice 4 en cas d'absence de réservoir 22. Le fluide réfrigérant est alors envoyé dans un détendeur avant d'arriver à l'évaporateur où il accumule de la chaleur et passe en phase vapeur puis arrive au compresseur du circuit de refroidissement avant d'être envoyé au condenseur. Le fluide réfrigérant utilisé dans le condenseur décrit ci-dessus est un nouveau type de fluide appelé "fluide H". Ce fluide réfrigérant présente de nombreux avantages pour les boucles de refroidissement, comme cela apparaîtra à la lecture du diagramme enthalpie / pression de la figure 2. Le fluide H est un réfrigérant composé d'un mélange de deux molécules, le 1,1,1,2-tetrafluoropropène ( HFO-1234yf ) et le trifluoroiodométhane ( CF3I ). En nominal, le Fluide H est composé de près 70% de 1,1,1,2-tetrafluoropropène ( HFO-1234yf ) et de 30% de trifluoroiodométhane ( CF3I ), étant entendu que cette composition peut varier. Le fluide H présente des caractéristiques physiques comme suit : Température d'ébullition : -30 C Température critique : 97 C Pression vapeur (5 C) : 381 kPa Pression valpeur (65 C) : 1795 kPa Ces caractéristiques sont particulièrement adaptées à l'application au circuit de refroidissement d'un véhicule automobile. D'autres caractéristiques 30 thermodynamiques du fluide H seront détaillées avec la Figure 2.25 Le fluide H est un exemple particulier de fluide réfrigérant pour lequel l'échangeur de chaleur selon l'invention est optimisé. Un tel fluide est de manière générale sous-critique et quasi-azéotrope, c'est-à-dire : - en partie haute pression du cycle frigorifique, le dégagement de chaleur se fait au moyen de la condensation du réfrigérant (sous-critique) ; - à pression constante, le changement de phase s'effectue à température quasi constante (maximum de 0,2 C) (quasi-azéotrope). Le diagramme de la figure 2 montre les courbes enthalpie / pression pour le fluide H et pour le fluide R134A. Sur ce diagramme, le cycle d'enthalpie que ces fluides subissent durant la boucle de climatisation. 15 Comme il apparaît sur cette figure, la variation d'enthalpie du fluide H est nettement inférieure à celle du fluide R134A. D'autre part, la pression la plus faible du fluide H est supérieure à celle du fluide R134A, et la pression la plus élevée est inférieure à celle du fluide R134A. Au-delà de ces constatations sur le cycle d'enthalpie / pression de ces fluides, 20 la demanderesse a découvert que, pour des cycles de refroidissement correspondants : * le fluide H et le fluide R134A nécessitent une passe de sous-refroidissement équivalente ; * à l'entrée du condenseur, la densité du fluide H sous forme gazeuse est 1,3 fois plus importante que la densité du fluide R134A sous forme gazeuse ; * à l'entrée du condenseur, la viscosité du fluide H sous forme gazeuse est 30 égale à 0,92 fois la viscosité du fluide R134A sous forme gazeuse ; 25 * à la sortie du condenseur, la densité du fluide H sous forme liquide est égale à 1,04 fois la densité du fluide R143A sous forme liquide ; * dans le condenseur, le débit massique du fluide H est égal à 1,4 fois le débit 5 massique du fluide R143A ; * le rapport de la densité du fluide H sous forme liquide à la sortie du condenseur sur la densité du fluide H sous forme gazeuse à l'entrée du condenseur est sensiblement égal à 9 ; et * le rapport de la densité du fluide R134A sous forme liquide à la sortie du condenseur sur la densité du fluide R134A sous forme gazeuse à l'entrée du condenseur est sensiblement égal à 12. 15 La demanderesse en a déduit que, du fait des propriétés précitées, les condensateurs actuels, qui sont optimisés pour le R134A, ne sont pas efficaces. Entre autres, le rapport de densité entrée / sortie nettement plus faible pour le 20 fluide R134A suggère qu'il n'est pas nécessaire de réduire les sections des passes dans des quantités aussi importantes que cela est fait actuellement. La demanderesse a donc effectué des essais en cherchant à optimiser les rapports des sections des passes respectives. En effet, comme le fluide H se 25 condense, sa densité augmente et la section nécessaire à conserver son débit diminue. Au fil des tests et simulations, la demanderesse a découvert que le rapport plus faible des densités du fluide H à l'entrée et la sortie du condenseur permettent 30 de "spécialiser" les passes selon la phase de condensation dans laquelle est le fluide H. Ainsi, la demanderesse a découvert qu'il est particulièrement avantageux de découper le condenseur en au moins deux sections principales. 10 Suite à cette découverte, la demanderesse a prolongé ses recherches pour déterminer les rapports de section les plus favorables, ainsi que leur répartition dans le condenseur, afin d'optimiser ce dernier. Dans le condenseur de l'invention, les rapports de section et leur répartition sont déterminés de façon à maximaliser le coefficient d'échange thermique par convection forcée entre le fluide et les tubes tout en limitant la perte de pression de fluide. 10 Le coefficient d'échange thermique par convection forcée est dépendant, pour le moins du nombre de Nusselt, de la conductibilité du fluide, et de la géométrie du tube. La variation de pression est fonction du nombre de Reynolds, de la masse volumique, de la vitesse du fluide, de la longueur et du diamètre 15 hydraulique du tube. Le nombre de Nusselt est lui-même fonction du nombre de Prandtl et du nombre de Reynolds. D'une manière générale, l'établissement de ces paramètres fait intervenir les propriétés physiques du fluide, à savoir la viscosité, la masse volumique et la chaleur spécifique. 20 La complexité du dimensionnement des passes du condenseur vient du fait qu'une augmentation trop importante de la perte de pression entraînerait une détérioration de l'efficacité globale du système de climatisation par une augmentation de la température et de la pression de condensation et ce malgré l'augmentation du coefficient d'échange thermique par convection forcée. 25 La variation du nombre de tubes dans chaque passe permet avantageusement de compenser les modifications des propriétés physiques du fluide dues soit au refroidissement du fluide à l'état gazeux ou liquide, soit au changement de phase progressif de gaz à liquide, par une variation du régime d'écoulement. 30 Compte tenu de ces conditions, la demanderesse a établi les courbes d'optimisation représentées sur les Figure 3 à 7, sur la base desquelles se5 fonde la présente demande. Sur chaque figure, les rapports de section des passes antérieures et postérieures ont été fixées, soit : * P1/P2 variable et P2/P3 et P3/P4 fixes, par exemple respectivement 1,444 et 5 1,5, pour la Figure 3 ; * P2/P3 variable et P1/P2 et P3/P4 fixes, par exemple respectivement 1,077 et 1,5, pour la Figure 4 ; 10 * P3/P4 variable et P1/P2 et P2/P3 fixes, par exemple respectivement 1,077 et 1,444, pour la Figure 5 ; * P4/P5 variable et P1/P2, P2/P3, P3/P4 fixes, par exemple respectivement 1,083, 1,33 et 1,80, pour la Figure 6 ; et * P5/P6 variable et P1/P2, P2/P3, P3/P4 et P4/P5 fixes, par exemple respectivement 1,091, 1,571, 1,75 et 1, pour la Figure 7. La première section correspond, comme on l'a vu plus haut, à une passe de 20 désurchauffe, dans laquelle le but recherché est de refroidir le fluide H qui vient d'être introduit dans le condenseur sous forme gazeuse. Cela est réalisé dans l'échangeur de la figure 1 grâce aux passes P1 et P2. Comme cela apparaît sur la figure 3, la demanderesse a découvert que le 25 rapport entre la section de sortie de la passe P1 et la section d'entrée de la passe P2 est particulièrement avantageux pour des valeurs comprises entre 1 et 3,2. Ce rapport est optimal pour des valeurs comprises entre 1,06 et 1,7. La deuxième section correspond, comme on l'a vu plus haut, à une passe de 30 changement de phase, dans laquelle le but recherché est de transformer le fluide H sous forme liquide. Cela est réalisé dans l'échangeur de la figure 1 grâce aux passes P3 et P4. 15 Comme cela apparaît sur la figure 4, la demanderesse a découvert que le rapport entre la section de sortie de la passe P2 et la section d'entrée de la passe P3 est particulièrement avantageux pour des valeurs comprises entre 1 et 2,4. Ce rapport est optimal pour des valeurs comprises entre 1,3 et 1,85. Comme cela apparaît sur la figure 5, la demanderesse a découvert que le rapport entre la section de sortie de la passe P3 et la section d'entrée de la passe P4 est particulièrement avantageux pour des valeurs comprises entre 1 et 2,4. Ce rapport est optimal pour des valeurs comprises entre 1,2 et 1,85. La demanderesse a également découvert qu'une troisième section peut être implémentée pour améliorer encore les performances du condenseur. Cette troisième section correspond, comme on l'a vu plus haut, à une passe de refroidissement de la phase liquide du fluide H. Cela est réalisé dans l'échangeur de la figure 1 grâce aux passes P5 et P6. Comme cela apparaît sur la figure 6, la demanderesse a découvert que le rapport entre la section de sortie de la passe P4 et la section d'entrée de la passe P5 est particulièrement avantageux pour des valeurs comprises entre 1 et 1,3. Ce rapport est optimal pour des valeurs comprises entre 1 et 1,1. Comme cela apparaît sur la figure 7, la demanderesse a découvert que le rapport entre la section de sortie de la passe P5 et la section d'entrée de la passe P6 est particulièrement avantageux pour des valeurs comprises entre 1 et 1,3. Ce rapport est optimal pour des valeurs comprises entre 1 et 1,1. Les figures 3 à 5 permettent l'optimisation d'un échangeur à 4 passes. Les résultats obtenus de ces expériences sont directement utilisables pour les figures 6 et 7 pour un échangeur à 6 passes car, dans ce cas, les cinquième et sixième passes sont relativement indépendantes des quatre autres passes et servent principalement à refroidir un fluide déjà en phase liquide. Enfin de manière optionnelle, il reste possible d'effectuer un sous-refroidissement à la suite de ces passes, comme cela est classique. Cela est réalisé dans l'échangeur de la figure 1 grâce à la passe PSR. L'exemple présenté ici est volontairement extrêmement complet et relativement complexe, afin de montrer la portée des travaux de la demanderesse. Cependant, la demanderesse a constaté dans ses essais que la première section et la deuxième section seules permettent d'obtenir des résultats extrêmement satisfaisants. Par ailleurs, dans l'exemple décrit, les sections sont à chaque fois composées de deux passes, afin d'accommoder le plus précisément possible la condensation du fluide H. Cependant la demanderesse a constaté que l'utilisation d'une unique passe pour réaliser chaque section donne également des résultats très satisfaisants. La diminution de la section de débit des diverses passes peut être réalisée de plusieurs manières. II est ainsi possible de réduire cette section en utilisant des tubes de dimensions identiques pour toutes les passes, et en faisant varier le nombre de ceux-ci dans chaque passe. Il est également possible d'utiliser un même nombre de tubes pour chaque passe, et de diminuer les sections des tubes de chaque passe dans les proportions mentionnées ci-dessus. Le condenseur décrit ici est réalisé en alliage d'aluminium de type 3000 ou 1000. II pourrait également être réalisé en alliage d'aluminium de type 6000. Les tubes de ce condenseur sont ici des tubes plats réalisés par extrusion. Ces tubes pourraient également être réalisés par pliage de bande d'aluminium. Comme on l'a mentionné plus haut, le réservoir et la passe de sous-refroidissement sont optionnels et dépendent des choix de conception et de 30 performance recherchés. En outre, il convient de distinguer les sections décrites ci-dessus et la passe de sous-refroidissement. En effet, les sections décrites plus haut sont spécifiques au condenseur et sont le fruit des recherches et essais de la demanderesse. A l'opposé, la passe de sous-refroidissement est classique au domaine des condenseurs et ne saurait aucunement être assimilée à une telle section. Revendications 1. Echangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes (6) d'échange de chaleur reçus à chaque extrémité dans une boîte collectrice (2, 4), les boîtes collectrices (2, 4) comportant des cloisons (10a-10e) définissant au moins deux sections (P1-P6) d'échange de chaleur, caractérisé en ce que la réduction de section entre les passes successives est définie par la formule : Section _ passe _ i 1 5 Section passe i+ 1 5 2 + 0 2 le nombre de section de passes N étant compris entre 2 et 8 (i : nombre entier tels que 2 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de section entre la première et la dernière passe est définie par la formule : Section _ passe 1 3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux premières sections de passes (P1, P2) présentent un rapport de débit 20 fluidique compris entre 1 et 3,2. 4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les troisième et quatrième passes (P3, P4) présentent un rapport de débit fluidique compris entre 1 et 2,4. 5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cinquième et sixième passes (P5, P6) présentent un rapport de débit fluidique compris entre 1 et 1,3. 16 1 5 5 1,15.(Nù1)+ 0,2 Section passe N 2 5 6. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant traversant l'échangeur est un fluide sous-critique quasi-azéotrope.