FR2745894A1 - Refrigerator or freezer heat exchanger with thermal accumulator - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention a pour objet un échangeur de chaleur, tel qu'un évaporateur ou un condenseur, à accumulation, utilisable par exemple dans un réfrigérateur ou un congélateur ou un appareil combiné. The subject of the invention is a heat exchanger, such as an evaporator or a condenser, with accumulation, usable for example in a refrigerator or a freezer or a combined appliance.
Un appareil à génération de froid, tel qu'un réfrigérateur ou un congélateur, comporte habituellement dans son circuit frigorifique un évaporateur, qui permet à un fluide liquide de se détendre, se transformer en gaz et produire du froid, et un condenseur qui retransforme ce gaz en fluide liquide ; le circuit frigorifique comporte encore un compresseur qui aspire le fluide frigorigène gazeux sortant de l'évaporateur, le comprime et le refoule vers le condenseur, le cycle se reproduisant jusqu'à ce que le besoin de froid soit satisfait. A cold generating appliance, such as a refrigerator or freezer, usually includes in its refrigeration circuit an evaporator, which allows a liquid fluid to relax, turn into gas and produce cold, and a condenser which transforms this gas in liquid fluid; the refrigeration circuit also includes a compressor which sucks the gaseous refrigerant leaving the evaporator, compresses it and discharges it towards the condenser, the cycle reproducing until the need for cold is satisfied.
L'air du volume intérieur du réfrigérateur ou du congélateur doit par ailleurs être maintenu dans des zones de température définies par des normes, par exemple de 1"C à 5"C pour un réfrigérateur. Le contrôle marchelarrêt du compresseur s'effectue par un thermostat contrôlant directement ou indirectement cette température d'air. En pratique, on observe que le compresseur se met fréquemment en marche pour faire descendre la température de l'évaporateur à des valeurs très basses (jusqu'à -20 C pour un réfrigérateur) par rapport à la température recherchée pour l'air et, ce, vingt-quatre heures sur vingt-quatre, induisant de ce fait une consommation électrique qui devient importante. The air in the interior of the refrigerator or freezer must also be kept in temperature zones defined by standards, for example from 1 "C to 5" C for a refrigerator. The compressor stop running control is carried out by a thermostat directly or indirectly controlling this air temperature. In practice, we observe that the compressor frequently starts to bring the temperature of the evaporator down to very low values (up to -20 C for a refrigerator) compared to the desired temperature for air and, this, twenty-four hours a day, thereby inducing an electrical consumption which becomes significant.
Le problème que l'invention se propose de résoudre est celui de la diminution de la consommation électrique d'un appareil à génération de froid. The problem that the invention proposes to solve is that of reducing the electrical consumption of a cold generating device.
Pour cela, I'invention vise à réaliser une diminution du temps de fonctionnement du compresseur ainsi que de son rapport de compression. For this, the invention aims to achieve a reduction in the operating time of the compressor as well as its compression ratio.
A cet effet, on dispose dans l'échangeur de chaleur un accumulateur thermique en rapport conductif direct avec le fluide frigorigène,
I'accumulateur étant choisi et dimensionné pour modifier la courbe d'échange de chaleur entre le fluide frigorigène et l'air ambiant en y créant des sortes de paliers, c'est-à-dire en maintenant sensiblement fixe la température de l'échangeur de chaleur pendant une durée définie par la quantité du matériau accumulateur et, ce, à une température choisie par le choix du matériau accumulateur, aussi proche que possible de la température moyenne de l'air.For this purpose, there is a heat accumulator in the heat exchanger in direct conductive relationship with the refrigerant,
The accumulator being chosen and dimensioned to modify the heat exchange curve between the refrigerant and the ambient air by creating sorts of stages there, that is to say by keeping the temperature of the exchanger substantially fixed heat for a period defined by the quantity of the storage material and this at a temperature chosen by the choice of the storage material, as close as possible to the average air temperature.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un échangeur de chaleur pour appareil à génération de froid, I'échangeur comportant une première canalisation dans laquelle circule un fluide frigorigène et étant caractérisé par le fait qu'il comporte une seconde canalisation dans laquelle est stocké un matériau à accumulation thermique, disposé de sorte à être en rapport conductif direct avec le fluide frigorigène, ce matériau étant choisi de sorte à maintenir la température de l'échangeur à une valeur sensiblement fixe, proche de la température moyenne de l'air environnant l'échangeur, et la masse du matériau étant choisie pour maintenir cette valeur pendant une durée définie. More specifically, the subject of the present invention is a heat exchanger for apparatus for generating cold, the exchanger comprising a first pipe in which a refrigerant circulates and being characterized in that it comprises a second pipe in which is stored a thermal storage material, arranged so as to be in direct conductive relationship with the refrigerant, this material being chosen so as to maintain the temperature of the exchanger at a substantially fixed value, close to the average temperature of the surrounding air the exchanger, and the mass of the material being chosen to maintain this value for a defined period.
D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et illustrée par les figures annexées, qui représentent:
- la figure 1, une courbe montrant l'échange de chaleur entre l'évaporateur et l'air d'un réfrigérateur, selon la technique connue,
- la figure 2, une courbe analogue relative à l'échangeur de chaleur selon l'invention;
- la figure 3, un premier mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention,
- la figure 4, un deuxième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention;
- la figure 5, un troisième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention.Other objects, features and results of the invention will emerge from the following description, given by way of example and illustrated by the appended figures, which represent:
FIG. 1, a curve showing the heat exchange between the evaporator and the air of a refrigerator, according to the known technique,
- Figure 2, a similar curve relating to the heat exchanger according to the invention;
FIG. 3, a first embodiment of a heat exchanger according to the invention,
- Figure 4, a second embodiment of a heat exchanger according to the invention;
- Figure 5, a third embodiment of a heat exchanger according to the invention.
Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. In these different figures, the same references relate to the same elements.
La figure 1 représente donc une courbe montrant l'échange de chaleur entre un évaporateur et l'air d'un réfrigérateur, selon la technique connue. FIG. 1 therefore represents a curve showing the heat exchange between an evaporator and the air of a refrigerator, according to the known technique.
Sur cette figure, on a porté en ordonnée la température (t") de l'évaporateur et en abscisse, le temps (t). In this figure, the temperature (t ") of the evaporator is plotted on the ordinate and the time (t) on the abscissa.
On voit qu'à partir d'un instant t1 où la température de l'évaporateur est maximum (notée tM), celle-ci décroît jusqu'à un instant t2 à une valeur tmî ; la durée tF1 = t2-t1 est la durée pendant laquelle les cycles d'échange de chaleur s'effectuent pour faire baisser la température de l'évaporateur jusqu'à son minimum (tu1), et qui correspond également au temps de fonctionnement du compresseur. We see that from an instant t1 when the temperature of the evaporator is maximum (denoted tM), it decreases until an instant t2 to a value tmî; the time tF1 = t2-t1 is the time during which the heat exchange cycles are carried out to bring the evaporator temperature down to its minimum (tu1), and which also corresponds to the compressor operating time .
A partir de l'instant t2, le compresseur s'arrête et la température de l'évaporateur remonte jusqu'à sa valeur moyenne maximum admise tM, à un instant t3 où un thermostat contrôlant la température de l'air dans l'appareil à génération de froid déclenche à nouveau le compresseur. La durée t3-t2 est notée tR1 et correspond au temps de repos du compresseur. From time t2, the compressor stops and the evaporator temperature rises to its maximum permissible average value tM, at time t3 where a thermostat controlling the temperature of the air in the device generation of cold triggers the compressor again. The duration t3-t2 is denoted tR1 and corresponds to the compressor rest time.
Le cycle tFl+tR1 est à peu près périodique et on note T1 la "période" correspondante. The cycle tFl + tR1 is roughly periodic and the corresponding "period" is noted T1.
Pour un réfrigérateur, la température tM généralement admise est de +6"C et, ainsi qu'exposé plus haut, on constate en pratique que, pour respecter les valeurs fixées pour tM comme pour la température moyenne de l'air (+5"C) par les normes en vigueur, on est amené à faire descendre la température de l'évaporateur à la valeur tmî qui est de l'ordre de -15"C à 20"C, c'est-à-dire très basse par rapport à la température moyenne de l'air. For a refrigerator, the generally accepted temperature tM is +6 "C and, as explained above, it is found in practice that, to respect the values set for tM as for the average air temperature (+5" C) by the standards in force, the temperature of the evaporator is brought down to the value tmî which is of the order of -15 "C to 20" C, that is to say very low by compared to the average air temperature.
Cette valeur basse de la température tmî implique une pression d'évaporation relativement basse, donc un taux de compression élevé et une consommation d'énergie élevée pour le compresseur.This low value of the temperature tmi implies a relatively low evaporation pressure, therefore a high compression ratio and a high energy consumption for the compressor.
Le même genre de situation est observé dans les congélateurs, où la température minimale atteinte par l'évaporateur (de l'ordre de -30 C) est très inférieure à la température moyenne requise pour l'air à l'intérieur du congélateur (de l'ordre de -20 C), avec les inconvénients que cela présente pour la consommation d'énergie. The same kind of situation is observed in freezers, where the minimum temperature reached by the evaporator (of the order of -30 C) is much lower than the average temperature required for the air inside the freezer (of around -20 C), with the disadvantages that this presents for energy consumption.
La figure 2 est une courbe analogue à la précédente mais relative à un échangeur de chaleur selon l'invention. Figure 2 is a curve similar to the previous one but relating to a heat exchanger according to the invention.
Selon l'invention, I'échangeur de chaleur comporte un matériau accumulateur thermique en contact conductif direct avec le fluide frigorigène, destiné à modifier la courbe d'échange de chaleur entre l'échangeur et l'air ambiant, comme décrit ciaessous. According to the invention, the heat exchanger comprises a thermal storage material in direct conductive contact with the refrigerant, intended to modify the heat exchange curve between the exchanger and the ambient air, as described below.
Comme précédemment, lorsque l'échangeur de chaleur, par exemple un évaporateur, atteint sa température maximum tM à un instant t4, le compresseur se met en route amenant une diminution de la température t" de façon analogue au cas de la figure 1, jusqu'à un instant t5. As before, when the heat exchanger, for example an evaporator, reaches its maximum temperature tM at an instant t4, the compressor starts up causing a reduction in the temperature t "in a similar manner to the case of FIG. 1, up to 'at a time t5.
A partir de cet instant, L'échange de chaleur se fait selon un palier, horizontal sur la figure 2, s'étendant jusqu'à un instant t6; pendant la durée t6-t4 = tF2 correspondante, le compresseur fonctionne toujours et le cycle de refroidissement a pour effet, dans le cas représenté sur la figure 2 où le matériau accumulateur est un eutectique, le changement de phase de ce dernier (de liquide à solide par exemple) à température constante tm2,
L'instant t6 étant celui où l'accumulateur a de préférence complètement réalisé son changement de phase; à ce moment t6, on constate une descente rapide en température qui peut avantageusement servir de signal d'arrêt pour le compresseur; le fonctionnement de ce dernier est alors interrompu; la durée t6-t4, notée tF2, correspond au temps de fonctionnement du compresseur. La température de l'évaporateur reste ensuite à la valeur tm2 jusqu'à un instant t7 tel que t 7 - t 6 = t 6 - t 5 le temps correspondant étant celui qui est nécessaire au changement de phase inverse (de solide à liquide dans l'exemple précédent) de l'accumulateur. A la fin du changement de phase (t7), la température de l'évaporateur augmente à nouveau jusqu'à sa valeur maximum tM à l'instant t8, puis le cycle recommence. La durée t8-t6, notée tR2, correspond au temps de repos du compresseur. Comme précédemment, on peut définir une sorte de "période" T2 égale à la durée du cycle tF2+tR2.From this instant, the heat exchange takes place according to a level, horizontal in FIG. 2, extending up to an instant t6; during the corresponding time t6-t4 = tF2, the compressor always operates and the cooling cycle has the effect, in the case shown in Figure 2 where the accumulator material is a eutectic, the phase change of the latter (from liquid to solid for example) at constant temperature tm2,
The instant t6 being that when the accumulator has preferably completely completed its phase change; at this time t6, there is a rapid decrease in temperature which can advantageously serve as a stop signal for the compressor; the operation of the latter is then interrupted; the duration t6-t4, denoted tF2, corresponds to the compressor operating time. The temperature of the evaporator then remains at the value tm2 until an instant t7 such that t 7 - t 6 = t 6 - t 5 the corresponding time being that which is necessary for the change of reverse phase (from solid to liquid in the previous example) of the accumulator. At the end of the phase change (t7), the temperature of the evaporator increases again to its maximum value tM at time t8, then the cycle begins again. The duration t8-t6, denoted tR2, corresponds to the compressor rest time. As before, we can define a kind of "period" T2 equal to the duration of the cycle tF2 + tR2.
Les calculs et les expériences de la Déposante ont montré que, d'une part, en choisissant le matériau accumulateur pour que la température minimale tm2 soit aussi proche que possible de (mais inférieure à) la température moyenne recherchée pour l'air et, d'autre part, en choisissant la masse de matériau accumulateur de façon appropriée, le taux de compression du compresseur était réduit et le temps total de travail du compresseur sur 24 heures était également réduit, même si son temps de travail (tF) par période (T) pouvait être supérieur en présence d'un accumulateur (tF2 > tF1). The Depositor's calculations and experiments have shown that, on the one hand, by choosing the accumulator material so that the minimum temperature tm2 is as close as possible to (but less than) the average temperature sought for the air and, d On the other hand, by choosing the mass of accumulator material appropriately, the compression ratio of the compressor was reduced and the total working time of the compressor over 24 hours was also reduced, even if its working time (tF) per period ( T) could be higher in the presence of an accumulator (tF2> tF1).
La quantité de fluide accumulateur est déterminée en fonction des durées tF2 et tR2 recherchées, en écrivant l'équation de l'échange thermique entre l'accumulateur et l'air. A titre d'exemple, la quantité minimum d'accumulateur est donnée par l'expression suivante, dans le cas d'un fluide accumulateur à changement de phase liquide-solide:
m
h.s.f.AT > . lof
t ou: - h est le coefficient de convection externe (en W/m2.K);
- s est la surface de l'échangeur (en m2);
- f est le facteur d'échange d'une ailette, dans le cas où l'échangeur
comporte des ailettes non parcourues par l'accumulateur (coefficient
sans dimension);
- AT est l'écart de température entre l'échangeur et l'air (en
degrés K);
- m est la masse de l'accumulateur (en Kg)
- t est la durée de l'échange t6 - t5 (en s)
- Lf est la chaleur latente de fusion ou de solidification (en KJ/Kg).The quantity of accumulator fluid is determined as a function of the durations tF2 and tR2 sought, by writing the equation of the heat exchange between the accumulator and the air. By way of example, the minimum quantity of accumulator is given by the following expression, in the case of an accumulator fluid with liquid-solid phase change:
m
hsfAT>. lof
t or: - h is the external convection coefficient (in W / m2.K);
- s is the area of the exchanger (in m2);
- f is the exchange factor of a fin, in the case where the exchanger
has fins not traversed by the accumulator (coefficient
dimensionless);
- AT is the temperature difference between the exchanger and the air (in
degrees K);
- m is the mass of the accumulator (in Kg)
- t is the duration of the exchange t6 - t5 (in s)
- Lf is the latent heat of fusion or solidification (in KJ / Kg).
Par ailleurs, on a représenté sur la figure 2, entre t5 et t7, un palier horizontal correspondant à un accumulateur eutectique, mais le fonctionnement décrit ci-dessus est encore valable si le palier n'est pas horizontal, dès lors que l'accumulateur est un matériau à grande capacité thermique (chaleur spécifique importante) diminuant ainsi fortement la variation de température pendant la durée t5 - t7 et on parle alors, pendant cette durée t5 - t7, de température moyenne plutôt que de température fixe due au changement de phase. Furthermore, there is shown in Figure 2, between t5 and t7, a horizontal bearing corresponding to a eutectic accumulator, but the operation described above is still valid if the bearing is not horizontal, since the accumulator is a material with high thermal capacity (high specific heat), thus greatly reducing the temperature variation during the period t5 - t7 and we then speak, during this period t5 - t7, of average temperature rather than of fixed temperature due to the phase change .
A titre d'exemple, pour un évaporateur de réfrigérateur, la température d'évaporation la plus basse peut être de l'ordre de -5 C ou 4 C au lieu de -15"C à -20 C, en utilisant de l'eau comme matériau accumulateur. For example, for a refrigerator evaporator, the lowest evaporation temperature can be of the order of -5 C or 4 C instead of -15 "C to -20 C, using water as a storage material.
Pour un congélateur, on peut de même ramener la température d'évaporation la plus basse de -30 C à -25 C, ce qui peut amener un gain de rendement du compresseur de plus de 15%. For a freezer, you can also reduce the lowest evaporation temperature from -30 C to -25 C, which can lead to a compressor efficiency gain of more than 15%.
En outre, le fonctionnement décrit ci-dessus s'applique aussi bien à un évaporateur qu'à un condenseur pour machine à génération de froid. In addition, the operation described above applies both to an evaporator and to a condenser for a machine for generating cold.
Dans ce cas, on peut utiliser comme matériau accumulateur, de l'eau dont on utilise la capacité thermique élevée, ou encore un eutectique dont le point de fusion se situe autour de 25"C. In this case, it is possible to use as accumulator material, water for which the high thermal capacity is used, or alternatively a eutectic whose melting point is around 25 "C.
La figure 3 représente un premier mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention. FIG. 3 represents a first embodiment of a heat exchanger according to the invention.
L'échangeur de chaleur consiste en un tube, disposé par exemple selon une surface plane et selon une ligne par exemple en serpentin. Ce tube, dans lequel circule le fluide frigorigène, est en fait constitué de deux tubes coaxiaux comme le montre la coupe de la figure 3: un tube intérieur 31 dans l'espace intérieur 32 duquel circule le fluide frigorigène, et un tube extérieur 33, ménageant un espace annulaire 34 entre les deux tubes dans lequel est disposé l'accumulateur. Ce dernier et le fluide frigorigène sont en contact conductif direct à travers le tube 31. The heat exchanger consists of a tube, for example arranged on a flat surface and along a line for example in a serpentine. This tube, in which the refrigerant circulates, is in fact made up of two coaxial tubes as shown in the section of FIG. 3: an interior tube 31 in the interior space 32 from which the refrigerant circulates, and an exterior tube 33 providing an annular space 34 between the two tubes in which the accumulator is disposed. The latter and the refrigerant are in direct conductive contact through the tube 31.
Les matériaux constituant les tubes 31 et 33 sont de préférence des matériaux à bonne conductivité thermique tels que des métaux (acier, aluminium, cuivre...). Le fluide frigorigène peut être constitué par tout fluide utilisé habituellement à cet effet par l'homme du métier. The materials constituting the tubes 31 and 33 are preferably materials with good thermal conductivity such as metals (steel, aluminum, copper, etc.). The refrigerant may consist of any fluid usually used for this purpose by those skilled in the art.
Dans une variante de réalisation, la surface extérieure du tube 33 est dotée d'ailettes (non représentées) pour favoriser l'échange thermique entre l'accumulateur thermique et l'air. In an alternative embodiment, the outer surface of the tube 33 is provided with fins (not shown) to promote the heat exchange between the thermal accumulator and the air.
La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention. FIG. 4 represents a second embodiment of the heat exchanger according to the invention.
Ce mode de réalisation fait appel à la technique connue sous le nom de "Roll-Bond" et utilisée couramment pour la réalisation d'évaporateurs. This embodiment calls upon the technique known under the name of "Roll-Bond" and commonly used for the production of evaporators.
Cette technique consiste à utiliser deux plaques métalliques par exemple en aluminium que l'on soude sauf aux endroits qui seront destinés à former les conduits de fluide. Après soudage, un fluide à très haute pression est introduit entre les plaques et vient les déformer aux endroits non soudés, tormant ainsi les conduits désirés.This technique consists in using two metal plates, for example aluminum which are welded except at the places which will be intended to form the fluid conduits. After welding, a very high pressure fluid is introduced between the plates and deforms them in the non-welded places, thus forming the desired conduits.
Sur la figure 4, le circuit de fluide frigorigène 42 est par exemple sensiblement en forme de serpentin dont une extrémité 43 constitue la sortie du fluide et l'autre extrémité 44 est par exemple reliée par un conduit coudé 45 à l'entrée 41 du fluide. In FIG. 4, the refrigerant circuit 42 is for example substantially in the form of a serpentine, one end 43 of which constitutes the outlet for the fluid and the other end 44 is for example connected by a bent duct 45 to the inlet 41 for the fluid .
Entre les méandres du serpentin 42 sont disposés des conduits 46 dans lesquels est enfermé le fluide accumulateur. Ce dernier est en rapport conductif direct avec le fluide frigorigène circulant dans le serpentin 42 au moyen du métal réalisant la structure. Les conduits 46 peuvent être reliés entre eux par un conduit 47 (en pointillés sur la figure) permettant d'effectuer facilement le remplissage en fluide accumulateur. Between the meanders of the coil 42 are arranged conduits 46 in which the accumulating fluid is enclosed. The latter is in direct conductive relationship with the refrigerant circulating in the coil 42 by means of the metal forming the structure. The conduits 46 can be connected together by a conduit 47 (in dotted lines in the figure) allowing the filling of accumulator fluid to be easily carried out.
La figure 5 représente un troisième mode de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention, selon lequel ce dernier est intégré dans une paroi de l'appareil, congélateur ou réfrigérateur. FIG. 5 represents a third embodiment of the heat exchanger according to the invention, according to which the latter is integrated in a wall of the appliance, freezer or refrigerator.
Sur cette figure 5, on a représenté la paroi extérieure 51 de l'appareil, par exemple métallique et sa paroi intérieure 52, par exemple constituée d'un plastique chargé métalliquement; entre les deux parois sont disposés successivement, en partant de l'extérieur, un matériau 53 isolant thermique, par exemple du type polyuréthane, puis un échangeur selon l'invention, par exemple réalisé conformément au mode de réalisation de la figure 4. Cet échangeur se compose alors de canalisations 54 parcourues par le fluide frigorigène entre lesquelles est disposée une structure 55 dans laquelle est stocké l'accumulateur. De préférence, les canalisations 54 dans lesquelles circule le fluide frigorigène sont en contact direct avec la paroi intérieure 52 de l'appareil, laquelle a une bonne conductivité thermique, pour favoriser une descente en température rapide de l'enceinte à refroidir. In this Figure 5, there is shown the outer wall 51 of the device, for example metallic and its inner wall 52, for example made of a metallically charged plastic; between the two walls are successively arranged, starting from the outside, a thermal insulating material 53, for example of the polyurethane type, then an exchanger according to the invention, for example produced in accordance with the embodiment of FIG. 4. This exchanger then consists of pipes 54 traversed by the refrigerant between which is disposed a structure 55 in which is stored the accumulator. Preferably, the pipes 54 in which the refrigerant circulates are in direct contact with the internal wall 52 of the device, which has good thermal conductivity, to promote a rapid descent in temperature of the enclosure to be cooled.
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ID=9490009
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