FR3117199A1 - Evaporateur pour installation frigorifique délimitant deux enceintes d’évaporation respectivement à haute pression et basse pression et séparées par un écran de filtration - Google Patents
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Abstract
Il est décrit un évaporateur (10) pour installation frigorifique (100) comprenant une enceinte à haute pression (14), une enceinte à basse pression (17), un écran de filtration (24) interposé entre l’enceinte à haute pression (14) et l’enceinte à basse pression (17), et un conduit de communication (25) reliant l’enceinte à haute pression (14) à l’enceinte à basse pression (17). L’écran de filtration (24) laisse passer le fluide de travail dans la phase gazeuse (15) de l’enceinte à haute pression (14) vers l’enceinte à basse pression (17), et bloque le passage du fluide de travail dans la phase liquide (16, 19) de l’enceinte à haute pression (14) vers l’enceinte à basse pression (17) et réciproquement. Le conduit de communication (25) laisse essentiellement passer le fluide de travail dans la phase liquide (16) de l’enceinte à haute pression (14) vers l’enceinte à basse pression (17), et s’oppose à un passage libre du fluide de travail dans la phase gazeuse (15, 18) de l’enceinte à haute pression (14) à l’enceinte à basse pression (17) et réciproquement. Figure 1
Description
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne d’abord un évaporateur pour installation frigorifique où l’installation frigorifique comporte un circuit dans lequel circule un fluide de travail, l’évaporateur comprenant une enceinte principale contenant un fluide de travail où une phase gazeuse et une phase liquide dudit fluide de travail coexistent, ladite enceinte principale comprenant une entrée d’alimentation destinée à être raccordée au circuit pour alimenter l’enceinte principale en fluide de travail à l’état liquide et une sortie d’extraction destinée à extraire hors de l’enceinte principale du fluide de travail à l’état gazeux vers le circuit, l’évaporateur comprenant un dispositif d’échange thermique apte à chauffer le fluide de travail contenu dans l’enceinte principale.
L’invention concerne également une installation frigorifique comprenant un tel évaporateur.
L’invention trouve une application notamment dans les installations frigorifiques destinées à la production de neige artificielle, dans les installations frigorifiques destinées à la production de glace par exemple pour l’industrie alimentaire, ou bien encore dans les installations frigorifiques destinées à être intégrées dans un système de climatisation et de production de froid, par exemple pour le refroidissement de centres informatiques de gestion de données.
Etat de la technique
Il est connu qu’une installation frigorifique comprenne un circuit dans lequel circule un fluide de travail et les éléments suivants échelonnés le long du circuit et à travers lesquels le fluide de travail circule successivement : un évaporateur pour échange thermique avec une source froide, le fluide de travail subissant une perte de calories due à l’évaporation, une machine de compression et un condenseur avec possiblement un échangeur pour un échange thermique avec une source chaude.
Une telle installation frigorifique correspond, par exemple, aux enseignements du document WO2019/020940A1 au nom de la Demanderesse.
Il s’avère que le phénomène d’évaporation qui se produit dans l’évaporateur est susceptible de s’accompagner d’un certains bouillonnements ou bullage du fluide de travail, cela risquant de provoquer le transfert de gouttelettes du fluide de travail en direction de la machine de compression.
Ce risque augmente d’autant plus que la pression et la densité du gaz au sein de l’évaporateur baissent, compte tenu de l’augmentation du rapport entre la densité du liquide par rapport à celle du gaz.
L’une des difficultés est de réussir à vaincre ces problèmes lorsque le fluide de travail est par exemple essentiellement constitué à base d’eau, éventuellement avec certains additifs. Pour une pression d’évaporation de 6 mbar, le rapport de volume entre le gaz et le liquide peut être supérieur à 200000 et l’évaporation dans l’évaporateur peut être très explosive, avec un risque très élevé de voir des gouttelettes être entrainées vers la machine de compression. Cela peut causer des problèmes de dysfonctionnements ou d’entretien de la machine de compression et cela n’est pas satisfaisant.
Il a déjà été imaginé de placer un écran anti-gouttelettes en sortie de l’évaporateur, mais les simulations montrent que les pertes de charge sont trop élevées et grèvent le fonctionnement général de l’installation frigorifique.
Même si les problématiques ci-avant sont présentées en lien avec le fluide de travail essentiellement à base d’eau, elles sont susceptibles de se poser pour d’autres natures de fluide, par exemple le methyl ethylene glycol.
Objet de l’invention
La présente invention a pour but de proposer un évaporateur et une installation frigorifique qui répondent aux problématiques présentées précédemment en lien avec l’état de la technique
Notamment, le but de l’invention est de proposer une solution qui réponde à au moins l’un des objectifs suivants :
- être économique et efficace,
- limiter les pertes de charge internes,
- être économique et efficace,
- limiter les pertes de charge internes,
- éviter tout risque d’endommagement de la machine de compression en raison de l’évaporateur,
- être opérationnel et efficace dans le cas où le fluide de travail est essentiellement constitué à base d’eau.
Ce but peut être atteint grâce à la fourniture d’un évaporateur pour installation frigorifique où l’installation frigorifique comporte un circuit dans lequel circule un fluide de travail, l’évaporateur comprenant une enceinte principale contenant un fluide de travail où une phase gazeuse et une phase liquide dudit fluide de travail coexistent, ladite enceinte principale comprenant une entrée d’alimentation destinée à être raccordée au circuit pour alimenter l’enceinte principale en fluide de travail à l’état liquide et une sortie d’extraction destinée à extraire hors de l’enceinte principale du fluide de travail à l’état gazeux vers le circuit, l’évaporateur comprenant un dispositif d’échange thermique apte à chauffer le fluide de travail contenu dans l’enceinte principale, remarquable en ce que l’évaporateur comprend :
- une enceinte à haute pression délimitée au sein de l’enceinte principale, au niveau de laquelle l’entrée d’alimentation est aménagée de sorte que l’enceinte à haute pression est alimentée en fluide de travail à l’état liquide par le circuit, l’enceinte à haute pression contenant du fluide de travail dans la phase gazeuse à une première valeur de pression et du fluide de travail dans la phase liquide, l’enceinte à haute pression délimitant au moins un bac contenant le fluide de travail dans la phase liquide présent dans l’enceinte à haute pression, l’au moins un bac de l’enceinte à haute pression conférant une surface d’évaporation du fluide de travail dans la phase liquide contenu dans l’enceinte à haute pression à une première valeur de pression d’évaporation,
- une enceinte à basse pression délimitée au sein de l’enceinte principale, contenant du fluide de travail dans la phase gazeuse à une deuxième valeur de pression strictement inférieure à la première valeur de pression et du fluide de travail dans la phase liquide, la sortie d’extraction étant aménagée au niveau de l’enceinte à basse pression de sorte que du fluide de travail dans la phase gazeuse contenu dans l’enceinte à basse pression est extrait vers le circuit, l’enceinte à basse pression délimitant au moins un bac contenant le fluide de travail dans la phase liquide présent dans l’enceinte à basse pression, l’au moins un bac de l’enceinte à basse pression conférant une surface d’évaporation du fluide de travail dans la phase liquide contenu dans l’enceinte à basse pression à une deuxième valeur de pression d’évaporation strictement différente de la première valeur de pression d’évaporation,
- un écran de filtration interposé entre l’enceinte à haute pression et l’enceinte à basse pression, l’écran de filtration laissant passer le fluide de travail dans la phase gazeuse de l’enceinte à haute pression vers l’enceinte à basse pression, et bloquant le passage du fluide de travail dans la phase liquide de l’enceinte à haute pression vers l’enceinte à basse pression et réciproquement,
- un conduit de communication reliant l’enceinte à haute pression à l’enceinte à basse pression, ledit conduit de communication laissant essentiellement passer le fluide de travail dans la phase liquide de l’enceinte à haute pression vers l’enceinte à basse pression, et s’opposant à un passage libre du fluide de travail dans la phase gazeuse de l’enceinte à haute pression à l’enceinte à basse pression et réciproquement.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de cet évaporateur sont les suivants, pris isolément ou en combinaison.
Le conduit de communication est un système de déversement de type trop-plein agencé au niveau dudit au moins un bac de l’enceinte à haute pression.
Le système de déversement est configuré pour agir à la manière d’un siphon entre le fluide de travail dans la phase liquide d’au moins un bac de l’enceinte à haute pression et le fluide de travail dans la phase liquide d’au moins un bac de l’enceinte à basse pression.
Le rapport entre la surface d’évaporation du fluide de travail dans la phase liquide contenu dans l’enceinte à basse pression et la surface d’évaporation du fluide de travail dans la phase liquide contenu dans l’enceinte à haute pression est supérieur à 2 et préférentiellement supérieur ou égal à 5.
La communication en fluide de travail dans la phase gazeuse de l’enceinte à basse pression vers le circuit est libre, dépourvue de filtration.
Le rapport entre le débit massique de fluide de travail évaporé dans l’enceinte à haute pression et le débit massique de fluide de travail évaporé dans l’enceinte à basse pression est compris entre 5 et 10.
Le ratio entre le débit massique de fluide de travail dans la phase gazeuse circulant à travers l’écran de filtration et le débit massique de fluide de travail dans la phase gazeuse circulant dans le conduit de communication est supérieur à 100.
L’enceinte à haute pression comprend au moins deux bacs superposés et s’alimentant successivement en fluide de travail dans la phase liquide par écoulement gravitaire au travers d’un dispositif verseur équipant au moins un bac de l’enceinte à haute pression.
L’enceinte à basse pression comprend au moins deux bacs superposés et s’alimentant successivement en fluide de travail dans la phase liquide par écoulement gravitaire au travers d’un dispositif verseur équipant au moins un bac de l’enceinte à basse pression.
L’écran de filtration est une paroi, ayant des pores traversants adaptés à laisser passer le fluide de travail dans la phase gazeuse de part et d’autre de cette paroi, et présentant des ondulations le long de la hauteur de la paroi.
L’invention porte également sur une installation frigorifique comprenant un circuit dans lequel circule un fluide de travail, l’installation frigorifique comprenant les éléments suivants échelonnés le long dudit circuit et à travers lesquels le fluide de travail circule successivement : un évaporateur tel qu’évoqué ci-dessus dans lequel le fluide de travail dans la phase liquide subit une perte de calories due à l’évaporation se produisant dans l’enceinte à haute pression et dans l’enceinte à basse pression, une machine de compression, un condenseur.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de cette installation frigorifique sont les suivants, pris isolément ou en combinaison.
Le fluide de travail contient essentiellement de l’eau.
Il n’en demeure pas moins que le fluide de travail peut être d’une autre nature, comme par exemple le methyl ethylene glycol.
Le débit massique de la phase gazeuse du fluide de travail circulant dans le circuit est compris entre 15 g/s et 15 kg/s.
L’enceinte à basse pression de l’évaporateur comprend une sortie d’évacuation permettant d’extraire hors de l’enceinte principale du fluide de travail dans la phase liquide à partir du au moins un bac de l’enceinte à basse pression.
L’enceinte à haute pression de l’évaporateur comprend une conduite d’admission permettant d’alimenter au moins un bac de l’enceinte haute pression en fluide de travail dans la phase liquide préalablement extrait de l’enceinte à basse pression par la sortie d’évacuation.
L’installation frigorifique comprend un deuxième circuit dans lequel circule un fluide opérationnel distinct du fluide de travail et un échangeur thermique entre le fluide opérationnel circulant dans le deuxième circuit et du fluide de travail dans la phase liquide présent dans, ou issu de, l’enceinte principale de l’évaporateur.
Alternativement, il peut s’agir d’une installation frigorifique de type système de climatisation, comprenant un évaporateur précédemment décrit et dans laquelle le fluide de travail qui circule dans l’évaporateur étant maintenu à une pression comprise entre 5 et 100 mbar assure une fonction de décontamination contre des bactéries prédéterminées, notamment la légionnelle.
Description sommaire des dessins
D’autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de modes de réalisation préférés de celle-ci, donnée à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Description détaillée
Sur les figures 1 et 2 et dans la suite de la description, les mêmes références représentent des éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas forcément représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures si nécessaire. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent, au contraire, être combinés entre eux.
L’invention porte d’abord sur un évaporateur 10 pour installation frigorifique 100 où l’installation frigorifique 100 comporte un circuit 50 dans lequel circule un fluide de travail, l’évaporateur 10 comprenant une enceinte principale 11 contenant un fluide de travail où une phase gazeuse et une phase liquide du fluide de travail coexistent.
L’enceinte principale 11 comprend une entrée d’alimentation 12 destinée à être raccordée au circuit 50 pour alimenter l’enceinte principale 11 en fluide de travail à l’état liquide et une sortie d’extraction 13 destinée à extraire hors de l’enceinte principale 11 du fluide de travail à l’état gazeux vers le circuit 50, en vue d’alimenter la machine de compression 60.
L’évaporateur 10 comprend aussi un dispositif d’échange thermique 70 apte à chauffer le fluide de travail contenu dans l’enceinte principale 11.
Selon une application particulière non limitative, l’installation frigorifique 100 à laquelle l’évaporateur 10 décrit dans le présent document est associé est une installation frigorifique correspondant aux enseignements du document WO2019/020940A1 au nom de la Demanderesse.
L’invention trouve une application notamment dans les installations frigorifiques destinées à la production de neige artificielle, dans les installations frigorifiques destinées à la production de glace par exemple pour l’industrie alimentaire, ou bien encore dans les installations frigorifiques destinées à être intégrées dans un système de climatisation, par exemple pour le refroidissement de centres informatiques de gestion de données.
Comme cela est visible sur chacune des deux figures 1 et 2, l’évaporateur 10 comprend une enceinte à haute pression 14 délimitée au sein de l’enceinte principale 11, au niveau de laquelle l’entrée d’alimentation 12 est aménagée de sorte que l’enceinte à haute pression 14 est alimentée en fluide de travail à l’état liquide par le circuit 50.
L’enceinte à haute pression 14 contient du fluide de travail dans la phase gazeuse 15 à une première valeur de pression et du fluide de travail dans la phase liquide 16. Autrement dit, au sein de l’enceinte à haute pression 14, le fluide de travail dans la phase gazeuse 15 et le fluide de travail dans la phase liquide 16 coexistent. Avantageusement, cette première valeur de pression est comprise entre 6 et 7 mbar, typiquement de 6,5 mbar, ce qui permet avantageusement de procurer une ébullition forte du liquide (ce qui le mélange et aide au transfert thermique) mais les projections restent contenues par l’écran de filtration 24 détaillé plus loin. L’un des buts est d’être proche de l’enceinte à basse pression 17 pour ne pas être en ébullition dans l’enceinte à basse pression 17.
L’enceinte à haute pression 14 délimite au moins un bac 20 contenant le fluide de travail dans la phase liquide 16 présent dans l’enceinte à haute pression 14. L’au moins un bac 20 de l’enceinte à haute pression confère une surface d’évaporation 21 du fluide de travail dans la phase liquide 16 contenu dans l’enceinte à haute pression 14, cette évaporation se pratiquant à une première valeur de pression d’évaporation. Le fluide de travail ainsi évaporé se mélange au reste du fluide de travail dans la phase gazeuse 15. La surface d’évaporation 21 correspond à l’interface entre le fluide de travail dans la phase liquide 16 et le fluide de travail dans la phase gazeuse 15. Avantageusement, cette première valeur de pression d’évaporation est comprise entre 6 et 7 mbar, typiquement de l’ordre de 6,5 mbar.
L’évaporateur 10 comprend également une enceinte à basse pression 17 délimitée au sein de l’enceinte principale 11, contenant du fluide de travail dans la phase gazeuse 18 à une deuxième valeur de pression strictement inférieure à la première valeur de pression et du fluide de travail dans la phase liquide 19. Autrement dit, au sein de l’enceinte à basse pression 17, le fluide de travail dans la phase gazeuse 18 et le fluide de travail dans la phase liquide 19 coexistent. Typiquement, cette deuxième valeur de pression est de l’ordre de 6,11 mbar, afin d’éviter d’être en ébullition et donc permettre de ne pas avoir de projection.
La sortie d’extraction 13 est aménagée au niveau de l’enceinte à basse pression 17 de sorte que du fluide de travail dans la phase gazeuse 18 contenu dans l’enceinte à basse pression 17 est extrait en direction du circuit 50 jusqu’à alimenter la machine de compression 60. La machine de compression 60 permet d’une part de transférer la matière avec un certain débit volumique, d’autre part de maintenir un ratio de pression entre la pression de refoulement et la pression d’aspiration. La nature de la machine de compression 60 n’est pas limitative, comprenant un ou plusieurs étages de compression et possiblement un taux de compression supérieur, égal, ou supérieur à 10.
L’enceinte à basse pression 17 délimite au moins un bac 22 contenant le fluide de travail dans la phase liquide 19 présent dans l’enceinte à basse pression 17. L’au moins un bac 22 de l’enceinte à basse pression 17 confère une surface d’évaporation 23 du fluide de travail dans la phase liquide 19 contenu dans l’enceinte à basse pression 17, cette évaporation se pratiquant à une deuxième valeur de pression d’évaporation strictement différente de la première valeur de pression d’évaporation. Le fluide de travail ainsi évaporé se mélange au reste du fluide de travail dans la phase gazeuse 18. La surface d’évaporation 23 correspond à l’interface entre le fluide de travail dans la phase liquide 19 et le fluide de travail dans la phase gazeuse 18. Typiquement, cette deuxième valeur de pression d’évaporation est de l’ordre de 6,11 mbar.
L’évaporateur 10 comprend aussi un écran de filtration 24 interposé entre l’enceinte à haute pression 14 et l’enceinte à basse pression 17. L’écran de filtration 24 est configuré de sorte à laisser passer le fluide de travail dans la phase gazeuse 15 de l’enceinte à haute pression 14 vers l’enceinte à basse pression 17 afin qu’il se mélange au fluide de travail dans la phase gazeuse 18, et à bloquer le passage du fluide de travail dans la phase liquide 16 de l’enceinte à haute pression 14 vers l’enceinte à basse pression 17. L’écran de filtration 24 agit de sorte à éviter que des projections de fluide de travail dans la phase liquide 16 n’atteignent la machine de compression 60 et garantit que le liquide ainsi bloqué retombe par gravité dans le bac 20 d’où il était projeté pendant l’évaporation. L’Homme du métier est à-même, d’après ses connaissances générales, de concevoir un écran de filtration 24 répondant à ces fonctions, le structure de l’écran de filtration 24 n’étant pas limitative en soi.
L’évaporateur 10 comprend un conduit de communication 25 reliant l’enceinte à haute pression 14 à l’enceinte à basse pression 17. Le conduit de communication 25 est configuré de sorte à laisser essentiellement passer le fluide de travail dans la phase liquide 16 de l’enceinte à haute pression 14 vers l’enceinte à basse pression 17 et à s’opposer à un passage libre du fluide de travail dans la phase gazeuse 15 de l’enceinte à haute pression 14 à l’enceinte à basse pression 17 et à s’opposer à un passage libre du fluide de travail dans la phase gazeuse 18 de l’enceinte à basse pression 17 à l’enceinte à haute pression 14.
L’Homme du métier est à-même, d’après ses connaissances générales, de concevoir un conduit de communication 25 répondant à ces fonctions, le structure du conduit de communication 25 n’étant pas limitative en soi.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le ratio entre le débit massique de fluide de travail dans la phase gazeuse circulant à travers l’écran de filtration 24 et le débit massique de fluide de travail dans la phase gazeuse circulant dans le conduit de communication 25 est supérieur à 100, voire préférentiellement supérieur à 1000, ou encore plus préférentiellement supérieur à 10000. Le débit massique de fluide de travail dans la phase gazeuse qui circulerait éventuellement à travers le conduit de communication 25 est en fait considéré comme une fuite non recherchée, voire néfaste. Il est donc recherché un débit massique de fluide de travail dans la phase gazeuse qui circulerait éventuellement à travers le conduit de communication 25 aussi proche de 0 que possible.
Selon un mode de réalisation avantageux en termes de simplicité et d’efficacité, le conduit de communication 25 est un système de déversement de type trop-plein agencé au niveau du au moins un bac 20 de l’enceinte à haute pression 14, adapté à déverser le trop de fluide travail dans la phase liquide 16 contenu dans ce au moins un bac 20 jusque dans l’au moins un bac 22 agencé dans l’enceinte à basse pression 17.
Selon un mode de réalisation non limitatif, et comme cela est représenté, ce système de déversement est configuré pour agir à la manière d’un siphon entre le fluide de travail dans la phase liquide 16 d’au moins un bac 20 de l’enceinte à haute pression 14 et le fluide de travail dans la phase liquide 19 d’au moins un bac 22 de l’enceinte à basse pression. Cela peut être obtenu par l’agencement d’un simple tube dont une extrémité supérieure débouche dans ce bac 20 et dont une extrémité inférieure est agencée dans le volume de ce bac 22. Le positionnement de l’extrémité supérieure du tube fixe la hauteur du fluide de travail dans la phase liquide 16 dans le bac 20 concerné et l’extrémité inférieure fixe la hauteur du fluide de travail est noyée dans le fluide de travail dans la phase liquide 19 contenu dans le bac 22 concerné.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le rapport entre la surface d’évaporation 23 du fluide de travail dans la phase liquide 19 contenu dans l’enceinte à basse pression 17 et la surface d’évaporation 21 du fluide de travail dans la phase liquide 16 contenu dans l’enceinte à haute pression 14 est supérieur à 2 et préférentiellement supérieur ou égal à 5. Ces dispositions garantissant une grande surface d’évaporation permettent de ne pas être en ébullition dans l’enceinte à basse pression 17.
Comme cela est schématisé sur les figures 1 et 2, la communication en fluide de travail dans la phase gazeuse 18 de l’enceinte à basse pression 17 vers le circuit 50 est libre et dépourvue de filtration. Cela permet de diminuer autant que possible les pertes de charge internes, améliorant d’autant les rendements de fonctionnement. Il est possible de se permettre ce type de disposition du fait de l’organisation même de l’évaporateur 10 avec l’écran de filtration 24 qui bloque les projection liquides qui apparaissent dans les zones où des évaporations violentes se produisent et du fait que l’évaporation se produisant dans l’enceinte à basse pression 17 se pratique à basse pression d’une manière évitant en soi les risques de projections liquides.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le rapport entre le débit massique de fluide de travail évaporé dans l’enceinte à haute pression 14 au niveau de la surface d’évaporation 21 et le débit massique de fluide de travail évaporé dans l’enceinte à basse pression 17 au niveau de la surface d’évaporation 23 est compris entre 5 et 10. De manière générale, le choix et l’adaptation de ce rapport résulte d’un compromis entre les dimensions de l’enceinte, la taille de l’écran de filtration 24 et des risques d’ébullition dans l’enceinte à basse pression 17.
En référence à la et contrairement au mode de réalisation de la où l’enceinte à haute pression 14 comprend un unique bac 20 agencé dans sa partie inférieure à la manière d’un simple réceptacle, l’enceinte à haute pression 14 comprend au moins deux bacs 20 (par exemple au nombre de trois comme cela est illustré) superposés et s’alimentant en cascade successivement en fluide de travail dans la phase liquide 16 par écoulement gravitaire au travers d’un dispositif verseur 26 équipant chaque bac 20 de l’enceinte à haute pression 14 sauf le plus en aval. L’ébullition n’est alors possible que sur le haut (quelques centimètres) du liquide car en dessous, la pression hydrostatique empêche l’ébullition. L’ébullition joue un rôle d’agitateur dans le transfert thermique.
De manière combinée aux dispositions du paragraphe précédent ou de manière isolée, et toujours en référence à la et contrairement au mode de réalisation de la où l’enceinte à basse pression 17 comprend un unique bac 22 agencé dans sa partie inférieure à la manière d’un simple réceptacle gravitaire pour liquide, l’enceinte à basse pression 17 peut comprendre au moins deux bacs 20 (par exemple au nombre de trois comme cela est illustré) superposés et s’alimentant en cascade successivement en fluide de travail dans la phase liquide 19 par écoulement gravitaire au travers d’un dispositif verseur 27 équipant chaque bac 22 de l’enceinte à basse pression 17 sauf le plus en aval. On augmente alors la surface d’échange pour un même diamètre de la cuve (ceci en rapport avec le rapport entre la surface d’évaporation 23 du fluide de travail dans la phase liquide 19 contenu dans l’enceinte à basse pression 17 et la surface d’évaporation 21 du fluide de travail dans la phase liquide 16 contenu dans l’enceinte à haute pression 14).
De ce qui précède, il peut être compris que l’enceinte à haute pression 14 peut éventuellement comporter un unique bac 20 tandis que l’enceinte à basse pression 17 comporterait plusieurs bacs 22 organisés comme cela est décrit ci-avant. Alternativement, l’enceinte à basse pression 17 peut éventuellement comporter un unique bac 22 tandis que l’enceinte à haute pression 14 comporterait plusieurs bacs 20 organisés comme cela est décrit ci-avant. Ces dispositions possibles ne sont pas illustrées.
Selon un mode de réalisation non limitatif, l’écran de filtration 24 est une paroi, ayant des pores traversants (non représentés en détails) adaptés à laisser passer le fluide de travail dans la phase gazeuse 15, 18 de part et d’autre de cette paroi, et présentant des ondulations 28 le long de la hauteur de la paroi. La paroi peut être verticale, horizontale, ou oblique. Selon un mode de réalisation possible, il est possible d’intégrer de la paille métallique ou plastique pour agglomérer les gouttes puis des chicanes pour les arrêter.
L’invention porte aussi sur une installation frigorifique 100 comprenant un circuit 50 dans lequel circule le fluide de travail, l’installation frigorifique 100 comprenant les éléments suivants échelonnés le long du circuit 50 et à travers lesquels le fluide de travail circule successivement : un évaporateur 10 tel que décrit précédemment dans lequel le fluide de travail dans la phase liquide subit une perte de calories due à l’évaporation se produisant dans l’enceinte à haute pression 14 et dans l’enceinte à basse pression 17, une machine de compression 60, un condenseur 80 où le fluide de travail subit une liquéfaction, les condensats 90 étant adressés, via le circuit 50, jusqu’à l’entrée d’alimentation 12.
Avantageusement, le fluide de travail contient au moins un fluide aqueux, essentiellement de l’eau, éventuellement avec quelques additifs tels que du glycol.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le débit massique de la phase gazeuse du fluide de travail circulant dans le circuit 50 est compris entre 15 g/s et 15 kg/s.
Comme cela est représenté sur chacune des figures 1 et 2, l’enceinte à basse pression 17 de l’évaporateur 10 comprend une sortie d’évacuation 29 permettant d’extraire hors de l’enceinte principale 11 du fluide de travail dans la phase liquide 19 à partir du au moins un bac 22 de l’enceinte à basse pression 14. Ces dispositions permettent d’extraire hors de l’évaporateur 10 le fluide de travail liquide préalablement refroidi dans l’évaporateur 10 en conséquence de la double évaporation se produisant respectivement dans l’enceinte à haute pression 14 et dans l’enceinte à basse pression 17, ceci permettant une utilisation du fluide ainsi extrait.
Après avoir été utilisé, le fluide travail liquide préalablement extrait à la sortie d’évacuation 29 est réinjecté dans l’enceinte à haute pression 14. A cet effet, il est avantageux de prévoir que l’enceinte à haute pression 14 de l’évaporateur 10 comprenne une conduite d’admission 30 permettant d’alimenter au moins un bac 20 de l’enceinte haute pression 14 en fluide de travail dans la phase liquide 16 préalablement extrait de l’enceinte à basse pression 17 par la sortie d’évacuation 29.
Dans une première utilisation possible où le fluide de travail est le fluide destiné à être utilisé par le client, le fluide de travail liquide préalablement extrait à la sortie d’évacuation 29 est directement exploité par le client, ce dernier utilisant l’avantage du fait qu’il a été préalablement refroidi dans l’évaporateur 10.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux où l’installation frigorifique 100 est un système de climatisation, le refroidissement du fluide de travail (qui est notamment essentiellement aqueux) qui circule dans l’évaporateur 10 en étant maintenu à un niveau de pression compris entre 5 et 100 mbar assure une fonction de décontamination contre des bactéries prédéterminées, notamment la légionnelle. C’est la très faible pression (entre 5 et 100 mbar) dans l’évaporateur 10 qui assure une destruction des bactéries. En effet, un niveau de pression contenu dans cette plage correspond typiquement à une température comprise entre 25°C et 45°C, cette plage de température étant privilégiée pour le développement de la bactérie légionnelle.
Dans une autre utilisation possible, l’installation frigorifique 100 comprend un deuxième circuit (non représenté) dans lequel circule un fluide opérationnel distinct du fluide de travail et un échangeur thermique (non représenté) entre le fluide opérationnel circulant dans le deuxième circuit et du fluide de travail dans la phase liquide présent dans, ou issu de, l’enceinte principale 11 de l’évaporateur 10. Un tel échangeur thermique peut donc être agencé à l’intérieur ou à l’extérieur de l’enceinte principale 11 de l’évaporateur 10.
L’invention qui vient d’être décrite présente l’avantage d’être économique et efficace, de limiter les pertes de charge internes à l’évaporateur 10 et à l’installation frigorifique 100, d’éviter tout risque d’endommagement de la machine de compression 60 en raison de l’évaporateur 10, et d’être opérationnel et efficace dans le cas où le fluide de travail est essentiellement constitué à base d’eau.
Claims (17)
- Evaporateur (10) pour installation frigorifique (100) où l’installation frigorifique (100) comporte un circuit (50) dans lequel circule un fluide de travail, l’évaporateur (10) comprenant une enceinte principale (11) contenant un fluide de travail où une phase gazeuse et une phase liquide dudit fluide de travail coexistent, ladite enceinte principale (11) comprenant une entrée d’alimentation (12) destinée à être raccordée au circuit (50) pour alimenter l’enceinte principale (11) en fluide de travail à l’état liquide et une sortie d’extraction (13) destinée à extraire hors de l’enceinte principale (11) du fluide de travail à l’état gazeux vers le circuit (50), l’évaporateur (10) comprenant un dispositif d’échange thermique (70) apte à chauffer le fluide de travail contenu dans l’enceinte principale (11), caractérisé en ce que l’évaporateur (10) comprend :
- une enceinte à haute pression (14) délimitée au sein de l’enceinte principale (11), au niveau de laquelle l’entrée d’alimentation (12) est aménagée de sorte que l’enceinte à haute pression (14) est alimentée en fluide de travail à l’état liquide par le circuit (50), l’enceinte à haute pression (14) contenant du fluide de travail dans la phase gazeuse (15) à une première valeur de pression et du fluide de travail dans la phase liquide (16), l’enceinte à haute pression (14) délimitant au moins un bac (20) contenant le fluide de travail dans la phase liquide (16) présent dans l’enceinte à haute pression (14), l’au moins un bac (20) de l’enceinte à haute pression (14) conférant une surface d’évaporation (21) du fluide de travail dans la phase liquide (16) contenu dans l’enceinte à haute pression (14) à une première valeur de pression d’évaporation,
- une enceinte à basse pression (17) délimitée au sein de l’enceinte principale (11), contenant du fluide de travail dans la phase gazeuse (18) à une deuxième valeur de pression strictement inférieure à la première valeur de pression et du fluide de travail dans la phase liquide (19), la sortie d’extraction (13) étant aménagée au niveau de l’enceinte à basse pression (17) de sorte que du fluide de travail dans la phase gazeuse (18) contenu dans l’enceinte à basse pression (17) est extrait vers le circuit (50), l’enceinte à basse pression (17) délimitant au moins un bac (22) contenant le fluide de travail dans la phase liquide (19) présent dans l’enceinte à basse pression (17), l’au moins un bac (22) de l’enceinte à basse pression (17) conférant une surface d’évaporation (23) du fluide de travail dans la phase liquide (19) contenu dans l’enceinte à basse pression (17) à une deuxième valeur de pression d’évaporation strictement différente de la première valeur de pression d’évaporation,
- un écran de filtration (24) interposé entre l’enceinte à haute pression (14) et l’enceinte à basse pression (17), l’écran de filtration (24) laissant passer le fluide de travail dans la phase gazeuse (15) de l’enceinte à haute pression (14) vers l’enceinte à basse pression (17), et bloquant le passage du fluide de travail dans la phase liquide (16, 19) de l’enceinte à haute pression (14) vers l’enceinte à basse pression (17) et réciproquement,
- un conduit de communication (25) reliant l’enceinte à haute pression (14) à l’enceinte à basse pression (17), ledit conduit de communication (25) laissant essentiellement passer le fluide de travail dans la phase liquide (16) de l’enceinte à haute pression (14) vers l’enceinte à basse pression (17), et s’opposant à un passage libre du fluide de travail dans la phase gazeuse (15, 18) de l’enceinte à haute pression (14) à l’enceinte à basse pression (17) et réciproquement.
- Evaporateur (10) selon la revendication 1, dans lequel le conduit de communication (25) est un système de déversement de type trop-plein agencé au niveau dudit au moins un bac (20) de l’enceinte à haute pression (14).
- Evaporateur (10) selon la revendication 2, dans lequel le système de déversement est configuré pour agir à la manière d’un siphon entre le fluide de travail dans la phase liquide (16) d’au moins un bac (20) de l’enceinte à haute pression (14) et le fluide de travail dans la phase liquide (19) d’au moins un bac (22) de l’enceinte à basse pression (17).
- Evaporateur (10) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le rapport entre la surface d’évaporation (23) du fluide de travail dans la phase liquide (19) contenu dans l’enceinte à basse pression (14) et la surface d’évaporation (21) du fluide de travail dans la phase liquide (16) contenu dans l’enceinte à haute pression (14) est supérieur à 2 et préférentiellement supérieur ou égal à 5.
- Evaporateur (10) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la communication en fluide de travail dans la phase gazeuse (19) de l’enceinte à basse pression (17) vers le circuit (55) est libre, dépourvue de filtration.
- Evaporateur (10) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le rapport entre le débit massique de fluide de travail évaporé dans l’enceinte à haute pression (14) et le débit massique de fluide de travail évaporé dans l’enceinte à basse pression (17) est compris entre 5 et 10.
- Evaporateur (10) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le ratio entre le débit massique de fluide de travail dans la phase gazeuse (15, 18) circulant à travers l’écran de filtration (24) et le débit massique de fluide de travail dans la phase gazeuse (15, 18) circulant dans le conduit de communication (25) est supérieur à 100.
- Evaporateur (10) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’enceinte à haute pression (14) comprend au moins deux bacs (20) superposés et s’alimentant successivement en fluide de travail dans la phase liquide (16) par écoulement gravitaire au travers d’un dispositif verseur (26) équipant au moins un bac (22) de l’enceinte à haute pression (14).
- Evaporateur (10) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’enceinte à basse pression (17) comprend au moins deux bacs (22) superposés et s’alimentant successivement en fluide de travail dans la phase liquide (19) par écoulement gravitaire au travers d’un dispositif verseur (27) équipant au moins un bac (22) de l’enceinte à basse pression (17).
- Evaporateur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l’écran de filtration (24) est une paroi, ayant des pores traversants adaptés à laisser passer le fluide de travail dans la phase gazeuse (15, 18) de part et d’autre de cette paroi, et présentant des ondulations (28) le long de la hauteur de la paroi.
- Installation frigorifique (100) comprenant un circuit (50) dans lequel circule un fluide de travail, l’installation frigorifique (100) comprenant les éléments suivants échelonnés le long dudit circuit (50) et à travers lesquels le fluide de travail circule successivement : un évaporateur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le fluide de travail dans la phase liquide (16, 19) subit une perte de calories due à l’évaporation se produisant dans l’enceinte à haute pression (14) et dans l’enceinte à basse pression (17), une machine de compression (60), un condenseur (80).
- Installation frigorifique (100) selon la revendication 11, dans lequel le fluide de travail contient essentiellement de l’eau.
- Installation frigorifique (100) selon l’une des revendications 11 ou 12, dans lequel le débit massique de la phase gazeuse du fluide de travail circulant dans le circuit (50) est compris entre 15 g/s et 15 kg/s.
- Installation frigorifique (100) selon l’une des revendications 11 à 13, dans lequel l’enceinte à basse pression (17) de l’évaporateur (10) comprend une sortie d’évacuation (29) permettant d’extraire hors de l’enceinte principale (11) du fluide de travail dans la phase liquide (19) à partir du au moins un bac (22) de l’enceinte à basse pression (17).
- Installation frigorifique (100) selon la revendication 14, dans lequel l’enceinte à haute pression (14) de l’évaporateur (10) comprend une conduite d’admission (30) permettant d’alimenter au moins un bac (20) de l’enceinte haute pression (14) en fluide de travail dans la phase liquide (16) préalablement extrait de l’enceinte à basse pression (14) par la sortie d’évacuation (29).
- Installation frigorifique (100) selon l’une des revendications 11 à 15, dans lequel l’installation frigorifique (100) comprend un deuxième circuit dans lequel circule un fluide opérationnel distinct du fluide de travail et un échangeur thermique entre le fluide opérationnel circulant dans le deuxième circuit et du fluide de travail dans la phase liquide présent dans, ou issu de, l’enceinte principale (11) de l’évaporateur (10).
- Installation frigorifique (100) de type système de climatisation, comprenant un évaporateur (10) selon l’une des revendications 1 à 10 et dans laquelle le fluide de travail qui circule dans l’évaporateur (10) étant maintenu à une pression comprise entre 5 et 100 mbar assure une fonction de décontamination contre des bactéries prédéterminées, notamment la légionnelle.
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