LU86391A1 - Systeme de reglage des installations a circuit frigorifique comportant une detente a capillaire - Google Patents

Description

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BL-3866 " Système de réglage des installations à circuit frigorifique comportant une détente à capillaire "

La présente invention concerne un système de réglage des installations à circuit frigorifique 5 comportant une détente à capillaire, installations ; dans lesquelles un fluide frigorigène parcourt un cycle thermodynamique qui consiste en une évaporation, une compression, une condensation et une détente.

L'objectif est d'améliorer les systèmes 10 de réglage connus tant au point de vue économique qu'au point de vue de la régulation.

Les champs d'application de l'invention peuvent être, à titre d'exemple non limitatif : - les sécheurs de gaz comprimés 15 - les unités de conditionnement d'air - les pompes à chaleur - les réfrigérateurs de liquides - d'autres encore.

Du point de vue du système de réglage du 20 circuit frigorifique , les installations peuvent se diviser suivant le type d'organe de laminage qui peut être : 1) un tube capillaire 2) une soupape thermostatique 25 3) d'autres systèmes de moindre diffusion.

On va examiner ci-après, du point de vue des inconvénients qu'ils présentent, les circuits frigorifëres à tube capillaire et à soupape thermostatique , avec ou sans réglage de la capacité au moyen 30 d'une dérivation ( by-pass ) de gaz chaud. On ne donnera pas de description détaillée des principes physiques de fonctionnement des deux systèmes, du fait que l'on considère que le lecteur en a déjà connaissance.

35 s_frigorifères_pouryus_d^un_or2ane_de_lamina2e à_çagillaira.

Le schéma de principe du circuit frigorifère à tube capillaire est donné dans la figure 1 annexée.

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Ce système de réglage est utilisé en général dans des installations de faible puissance dans lesquelles il est important de disposer d'un bas coût et ; où les inconvénients découlant de l'adaptabilité 5 imparfaite de l'installation frigorifère aux conditions variables d'emploi du capillaire, lequel constitue un organe de réglage du type statique, ont peu d'importance. Cette non-adaptabilité du capillaire peut provoquer alternativement des surchauffages importants du fluide 10 frigorigène aspiré par le compresseur ou des retours de liquide, également vers le compresseur. Les surchauffages élevés peuvent être provoqués par exemple par une charge insuffisante de fluide réfrigérant ( voir figure 2 ) ou par une augmentation de charge 15 frigorifère demandée à 1'évaporateur ou encore par une diminution importante de la pression de condensation et peuvent endommager sérieusement le compresseur vu que le refroidissement des bobinages du moteur électrique, lequel est presque toujours assuré par le 20 réfrigérant aspiré dans les compresseurs employés pour ces applications, peut ne plus être suffisant.

Les retours de liquide peuvent par exemple être provoqués par une charge excessive de fluide réfrigérant ( voir figure 3 ) ou par une diminution de la charge 25 frigorifère demandée à 1'évaporateur ou par une augmentation importante de la pression de condensation et peuvent endommager sérieusement le compresseur vu que la présence éventuelle de liquide dans la phase de compression peut conduire à la rupture des soupapes 30 ou au grippement du compresseur. Un autre problème des installations à tube capillaire résulte de la précision exigée pour le dosage de la charge, d'ailleurs plutôt réduite , de fluide frigorigène. En fait, s'il se produit des fuites - même très minimes - de réfri-35 gérant, l'installation se décharge en peu de temps et donne lieu à des situations de fonctionnement dangereuses, telles que les surchauffages trop élevés au

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-3- coinpresseur déjà mentionnés. En outre, la charge de fluide frigorifère exige beaucoup d'attention et de soin vu que, comme elle est très petite, des variations de faible importance en plus ou en moins peuvent 5 peser notablement sur les prestations et sur la sécurité de fonctionnement de l'installation. Circuits_frigorifères_pourvus_dj_organes_de_lamina2e

Le schéma de principe du circuit frigori-10 fère à soupape thermostatique est donné à la figure 4.

Comme ce schéma de réglage est plus coûteux que celui à capillaire, il est généralement employé quand ce dernier, en raison de la non-adaptabilité aux variations des conditions de fonctionnement, 15 présente les problèmes déjà décrits.

Par rapport au tube capillaire, la soupape thermostatique contrôle le flux du liquide frigorigène qui la traverse de manière à maintenir un surchauffage constant et modéré du réfrigérant à l'état de vapeur 20 à la sortie de 1'évaporateur ( voir figure 5 ) pour assurer la transformation complète du fluide frigorigène de liquide en gaz et par conséquent pour éliminer la possibilité de retours dangereux de liquide au compresseur. Un inconvénient du système à soupape 25 thermostatique résulte de l'instabilité que cet organe de régulation de type dynamique introduit, par suite des déphasages, pratiquement impossibles à éliminer, entre l'effet sur le système de la variation de flux de réfrigérant due à 1'action régulatrice de la 30 soupape et le signal qui commande cette action régulatrice et qui provient du détecteur placé en aval de 1'évaporateur.

Cette instabilité du système consiste par exemple en une fluctuation de la pression d'évaporation ' 35 qui donne lieu à une détérioration des prestations de l'installation. Le surchauffage que l'on doit maintenir à la sortie de 1'évaporateur ne doit pas -4-

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être excessif mais jamais inférieur à une valeur minimale sinon, du fait des variables que l'on vient de décrire, il peut y avoir à certains moments de dangereux retours de liquide au compresseur. Ceci signifie 5 que dans les installations à soupape thermostatique une partie de la surface d'échange de 1'évaporateur doit être destinée au surchauffage de la vapeur et que, par conséquent, la capacité d'échange de 1'évaporateur n'est pas pleinement exploitée.

10 Circuits frigorifères à contrôle de capacité .

Un cas particulier, mais assez fréquent, se présente quand la charge frigorifère demandée à 1'évaporateur peut varier entre O % et 100 % de la valeur maximale projetee et quand, en même temps, 15 la pression d'évaporation du fluide frigorigène ne doit pas être inférieure à une valeur déterminée ( par exemple 0° C manomêtriques ) pour éviter la congélation des fluides dans 1'évaporateur, comme par exemple quand le fluide à refroidir est de l'air 20 humide ou de l'eau. Il est donc nécessaire de disposer d'un organe de régulation capable de réduire l'excès de puissance frigorifère, organe qui consiste généralement en une soupape prèssostatique qui ouvre une dérivation ( by-pass ) entre le refoulement et 25 l'aspiration du compresseur afin d'empêcher que la pression à l'aspiration ne descende en dessous d'une valeur préfixée.

Les circuits frigorifères à organe de laminage à tube capillaire et régulateur de capacité 30 ( voir figure 6 ) tiennent sous contrôle la pression mais pas la température du fluide frigorifère en aval de la soupape régulatrice de capacité qui injecte du gaz chaud et par conséquent, en cas d'inconvénients tels qu'une perte de réfrigérant ou un mauvais 35 fonctionnement des soupapes, ils sont exposés à des inconvénients au compresseur dus aux surchauffages trop élevés qui se produisent dans ces cas.

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Les circuits frigorifères à organe de laminage à soupape thermostatique et régulateur de capacité ( voir figure 7 ) tiennent sous contrôle la température du fluide frigorifère aspiré par le 5 compresseur pourvu que l'injection de gaz chaud se produise en amont du détecteur de la soupape thermostatique, mais ils peuvent présenter, aux charges partielles, c'est-à-dire quand la soupape de régulation de la capacité intervient, des fluctuations de 10 la pression d'évaporation assez intenses déterminées par l'interaction entre les deux organes de régulation. Pratiquement, ces interactions sont très difficiles à éliminer vu que aussi bien la soupape thermostatique que la soupape pressostatique sont contrôlées par la 15 pression d'évaporation et que l'intervention de l'une quelconque de leurs fonctions de réglage influence cette pression.

La présente invention consiste en un système de réglage à tube capillaire ( voir figure 8 ) 20 dans lequel un petit récipient contenant du fluide frigorigène à l'état liquide , qui exerce simultanément la fonction de poumon/séparateur de liquide et de dispositif assurant le retour de l'huile de lubrification du compresseur est inséré en ligne entre 25 1'ëvaporateur et le compresseur.

Le poumon/séparateur ( voir figure 9 ) est constitué de préférence par un récipient, par exemple de forme cylindrique 1, par un tube d'aspiration 2 et par un indicateur de niveau, par exemple 30 un regard de niveau 3 fixé sur le corps du récipient 1, et par un tube d'entrée 4 du fluide frigorifère venant de 1'évaporateur , tube qui est disposé de préférence dans la partie inférieure du récipient 1.

Comme on le voit clairement à la figure 10, 35 qui représente en coupe ledit poumon/séparateur, le tube 2 d'aspiration peut être constitué , à titre d'exemple, par un tronçon de conduite en "U" dont

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-6- 1'extrémité d'entrée 5 est située à la partie supérieure du récipient 1 et qui est muni d'un passage calibré 6 dans la partie inférieure, la raison d'être de ce passage consistant - comme on le verra plus loin -5 d'assurer un retour adéquat d'huile au compresseur, la deuxième branche du tube en "U" s'arrêtant à faible distance de la partie supérieure du récipient.

L'indicateur de niveau 3, constitué de préférence par un hublot transparent, a pour fonction 10 de vérifier la hauteur 7 de la surface libre du fluide contenu dans le récipient 1 ; l'indicateur de niveau pourra avoir une autre forme de construction quelconque, même extérieure au récipient, pourvu qu'il conserve la fonction de regard du niveau.

15 De préférence, l'indicateur de niveau 3 est placé plus haut que le tube d'entrée 4 de telle sorte que le fluide qui entre dans le récipient 1 doive barboter à travers le liquide quand la surface libre de ce dernier est maintenue dans le champ visuel 20 de l'indicateur de niveau 3.

Le tube capillaire de détente et la capacité du poumon/séparateur sont dimensionnés de telle manière que quelle que soit la condition de fonctionnement ( c'est-à-dire pour n'importe quelle pression 25 d'évaporation et de condensation ) le fluide frigo- rigène à la sortie de 1'ëvaporateur se trouve toujours à l'état de vapeur saturée ( jamais surchauffée ).

De cette façon, l'ajustement de la capacité du capillaire aux diverses conditions de fonctionnement 30 de l'installation s'obtient grâce à une variation du sous-refroidissement du liquide à l'entrée du capillaire.

Considérons par exemple une installation de régime stationnaire ( c'est-à-dire caractérisée par une constance dans le temps des paramètres caracté-35 ristiques de l'installation ) dans laquelle il existe un certain degré de sous-refroidissement à l'entrée du capillaire, que le fluide frigorigène à la sortie

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-7- âe 11évaporateur soit de la vapeur saturée et que le récipient poumon/séparateur contienne une certaine quantité de liquide et analysons ce qu'il adviendra en cas d'augmentation ou de diminution de la charge 5 frigorifère demandée à 1'évaporateur.

1) Augmentation de la charge frigorifère demandée :

En même temps qu'une augmentation de la pression d'évaporation, il se fait que le fluide frigorigène à la sortie de 1'évaporateur sort surchauffé mais qu'en 10 se mélangeant avec le liquide qui se trouve à 1'intérieur du récipient poumon/séparateur il revient à l'état de vapeur saturée aux dépens d'une certaine évaporation de celle-ci.

Le niveau dans le récipient baisse à cause 15 d'une migration de fluide frigorigène de celui-ci au condenseur qui, à cause de l'inondation partielle du condenseur, provoque une augmentation du sous-refroidissement et de la pression de condensation. A leur tour, ces augmentations provoquent une augmentation 20 de la capacité du capillaire et donc une augmentation du débit du réfrigérant. La situation finale sera donc la suivante : - augmentation de la pression d'évaporation - augmentation de la pression de condensation 25 - augmentation du sous-refroidissement du liquide à l'entrée du capillaire - diminution du niveau dans le récipient poumon/séparateur - toujours de la vapeur saturée à la sortie de l'éva-30 porateur.

2 )__Diminution_de_la_charge_f rigor if èr e_demand.ee :

Il se produit exactement le contraire de ce qui a été décrit précédemment, c'est-à-dire que l'ajustement final de la capacité du capillaire s'obtiendra à cause 35 d'une vidange partielle du condenseur et par conséquent d'une diminution du sous-refroidissement du liquide à son entrée.

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Aux pressions de condensation élevées, il peut arriver que l'on se trouve dans une situation dans laquelle le condenseur se vide totalement de liquide qui est par conséquent saturé à 1'entrée du 5 capillaire. Dans ce cas, on obtient une réduction ultérieure de la capacité du capillaire aux dépens d'une certaine quantité de vapeur saturée non condensée qui entre dans le capillaire en même temps que le liquide. On obtient que de petits pourcentages 10 de vapeur par rapport au liquide provoquent de grandes variations de capacité de passage du capillaire, grâce à quoi la quantité de vapeur non condensée est toujours très petite et est de toute façon compensée par le fait que la vidange complète du condenseur de la part 15 du liquide, et donc l'absence de sous-refroidissement, permet d'exploiter au mieux toute la surface du condenseur.

La capacité du récipient/poumon est établie en relation 20 avec les variations de volume du fluide réfrigérant par suite de la variation des conditions de fonctionnement. Conformément à la figure 10, cette variation de volume doit être inférieure à la capacité du récipient 1 et la surface libre 7 du réfrigérant liquide 25 doit toujours être comprise entre la section de sortie du réfrigérant 5, pour empêcher des retours de liquide au compresseur, et le dispositif de retour de l'huile 6 ou la section d'entrée 4, afin que le dispositif de retour de l'huile 6 baigne toujours dans le liquide 30 et qu'il y ait toujours un certain battant de liquide au-dessus de la section d'entrée 4.

Le dispositif de retour de l'huile nécessaire à la lubrification du compresseur sert du fait qu'à cause de l'évaporation complète du réfrigérant dans 35 1'évaporateur il se produit une séparation complète entre l'huile, initialement mélangée avec le fluide frigorifère à l'état liquide, et la vapeur. Alors qu'en

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-9- fait, dans les systèmes ayant seulement un capillaire ou une soupape thermostatique, le retour d'huile est assuré par l'entraînement mécanique dû à la vitesse élevée de la vapeur dans la tubulure d'aspiration , 5 dans le cas présent, du fait de la basse vitesse de la vapeur dans le récipient 1, qui doit assurer la séparation des gouttelettes de liquide entraînées, il faut soutirer ( par exemple en exploitant l'effet Venturi dans un tube en "U" ) une petite quantité de 10 liquide contenant l'huile non entraînée en solution.

L'indicateur de niveau 3 sert à contrôler la quantité de réfrigérant présente et rend élémentaire la phase de charge du liquide frigorigène dans l'installation. En fait, dès que l'on connaît le 15 niveau que doit atteindre le fluide dans les conditions de charge présélectionnées, il suffit de charger le fluide frigorigène jusqu'à ce qu'il atteigne le niveau préfixé sans aucun type de contrôle. Quand la charge frigorifère demandée à 1'évaporateur peut varier de 20 O % à 100 % et qu'un organe pour la régulation de capacité du type de la soupape pressostatique est nécessaire, le schéma de référence est celui de la figure 11.

Dans ce cas, le gaz prélevé au refoulement 25 du compresseur est mélangé avec le réfrigérant à la sortie de 1'évaporateur avant le récipient poumon/ séparateur afin d'éliminer le surchauffage de ce gaz par barbotage à travers le liquide qui y est contenu, et par conséquent d'assurer toujours la présence de 30 vapeur saturée à l'aspiration du compresseur.

Par rapport aux installations à capillaire dont elle conserve les qualités de faible coût, de * stabilité de fonctionnement et de fiabilité, la présente invention présente les avantages suivants : 35 - adaptabilité à de vastes variations des conditions de fonctionnement,

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-10- - possibilité d'application à des installations ayant des charges de réfrigérant pouvant être importantes, grâce à un dimensionnement adéquat du volume du récipient/séparateur, sans déséquilibre dû à des 5 variations de régime, - fonctionnalité, même dans des installations de puissance frigorifère importante qui exigent généralement des charges relativement importantes de réfrigérant, 10 - constance de la température d'aspiration du réfrigé rant au compresseur, qui correspond toujours à celle de la vapeur saturée, - insensibilité à de petites fuites de réfrigérant grâce à la capacité de fluide contenu dans le poumon/ 15 séparateur, - extrême facilité de charge du réfrigérant grâce à l'indicateur de niveau, - suppression du surchauffage du gaz chaud injecté au moyen d'une soupape éventuelle de régulation de 20 capacité dans des installations à charge frigorifère variable et à température de fonctionnement à·l'éva-porateur minimale.

Par rapport aux installations munies d'une soupape thermostatique de laminage, la présente inven- 25 tion est caractérisée par les avantages mentionnés ci-dessous : - coût réduit en raison de 1'absence de la soupape thermostatique elle-même, - stabilité de fonctionnement du fait de l'absence de 30 régulations du type dynamique, - exploitation maximale de la surface d'échange thermique de 1'ëvaporateur puisque, contrairement à ce qui se produit pour la soupape thermostatique, il n'est pas nécessaire de surchauffer le fluide frigo- 35 rigène qui travaille donc toujours à l'état de saturation,

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-11- - couple minimal à la poussée du moteur du compresseur, vu que le capillaire équilibre rapidement les pressions d'aspiration et de refoulement du circuit frigorifère, - absence d'instabilité des conditions de fonctionne-5 ment, même dans le cas d'utilisation d'une soupape de régulation de capacité par injection de gaz chaud, grâce à la stabilité fonctionnelle du capillaire, - refroidissement efficace du moteur électrique du compresseur grâce au petit soutirage de liquide qui 10 assure le retour de l'huile.

Claims (7)

1. Système de réglage des installations à circuit frigorifique comportant une détente à capillaire, installations dans lesquelles un fluide frigo-5 rifique parcourt un cycle thermodynamique qui consiste en une évaporation, une compression, une condensation et une détente, caractérisé en ce que ledit système comprend, en ligne, entre 1'évaporateur et le compresseur, un petit récipient contenant du fluide frigo-10 rigêne à l'état liquide qui exerce simultanément la fonction de poumon/séparateur de liquide et de dispositif assurant un retour d'huile de lubrification au compresseur.

2. Système de réglage suivant la revendi-15 cation 1, caractérisé en ce que le petit récipient poumon/séparateur de liquide comporte à sa partie inférieure un tube d'entrée de la vapeur venant de 1'évaporateur, à sa partie supérieure un tube d'aspiration se prolongeant dans le récipient par un tronçon 20 de tube en "U” dont la deuxième branche s'arrête à faible distance de la partie supérieure du récipient et muni dans le coude du bas d'un passage calibré servant au prélèvement d'une petite quantité de liquide, et un indicateur de niveau de liquide fixé 25 sur le corpos du récipient, à une hauteur située entre les deux tubes permettant de s'assurer du niveau du liquide qui est contenu dans le récipient et dans lequel la vapeur entrante doit barboter.

3. Système de réglage suivant l'une des 30 revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube capillaire de détente et la capacité du récipient poumon/séparateur de liquide sont dimensionnés de telle manière que quelles que soient les conditions de fonctionnement ( pressions ) le fluide frigorigène 35 à la sortie de 1'évaporateur se trouve toujours à l'état de vapeur saturée. V -13-

4. Système de réglage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la capacité du récipient poumon/séparateur de liquide est établie en relation avec les variations de volume du fluide 5 réfrigérant par suite de la variation des conditions de fonctionnement , en tenant compte de ce que cette variation de volume doit être inférieure à la capacité dudit récipient et de ce que la surface libre du réfrigérant liquide se trouvant dans le récipient doit 10 toujours être comprise entre la section de sortie du tube en "U" du réfrigérant, pour empêcher des retours de liquide au compresseur, et le dispositif de retour de l'huile ou la section d'entrée du fluide venant de 1'évaporateur, afin que le dispositif de retour 15 de l'huile baigne toujours dans le liquide et qu'il y ait toujours un battant de liquide au-dessus de la section d'entrée.

5. Système de réglage suivant l'une quelconque des revendications précédentes , caractérisé 20 en ce que le retour d'huile au compresseur est assuré par soutirage d'une petite quantité de liquide contenant de l'huile en solution du petit récipient poumon/ séparateur de liquide via le passage calibré qui y est prévu.

6. Système de réglage suivant la revendi cation 5, caractérisé en ce que le soutirage d'une petite quantité de liquide du récipient poumon/sépa-rateur s'effectue en exploitant l'effet Venturi dans un tube en "U".

7. Système de réglage suivant la revendi cation 4, caractérisé par une soupape régulatrice de capacité montée entre le compresseur et la sortie de , 1'évaporateur vers le récipient poumon/séparateur.