Machine de réfrigération
La présente invention a pour objet une machine de réfrigération à compresseur, caractérisée en ce que l'évaporateur comprend un espace délimité au moins en partie par une enveloppe et servant à collecter le réfrigérant évaporé, un moteur électrique, entraînant le compresseur, étant engagé au moins partiellement dans cet espace.
Le dessin représente. à titre d'exemple, une forme d'exécution de la machine objet de l'invention:
La fig. 1 est une vue de face de cette forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue en plan de la machine.
La fig. 3 est une vue latérale de la machine vue depuis son côté gauche.
La fig. 4 est une coupe verticale agrandie à travers le centre de l'ensemble motocompresseur de la machine de réfrigération en l'observant de son côté gauche.
La fig. 5 est une vue arrière du compresseur.
La fig. 6 est une coupe verticale de l'ensemble motocompresseur suivant la ligne 6-6 de la fig. 4.
La fig. 7 est une coupe agrandie de l'évaporateur suivant la ligne 7-7 de la fig. 1.
La fig. 8 est une autre vue en élévation agrandie d'un élément formant un orifice de la soupape à orifices fixes représentée sur la fig. 7.
La fig. 9 est une coupe de l'économiseur suivant la ligne 9-9 de la fig. 3, et
la fig. 10 est une coupe horizontale de l'ensemble motocompresseur suivant la ligne 10-10 de la fig. 4.
La machine de réfrigération 10 représentée au dessin comprend un échangeur de chaleur 12 à tubes horizontaux qui forme un évaporateur de réfrigérant, un second échangeur de chaleur 14 qui forme un condenseur de réfrigérant et un ensemble motocompresseur 16. Le condenseur 14 est monté parallèlement au-dessus de l'évaporateur 12 au moyen de supports 18 et 20 de
I'extrémité du condenseur. L'ensemble motocompresseur 16 est interposé verticalement entre le condenseur et l'évaporateur et son axe s'étend perpendiculairement au condenseur et à l'évaporateur.
Le compresseur, le condenseur et l'évaporateur constituent un circuit de réfrigérant fermé qui va être décrit brièvement avant de décrire d'une façon détaillée les divers éléments de la machine de réfrigération. L'ensemble motocompresseur 16 comprend un compresseur centrifuge 22 à deux étages qui envoie du réfrigérant comprimé par un orifice de refoulement 24 du second étage à l'orifice d'entrée du réfrigérant 26 du condenseur par un conduit de décharge coudé 28. Le condenseur 14 est refroidi par un milieu de refroidissement tel que de l'eau qui est introduite dans le condenseur et en est évacuée par des collecteurs 30 et 32. Le condensat du réfrigérant qui est condensé par le milieu de refroidissement est collecté dans un bac de condensat 34 se trouvant à l'extrémité du condenseur qui est éloignée de l'orifice d'entrée 26.
Du bac 34, le réfrigérant liquide s'écoule vers le bas dans un conduit 36, traverse une soupape de commande de débit à orifices fixes 38 et va à l'orifice d'entrée 40 d'une chambre 42 d'un économiseur au bas duquel une partie du réfrigérant liquide est vaporisée instantanément en gaz. La partie restante de liquide surrefroidi est collectée dans le bac 44 de l'économiseur.
Du bac 44, une partie du réfrigérant liquide s'écoule à travers un conduit 46 pour aller à une chemise 110 de refroidissement du moteur d'où le réfrigérant évaporé est renvoyé à la partie inférieure de l'économiseur 42 par le conduit 48.
Le réfrigérant liquide qui se trouve dans le bac 44 peut également s'écouler vers le bas à travers un conduit 50, et à travers une seconde soupape de commande de débit 52 à orifices fixes pour aller à la partie inférieure de l'évoporateur 12 où il est réparti sur la longueur de celuici. Il faut noter que le bac 44 contient une cloison 45 (fig. 9) qui commence à fournir du réfrigérant liquide servant au refroidissement du moteur, avant que tout réfrigérant soit dirigé vers l'évaporateur. Le liquide réfrigérant qui est vaporisé dans l'évaporateur est renvoyé au premier étage du compresseur 22. L'évaporation du réfrigérant dans l'évaporateur 12 peut refroidir un réfrigérant secondaire tel que de l'eau qui peut y être introduite et en être évacuée par des collecteurs 54 et 56.
Le gaz réfrigérant qui a été formé par la vaporisation instantanée du réfrigérant liquide à la partie inférieure de la chambre 42 de l'économiseur et le gaz réfrigérant qui est renvoyé à la chambre de l'économiseur de la chemise de refroidissement du moteur, passe vers le haut à travers un piège de liquide 58 (fig. 9) d'où il sort de la chambre 42 par des orifices de sortie 60 et 62 et il est renvoyé en quantités approximativement égales au second étage du compresseur 22 par l'intermédiaire des conduits 64 et 66 qui sont reliés au compresseur aux orifices de sortie 140 du premier étage.
L'évaporateur 12 comprend une enveloppe cylindrique inférieure 68, dans laquelle sont logés une série de tubes 70 servant à faire circuler le réfrigérant secondaire.
En dessous des tubes 70, et s'étendant sensiblement sur toute la longueur intérieure de l'enveloppe 68, se trouve un canal distributeur 72 constitué de deux premières branches 74a s'étendant vers le bas; dont chacune est pourvue d'une série d'ouvertures horizontales 78a espacées longitudinalement par rapport à ce canal, un déflecteur 73 longitudinal et incliné, relié au bord inférieur de chacune des premières branches 74a, et de deux secondes branches 74b dirigées vers le bas à partir du bord supérieur libre de chacune des parties 73 et soudées à l'enveloppe 68, chaque seconde branche étant pourvue d'une série d'ouvertures horizontales 78b,
espacées longitudinalement par rapport à ce distributeur de sorte que du fluide évacué des ouvertures 78a est dévié vers le haut par le déflecteur 73 et que le fluide évacué des ouvertures 78b est dévié vers le haut par la partie concave vers le haut de l'enveloppe 68. Une chambre d'admission 76 du fluide est disposée en dessous de l'enveloppe 68 et fait communiquer la soupape 52 avec le canal 72 qui répartit le réfrigérant liquide le long de l'évaporateur 12, d'où le réfrigérant est évacué par les ouvertures 78a et 78b ménagées dans ses branches 74a et 74b. On voit ainsi que le fluide réfrigérant est évacué du distributeur suivant quatre courants largement diffusés espacés uniformément de l'avant à l'arrière, de façon à empêcher à peu près complètement le fluide de circuler vers le bas au milieu des tubes 70, ce qui nuirait au rendement de la transmission de chaleur.
Un second canal 80 s'étendant en dessous et longitudinalement par rapport à l'enveloppe 68 et comportant des branches 82 s'étendant vers le haut soudées sur l'enveloppe 68 présente une surface unie 83 sur laquelle on peut faire glisser la machine de réfrigération 10 pour la mettre en place, par exemple à l'aide de rouleaux.
Les branches 74b du canal 72 et les branches 82 du canal 80 sont alignées verticalement de sorte que la combinaison des canaux 72 et 80 forme une poutre à caisson supportant l'évaporateur 12.
L'évaporateur 12 comprend en outre une enveloppe cylindrique supérieure 84 soudée sur l'enveloppe inférieure 68 en 86 sur chaque côté de celle-ci. Une série de tirants transversaux 88 sont disposés longitudinalement à l'intérieur des enveloppes (fig. 7). A l'intérieur de la partie inférieure de l'enveloppe supérieure est disposé un piège à liquide 90 à travers lequel le réfrigérant évaporé dans l'enveloppe inférieure passe vers le haut et d'où il est collecté et conduit longitudinalement à l'intérieur de la partie supérieure de l'enveloppe 84 vers le centre de celle-ci où il est envoyé à l'ensemble motocompresseur 16.
L'ensemble motocompresseur 16 (fig. 4 et 10) comprend un moteur électrique 92 comportant un rotor 94 monté sur un arbre 96 qui tourne dans des paliers 98 et 100 disposés sur les flasques d'extrémité 102 et 104 du moteur, respectivement. Le moteur 92 comprend un stator 106 entourant le rotor 94 à un certain espacement de celui-ci et qui est interposé entre les flasques d'extrémité 102 et 104.
Une enveloppe cylindrique 108 s'étend entre les flasques d'extrémité et entoure le stator 106 à un certain espacement de celui-ci en formant une chemise annulaire 110 de refroidissement du moteur qui est en communication avec le conduit 46 par le passage 112 ménagé dans le flasque d'extrémité 104. Du réfrigérant liquide en quantité relativement faible provenant du conduit 46 passe dans la chemise de refroidissement où il est vaporisé par la chaleur dégagée par le moteur et d'où il est évacué pour une ouverture 114 ménagée dans la partie supérieure de l'enveloppe 108 d'où il passe vers le conduit 48 au moyen d'un conduit rectangulaire 116.
Sur l'arbre 96, au voisinage de son extrémité qui est éloignée du moteur 92 sont disposées les roues centrifuges 118 et 120 du premier et du second étage comportant des orifices d'aspiration 122 et 124 et des orifices de refoulement 126 et 128, respectivement. Les roues 118 et 120 sont disposées de sorte que leurs orifices de refoulement se trouvent aux extrémités voisines et les orifices d'aspiration aux extrémités éloignées, c'est-à-dire suivant une disposition dos à dos.
Le compresseur 22 comprend un carter constitué par deux éléments en fonte 130 et 132 dans lesquels des volutes collectrices du gaz sont formées qui collectent le gaz réfrigérant comprimé et refoulé par les roues. Une cloison circulaire 134 est disposée entre les roues 118 et 120 d'une façon étanche par rapport à l'arbre 96 et elle s'étend radialement vers l'extérieur jusqu'au carter du compresseur en séparant d'une façon étanche les deux étages du compresseur 22. Chaque surface plane de la cloison 134 dans la surface qui se trouve radialement vers l'extérieur des roues forme un côté d'un passage diffuseur 136 s'étendant radialement entre une roue et une volute collectrice.
Bien qu'on puisse utiliser des carters de compresseur identiques pour des compresseurs de capacité différente, il est nécessaire de choisir un passage diffuseur ayant une largeur appropriée pour chaque dimension de compresseur. Dans le compresseur qui est décrit ici, ceci peut être effectué pour les deux étages de compression simplement en choisissant pour un seul élément, à savoir la cloison 134, la largeur appropriée. La pièce en fonte 130 qui est disposée radialement vers l'extérieur par rapport à la roue mobile 118 comprend deux volutes collectrices 138 du premier étage dont chacune comporte un orifice de refoulement 140 diamétralement opposé à l'autre dans le plan horizontal.
A l'intérieur radialement des volutes 138, sur le côté de la pièce en fonte 130 qui est tourné vers le moteur 92, est disposée une bride circulaire 142 servant à monter le carter du compresseur sur le moiteur. La pièce en fonte 130 comprend une seconde bride annulaire 144 qui se trouve radialement à l'extérieur des volutes 138 et qui est tournée à l'opposé du moteur 92 et qui est fixée sur la pièce en fonte 132.
La pièce 132 contient une seule volute collectrice 146 du second étage qui refoule le gaz à l'orifice de refoulement 24 disposé extérieurement et aligné radialement par rapport à la roue 120 du second étage. La pièce 132 comprend de plus deux passages 148 dont chacun comprend un orifice d'entrée 150 disposé vers l'extérieur radialement de la volute 146 dans une position face sur face par rapport à l'un des orifices de refoulement 140 servant à recevoir le gaz réfrigérant refoulé du premier étage de compression. Chaque passage 148 comprend de plus une partie distributrice 152 qui est pourvue d'aubes distributrices 154 servant à répartir circonférentiellement le gaz réfrigérant autour du conduit d'aspiration annulaire 156.
Le conduit annulaire 156 forme un passage annulaire 158 conduisant le gaz réfrigérant des parties distributrices 152 radialement vers l'intérieur jusqu'à l'orifice d'aspiration 124 de la roue 120. Le conduit annulaire 156 peut être fixé par sa bride circulaire 160 sur une bride circulaire 162 de la pièce coulée 132. Le conduit annulaire 156 comprend une série d'aubes de guidage fixes 164, disposés suivant une configuration annulaire dans le passage 158 et servant à guider le gaz radialement vers l'intérieur depuis les parties distributrices 152 sans le faire tourner. Dans le passage annulaire 158 sont également disposées radialement à l'intérieur des aubes 154 une série d'aubes de guidage 166 du second étage, disposées suivant une configuration annulaire et dont chacune est montée de façon à pouvoir être réglée en pivotant autour d'un axe s'étendant parallèlement à l'arbre 96.
Les aubes de guidage 166 du passage 158 impriment le mouvement de rotation approprié au gaz qui les traverse de façon à régler l'angle d'approche sur l'orifice d'aspiration 124 de la roue et de régler ainsi la capacité du second étage de compression avec un minimum de perte d'énergie due à la turbulence du gaz. Les pivots des aubes de guidage 166 sont reliés entre eux pour être déplacés d'un même mouvement.
En considérant maintenant d'une façon plus particulière la façon d'envoyer le gaz réfrigérant de l'évaporateur 12 à l'orifice d'aspiration 122 de la roue 118 du premier étage, on voit que le moteur 92 est logé dans le profil cylindrique de l'enveloppe supérieure 84 de l'évaporateur 12 dans l'enveloppe 84 sur une distance égale à la moitié de son diamètre. Une enveloppe cylindrique circulaire droite 168 d'un diamètre beaucoup plus grand que celui du moteur 92 est disposée concentriquement par rapport à l'arbre 96 et s'étend depuis la pièce en fonte 130 du compresseur vers l'extrémité du moteur 92 qui est éloigné du compresseur 22. L'enveloppe cylindrique 168 est pourvue d'une bride circulaire 169 servant à la monter sur la bride 142 de la pièce en fonte 130.
Une tôle 170 de forme courbe est soudée sur l'enveloppe cylindrique 168 et sur l'enveloppe 108 du moteur 92. La tôle 170 est encochée pour recevoir le conduit rectangulaire 116.
L'enveloppe cylindrique 168 est encochée à son intersection avec l'enveloppe cylindrique 84 en 172 (fig. 10).
L'enveloppe cylindrique 84 est de même encochée à son intersection avec l'enveloppe cylindrique 168, ce qui laisse un passage pour le fluide en 172. Ce passage pour le fluide est pourvu d'une joue 174 s'étendant depuis l'enveloppe 168 et ayant une forme s'adaptant au profil
de l'enveloppe 84. La joue 174 comprend une séparation partielle 175 qui s'étend dans l'espace annulaire séparant le moteur 92 et l'enveloppe 168 et par-dessus laquelle des gaz provenant de l'évaporateur doivent s'écouler en allant au compresseur, ce qui assure encore qu'aucun liquide n'est envoyé au compresseur. La joue 174 est soudée d'une façon étanche sur l'enveloppe 168.
Au moment du montage du motocompresseur sur l'évaporateur, la joue 174 est soudée d'une façon étanche sur l'enveloppe 84 de l'évaporateur, ce qui forme ainsi une communication pour le fluide entre l'intérieur de l'enveloppe 84 et l'enveloppe 168.
Deux tôles 176 et 178 (fig. 1) s'étendent en liaison avec l'enveloppe cylindrique 168 et elles sont soudées d'une façon étanche sur la tôle 170, sur la joue 174 et sur l'enveloppe cylindrique 168 de façon à former en combinaison avec la tôle 170 une fermeture d'extrémité rendant étanches les parties tronquées de l'enveloppe 168.
Une tôle courbe 180 s'étend également vers l'arrière et vers le bas depuis le bord arrière de la joue 174 (fig. 4),
L'espace annulaire compris entre l'enveloppe 168 et l'enveloppe 108 du moteur forme un passage annulaire pour le fluide depuis l'ouverture en 12 jusqu'à l'orifice d'aspiration 122 de la roue 118 du premier étage.
Un conduit d'aspiration annulaire 182 du premier étage disposé concentriquement par rapport à l'arbre 96, entre la roue 118 et le moteur 92, est supporté et est relié au flasque d'extrémité 102 du moteur par des boulons.
L'élément 182 est pourvu d'une joue annulaire 184 qui est supportée et qui est montée d'une façon étanche sur la paroi interne de l'enveloppe 168. La joue 184 forme un joint étanche pour le côté aspiration du compresseur et elle a également une forme lui permettant de diriger le fluide dans le passage annulaire 186 de l'élément 182 qui s'étend radialement vers l'intérieur et vers l'orifice d'aspiration 122. Le passage 186 est pourvu d'une série d'aubes de guidage 188 d'aspiration du premier étage disposées suivant une configuration annulaire, et dont chacune est montée de façon pouvoir être réglée en pivotant autour d'un axe s'étendant parallèlement à l'arbre 96. Les pivots des aubes de guidage 188 sont reliés entre eux pour se déplacer d'un mouvement commun. Les aubes 188 fonctionnent de la même manière que les aubes 166 du second étage.
Les aubes 166 et 188 sont actionnées par un moteur commun 190 répondant à la charge et qui leur est relié par un mécanisme 192.
Les soupapes 38 et 52 ont des formes semblables et fonctionnent de la même manière et il suffira de décrire la soupape 52 seule qui est représentée aux fig. 7 et 8. La soupape 52 est constituée par un élément 194 formant intérieurement un seul orifice arrondi 196 disposé dans une position d'étranglement du débit par rapport au conduit 50 au voisinage de la chambre d'admission 76 du fluide de l'évaporateur 12. La soupape 52 comprend également un second élément en tôle mince 198 présentant des orifices 200 qui étranglent le conduit 50 se trouvant en amont de l'orifice 196. Les orifices 200 présentent des bords avant nets et sont responsables d'une chute comprise entre environ 5 % et environ 25 % de la pression totale.
La machine de réfrigération comporte une boîte 202 pour les bornes électriques, qui est montée directement sur le moteur 92, ainsi qu'un panneau de commande 204.
De plus, des tampons élastiques 206 servant à amortir les vibrations sont placés sous chaque extrémité de l'évaporateur et sous un pied central 208 disposé sous le centre de gravité du motocompresseur. Des joints sont placés dans toute la machine aux endroits où ils sont nécessaires.
Pendant le fonctionnement de la présente machine de réfrigération, le gaz réfrigérant qui s'est formé dans l'évaporateur 12 passe vers le haut à travers la pièce 90, se dirige vers le motocompresseur en se déplaçant dans la partie supérieure de l'enveloppe 84 d'où il sort par l'ouverture en 172 (fig. 10) pour aller dans l'espace séparant l'enveloppe 168 et l'enveloppe 108 du moteur et de là, dans le conduit d'aspiration annulaire 182, en regard des aubes de guidage 188, à travers le passage annulaire 186 pour aller à l'orifice d'aspiration 122 de la roue 118 du premier étage. Le gaz refoulé de l'orifice de refoulement 126 de la roue 118 traverse l'un des passages diffuseurs 136 pour aller aux deux volutes collectrices de gaz 138 du premier étage.
Des orifices de sortie 140 des volutes collectrices 138, le gaz partiellement comprimé est envoyé au conduit annulaire d'aspiration 156 du second étage par les deux passages 148 et de là, à l'orifice d'aspiration 124 de la roue 120 du second étage. Le gaz réfrigérant ayant été comprimé par la roue du second étage est refoulé par l'orifice de refoulement 128 à travers un autre passage diffuseur 136 et va vers la volute collectrice de gaz 146 du second étage d'où il est refoulé vers l'orifice de sortie 24. L'écoulement du réfrigérant dans le restant de la machine a déjà été décrit.
Bien que la machine fonctionne sur une gamme étendue de conditions de charge, les soupapes de commande de débit 38 et 52 servent respectivement à empêcher le gaz réfrigérant du condenseur d'aller vers l'économiseur et à empêcher le gaz vaporisé dans l'économiseur d'aller à l'évaporateur car le passage de ce gaz nécessiterait plus d'espace dans l'économiseur et dans l'évaporateur respectivement, sans fournir d'effet de refroidissement. On pense que chaque soupape fonctionne en maintenant un joint liquide dans la partie s'étendant verticalement du conduit qui précède la soupape.
Dans des conditions de charge différentes, il y aura, bien entendu, des variations de la différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur et dans le taux de débit du réfrigérant allant du condenseur vers l'évaporateur. Fol va de soi que la pression de l'évaporateur diminue et que la pression du condenseur augmente lorsque la charge augmente.
Bien entendu, l'inverse est vrai lorsque la charge décroît.
Ces variations rendent difficile de maintenir un joint liquide dans les conduits 36 et 50. Si on utilisait une soupape de commande de débit à un seul orifice, les conduits 36 et 50 devraient être excessivement longs pour permettre des variations de la colonne de liquide afin de maintenir le joint liquide.
La soupape de commande de débit à doubles orifices fixes décrite ici fonctionne avec une extrême souplesse de commande, ce qui permet au conduit s'étendant verticalement qui précède la soupape d'être relativement court. L'orifice aval 196 est conçu pour fonctionner dans la gamme de pressions de débit critiques lorsque des variations de pression en aval de l'orifice ne sont pas sensiblement transmises en amont de l'orifice par suite de la vitesse critique du fluide qui le traverse. Le bord avant arrondi facilite un fonctionnement sûr et stable de cet orifice dans la gamme de pressions de débit critiques. On pense que l'orifice 196 sous des conditions de travail nombreuses fonctionne en n'étant que très peu affecté par les variations de la pression dans l'évaporateur.
Cependant, il est évident qu'un accroissement ou une diminution de la pression amont augmente ou diminue respectivement le débit à travers l'ensemble de l'orifice 196 sur une gamme étendue de conditions de charge sans perte sensible du joint liquide.
D'autre part, les orifices 200 ménagés sur la tôle 198 sont pourvus de bords avant nets et ne fonctionnent pas dans la gamme de pressions de débit critiques. Les orifices 200 impriment une faible chute de pression au liquide qui s'écoule à travers ces orifices, ce qui en fait vaporiser instantanément une partie en gaz juste en aval de l'orifice 200. Du fait que ce gaz et le liquide restant doivent traverser l'orifice 196, il est évident que plus la vaporisation instantanée du gaz juste en aval des orifices 200 est importante, plus faible est la quantité de liquide qui doit s'écouler en traversant l'orifice 196. A mesure que la charge s'accroît, le niveau du liquide commence à s'élever dans le conduit qui précède la soupape et le liquide à la soupape est surrefroidi par suite du fait qu'il est soumis à une perte de charge plus importante.
Du fait que le liquide est surrefroidi, une quantité de liquide plus faible se vaporise instantanément en gaz aux orifices 200, ce qui permet à une plus grande partie du liquide de traverser l'orifice 196. Le débit total à travers l'orifice 196 augmente également lorsque la chute de pression s'accroît. Si le niveau du liquide dans le conduit tombe, le liquide à la soupape est amené plus près de la saturation et de plus grandes quantités de gaz sont formées aux orifices 200, ce qui réduit ainsi la proportion du liquide à l'orifice 196. Le débit total à travers l'orifice 196 diminue également lorsque la chute de pression diminue.
Si le niveau du liquide tombe temporairement d'une facon suffisante pour rompre le joint liquide, l'orifice supérieur ou les orifices 200 laissent passer une faible quantité de gaz qui tend à bloquer l'écoulement du liquide à l'orifice 196, ce qui fait établir à nouveau le séparateur liquide. Pour obtenir une commande précise, on a trouvé que le premier orifice doit assurer entre 5 % et 25 % environ de la chute de pression totale attribuée à la soupape.
Du fait que cette commande de débit est extrêmement souple, la dimension qui est choisie pour l'orifice pour une machine particulière fonctionne extrêmement bien pour une gamme étendue de conditions de charge. En fait, des essais ont montré que le joint liquide, qui est si nécessaire pour empêcher la perte d'énergie parasite due au court-circuit gazeux, se maintient effectivement pour toute la gamme de fonctionnement normal. Lorsqu'on rencontre des conditions inhabituelles, la commande à doubles orifices présente une caractéristique de débit restrictive qui lui est propre et qui réduit à une quantité presque négligeable tout court-circuit de gaz. Cependant, cette petite quantité de gaz peut présenter un certain avantage dans certaines conditions de fonctionnement inhabituelles qui font fonctionner le compresseur près de sa région de pointe ou d'instabilité.