Procédé et appareil de réfrigération
Le présent brevet a pour objets un procédé et un appareil de réfrigération.
Dans un appareil de réfrigération classique de la vapeur saturée ou légèrement surchauffée est comprimée isentropiquement afin d'augmenter l'enthalpie du réfrigérant que l'on fait ensuite passer à pression constante à travers un condenseur où ont lieu le refroidissement et la condensation. Le réfrigérant condensé peut être ou ne pas être sous-refroidi avant son passage à travers un dispositif d'expansion où il subit une réduction de pression à enthalpie constante pour passer ensuite dans un évaporateur où il élimine une certaine quantité de chaleur indésirée en se vaporisant de nouveau.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on surchauffe un réfrigérant sous forme de vapeur jusqu'à une température approximativement égale à la température du condenseur et fait passer ensuite la vapeur de réfrigérant à travers un dispositif de compression avec un liquide porteur ayant également une température approximativement égale à la température du condenseur, de sorte qu'une compression isothermique de la vapeur de réfrigérant est effectuée.
L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprenant un circuit de réfrigération présentant un compresseur, un condenseur, un dispositif d'expansion du réfrigérant et un évaporateur, est caractérisé par un surchauffeur pour surchauffer le réfrigérant à une température approximativement égale à la température de condensation avant d'admettre le réfrigérant au compresseur, des moyens pour faire circuler un milieu à l'état liquide à une température approximativement égale à la température de condensation de l'appareil à travers le compresseur avec le réfrigérant surchauffé, et un séparateur pour séparer le réfrigérant du liquide porteur en un point du circuit qui précède le passage du réfrigérant sous forme condensée dans le surchauffeur.
Deux formes d'exécution de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention vont maintenant être décrites, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel:
La fig. 1 est une vue schématique de la première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue schématique de la seconde forme d'exécution et
La fig. 3 est un diagramme température-entropie illustrant le rapport entre un cycle de réfrigération idéal conventionnel et un cycle de réfrigération idéal conforme au présent procédé.
Dans l'appareil représenté schématiquement à la fig. 1, le côté refoulement d'une pompe 2 est relié par une conduite 4 pour le mélange à l'entrée d'un séparateur de vapeur et de liquide 6. Une sortie pour le liquide porteur est adjacente au fond du séparateur 6 et est reliée par une conduite 8 à un mélangeur à mousse 10 adjacent à l'admission de la pompe 10. Le mélangeur 10 comprend de préférence une buse à travers laquelle le liquide est déchargé sous forme d'un jet qui entraîne la vapeur de réfrigérant pour former une mousse. Ceci tend également à récupérer l'énergie du liquide porteur jaillissant de la conduite 8 à une pression substantiellement plus élevée que celle régnant du côté aspiration de la pompe.
La sortie pour la vapeur de réfrigérant 12a est adjacente au sommet du séparateur 6 et est reliée par l'intermédiaire d'une conduite de vapeur 12 à un condenseur de réfrigérant 14.
Le condenseur est relié par une conduite 16 pour le réfrigérant liquide à un échangeur de chaleur 18 et une autre conduite 20 pour le réfrigérant liquide mène de celui-ci à une vanne 22. La vanne 22 à son tour est reliée par une conduite 24 à l'entrée d'un évaporateur 26 pour le réfrigérant dont la sortie est reliée par une conduite de vapeur 28 à l'échangeur de chaleur 18 et de là par une conduite 30 au mélangeur à mousse 10.
La direction d'écoulement du réfrigérant à travers l'appareil est indiquée par les flèches .Le chemin suivi par le liquide porteur, qui accompagne le réfrigérant du mélangeur à mousse 10 au séparateur 6, a sa direction d'écoulement indiquée par les flèches en traits interrompus.
Lors du fonctionnement de l'appareil, la pompe 2 engendre un écoulement de liquide porteur et d'agent moussant provenant de la conduite 8 et également de vapeur de réfrigérant surchauffée revenant par la conduite 30 de l'échangeur de chaleur 18 vers l'admission de la pompe. La différence de pression existant entre la conduite 8 et le côté d'aspiration de la pompe 2 a pour effet de faire jaillir le liquide de la conduite 8 sous forme de jet à vitesse élevée de la buse montrée en lignes interrompues dans le mélangeur 10. Ainsi les trois composantes, soit la vapeur de réfrigérant surchauffée, l'agent moussant et le liquide porteur forment un mélange moussant qui est pompé dans le séparateur 6.
Dans le séparateur, la mousse est désagrégée, en libérant la vapeur de réfrigérant pour son passage à travers la conduite 12 au condensateur 14, tandis que le liquide porteur du mélange reste dans le séparateur 6 pour être renvoyé au mélangeur 10 et à la pompe 2 par la conduite 8. La condensation de la vapeur de réfrigérant a lieu dans le condensateur 14 et le condensat s'écoule par la conduite 16 à l'échangeur de chaleur 18 pour y être sous-refroidi et ensuite à travers le reste du circuit de réfrigération.
La forme d'exécution représentée à la fig. 2 correspond à celle représentée à la fig. 1, sauf que le séparateur 32 est disposé à la suite du condenseur 14. Le liquide porteur accompagne le réfrigérant à travers le condenseur 14 où la vapeur de réfrigérant est condensée, aucune tentative de séparation des deux composantes n'étant effectuée jusqu'à ce qu'elles atteignent toutes deux le séparateur 32 sous forme liquide. Ainsi la différence essentielle dans le fonctionnement, si l'on compare avec la forme d'exécution de la fig. 1, est qu'une séparation liquide-liquide a lieu à la place d'une séparation vapeur-liquide.
A titre d'exemple, il est supposé que le réfrigérant liquide a un poids spécifique plus élevé que celui du liquide porteur, mais on comprendra que si c'était le contraire, les endroits des connexions respectives de la conduite 8 pour le liquide porteur et de la conduite 16 pour le réfrigérant liquide seraient inversés sur le séparateur 32.
La différence du cycle de réfrigérant en question par rapport à un cycle de réfrigération classique sera mieux comprise en se reportant au diagramme idéal de la fig. 3, qui est un graphique illustrant le rapport entre la température absolue et l'entropie, représentées respectivement par les coordonnées verticales et horizontales, du réfrigérant dans le cycle. Les états successifs du réfrigérant pour le présent cycle, en commençant avec la vapeur de réfrigérant saturée quittant l'évaporateur, sont représentés par les lettres ABDEFGA.
Les états successifs du réfrigérant dans un cycle classique sont indiqués par les points ABCDEFGA, en supposant que la vapeur est surchauffée au degré montré dans le diagramme entre les points A et B. Ce degré de surchauffe est exagéré ici, du moment que typiquement le degré de surchauffe dans un cycle classique serait juste suffisant pour assurer qu'il n'y ait pas de réfrigérant à l'état liquide pénétrant dans la pompe.
Les températures dans le condenseur et dans l'évaporateur sont représentées respectivement par TG et
Te.
Si l'on considère maintenant le présent cycle de réfrigération le point A du diagramme représente l'état de vapeur saturée du réfrigérant quittant l'évaporateur 26 et passant dans l'échangeur de chaleur 18 où la vapeur surchauffée suivant la ligne de pression constante
A-B jusqu'à ce que sa température soit approximativement égale à la température du condenseur au niveau du point B. Ce degré de surchauffe élevé est imparti à la vapeur de réfrigérant dans l'échangeur de chaleur 18 avant qu'elle s'écoule dans le mélangeur à mousse 10 pour être mélangée avec le liquide porteur provenant de la conduite 8 et avec l'agent moussant.
Le mélange mousseux de liquide porteur et de vapeur de réfrigérant surchauffée est aspiré dans la pompe 2 et la pression du mélange est augmentée dans la pompe du niveau de pression régnant dans l'évaporateur et dans l'échangeur de chaleur à la pression du condenseur. En vertu de la présence du liquide porteur dans le mélange, la compression du réfrigérant le long de la ligne de B à D est substantiellement isothermique. Après la phase de compression, le mélange passe dans le séparateur de vapeur et de liquide 6 si c'est l'appareil de la fig. 1 qui est utilisé, ou bien directement dans le condenseur si c'est l'appareil de la fig. 2 qui est utilisé. Dans l'un et l'autre cas le diagramme température-entropie est le même du moment que seul l'état du réfrigérant y est représenté.
Si c'est le système de la fig. 1 qui est utilisé, le liquide porteur et l'agent moussant sont séparés de la vapeur de réfrigérant saturée dans le séparateur 6 de manière que seul le réfrigérant passe dans le condenseur 14, tandis que dans l'agencement de la fig. 2, le liquide porteur accompagne le réfrigérant à travers le condenseur 14 pendant que le réfrigérant se condense comme indiqué par la ligne D-E du diagramme.
Lorsque l'état du réfrigérant atteint le point E du diagramme, toute la vapeur de réfrigérant s'est condensée en liquide réfrigérant, et ce réfrigérant liquide passe à travers la conduite 16 dans l'échangeur de chaleur pour être sous-refroidi à pression constante le long de la ligne E-F du diagramme. La chaleur dégagée au cours de cette phase de sous-refroidissement est utilisée pour le processus de surchauffe A-B. Grâce aux différences de chaleur spécifique du réfrigérant à l'état liquide et du réfrigérant à l'état de vapeur, moins de chaleur est nécessaire pour surchauffer la vapeur de la température de l'évaporateur à la température du condenseur que pour sous-refroidir le liquide de la température du condenseur à la température de l'évaporateur.
Par conséquent, la température à laquelle le réfrigérant liquide est amené pendant le sous-refroidissement est supérieure à la température de l'évaporateur, comme l'indique le point F qui est situé légèrement à ]'écart de la partie correspondant au réfrigérant liquide de la courbe de saturation.
Le réfrigérant liquide sous-refroidi passe à travers la vanne 22 où il subit une expansion suivant la ligne d'enthalpie constante F-G. Le réfrigérant principalement liquide (partiellement sous forme de vapeur) au point G correspond au réfrigérant à l'état où il se trouve lorsqu'il pénètre dans l'évaporateur, et la ligne
G-A correspond naturellement à l'état du réfrigérant à mesure qu'il passe à travers l'évaporateur et est revaporisé. La vapeur saturée indiquée au point A correspond à l'état du réfrigérant lorsqu'il pénètre dans l'échangeur de chaleur 18 à travers la conduite 28,
I'échangeur de chaleur, comme indiqué précédemment, servant à impartir un degré élevé de surchauffe à la vapeur de réfrigérant avant qu'elle pénètre à nouveau dans le mélangeur 10 et la pompe 2.
Aux fins de comparer le présent cycle avec un cycle classique, il est supposé dans le diagramme de la fig. 3 qu'une compression dans un cycle de réfrigération classique est effectuée avec de la vapeur de réfrigérant ayant le degré de surchauffe indiqué par le point B. Si une telle vapeur surchauffée était introduite dans la pompe sans véhicule d'accompagnement enlevant la majeure partie de la chaleur de compression du réfrigérant, alors la vapeur de réfrigérant serait comprimée isentropiquement dans la pompe le long de la ligne B-C et serait ensuite refroidie à pression constante le long des lignes C-D et D-E dans le condenseur. On suppose également que le reste du cycle est effectué par un sous-refroidissement (E-F), une expansion (F-G) et une évaporation (G-A) comme décrit précédemment.
Si l'on compare maintenant le cycle classique comprenant la compression isentropique, avec notre cycle avec la compression isothermique, on voit que dans les deux cas la chaleur enlevée au milieu refroidi par l'évaporateur est la même et est représentée par l'aire située au-dessous de la ligne G-A. Dans le cas de notre cycle, le travail extérieur effectué est représenté par l'aire de la figure fermée ABDEFGA, tandis que dans le cas du cycle classique le travail effectué est représenté par l'aire de la figure fermée ABCDEFGA. L'aire généralement triangulaire BCD dans le cycle classique représente le travail extérieur supplémentaire requis par le cycle classique en comparaison avec le présent cycle.
La différence entre notre cycle et un cycle conventionnel est ainsi mise graphiquement en lumière par l'aire enfermée par le triangle BCD, et c'est précisément pour cette raison que le cycle de réfrigération classique est représenté au diagramme comme comprenant une phase de surchauffe (ligne A-B) très exagérée. Si l'on suppose que dans un cycle de réfrigération classique pratiquement aucune chaleur de surchauffe n'est ajoutée à la vapeur avant que celle-ci soit comprimée isentropiquement le long de la ligne en traits interrompus de la fig. 3, on pourrait dire que dans ce cas l'aire triangulaire KHD est substantiellement inférieure à l'aire triangulaire ABK, ces deux aires représentant la différence entre les travaux extérieurs des deux cycles.
Toutefois, dans le cas d'un cycle classique dans lequel aucune chaleur de surchauffe n'est ajoutée à la vapeur saturée au point A avant la compression isentropique (A-H) de celle-ci, alors par la même occasion le sousrefroidissement indiqué le long de la ligne E-F du diagramme n'est pas disponible avant l'expansion du réfrigérant liquide, et par conséquent la ligne d'expansion suivra de manière générale la ligne en traits interrompus
E-J. Par conséquent il est clair que la chaleur enlevée au milieu refroidi par l'évaporateur sera dans un tel cas représentée par l'aire située au-dessous de la ligne J-A et non celle située au-dessous de la ligne G-A, et ainsi la différence entre les deux cycles est de nouveau rendue évidente.
En passant maintenant de la comparaison de notre cycle avec un cycle comprenant une compression isentropique, telle qu'elle est représentée graphiquement par les cycles idéaux, on note qu'en raison de la présence du liquide porteur pendant la phase de compression c'est effectivement un liquide qui est pompé plutôt qu'une vapeur. Du moment que la pression engendrée par une pompe centrifuge est proportionnelle au produit de la densité du milieu débité par le carré de la vitesse de pointe, on comprend facilement qu'en augmentant la densité du milieu débité dans la mesure que permet l'adjonction d'un liquide à la vapeur, une pompe centrifuge donnée pourra engendrer des pressions beaucoup plus élevées, ou, alternativement, la pompe pourra être beaucoup plus petite tout en engendrant malgré cela une pression donnée.
Ainsi, il est possible d'étendre considérablement le domaine d'application d'appareils de réfrigération utilisant des compresseurs centrifuges.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 1, dans laquelle le réfrigérant est séparé du liquide porteur et de l'agent moussant avant le condenseur, on comprendra qu'afin d'empêcher une condensation du réfrigérant sous forme de vapeur dans le séparateur 6, la température du liquide porteur en contact avec la vapeur de réfrigérant devra correspondre de manière générale à la température régnant dans le condenseur 14.
Ainsi, au moins pendant la mise en marche initiale de l'appareil, des moyens de chauffage (non représentés) alimentés par des moyens extérieurs peuvent être disposés dans le séparateur 6 afin d'augmenter la température du liquide porteur au niveau de la température de condensation du réfrigérant de manière que le réfrigérant ne se condense pas dans la pompe ou dans le séparateur au lieu de se condenser dans le condenseur 14.
Suivant les caractéristiques de la pompe 2, après la mise en marche, la pompe peut engendrer une quantité de chaleur suffisante pour maintenir la température du liquide porteur à une valeur empêchant toute perte substantielle de surchauffe avant la compression, et empêchant la condensation dans le séparateur, ou alternativement, le chauffage par la source extérieure peut être poursuivi dans le séparateur dans une mesure plus ou moins grande suivant les nécessités indiquées.
Avec l'appareil de la fig. 2, dans lequel le réfrigérant est condensé avant d'être séparé du liquide porteur, il n'est pas nécessaire d'utiliser de tels moyens de chauffage extérieurs, du moment que la condensation du réfrigérant dans le liquide porteur ne présente aucun désavantage. Quoique une période initiale de fonctionnement relativement inefficace puisse se produirependant que la température du liquide porteur est en train de s'élever vers la température de condensation, lorsque la température du liquide atteint la température élevée, le cycle s'effectuera comme on l'a décrit.
On comprendra que des agencements modifiés peuvent être utilisés. A titre d'exemple, dans une modification la pompe peut être utilisée pour pomper le liquide uniquement dans un circuit qui comprend un compresseur à trompe dans lequel la vapeur de réfrigérant surchauffé est introduite. Dans ce cas, l'énergie du jet de liquide à grande vitesse déchargé dans le compresseur à trompe est utilisée pour effectuer la compression isothermique de la vapeur de réfrigérant, et c'est de nouveau la présence du liquide porteur qui permet la compression isothermique.
Dans une autre modification, l'échangeur- de chaleur 18 de la fig. 2 est omis. La vapeur de réfrigérant quittant l'évaporateur 26 à la température de l'évaporateur est mélangée directement dans le liquide porteur ayant substantiellement la température du condenseur. La température de mélange résultante sera quelque peu inférieure à la température du condenseur suivant le rapport de capacité de chaleur particulier entre la vapeur de réfrigérant et le liquide porteur. Le point U de la fig. 3 pourra alors représenter la température et la pression de la vapeur après le mélange.
Comme l'indique la fig. 3, la compression isothermique dans la pompe commence au point U. A mesure que la pression est graduellement augmentée, un état de saturation est atteint au point V. A partir de ce point, le réfrigérant commence à se condenser. La poursuite de Ia compression provoque une augmentation de la température du mélange comme l'indique la ligne VW.
La chaleur latente de la vapeur condensée correspond à l'augmentation en chaleur sensible du mélange. Au point W, la température du condenseur est atteinte et le reste de la chaleur latente est absorbé dans le condenseur.
L'omission de l'échangeur de chaleur n'est applicable que pour modifier un agencement tel que celui de la fig. 2. Naturellement, le sous-refroidissement indiqué le long de la ligne E-F n'est alors plus réalisable.
A titre explicatif: le réfrigérant peut comprendre le fréon et le butane. L'agent moussant peut comprendre le polyéthylèneglycol, le liquide porteur peut être de l'eau, des esters de glycol et des huiles naturelles et synthétiques.
REVENDICATION I
Procédé de réfrigération, caractérisé en ce qu'on surchauffe un réfrigérant sous forme de vapeur jusqu'à une température approximativement égale à la température du condenseur et fait passer ensuite la vapeur de réfrigérant à travers un dispositif de compression avec un liquide porteur ayant également une température approximativement égale à la température du condenseur, de sorte qu'une compression isothermique de la vapeur de réfrigérant est effectuée.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que la vapeur de réfrigérant surchauffée est pompée avec ledit liquide porteur afin de provoquer une augmentation de pression isothermique de la vapeur de réfrigérant à la pression du condenseur, et en ce que la surchauffe de la vapeur de réfrigérant est effectuée avant la phase de pompage en la faisant passer en relation d'échange de chaleur avec du réfrigérant condensé subissant un sous-refroidissement avant l'expansion de celui-ci.
2. Procédé selon la revendication I ou la sous-revendication 1, caractérisé en ce que la vapeur de réfrigérant surchauffée est pompée avec le liquide porteur sous forme d'un mélange moussant, et en ce qu'une fois l'augmentation de pression isothermique effectuée, le réfrigérant est ensuite condensé, sous-refroidi, détendu et évaporé, la vapeur de réfrigérant étant alors surchauffée à une température approximativement égale à la température du condenseur avant le pompage.
3. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'on fait circuler le liquide porteur à travers l'étage de compression avec le réfrigérant, après quoi celui-ci est séparé du liquide et passe en relation d'échange de chaleur pour surchauffer le réfrigérant revenant de l'étage d'évaporation.
4. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que l'augmentation de pression isothermique est effectuée pour augmenter la pression de la vapeur de réfrigérant jusqu'à la saturation.
5. Procédé de réfrigération selon la revendication I, caractérisé en ce qu'on fait circuler le réfrigérant successivement à travers un étage de condensation, un étage d'expansion et un étage de vaporisation, et en ce qu'on fait passer la vapeur de réfrigérant quittant l'étage de vaporisation en relation d'échange de chaleur avec le réfrigérant liquide quittant l'étage de condensation afin de surchauffer la vapeur de réfrigérant et sous-refroidir le réfrigérant liquide.
REVENDICATION II
Appareil de réfrigération pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, comprenant un circuit de réfrigération présentant un compresseur, un condenseur, un dispositif d'expansion du réfrigérant et un évaporateur, caractérisé par un surchauffeur (18) pour surchauffer le réfrigérant à une température approximativement égale à la température de condensation avant d'admettre le réfrigérant au compresseur (2), des moyens (8, 10) pour faire circuler un milieu à l'état liquide à une température approximativement égale à la température de condensation de l'appareil à travers le compresseur (2) avec le réfrigérant surchauffé, et un séparateur (6 ou 32) pour séparer le réfrigérant du liquide porteur en un point du circuit qui précède le passage du réfrigérant sous forme condensée dans le surchauffeur (18).
SOUS-REVENDICATIONS
6. Appareil de réfrigération selon la revendication II, caractérisé en ce que le séparateur de vapeur et de liquide est disposé entre le compresseur et le condenseur.
7. Appareil de réfrigération selon la revendication II, caractérisé en ce que le séparateur liquide-liquide est disposé entre ledit condenseur et le surchauffeur.
American Air Filter Company, Inc.
Mandataires: Dériaz, Kirker & cive, Genève
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