Brevet FR2283405A1 — publié le 19760326

La présente invention se rapporte à un procédé de régulation d'un système frigorifique destiné à une production de froid et de chaleur. Elle vise également un dispositif destiné à la lise en oeuvre de ce procédé. Ce procédé et ce dispositif s'appliquent à toutes les machines frigorifiques utilisables, en fonction des besoins, en production de froid et/ou en production de chaleur, cette seconde utilisation étant connue sous le non de fonctionnement en " pompe de chaleur ". Pour simplifier l.s explications à venir, on choisit l'exemple des groupes de production d'eau glacée, glyco- lée ou non, à condensation par l'eau, mais il est bien entondu que le procédé selon l'invention s'adresse à des tachines frigorifiques utilisant des fluides quelconques, aussi bien au condenseur qu'à l'évaporateur. Cons le montre de façon extrêmement schénatique la figure 1 du dessin annexé, un groupe de production d'eau glacée se compo- se de - Un ou plusieurs évaporateurs 1, un évaporateur étant un échan- geur " eau glacée-fluide frigorigène " dans lequel le fluide frigorigène, dont le circuit n'est pas représenté, s'évapore et, ce faisant, absorbe les calories de l'eau et donc la retroi- dit. - Un ou plusieurs condenseurs 2,un condenseur étant un échangeur " eau de condensation-fluide frigorigène " dans lequel le fluide frigorigène se condense et,ce faisant, cède ses calories à l'eau et donc la réchauffe. - Un ou plusieurs compresseurs 3 qui permettent le transfert des calories de l'évaporateur 1 ai condenseur 2. Dans le cas plus courant, un groupe tel que celui de la figu- re 1 est utilisé pour une production de froid. Dans ce cas, il y a utilisation en 4 des frigories produites à l'évaporateur 1, par exemple pour refroidir un bâtiment en été, tandis que les calories produites au condenseur 2 doivent nécessairenent être évacuées en 5 à l'extérieur du système. Le même groupe peut aussi entre utilisé pour une production de chaleur et constitue alors une " pompe de chaleur ".Dans ce cas, il 7 a utilisation on 5 des calories produites au condenseur 2, par exemple pour réchauffer un bâtiment en hiver, tandis que les frigories produites à l'évaporateur 1 doivent nécessaire- ment être évacuées en 4 à l'extérieur du système. Dans certains cas, notamment dans le domaine du conditionnement d'air, il arrive que lton veuille utiliser la larme machine frigorifique pour les deux utilisations précitées, à savoir la production de froid et la production de chaleur. Les deux systèmes précédemment décrits sont alors superposés, suivant le schéma de la figure 2: Sur le circuit évaporateur 6, on a le choix entre l'utilisation des frigories en 7 et leur évacuation en 8. - Sur le circuit condenseur 9, on a le choix entre l'utilisation des calories en 10 et leur évacuation en 11. Le comportement de la machine frigorifique reste le mise, qu'elle soit utilisée en production de froid ou en n pompe de chaleur ". Seule change l'utilisation que l'on fait des calories ou des frigories et,par conséquent, la régulation du système. Dans sa généralité, la régulation est actuellement réalisée conformément au schéma de la figure 3, oh les éléments déjà visibles à la figure 2 ont été indiqués par les mêmes références. Une première régulation s'effectue au niveau de la production, c'est-à-dire de la marche et de la modulation de puissance du groupe frigorifique. La vocation d'un groupe de production d'eau glacée étant de fournir de l'eau à température constante, de l'ordre de 5 à 70C, celui-ci est généralement doté d'une sonde de température 12 sur le départ ou le retour de l'eau glaces. Cette sonde commande directement la modulation de puissance du ou des compresseurs 3. Une seconde régulation intervient au niveau de l'utilisation. Celle-ci s'obtient généralement par modulation du débit d'eau utilisés= - Sur le circuit évaporateur 6, une vanne à trois voies 13 permet de dériver une partie du fluide dirigé vers l'utilisation 2. - De même, sur le circuit condenseur 9 une vanne à trois voies 14 permet de dériver une partie du fluide dirigé vers l'utilisation 10. En outre, suivant l'utilisation que l'on fait du système, on a le choix, sur le circuit évaporateur 6,entre l'utilisation 2 et l'évacuation 8 des frigories et,sur le circuit condenseur 9, entre l'utilisation 10 et l'évacuation Il des calories. il est à noter que ces différentes régulations sont en apparence distinctes mais sont nécessairement interdépendantes en fonctionnement. En effet il ne peut y avoir production de fri gories à l'évaporateur 1 sans production correspondante et simultanée de calories au condenseur 2. Les dispositifs actuels de régulation, tels que celui venant d'être présenté, comportent de nombreux inconvénients - Ces dispositifs sont " autoritaires N, en ce sens qu'en général on choisit arbitrairement l'utilisation ou l'évacuation des frigories ou des calories. La souplesse d'utilisation fait donc défaut. - Ils sont mal adaptés à la charge de l'utilisation et, en particulier, la régulation en production de chaleur est très impar- faite car elle est commandée par la sonde 12 placée dn c8té de l'eau glacée. Il en résulte des déséquilibres entre l'utilisation et l'évacuation des frigories et des calories et,par conséquent, des déperditions d'énergie. - Pour améliorer la régulation on a déjà essayé d'adjoindre des chaînes logiques ayant un rôle correctif.Cependant ces commandes très indirectes impliquent une mise en oeuvre complexe et cotteu- se, sans parvenir à un fonctionnement satisfaisant (inerties trop importantes). - Les dispositifs de régulation existants sont trop instables et l'on observe des changements de régime nombreux et des arrêts par n lise en défaut n provoquant l'intervention des protections. La présente invention vise à remédier à l'ensemble de ces inconvénients. Â cet effet, elle a pour objet un procédé de régulation dans lequel on commande la machine frigorifique simultanément par la charge calorifique et la charge frigorifique, avec priorité à la charge la plus élevée, tandis que da c8té évaporateur et du côté condenseur on commande séparément et de façon progressive, ur la charge respective, la répartition du fluide entre l'utilisation et l'évacuation. Suivant une forme de lise en oeuvre préférée de ce procédé, la commande de la machine frigorifique et de la répartition du fluide, par la charge, s'effectue de façon séquentielle du côté évaporateur et du côté condenseur,avec, pour une demande de puissance croissante, le passage progressif de l'évacuation à l'utilisation, l'ordre de mise en route de la machine frigorifi- que puis l'ordre d'augmentation progressive de la puissance de la machine frigorifique ,ladite machine obéissant à la demande de puissance la plus élevée. La particularité essentielle de ce procédé est la commande directe de la machine frigorifique, en fonction uniquement de l'importance et de la nature des charges d'utilisation, qu'elles soient d'origine calorifique ou frigorifique. Il en résulte des avantages importants - Adaptation parfaite à la charge, quel que soit le régime d'uti- lisation. - Continuité dans l'utilisation du froid et du chaud,avec possibilité de simultanéité sans risque de gaspillage d'énergie. ~Stabilisation automatique des pressions de condensation et d'évaporation de la tachine frigorifique, sans régulation complé mentaire, quelle que soit l'utilisation. - Simplicité maximale de mise en oeuvre, aussi bien du point de vue hydraulique que du point de vue électrique. Un dispositif particulièrement simple pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention conprend, sur chacun des circuits évaporateur et condenseur, au moins un capteur couandant,par l'intermédiaire d'un régulateur, une vanne à trois voies modulant la répartition du fluide entre les circuits d'évacuation et d'utilisation, ledit régulateur délivrant également les ordres de mise en route et de modulation de puissance de la machine frigorifique qui est commandée par un dispositif recevant les ordres des' deux régulateurs. On a donc, côté évaporateur et côté condenseur, deux channes de régulation totalement indépendantes, qui ne coopèrent que par l'intermédiaire du dispositif dont le rôle est de commander la machine frigorifique d'après la demande de puissance la plus élevée, lorsque des ordres simultanés proviennent des deux régulatueurs Il est en outre souhaitable que les régimes de température de l'eau de condensation et de l'eau glacée soient différents suivant l'utilisation principale, production de froid ou de chaud, que l'on veut faire de la machine frigorifique. Â cet effet, suivant un iode de réalisation avantageux du dispositif de régulation selon l'invention, un organe de modification du point de consigne de chaque régulateur est prévu, de manière à intervenir à un stade déterminé de la séquence commandée par ledit régulateur. Cet organe contribue à la stabilité de la régulation. De toute façon, l'invention sera lieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence à la figure 4 du dessin annexé représentant, de manière extrêmement schématique, un exemple du dispositif de régulation selon l'invention. Sur ce schéma, les mêmes repères qu'à la figure 3 ont été utilisés pour identifier les éléments connus : évaporateur 1, condenseur 2, compresseur 3, circuit évaporateur 6 avec l'utilisation des frigories en 7 et leur évacuation 8, circuit condenseur avec l'utilisation des calories en 10 et leur évacuation en 11, vannes à trois voies li et 14 permettant, de chaque c8té,de dériver une partie du fluide dirigé vers l'utilisation. Selon l'invention, il est prévu, sur le circuit évaporateur 6, un capteur 15, par exemple une sonde de température placée sur le retour de l'eau glacée, relié à un régulateur 16.Ce dernier commande : - d'une part, une vanne à trois voies 17 modulante, permettant de répartir le fluide du c8té évaporateur entre l'utilisation des frigories 7 et leur évacuation 8; - d'autre part, la mise en route et la modulation de puissance du ou des compresseurs 3,par l'intermédiaire d'un dispositif 18 dont le rble précis apparattra plus loin. Pour une demande croissante de froid détectée par le capteur 15, , le régulateur 16 commande, de fagon directe, la séquence suivante : - fermeture progressive de la voie de la vanne 17 correspondant & BR 2, par exemple sous la forne d'ordres de lise en route d'un noibre croissant d'étages du compresseur. Pour une demande décroissante de froid on commande la séquence inverse, qu t il est inutile de détailler. D'une manière " symétrique n -il est prévu, sur le circuit condenseur 9, un capteur 19, par exemple une sonde de température placée sur le retour de l'eau de condensation, relié à un régulateur 20. Ce dernier commande - d'une part, une vanne à trois voies 21 modulante, permettant de répartir le fluide du côté condenseur entre l'utilisation des calories 10 et leur évacuation 11; - d'autre part, la mise en route et la modulation de puissance du ou des compresseurs 7, par l'intermédiaire du dispositif 8 dejà mentionné. Pour une demande croissante de chaleur détectée par le capteur 19, le régulateur 20 commande ,de façon directe, la séquence suivante: fermeture progressive de la voie de la vanne 21 correspondant è. l'évacuation des calories en Il et ouverture progressive de la voie correspondant à l'utilisation des calories en 10; ordre de mise en route du compresseur 3; ordre d'augmentation progressive de la puissance du compres seur 3, par exemple sous la forme d'ordres de mise en route d'un nombre croissant d'étages du compresseur. Pour une demande décroissante de chaleur on commande la séquence inverse, qu'il est inutile de détailler. Les régulations par les vannes à trois voies 17 et 21 sont totalement indépendantes, par contre la marche du compresseur 33 est réglée au moyen du dispositif 18 à partir des ordres prove- nant simultanément des deux régulateurs 16 et 20,de telle manière que le compresseur 5 obéit toujours à la demande de puissance la plus élevée. Un dispositif très simple pour parvenir à ce résultat consiste à commander chaque étage du compresseur au moyen de deux contacts électriques montés en parallèle et contrôlés respectivement par les deux régulateurs 16 et 20.Ainsi il suffit que l'un au moins des deux régulateurs demande la mise en route de l'étage considéré, par fermeture du contact correspondant, pour que l'étage se trouve effectivement alimentée en courant électrique ( on réalise un circuit logique " OU Lors de la mise en route de l'installation, le fonctionnement de l'ensemble s'établit comme suit En supposant que les températures de consigne sont 50C pour l'eau glacée et 450C pour l'eau du condenseur, l'eau qui circule dans l'évaporateur 1 est normalement trop chaude au départ tandis que l'eau qui circule dans le condenseur 2 est trop froide.Il y a demande simultanée de frigories et de calories et,de chaque c8té, on observe donc l'ouverture de la vanne 17 ou 21 sur le circuit d'utilisation; ; l'ordre de mise en route du compresseur 3; - l'ordre de montée en puissance du compresseur 5. Commandé simultanément par les deux régulations, le compresseur 3 fonctionne à pleine puissance pour satisfaire les demandes de froid et de chaleur. Après cette séquence de démarrage de l'installation, on peut distinguer deux cas de fonctionnement Le premier cas est celui où il y a équilibre entre la demande de frigories et de calories. Les dênx régulations commandent le même régi@e de fonctionnement, correspondant à une certaine puissance du compresseur 5, et les vannes à trois voies 21 et 21 restent ouvertes toutes deux sur l'utilisation. Cet équilibre est nécessairement instable puisqu'il est lié à une demande rigoureusement identique de froid et de chaleur. Le second cas est cel@@@ où il n'y a pas équilibre rigoureux entre les calories et les frigories ê l'utilisation et c'est le cas le plus général. Dans l'exemple décrit ci.-dessous, on suppose que le besoin en frigories est supérieur au besoin en calories: Le circuit d'utilisation des calorïes n'est plus suffisant pour évacuer toutes les calories four@ies par la machine frige- rifique et l'eau de condensation reviendra donc plus chasde,de sorte que le capteur 19 va demender mn. réduction de puissance du compresseur 3.Cet ordre reste sans affet car la rédution de puissance n'est pas demandée mimultanément par l'autre capteur 15. La température continue de s'élever sur le reteur de l'eau de condensation et le capteur li demande une nouvelle réduction de puissance, et ceci jusqu'à l'ordre d'arrêt complet de la machine. Cet ordre ne pouvant être exécuté, le régulateur 20 commaudé par le capteur 19 provoque l'ouverture progressive de la vanne à trois voies 21 sur le circuit d'évacuation des calories, jusqu'à obtention de la tompérature de consigne au retour de l'eau de condensation. Dans le cas d'an déséquilibre inverse, c'est-à-dire avec us besoin en calories supérieur au besoin en frigories, on a un fonctionnement " symétrique " du cas précédent et qui s'eu déduit aisément, sans qu'une description détaillée soit nécessai- re. On voit que gracie à ce fonctionnement il y a, dans tous les cas, adaptation de l'installation aux charges, à la fois du côté évaporateur ot du côte condenseur, sans qu'à aucun moment il n'y ait risque de gaspillage d'énergie. Le fonctionnement précédemment décrit peut être encore amé- lioré par une modification du point de consigne qui interviendrait, dans la séquence des régulateurs 16 et 20,entre l'ordre d'arrêt du compresseur 3 et l'ordre d'ouverture de la vanne troS voies 17 ou 21 sur le circuit d'évacuation.Ainsi, dans l'exemple décrit plus haut, où le besoin en frigories est supérieur au besoin en calories, lorsque le régulateur 20 donne l'ordre d'ouverture de la vanne 21 sur le circuit d'évacuation des ca lories, il commande également l'abaissement de la température de consigne au retour de l'eau de condensation, ce qui a pour effet d'accélérer l'évacuation des calories, d'où : améliora tion de la stabilité du système et diminution de la puissance électrique absorbée par la machine. À l'inverse, en cas de be soin de calories, la température de consigne est plus élevée et ceci facilite l'utilisation de la n pompe de chaleur ".I1 faut encore noter que cette modification du point de consigne peut se faire soit ponctuellement par un " saut n @ soit de ma- nière progressive au cours de la séquence du régulateur. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce dispositif derégulation qui a été décrite ci-dessus à titre d'exemple non limitatif; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation mettant en oeuvre le a8te procédé par des moyens quelque peu différents mais restant équivalents à ceux décrits. REVENDICATIONS 1.- Procédé de régulation d'un système frigorifique destiné à une production de froid et/ou de chaleur, composé d'au moins un évaporateur, d'au moins un condenseur et d'au moins une machine frigorifique telle qu'un compresseur, procédé dans lequel on commande la machine frigorifique simultanément par la charge calorifique et la charge frigorifique, avec priorité à la charge la plus élevée, tandis que du côté évaporateur et du côté condenseur on commande séparément, par la charge respective, la répartition du fluide entre l'utilisation et l'évacuation, caractérisé en ce que la commande de la machine frigorifique et de la répartition du fluide, par la charge, s'effectue de façon séquentielle du côté évaporateur et du côté condenseur, avec, pour une demande de puissance croissante, le passage progressif de l'évacuation à l'utilisation, l'ordre de mise en route de la machine frigorifique puis l'ordre d'augmentation progressive de la puissance de la machine frigorifique, ladite machine obéissant à la demande de puissance la plus élevée. 2.- Dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, du type comprenant, sur chacun des circuits évaporateur et condenseur, au moins un capteur conandant une vanne, caractérisé en ce que ledit capteur commande, par 1'inter- radiaire d'un régulateur, une vanne à trois voies modulant la répartition du fluide entre les circuits d'évacuation et d'utilisation, ledit régulateur délivrant également les ordres de mise en route et de modulation de paissance de la machine frigorifique qui est conandée par un dispositif recevant les ordres des deux régulateurs. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif commandant la machine frigorifique d'après la demande de paissance la plus élevée comprend, pour chaque étage de puissance de cette dernière, deux contacts électriques montés en parallèle et contrôlés respectivement par les deux régulateurs. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'un organe de modification du point de consigne de chaque régulateur est prévu de manière à intervenir à un stade déterminé de la séquence commandée par ledit régulateur 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé an ce que la modification du point de consigne intervient sous la forme un "saut'l, entre 11 ordre d'arrêt de la machine frigorifique t ltordre d'ouverture de la vanne à trois voies sur le circuit d'évacuation dans la séquence du régulateur. 6.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la modification du point de consigne intervient de manière progressive au cours de la séquence du régulateur.