Brevet FR2537707A1 — publié le 19840615

Régulation de températureside différences de températu res ou de niveaux dans des circuits de fluide frigori gène ". L'invention concerne une régulation de tempéra tures, de différences de températures ou de niveaux dans des circuits d'agents frigorifiques dans des installations de pompes de chaleur ou installations frigorifiques, de préférence comportant un compresseur à vis. Dans une installation frigorifique à compression avec vaporisation intérieure des tubes, le courant massique du fluide frigorigène pénétrant dans l'évaporateur doit être adapté au point de travail considéré de telle manière, que l'agent caloporteur s'éyapore entièrement et sorte de l'évaporateur avec une surchauffe. Pour résoudre ce problème de réglage, on met en oeuvre presque exclusivement des soupapes de détente thermostatiques. I1 s'agit là de régulateurs proportionnels sans énergie auxiliaire. La grandeur de réglage de surchauffe du fluide frigorigène à la sortie de l'évapo- rateur - est mesurée, par rapport aux deux grandeurs de mesure que constituent la pression d'évaporation, mesurée elle-même à l'entrée ou à la sortie de l'évaporateur, et la température du fluide frigorigène à la sortie de l'évaporateur - mesurée par un dispositif thermostatique, déterminé par comparaison de force sur une membrane ou un tube ondulé. Un ressort additionnel, dont la précontrainte sert à établir la valeur prescrite de la surchauffe, agit également sur la membrane ou le tube ondulé, de telle sorte que la tolérance de réglage se trouve établi. Suivant la grandeur de l'écart de réglage, l'organe de réglage, par exemple un cône de soupape, est actionné par l'intermédiaire d'un poussoir de soupape, et ainsi le courant massique du fluide frigorigène, entrant dans ltévaporateur, est influencé de telle manière, que la surchauffe de l'agent caloporteur à la sortie de l'évaporateur correspond à la valeur prescrite sur l'échelle de la tolérance de réglage. Dans des installations de grande puissance, on met en oeuvre des soupapes principales fonctionnant en permanence, qui sont commandées par une soupape de détente thermostatique servant de soupape-pilote. Chaque soupape de réglage thermostatique ne convient cependant que pour un agent caloporteur spécial et n'offre aucune possibilité de faire intervenir des régulations prioritaires. Avec la régulation de la surchauffe dans des circuits frigorifiques au moyen de soupapes de détente thermostatiques, des problèmes de stabilité se posent souvent, qui sont à attribuer à deux causes. En premier lieu lorsqu'on dépasse l'amplification critique du cycle, la grandeur de réglage par surchauffe commence à osciller sans être amortie, ce qui rend la régulation inutilisable. Ce phénomène se produit, dans des installations frigorifiques, notamment dans le cas d'évaporateurs à faible masse optimisés ou de soupapes de détente surdimensionnées. D'autre part, le point final d'évaporation du fluide frigorigène subit des fluctuations localement dans l'évaporateur. Ces fluctuations se produisent avec chaque évaporateur. La surchauffe doit être choisie à une valeur telle que ces fluctuations se situent à l'intérieur de l'évaporateur. Si celles-ci se produisent jusque dans la conduite d'aspiration, le détecteur reçoit un signal instable, ce qu'on désigne par "huntig" ("affolement") et conduit même à rendre la régulation inutilisable. Dans les cas où l'on en arrive à dépasser l'amplification critique du cycle, l'on a Jusqu ici fait varier les constantes de temps des détecteurs et l'amplification du cycle (grandeur de soupape), afin d'obtenir une stabilisation. Comme condition nécessaire, il fallait d'autre part établir une valeur de surchauffe déterminée, établir ce qu'on appelle un signal de stabilité minimale. En vue de maintenir celui-ci aussi petit que possible, on a proposé des moyens comme par exemple l'incorporation dans les tuyaux de l'évaporateur de gaz, destinés à amoindrir l'étendue des fluctuations du point final d'évaporation. Ces solutions ne permettent cependant pas d'obtenir une régulation stable de la surchauffe dans tous les cas d'utilisation. Dans le DE-OS 2 749 250, on décrit une soupape d'injection avec organe de mesure électrique et production de la force de réglage dans une chambre sous. pression équipée d'un élément chauffant. Cette solution entrai ne le montage d'une structure compliquée et des propriétés dynamiques défavorables. La soupape de détente thermo-électrique suivant une publication de la firme Singer-U.S.A- est équipée d'un détecteur chauffé en matériau semi-conducteur, qui modifie sa résistance électrique lorsqu on passe d'un fluide frigorigène surchauffé à un liquide frigorigène à l'endroit du détecteur. Cette modification de résistance se transforme en une modification du courant de chauffage au moyen d'un bilame qui agit sur l'organe de réglage. A coté des valeurs dynamiques existantes caractéristiques et défavorables, il y a aussi l'inconvénient que la modification de phase à l'endroit du détecteur ne convient pas, comme grandeur de mesure, en raison de l'huile qui circule dans le circuit du fluide frigorigène. Dans le bulletin SWU N 389 366, on trouve proposée une régulation de surchauffe quasi-permanente, pour laquelle on a disposé un thermomètre à résistance électrique à l'entrée comme à la sortie de l'évaporateur, thermomètre dont les valeurs de mesure sont amenées à un thermostat. A partir de ces valeurs est déterminée la surchauffe de l'agent frigorifique à la sortie de l'évaporateur, comme aussi la limite de réglage. Un interrupteur électrique ouvre et ferme constamment de façon périodique une soupape magnétique. Le thermostat agit sur l'interrupteur de telle manière, que par modification du rapport temps d'ouvertureltemps de fermeture de la soupape magnétique, on adapte, à la valeur prescrite, la surchauffe du fluide frigorigène à la sortie de l'évaporateur. Cette solution présente l'inconvénient que l'on met en oeuvre une soupape magnétique comme organe de réglage. Avec la fréquence de commutation extrêmement élevée, la durée de service de soupapes de ce genre n'est pas suffisante. La dépense technique que représente cette solution est rendue très élevée par l'interrupteur. On n'a pas l'assurance que dans le cas d'une défaillance dans l'installation de régulation, l'organe de réglage passe dans la position de fermeture, ce qui est cependant absolument nécessaire pour la sûreté du fonctionnement. Pour de grandes puissances, on met également en oeuvre des soupapes de réglage à moteur actionnées électroniquement et qui sont commandées par la différence de température entre l'entrée et la sortie de l'évaporateur. La mesure de la difféfence de température s'effectue de préférence avec des thermomètres à résistance électrique. Ce type de régulation permet de tirer profit au maximum de l'évaporateur. Des interventions de régulations prioritaires sont rendues possibles. Cependant les régulateurs très coûteux ne permettent pas de les mettre en oeuvre pour des unités relativement petites, allant même jusqu'à des unités moyennes. L'invention a pour but de réaliser une installation de régulation, pour assurer la régulation de températures, de différences de températures et de niveaux sur des installations frigorifiques ou installations de pompes de chaleur, qui soit indépendante du fluide frigorigène mis en oeuvre, et du domaine d'utilisation. L'objectif de l'invention est de créer une régulation de températures, de différences de températures ou de niveaux dans la circulation du fluide frigorigène dans laquelle l'instabilité du cycle est évitée ainsi que les fluctuations du point final d'évaporation n'ont pas d'influence notable sur le fonctionnement de la régulation. L'invention concerne à cet effet une installation de régulation - du type indiqué - comportant un régulateur qui se présente sous forme d'un montage, connu en lui-même, de préférence micro-électronique, qui, en fonction de la tolérance de réglage, produit une grandeur de réglage sous forme d'échelons de commutation. Dans le cas le plus simple, il s'agit d'une grandeur de réglage de forme à deux échelons ; elle peut également présenter un comportement à trois échelons ou davantage. L'organe de mesure consiste en un montage de mesure dans lequel les détecteurs de mesure sont réalisés sous forme de composants avec tensions de flux dépendant de la température, ces tensions de flux dans le cas de grandeurs de réglage absolues et des différences de tensions de flux dans le cas de régulation de différences, constituant le signal d'entrée du régulateur. La valeur prescrite peut être établie ou se guider de l'extériewr. Comme détecteurs, on met en oeuvre, pour la régulation de températures ou de différences de températures des diodes à semi-conducteurs ; on utilise alors leur tension de flux dépendant de la température. La construction des détecteurs est réalisée de telle manière, qu'il ne se produit pas de temps de retard notables, grâce à une faible masse, entre la jonction pn et la grandeur mesurée. Pour des régulations de niveaux, on met en oeuvre un détecteur qui utilise la résistance, dépendant de la lumière, de composants opto-électroniques. La résis tancephoto-électrique est disposée sur une face d'un double verre indicateur. Sur la face opposée, on installe comme source de lumière par exemple une diode lumineuse. Lors du passage de la vapeur du fluide frigorigène à sa vapeur humide, la translucidité varie et entraine la formation d'un signal apte à etre traité par la suite. Dans des cas d'utilisation où la translucidité est constante, un simple flotteur dans le verre indicateur, qui se soulève et s'abaisse avec le niveau, procure l'effet recherché. Comme organes de réglage, on a mis en oeuvre dans le circuit de régulation, au lieu des soupapes de détente thermostatiques utilisées jusqu'ici, des soupapes de réglage à deux échelons à faible usure, actionnées par voie électromagnétique, munies de pistons, réalisées pour des fréquences de commutation élevées. Lorsqu'on réalise des régulations à plusieurs échelons d'action, l'on peut incorporer en parallèle plusieurs soupapes de réglage à deux échelons. Dans le cas où il se produit dans le circuit de régulation une avarie, de telle sorte que le régulateur ne fournisse pas d'impulsion de commutation, l'on obtient, par l'intermédiaire d'un relais temporisateur, un signal qui peut être utilisé pour avertir de la perturbation et pour la mise hors circuit. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et du dessin annexé représentant un exemple de réalisation de l'invention. La figure unique de ce dessin représente schématiquement un circuit frigorifique dans lequel la température, la différence de température et le niveau sont réglés au moyen d'installations de régulation à deux échelons d'action. Ces régulations peuvent aussi s'effectuer séparément. Le fluide frigorigène évaporé dans les évaporateurs 1 et 2 est aspiré et comprimé par le compresseur à vis 3, qui est actionné par le moteur semi-hermétique 4. En vue d'améliorer l'étanchement, on injecte de l'huile dans le compresseur à vis. Le mélange fluide frigorigènehuile, arrive dans le séparateur d'huile 5 et y est séparé dans une large mesure en vapeur du fluide frigorigène et huile. L'huile séparée peut être renvoyée directement dans le compresseur à vis sans être refroidie dans un réfrigérant à huile. La vapeur du fluide frigorigène passe dans le condenseur 6, cède son enthalpie de surchauffe et condensation et s'écoule à l'état liquide dans le collecteur 7. Un faible courant partiel est injecté, par l'intermédiaire de la soupape de réglage à deux échelons 8, dans le serpentin de refroidissement 9, où est ainsi refroidi le fluide frigorigène liquide qui se trouve dans le collecteur 7. Par la conduite 10, le fluide frigorigène évaporé dans le serpentin de refroidissement 9 arrive dans l'alésage d'alimentation du compresseur à vis 3. Grâce au régulateur de température 11, qui avec l'aide des détecteurs 12 et 13 règle la surchauffe de la vapeur du fluide frigorigène dans la conduite 10 par réglage de la soupape 8, on réalise en meme temps le refroidissement interne du compresseur 3 et du moteur 4, en ajustant la valeur prescrite de la surchauffe, grâce à la grandeur de référence de la température du gaz sous pression, par l'intermédiaire du détecteur 14. La mission du refroidissement intermédiaire peut aussi être remplie parce qu'on désigne comme "réservoir sous pression moyenne", dont le niveau est réglé par un régulateur de niveau. A partir du collecteur 7 l'agent frigorifique fortement surrefroidi arrive - par l'intermédiaire de la soupape de réglage à deux échelons 15, réglée par le régulateur de niveau 16 pourvu du détecteur opto-électronique 17 - dans l'évaporateur 1, ou bien - par 1'interme- diaire de la soupape de réglage à deux échelons 18, réglée par le régulateur de température 19 pourvu des détecteurs 20, 21 et 22 - dans l'évaporateur 2. Le régulateur de niveau 16 règle directement le niveau dans l'évaporateur 1 ; à cet effet l'on a monté à la sortie de l'évapirateur 1 un verre indicateur équipé d'une diode luminescente et d'une résistance photo-électrique. Lorsque le point final d'évaporation, le mélange vapeur-brouillard, atteint l'endroit du détecteur 17, la lumière de la diode est alors affaiblie et la résistance photo-électrique reçoit une modification qui fait agir le régulateur de niveau 16 pour fermer la soupape 15. Par suite le point final d'évaporation revient en arriere dans l'évaporateur 1, ce qui a pour effet que de la vapeur limpide se présente au détecteur opto-électronique 17. La soupape de réglage à deux échelons s'ouvre alors à nouveau. Le régulation de l'évaporateur 2 est analogue à celle qu'assure le serpentin de refroidissement 9 avec le régulateur de température 11. En faisant varier la valeur prescrite de la surchauffe, dépendant de la température du gaz sous pression après le séparateur d'huile 5, mesurée par le détecteur 22, l'on peut, en procédant à une suralimentation intentionnelle en liquide de l'évaporateur 2, obtenir également un refroidissement interne du compresseur à-vis 3. La tâche du refroidissement-interne est assumée alternativement par l'un des deux régulateurs de température 11 ou 19. L'avantage particulier de ce dispositif de régulation réside dans la double fonction que représentent 1,injection du fluide frigorigène dans l'évaporateur ou économiseur et le refroidissement simultané du compresseur et du moteur, ce qui permet d'économiser un réfrigérant à huile extérieur séparé ou une soupape de réglage supplémentaire pour 1' injection du fluide frigorigène dans la conduite d'aspiration. Les soupapes de réglage à deux échelons peuvent être mises en oeuvre pour tous agents frigorifiques, même des mélanges d'agents frigorifiques non azéotropes. Elles présentent une structure simple et il n'y a pas de limitations quant à la zone de température. I1 s'est avéré, de manière surprenante, que l'injection de fluide frigorigène périodique dans 1 'éva- porateur (ToJ 3 s) n'exerce pas d'influence préjudiciable sur les paramètres de fonctionnement de l'installation. Les fluctuations du point final d'évaporation du fluide frigorxgènen'agissent plus de façon perturbatrice sur la régulation de la surchauffe, de sorte que l'oscillation non amortie de la grandeur de réglage que constitue la surchauffe se trouve évitée. Les flucations de la surchauffe à la sortie de l'évaporateur sont REVENDICATIONS 10) Régulation de températures, de différences de températures ou de niveaux dans des circuits de fluide frigorigène, de préférence dans des évaporateurs de fluide frigorigène d'installations de pompes de chaleur ou d'ins tallations frigorifiques, régulation caractérisée en ce que les régulateurs (11, 16, 19) forment en fonction de la limite de réglage, une grandeur de réglage à deux ou plusieurs échelons et l'organe de mesure consiste en un montage de mesure dans lequel les détecteurs de mesure sont réalisés sous forme de composants avec tensions de flux dépendant de la température ou sous forme de composants avec résistance dépendant de la température, ces tensions de flux dans le cas de grandeurs de réglage absolues et des différences de tensions de flux dans le cas de régulation de différences, et des chutes de tension dans le cas de régulation de niveaux, constituent le signal d'entrée du régulateur, la valeur prescrite pouvant être ajustée par une grandeur de référence et les organes de réglage (8, 15, 18) étant des soupapes de réglage à deux échelons à faible usure, actionnées avec une fréquence de commutation élevée à durée de période dans le domaine des secondes. 20) Régulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que pour des régulations à plusieurs échelons d'action, plusieurs soupapes (8, 15, 18) de réglage à deux échelons sont incorporées en parallèle dans le circuit de régulation. 3 ) Régulation selon la revendication 1, carac-. térisée en ce que pour la régulation de température (11) (19) ou de différences de température, les détecteurs (12, 13, 14) (20, 21, 22) de mesure sont constitués par des diodes à semi-conducteurs. 40) Régulation selon la revendication 1, carac térisé en ce que pour la régulation de niveau (16), les détecteurs de mesure (12, 13, 14) sont constitués par des composants opto-électroniques (17). 50) Régulation selon l'une ou l'autre des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que la masse des détecteurs 60) Régulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la sûreté de fonctionnement intrinsèque est assurée grâce au contrôle des détecteurs (12, 13, 14) (20, 21, 22) et des temps de commutation par l'appareil de régulation (11, 16, 19). 700 Régulation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte la possibilité d'ajuster la valeur prescrite en vue de limiter des températures du fluide frigorigène, par exemple la température du fluide frigorigènê à la sortie du compresseur (3) ou la température d'évaporation.