Brevet FR2539859A1 — publié le 19840727

Procédé et dispositif de régulation de la mise en dégivrage et de l'arrêt du dégivrage d'un évaporateur de fluide frigorifique pour pompe à cha- leur La présente invention concerne un procédé de régulation de la mise en dégivrage et de l'arrêt du dégivrage d'un évaporateur de fluide frigorifique de pompe à chaleur, dans lequel le fluide frigorifique a) au cours des périodes de fonctionnement normal, est vaporisé par échange indirect de chaleur avec un fluide gazeux pouvant contenir de l'humidité, puis comprimé dans un compresseur, liquéfié en échange de chaleur avec un fluide, puis détendu et ramené à l'échange indirect de chaleur avec le fluide gazeux pouvant contenir de l'humidité, b) au cours des périodes de dégivrage 9 est comprimé, liquéfié par échange indirect de chaleur avec le givre formé sur la surface d'échange avec le fluide gazeux pouvant contenir de l'humidité, détendu, vaporisé par échange de chaleur avec le fluide de chauffage, puis recomprimé et renvoyé en échange indirect de chaleur avec le givre déposé sur la surface d'échange de chaleur avec le fluide gazeux pouvant contenir de l'humidité, et dans lequel c) on commute la circulation du fluide frigorifique sur l'opération de dégivrage lorsque l'épaisseur de la couche de givre sur la surface d'é- change de chaleur avec le fluide gazeux a réduit de façon excessive son coefficient de transmission de chaleur, d) on commute la circulation du fluide frigorifique sur le fonction- nement normal lorsque la température observée sur l'évaporateur dépasse une valeur minimale. Elle s'étend en outre à un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. Les procédés connus de régulation de la mise en dégivrage au bout d'un intervalle de temps fixe ou prédéterminé, puis de la remise en fonctionnement normal en fonction de la température de l'évaporateur, ne sont pas parfaitement satisfaisants, car la vitesse de dép 8 t de givre sur l'évaporateur dépend de la température et du taux d'humidité du fluide gazeux, et de la température du fluide frigorifique dans l'évaporateur, de même que la température observée sur l'évaporateur n'est pas toujours -2 un critère bien représentatif de la disparition du givre Or, si pour une raison quelconque la température observée sur l'évaporateur varie temporairement, la régulation commute prématurément ou trop tardi- vement le cycle de pompe à chaleur sur le dégivrage, ou à nouveau sur le fonetionnement normal Ceci entraine un fonetionnement irrégulier et une consommation excessive d'énergie, et même des possibilités de panne si la pompe à chaleur continue à fonctionner avec un évaporateur trop fortement givré et laisse revenir au compresseur un fluide frigo- rifique contenant une proportion notable de liquide. La présente invention a pour but de remédier à ees diffieultés, et de procurer un pro 6 cédé et un dispositif de régulation du dégivrage qui évitent les permutations prématurées ou trop tardives des périodes de fonctionnement et de dégivrage, et assurent une production d'énergie satisfaisante avec une eonsommmtion d'énergie minimale. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ee que a) la température que l'on observe sur l'évaporateur est la tempéra- ture de la tuyauterie à l'entrée et à proximité immediate de ce dernier, b) l'on commande la commutation sur l'opération de dégivrage lorsque l'écart entre la température de la source de fluide gazeux et la température observée sur l'évaporateur, déterminé en valeurs moyennes sur des intervalles de temps successifs de quelques minutes, augmente de plus d'une valeur minimale au-delà d'un écart de référence, c) l'on mesure cet écart de référence après une durée minimale de fonctionnement en cycle normal ou dès que la température observée sur l'évaporateur diminue endeçàd'une valeur de seuil, d) l'on ne tient compte de l'écart de température entre le fluide gazeux et la température observée sur l'évaporateur pour une commu- tation éventuelle sur le dégivrage que si la température observée sur l'évaporateur est inférieure à une valeur de seuil, e) l'on ne tient compte de la température observée sur l'évaporateur en cours de dégivrage pour une commutation éventuelle sur le fonction- nement normal qu'après une durée minimale de dégivrage. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéris- tiques suivantes: On mesure la température de l'évaporateur au cours des périodes de dégivrage en valeur instantanée. -3- On permute nécessairement du fonctionnement normal au dégivrage après une durée maximale fixe de fonctionnement normal si la température observée sur l'évaporateur est restée inférieure à une valeur de seuil pendant toute cette durée de fonctionnement. On permute nécessairement du dégivrage au fonctionnement normal après une durée maximale fixe de dégivrage. L'invention s'étend en outre à un dispositif de mise en oeuvre du procédé ci-dessus défini, comprenant une sonde de température de la source du fluide gazeux pouvant contenir de l'humidité, une sonde de température de l'évaporateur de fluide frigorifique, des moyens de commande de la mise en marche ou de l'arrêt d'un ventilateur de refou- lement du fluide gazeux sur la surface de l'évaporateur, des moyens de commande de l'inversion du sens de circulation du fluide frigorifique refoulé par le compresseur, et un microprocesseur de contrôle des moyens de commande en fonction des indications des sondes de température, caractérisé en ce que la sonde de température de l'évaporateur est dis- posée au contact du fluide frigorifique sur une tuyauterie d'entrée de ce dernier dans l'évaporateur et à proximité immédiate de ce dernier, et en ce que le microprocesseur comporte en outre une horloge enregistrant les durées de fonctionnement normal et de dégivrage, et des moyens d'inacti- vation des moyens de commande pendant des durées minimales de fonction- nement normal et de dégivrage De préférence, le microprocesseur comporte en outre des moyens de commande de permutation du fonctionne- ment normal au dégivrage, et de dégivrage au fonctionnement normal, indépendamment des indications des sondes de température, au-delà de durées maximales du fonctionnement normal et du dégivrage. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence à la figure unique du dessin annexé, une installation de pompe à chaleur pour chauffage d'habitation comportant un dispositif selon l'invention. L'installation de pompe à chaleur comprend un compresseur de fluide frigorifique 1 Celui-ci est en général un hydrocarbure fluoré, tel que le monochlorodifluorométhane Le refoulement du compresseur 1 est relié par le conduit 2 à la vanne d'inversion 3 De cette dernière, le conduit 4 se rend à l'échangeur de chaleur 5 Cet échangeur assure le réchauffage d'eau d'un circuit de chauffage de l'habitation, arrivant 4- en 6 et évacuée en 7, par condensation du fluide frigorifique De l'échangeur 5, un conduit 8 et le noeud 8 A mènent à la vanne de déten- te 9, suivie du noeud 10 Le clapet anti-retour 25 oblige le fluide frigorifique à passer par la vanne 9 dans le sens de circulation normal et lui permet de passer par le conduit 24 à l'inversion du sens decirculation du fluide frigorifique, co-mme il sera expliqué ci-après En aval de la vanne 10, trois conduits 11, 129 13 mènent aux tuyauteries de circulation de liquide des éléments d'évaporateur à ailettes 14, 15,_ 16. Un ventilateur 17 entraîné par un moteur électrique 18 permet de faire circuler l'air ambiant au contact des éléments d'évaporateur. A la sortie des tuyauteries de circulation des éléments d'évapo- rateur, des conduits 19, 20, 21 convergent vers un conduit 22 ramenant à la vanne d'inversion 3, reliée par le conduit 23 à l'aspiration du compresseur. Par ailleurs, un conduit 24, disposé entre les noeuds 8 A et 10, permet de faire circuler le fluide frigorifique lorsque son sens de circulation est inversé de l'évaporateur vers le condenseur en passant par le capillaire 33 ou il est détendu. Le contrôle des permutations entre cycles de fonctlonnement normal et de dégivrage est assuré à l'aide des sondes de température 26 et 27. La sonde 26 est destinée à enregistrer la température de l'air ambiant. Elle doit être disposée au voisinage de l'échangeur entre le fluide frigorifique et l'air ambiants, mais suffisamment écartée de celui-ci pour que son indication n'en soit pas perturbée Elle doit par ailleurs âtre à l'abri des influences climatiques, et donc à l'ombre et à l'abri du vent. La sonde 27 est disposée sur le conduit 13, à l'entrée de l'un des éléments d'évaporateur Il est important qu'elle soit à l'extrémité du conduit 13 proche de l'élément d'évaporation correspondant 16, car la détente du fluide frigorifique dans la vanne 9, et par suite son refroi- dissement, se poursuivent en fait dans les conduits 11, 12, 13 jusqu'à l'entrée des éléments d'évaporateur. Les sondes 26 et 27 sont reliées par les liaisons 26 A et 27 A, représentées en pointillé, au microprocesseur 28, qui est muni d'une horloge 29 Celui-ci contr 8 le le fonctionnement de la vanne d'finver- -5 - sion 3 par la liaison 30, et celui du moteur du ventilateur 18 par la liaison 31 Ces liaisons 30, 31, sont représentées en traits et points. Le fonctionnement de la pompe à chaleur munie de ce dispositif de régulation est le suivant. En période de fonctionnement normal, la circulation du fluide frigorifique est celle représentée par les flèches en trait plein Le compresseur 1 comprime et refoule le fluide frigorifique gazeux par le conduit 2 et la vanne 3 vers le conduit 4 et l'échangeur 5 Dans ce dernier, le fluide frigorifique circule à contre-courant de l'eau du circuit de chauffage de l'habitation, arrivant par le conduit 6 et éva- cuée réchauffée en 7 Le fluide frigorifique se condense dans l'échan- geur 5 Il passe par le conduit 8 et dans la vanne de détente 9, et il en sort détendu Il se partage alors entre les trois conduits 11, 12 et 13, avant de pénétrer dans les éléments d'évaporateur 14, 15 et 16 Il s'y vaporise en échange de chaleur avec l'air ambiant refoulé au contact des tuyauteries et de leurs ailettes par le ventilateur 17 animé par le moteur électrique 18. Le fluide frigorifique vaporisé est évacué par les conduits 19, 20 et 21, qui se réunissent dans le conduit 22 de retour à la vanne 3, puis au compresseur par l'intermédiaire du conduit 23. Pendant ce fonctionnement, les sondes 26 de détection de la tempé- rature ambiante, et 27 de détection de la température de la tuyauterie à l'entrée dans l'élément d'évaporateur 16, que l'on peut admettre égale à celle à l'entrée des deux autres éléments 14, 15, transmettent leurs indications au microprocesseur 28 Celui-ci soustrait la température à l'entrée de l'évaporateur de la température ambiante, et effectue des moyennes de cet écart et de la température à l'entrée de l'évaporateur sur des intervalles de temps de 2 à 6 minutes, de façon à éviter une commutation prématurée en raison des oscillations instantanées du fonc- tionnement du cycle. Lorsque la température du fluide frigorifique à l'entrée de l'éva- porateur est inférieure à une valeur de seuil, comprise entre O et -20 C, il commence à y avoir risque de formation de givre Le microprocesseur mémorise l'écart de température comme écart de référence chaque fois que la température de l'évaporateur devient inférieure à cette valeur de -6seuil, et seulement après une durée minimale de fonctionnement depuis le dernier dégivrage, par exemple 20 minutes Le microprocesseur ne commande la commutation sur le dégivrage que si l'écart de température dépasse l'écart de référence d'un seuil de quelques degrés, par exem- ple 1 à 20 C. Cependant, pour éviter une commutation prématurée pouvant résulter du fait que la pompe à chaleur n'aurait pas encore atteint son régime normal, on munit en outre le microprocesseur de la consigne de n'auto- riser la permutation sur le dégivrage, même si leà indications des sondes sont en ce sens, qu'après une durée minimale de fonctionnement normal depuis le dernier dégivrage, par exemple 30 minutes. Si les trois conditions de température d'évaporateur inférieure au seuil fixé d'écart de température supérieur à l'écart de référence augmenté du seuil de quelques degrés, et de durée minimale, sont satis- faites, le microprocesseur commande le passage à la phase de dégivrage A cet effet, il commande par la liaison 30 l'inversion des connexions de la vanne 3, et par la liaison 31 l'arrêt du ventilateur 17. Pour éviter tout risque d'un fonctionnement trop long de la pompe à chaleur sans dégivrage, susceptible de détériorer le compresseur, le microprocesseur est muni également d'une consigne de commutation sur le dégivrage si la température de l'évaporateur est restée inférieure au seuil compris entre O et -20 C et indépendamment des autres indications des sondes, au bout d'une durée maximale, par exemple 3 à 5 heures. Pendant le dégivrage, le fluide frigorifique refoulé par le compresseur 1 suit le trajet représenté par les flèches en trait inter- rompu Il passe par la vanne 3 dans le conduit 22, puis se rend par les conduits 19,20 et 21 dans les éléments d'évaporateur 14, 15 et 16 dans lesquels il se condense en assurant la fusion du givre formé sur les tuyauteries et les ailettes Il passe alors par le conduit 24 dans le clapet anti-retour 25 et dans le capillaire 33 o il se détend, puis dans l'échangeur 5, o il se vaporise par échange de chaleur avec la circula- tion d'eau du circuit de chauffage, puis revient par le conduit 4, la vanne 3 et le conduit 23 à l'aspiration du compresseur 1. Pendant ce dégivrage, le microprocesseur 28 n'enregistre que la température de la sonde 27, c'est-à-dire celle du fluide frigorifique 7vaporisé, cette mesure se faisant en valeur instantanée Il compare cette température à une valeur de consigne, par exemple 100 C, au-dessus de laquelle il commande le retour au fonctionnement normal. Pour éviter un arrêt prématuré du dégivrage, le microprocesseur est muni d'une consigne n'autorisant la commutation sur le fonctionne- ment normal qu'au bout d'une durée minimale, de l'ordre de 1 à 3 minutes. Il comporte aussi une consigne d'arrêt du dégivrage après une durée maximale de l'ordre de 15 minutes, même si l'indication de la sonde de température ne le prescrivait pas, afin d'éviter une détérioration de la pompe à chaleur. Bien que le procédé et le dispositif de régulation qui viennent d'être décrits en référence à la figure paraissent les formes de réali- sation préférables de l'invention, on comprendra que diverses modifica- tions peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de l'invention En particulier on peut remplacer la vanne de détente par un capillaire et inversement Les éléments d'évaporateur peuvent être d'un autre type qu'à tubes et ailettes On peut éventuellement disposer un échangeur de chaleur entre le fluide frigorifique liquéfié'sortant de l'échangeur avec l'eau de chauffage et le fluide frigorifique vaporisé revenant de l'évaporateur, de façon à améliorer le rendement thermodynamique de la pompe à chaleur. 8- REVENDICATIONS 1/ Procédé de régulation de la mise en dégivrage et de l'arrêt du dégivrage d'un évaporateur ( 14, 15, 16) de fluide frigorifique pour pompe à chaleur, dans lequel le fluide frigorifique a) au cours des périodes de fonctionnement normal, est vaporisé par échange indirect de chaleur ( 149 159 16) avec un fluide gazeux pouvant contenir de l'humidité, puis comprimé dans un compresseur ( 1), liquéfié en échange de chaleur ( 5) avec un fluide de chauffage, puis détendu ( 9) et ramené à l'échange indirect de chaleur avec le fluide gazeux, b) au cours des périodes de dégivrages, est comprimé, liquéfié par échange indirect de chaleur ( 14 l 159 16) avec le givre formé sur la surface d'échange avec le fluide gazeux, détendu, vaporisé par échange de chaleur ( 5) avec le fluide de chauffage, puis recomprimé ( 1) et renvoyé en échange indirect de chaleur avec le givre déposé sur la surface d'échange de chaleur avec le fluide gazeuxs c) et dans lequel on écmmute ( 3) la circulation du fluide frigori- fique sur l'opération de dégivrage lorsqu l'épaisseur de la couche do givre sur la surface d'echange do chalsur avec le fluide gazeux a réduit de façon excessive son coefficient de transmission de ehaleur, d) on commute la circulation du fluide frigorifique sur le fondti on nement normal lorsque la température ( 27) observée sur l'évaporateu- dépasse une valeur minimale, caractérisé en ce que a) la température que l'on observe sur l'évaporateur est la tempéra- ture de la tuyauterie à l'entrée et à proximité immediate de ce dernier, b) l'on commande la commutation sur l'opération de dégivrage lorsque l'écart entre la température de la source de fluide gazeux et la température observée sur l'évaporateur, déterminé en valeurs moyennes sur des intervalles de temps successifs de quelques minutes, augmente de plus d'une valeur minimale au=delà d'un écart de référence, c) l'on mesure cet écart de référence après une durée minimale de fonctionnement en cycle normal ou dès que la température observée sur l'évaporateur diminue endeçà d'une valeur de seuil, d)l'on ne tient compte de l'écart de température entre le fluide gazeux et la température observée sur l'évaporateur pour une commutation éven- tuelle sur le dégivrage que si la température observée sur l'évaporateur est inférieure à une valeur de seuil, e) l'on ne tient compte de la température observée sur l'évaporateur en cours de dégivrage pour une commutation éventuelle sur le fonctionnement normal qu'après une durée minimale de dégivrage. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure la température de l'évaporateur au cours des périodes de dégivrage en valeur instantanée. 3/ Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on permute nécessairement du fonctionnement normal au dégivrage après une durée maximale fixe de fonctionnement normal si la température observée sur l'évaporateur est restée inférieure à une valeur de seuil pendant toute cette durée de fonctionnement. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on permute nécessairement du dégivrage au fonctionnement normal après une durée maximale fixe de dégivrage. / Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendi- cations 1 à 4, comprenant une sonde de température de la source du fluide gazeux pouvant contenir de l'humidité ( 26), une sonde de température de l'évaporateur de fluide frigorifique ( 27), des moyens ( 31) de commande de la mise en marche ou de l'arrêt d'un ventilateur de refoulement du fluide gazeux sur la surface de l'évaporateur, des moyens de commande ( 30) de l'inversion du sens de circulation du fluide frigori- fique refoulé par le compresseur, et un microprocesseur ( 28) de contr 8 le des moyens de commande en fonction des indications des sondes de tempé- rature, caractérisé en ce que la sonde de température de l'évaporateur est disposée au contact du fluide frigorifique sur une tuyauterie d'en- trée de ce dernier dans l'évaporateur et à proximité immédiate de ce dernier, et en ce que le microprocesseur comporte en outre une horlo- ge ( 29) enregistrant les durées de fonctionnement normal et de dégi- vrage, et des moyens d'inactivation des moyens de commande pendant des durées minimales de fonctionnement normal et de dégivrage. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le m;in- 3 r n P^,c Psspur Co M Dorte en outre des moyens de commande de permutation du - fonctionnement normal au dégivrage, et de dégivrage au fonctionnement normal, indépendamment des indications des sondes de température, au- delà de durées maximales de fonctionnement normal et de dégivrage.