Brevet FR2539855A1 — publié le 19840727

Procédé et dispositif de réglage du taux de détente dans une vanne de détente du fluide frigorifique oun cycle de pompe à chaleur La présente invention concerne un procédé de réglage du taux de détente dans une vanne de détente du fluide frigorifique liquéfié d'un cycle de pompe à chaleur, dans lequel ce fluide à l'état gazeux est comprimé, liquéfié par échange de chaleur avec un fluide de chauffage, détendu, vaporisé en échange de chaleur avec une source de chaleur dans des éléments dVévaporateur, puis renvoyé au compresseur. Elle stétend-en outre à un dispositif de mise en oeuvre de ee procédé. On a déjà réglé le taux de détente dans un tel cycle à l'aide d'une vanne thermostatique, par maintien d'un écart de pression constant entre la pression du fluide frigorifique à la sortie de la vanne et celle d'un bulbe rempli d'un mélange liquideagaz de fluide frigorifique appliqué sur la tuyauterie de sortie d'un des éléments d'évaporateur, mesurant la température du fluide sortant de celui-ci. Une telle vanne fonctionne à écart de pression constant, et son inertie entratne des phénomènes de battements dus-à des oscillations de la position de son pointeau autour d'une position moyenne. Par ailleurs, elle ne règle pas nécessairement la surchauffe du fluide à une valeur qui corresponde, pour tout point de fonctionnement, au rendement optimal du cycle de la pompe à chaleur. Enfin, elle ne peymet pas à ce cycle de parvenir rapidement à son régime normal de fonctionnement. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et de procurer un procédé et -un dispositif de réglage du taux de détente qui évite dans une large mesure les phénomènes de battements du pointeau de la vanne de détente, qui régle la surchauffe du fluide à une valeur choisie, et qui amène rapidement le cycle à son régime normal de fonctionnement. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on emploie comme vanne de détente une vanne motorisée, dont on déplace le pointeau par entrainement par un moteur, et en ce que l'on règle la position du pointeau de la vanne en fonction de l'écart entre les températures du fluide frigorifique à l'aspiration du compresseur et à lten- trée des éléments d'évaporateur (surchauffe), sauf lorsque la surchauffe est inférieure à une valeur minimale, et dans ce dernier-cas en fonction de l'écart entre la température du fluide frigorifique sortant de l'échangeur avec le fluide de chauffage et celle du fluide de chauffage entrant dans cet échangeur. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caPactéristiques suivantes - On-mesure la surchauffe en valeurs instantanées, et l'écart entre la température du fluide frigorifique sortant de l'échangeur avec le fluide de chauffage et celle du fluide de chauffage entrant dans cet échangeur, en valeurs moyennes sur des intervalles de temps déterminés. - On règle la position du pointeau an fonction de la surchauffe proportion nellement et en fonction de sa dérivée, et en fonction de l'écart entre les températures du fluide frigorifique sortant de l'échangeur et du fluide de chauffage y entrant, proportionnellement à celui-ci. - On détermine en fonction de l'écart de températures ehoisi comme variable un temps de déplacement du pointeau de la vanne motorisée, positif dans le cas d'ouverture et négatif dans le cas de fermeture, et limite la valeur absolue du temps de déplacement à un montant maximal. - Lorsque le réglage conduit à passer de la fermeture à l'ouverture de la vanne motorisée, ou réciproquement, on ajoute au temps de déplacement déterminé par la loi de régulation un complément correspondant au rat trapage du jeu des transmissions mécaniques entre un organe moteur et le pointeau. L'invention s'étend en outre à un dispositif de mise en oeuvre du procédé ci-dessus défini, comprenant des sondes de mesure de la température du fluide frigorifique d'un cycle de pompe à chaleur à l'entrée des éléments d'évaporateur et à l'aspiration du compresseur, et des sondes de mesure des températures du fluide frigorifique à la sortie de l'échan- geur avec le fluide de chauffage, et de ce dernier à l'entrée de cet échangeur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des organes de commande de la position du pointeau d'une vanne motorisée de détente du fluide frigorifique par rapport à l'orifice d'évacuation du fluide détendu, et des moyens de contrôle de ces organes en fonction de la surchauffe quand celle-ci est supérieure à une valeur de seuil, et en fonction de l'écart entre les températures du fluide frigorifique à la sortie de l'échangeur avec le fluide de chauffage, et de ce dernier à l'entrée de cet échangeur, quand la surchauffe est inférieure à la valeur de seuil. De préférence, lorsque le cycle frigorifique ne comporte pas d'échangeur entre le fluide frigorifique liquéfié sortant de l'échangeur avec le fluide de chauffage ou un autre fluide et le fluide frigorifique vaporisé sortant des éléments d'évaporateur, la sonde de température du fluide frlgorifique vaporisé est disposée à la sortie de l'un de ces éléments, et lorsque le cycle frigorifique comporte un tel échangeur, la sonde de température du fluide frigorifique vaporisé est disposée entre ce dernier échangeur et l'aspiration du compresseur. De préférence encore, les moyens de réglage de la position du pointeau de la vanne motorisée en fonction de la surchauffe sont des moyens en "proportionnelle-dérivée', , et les moyens de réglage de sa position en fonction de l'écart de températures entre le fluide frigorifique à la sortie de l'échangeur avec le fluide de chauffage et ce dernier à l'entrée de cet échangeur sont des moyens en "proportion- nielle". Ce dispositif comporte aussi avantageusement des moyens de limitation du temps de déplacement du pointeau dans les sens de l'ouverture ou de la fermeture à une valeur maximale. Il peut comporter encore avantageusement des moyens pour ajouter au temps de déplacement du pointeau déterminé par la loi de réglage, lorsque celle-ci conduit à changer le sens de déplacement du pointeau, un complément correspondant au rattrapage du jeu des organes de transmission mécanique entre un organe moteur et le pointeau. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, un dispositif de pompe à chaleur muni d'un dispositif de réglage selon l'invention du taux de détente dans une vanne de détente motorisée. La figure 1 représente schématiquement un cycle de pompe à chaleur avec son dispositif de réglage du taux de détente. La figure 2 représente la vanne motorisée et son organe de réglage. Dans le cycle représenté en figure 1, le compresseur 1 refoule le fluide frigorifique, par exemple du monochlorodifluorométhane, dans le conduit 2 qui l'amène à l'échangeur 3. Le fluide frigorifique se condense dans cet échangeur en échange indirect de chaleur avec le fluide de chauffage arrivant par le conduit 4, qui s'y réchauffe avant d'entre envoyé à l'utilisation par le conduit 5. Le fluide frigorifique condensé se rend par le conduit 6 à l'échangeur 7, où il se sous-refroidit en échange de chaleur avec le même fluide vaporisé revenant des éléments d'évaporateur.Il passe alors par le conduit 8 à la vanne de détente motorisée représentée schématiquement en 92 et dont la structure sera précisée en référence à la figure 2 Evacué de celle-ci par le conduit 10, il se répartît par les conduits 11, 12, 13 dans les trois éléments d'évaporateur 14, 15, 16, formés de tuyauteries à ailettes, où il se vaporise en échange de chaleur avec l'air ambiant refoulé par le ventilateur 17 entrant par le moteùr 18. Le fluide frigorifique vaporisé est évacué des éléments d'évaporateur par les conduits 19, 20, 21, qui se réunissent en un conduit de retour 22. Celui-ci ramène le fluide frigorifique à l'échangeur 7, où il se réchauffe au-dessus de la température de vaporisation. Il revient alors par le conduit 23 au compresseur 1. Les organes de détection de la température du fluide frigorifique avant et après sa vaporisation sont les sondes 25, reliée à l'entrée de l'élément d'évaporateur 14, et 26, reliée au conduit de retour du fluide frigorifique réchauffé dans l'échangeur 7. La différence de températures entre la seconde et la première de ces sondes constitue la surchauffe S. Les organes de détection des températures à l'extrémité froide de l'échangeur 3 entre fluide frigorifique et fluide de chauffage sont les sondes 27, reliée au conduit de fluide de chauffage à l'entrée de l'échangeur, et 28, reliée au conduit de fluide frigorifique à la sortie de cet échangeur. La différence entre la seconde et la première de ces températures est l'écart de températures au condenseur D. Les sondes 25, 26, 27, 28 sont reliees au microprocesseur-régulateur 24. De celui-ci part un câble de commande 29 du taux d'ouverture de la vanne motorisée de détente. La figure 2 représente la structure de la vanne motorisée. Celleci comporte une chambre 34, reliée latéralement au conduit 8 d'arrivée du fluide frigorifique liquide sous pression, et dans son axe un conduit 10 d'évacuation du fluide frigorifique détendu. Le pointeau 33 de la vanne est reliée à une tige 32, munie d'un engrenage en prise avec un pignon 31 entratné en rotation par un moteur électrique 30, dont la rotation dans un sens ou dans l'autre est commandée par le microproces seur-régulateur 24 par l'intermédiaire du cable 29. Le fonctionnement de la régulation est le suivant. Le microprocesseur 24 commande les déplacements du pointeau de la vanne de détente, afin de régler le taux de détente, en fonction soit de la surchauffe S du fluide frigorifique, - mesurée entre l'entrée de l'évaporateur et sa sortie, ou la sortie de l'échangeur intermédiaire 7 lorsque celui ci existe - lorsque la surchauffe est supérieure à une valeur de seuil So, soit de l'écart de température D à ltextrémitéfroide du condenseur 3, lorsque la surchauffe est inférieure -à la valeur de seuil So. En effet, si l'ouverture laissée par l'extrémité du pointeau est trop grande, la surchauffe est sensiblement nulle et n'est plus représentative de la position du pointeau. Il faut alors piloter celui ci en fonction d'une autre variable, l'écart de températures à ltextré- mité froide du condenseur du fluide frigorifique.Ce mode de fonctionnement s'applique en particulier lors du démarrage de la pompe à chaleur. Quand le microprocesseur commande le déplacement du pointeau de la vanne en fonction de l'écart de températures à l'extrémité froide du condenseur de fluide frigorifique, il doit assurer une fermeture énergique de la vanne de détente ; il agit donc en proportionnel. Quand il pilote le déplacement du piston en fonction de la surchauffe, il est préférable de le faire agir en "proportionnel-dérivée't. Le microprocesseur calcule en fonction de la variable choisie un temps de déplacement algébrique t, exprimé en secondes, les temps positifs correspondant à une ouverture de la vanne, et les temps négatifs à sa fermeture. Ce temps de déplacement doit cependant etre limité en valeur absolue à une valeur maximale h1. Le calcul du temps de déplacement se fait à partir des mesures instantanées lorsque la variable prise en compte est la surchauffe. Il se fait en à partir des valeurs moyennes des mesures sur un pas de temps déterminé h si la variable prise en compte est l'écart de températures au condenseur du fluide frigorifique. Par ailleurs, lorsque le temps de déplacement calculé est de signe contraire à celui du dernier temps de déplacement non nul calculé au cours des pas de temps précédents, le microprocesseur introduit un temps de déplacement préliminaire t j correspondant au rattrapage du jeu des organes mécaniques lorsqu'il y a changement du sens de déplacement. Le tableau ei-dessous indique les modes de réglage du microprocesseur en fonction des différentes valeurs des variables indiquées par les sondes de température et de paramètres de consigne mentionnés ci- après ss h pas de temps (en minutes) S surchauffe mesurée. seuil de la surchauffe au-dessous duquel on commande la vanne en fonction de D. seuil de la surchauffe au-dessous duquel on modifie le réglage si la surchauffe est inférieure à la consigne Xg ou l'écart de températures du condenseur inférieur au seuil D o S2 surchauffe mesurée au pas de temps précédent. x surchauffe de consigne. D écart de températures au condenseur de fluide frigorifique. Do seuil de cet écart de températures Es- écart entre la surchauffe de consigne et la surchauffe mesurée (Es = X - S) E1 amplitude de la bande proportionnelle du réglage. E2 seuil de Es t temps de déplacement du pointeau demandé par l'algorithme (en secondes). t1 dernier temps de déplacement non nul du pointeau aux pas de temps précédents. t. temps de déplacement nécessaire au rattrapage de jeu. J hl limite supérieure du temps de déplacement du clapet. S S variation de la surchauffe par rapport au pas de temps précédent S S = S C1 coefficient d'action proportionnelle. C2 coefficient d'action dérivée. s s > x o s et ou ou D? D D D D0 eritere proportionnel eritère proportionnel S décroisSante S S S croissante ou S Si . r et et I M s-cu I I,' I m , x-E1S S > Si éJ x x+E1 I t:-C1 Me , : rt , te (P (d X + w , , , . x m mol t 3 2 )21 &commat; | 3 | | a ri I ,a uD I I'O rp RV f 1 0- p Q: iU I 1 o I ao a vi a gl o J ip 1 a al "12 a 1, I fo I 4z I 3 ≈ E I ≈ o s e N o 1 N 1 &commat; 8 1 If S oia u) - lp 9 (u ;,Q I 11 I 0 4 Z e &commat; 4 I s: sO I 10 " 01 r & BR m fo o'U all iX ai t c ~ &commat; &commat; b1 i t c hi 3 11 ê) sl E Q)I Im E' m o ici Tl rJ O ouverture pendant t mv g déplacement ,a118O o g ; taa f ai O C | X V V O I o, . \ X I Z &verbar; s d I g Q &verbar; e 111 i 4 0 t1 145 Ç C v ~ ; s ; 13 ss 1 e sZ I X X cJ , I o ; I a ~ . X ,o -ax X I 4Z . L l9D , I C 4 l l, &verbar; O XS . D t1 ,1 v X 4 L l i S t D. o0 1 o CQ ~ O i oq $ I O IX tD O C:) N 4:1 11 l ffi I S. lW O g X iU)- ilv 14 1; i \/ X O I al liV I i' 1! Xo aC C) On F I ;/\ V O N 11 i l i ~i U) n 4J- 4 I I le &verbar; l l REVENDICATIONS 1/ Procédé de réglage du taux de détente dans une vanne de détente du fluide frigorifique liquéfié d'un cycle de pompe à chaleur, dans lequel ce fluide à l'état gazeux est comprimé (1, figure 1), liquéfié (3) par échange de chaleur avec un fluide de chauffage, détendu (9), vaporisé en échange de chaleur avec une source de chaleur dans des éléments d'évaporateur (14, 15, 16), puis renvoyé au compresseur, caractérisé en ce que l'on emploie comme vanne de détente une vanne motorisée, dont on déplace le pointeau par entraînement par un moteur2 et en ce que l'on règle la position du pointeau (339 figure 2) de la vanne motorisée en fonction de l'écart entre les températures du fluide frigorifique à l'aspiration du compresseur et à l'entrée des éléments d'évaporateur (surchauffe) 7 sauf lorsque la surchauffe est inférieure à une valeur minimale2 et dans ce dernier cas en fonction de l'écart entre la température du fluide frigorifique sortant de l'échangeur (3) avec le fluide de chauffage et celle du fluide de chauffage entrant dans cet échangeur. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure la surchauffe en valeurs instantanées, et l'écart entre la température du fluide frigorifique sortant de l'échangeur avec le fluide de chauffage et celle du fluide de chauffage entrant dans cet échangeur, en valeurs moyennes sur des intervalles de temps déterminés. 3/ Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on règle la position du pointeau en fonction de la surchauffe proportionnellement et en fonction de sa dérivée, et en fonction de l'écart entre les températures du fluide frigorifique sortant de l'échangeur et du fluide de chauffage y entrant, proportionnellement à celui-ci. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on détermine en fonction de l'écart de températures choisi comme variable un temps de déplacement du pointeau de la vanne motorisée, positif dans le cas d'ouverture et négatif dans le cas de fermeture, et en ce que l'on limite la valeur absolue du temps de déplacément à un montant maximal. 5/ Procédé selon la revendication 49 caractérisé en ce que, lorsque le réglage conduit à passer de la fermeture à l'ouverture de~la vanne motorisée, ou réciproquement, on ajoute au temps de déplacement déter miné par la loi de régulation un complément correspondant au rattrapage du jeu des transmissions mécaniques (30, 31, 32, figure 2) entre un organe moteur et le pointeau. 6/ Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant des sondes de mesures de la température du fluide frigorifique d'un cycle de pompe à chaleur à l'entrée des éléments d'éva- porateur (25) et à l'aspiration du compresseur (26), des sondes de mesure des températures du fluide frigorifique à la sortie de l'échan- geur avec le fluide de chauffage (28), et de ce dernier à l'entrée de cet échangeur (27), caractérisé an ce qu'il comprend en outre des organes (30, 31, 32, figure 2) de commande de la position du pointeau d'une vanne motorisée de détente du fluide frigorifique par rapport à l'orifice d'évacuation du fluide détendu, et des moyens (24) de contrôle de ces organes en fonction de la surchauffe quand celle-ci est supérieure à une valeur de seuil, et en fonction de l'écart entre les températures du fluide frigorifique à la sortie de l'échangeur avec le fluide de chauffage, et de ce dernier à l'entrée de cet échangeur, quand la surchauffe est inférieure à la valeur de seuil. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lorsque le cycle frigorifique ne comporte pas d'échangeur entre le fluide frigorifique liquéfié sortant de l'échangeur avec le fluide de chauffage ou un autre fluide et le fluide frigorifique vaporisé sortant des éléments d'évaporateur, la sonde de température du fluide frigorifique vaporisé est disposée à la sortie de l'un de ces élements, et lorsque le cycle frigorifique comporte un tel échangeur (7), la sonde (26) de température du fluide frigorifique vaporisé est disposée entre ce dernier échangeur et l'aspiration du compresseur. 8/ Dispositif selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens de réglage de la position du pointeau de la vanne motorisée en fonction de la surchauffe sont des moyens en "proportionnelle-dérivée", et les moyens de réglage de sa position en fonction de l'écart de température entre le fluide frigorifique à la sortie de l'échangeur avec le fluide de chauffage et ce dernier à l'entrée de cet échangeur sont des moyens en "proportionnelle". 9/ Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de limitation du temps de déplacement du pointeau dans les sens de l'ouverture ou de la fermeture à une valeur maxi male. 10/ Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour ajouter au temps de déplacement du pointeau déterminé par la loi de réglage, lorsque eelle-ci conduit à changer le sens de déplacement du pointeau un complement correspondant au rattrapage du jeu des organes de transmission mécanique entre un organe moteur et le pointeau.