Brevet FR2557962A1 — publié le 19850712

1. La présente invention concerne des dispositifs de réfrigération et de climatisation, employant des com- presseurs multi-étages et,plus particulièrement, un dispo- sitif utilisant un économiseur pour sous-refroidir le ré- frigérant condensé avant sa vaporisation dans l'évapora- teur, et un agencement conférant une grande souplesse aux fonctionnements des compresseurs multiples, tout en main- tenant le rendement du dispositif de réfrigération com- portant les compresseurs des premier et second étages. Les supermarchés utilisent actuellement typique- ment, des compresseurs à trois étages montés en parallèle qui sont mis en marche et hors marche par la pression à l'aspiration. De tels dispositifs ne comportent typique- ment aucun économiseur et par conséquent le rendement j5 est bas car les rapports de compression sont élevés, et il y a un fonctionnement cyclique important des compres- seurs et la plage de cormande de la pression d'aspiration reste assez vaste. Ces facteurs se traduisent par un mau- vais rendement et par un manque de fiabilité. Par conséquent, la présente invention a pour 2. objet principal un dispositif de réfrigération perfec- tionné multi-compresseur dans lequel le dispositif de base fait encore appel à trois compresseurs, un compres- seur de sur-compression et deux compresseurs à étage éle- vé, o le dispositif emploie un économiseur qui est constamment actif à l'intérieur du dispositif et qui ne nécessite que deux transducteurs de base pour la comman- de de la totalité du système. La présente invention a pour objet un circuit de réfrigération qui comprend au moins un compresseur à un étage,deux compresseurs à un second étage, un con- denseur, un économiseur,un évaporateur et un moyen de conduite renfermant un fluide de travail réfrigérant compressible en liaison avec le compresseur du premier étage, les compresseurs du second étage à titre de grou- pe, le condenseur, l'économiseur, l'évaporateur, en sé- rie, dans cet ordre dans une boucle fermée et avec les compresseurs du second étage en parallèle l'un avec l'au- tre. Le moyen de conduite comprend en outre un moyen pour extraire une partie du réfrigérant condensé de la boucle fermée en aval du condenseur et la détendre à l'in- térieur de l'économiseur pour sous-refroidir le réfrigé- rant liquide à l'intérieur de la boucle fermée qui est introduit dans l'évaporateur et pour renvoyer le réfri- gérant se détendant sous forme de vapeur de réfrigé- rant à pression relativement élevée à un point à pres- sion intermédiaire à l'intérieur de la boucle fermée en- tre la sortie du compresseur du premier étage et l'entrée des compresseurs du second étage. Des moyens sont prévus pour détendre le réfrigérant liquide à. haute pression, sur- refroidi, en aval de l'économiseur à. l'évaporateur. Des moteurs sont prévus pour entraîner les compresseurs, et le dispositif comprend un moyen permettant de commander le fonctionnement des compresseurs des premier et second étages, comprenant un moyen pour entraîner sélectivement 3. les moteurs des compresseurs du second étage afin d'acti- ver sélectivement les moteurs des compresseurs du second étage et de commander le débit du réfrigérant d'une ma- nière sélective vers les compresseurs du second étage.Le perfectionnement comprend l'entraînement du compresseur- surpresseur du premier étage à une vitesse variable de manière à obtenir une grande variation du débit du ré- frigérant le traversant, et o les compresseurs du se- cond étage comprennent des compresseurs fonctionnant de manière fixe à la charge maximum et opérant ainsi à leur rendement de pointe,de sorte que la pression inter-étage est maintenue raisonnable, et o le moyen de commande comprend un premier transducteur pour détecter l'un quel- conque des paramètres suivants: pression d'évaporation, température d'évaporation ou pression d'aspiration, et un second transducteur pour détecter la pression inter-éta- ge du réfrigérant circulant dans la boucle fermée afin de commander la vitesse du compresseur-surpresseur du premier étage d'une façon telle qu'au début la commande est obtenue par ralentissement du surpresseur et, en se- cond lieu, lorsque la pression inter-étage atteint un mini- mum prédéterminé, l'un des compresseurs du second étage est arrêté; d'o il résulte que la pression inter-éta- ge croit automatiquement et augmente la charge du com- presseur du haut étage restant. L'un quelconque ou la totalité des compresseurs peuvent être des compresseurs alternatifs, des compres- seurs rotatifs à vis hélicoïdale, des compresseurs rota- tifs à ailettes coulissantes, ou des compresseurs en spi- rale. Le moteur d'entraînement du compresseur-surpresseur du premier étage peut être constitué d'un moteur à in- duction utilisant une commande d'inverseur à vitesse va- riable, avec la fréquence variant entre 20 et 100 Hertz. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les 4. dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'un circuit de réfrigération à boucle fermée selon un mode de réalisation préféré de la présente invention; La figure 2 est un graphique de la pression in- ter-étage pour le dispositif de la figure 1 en fonction de la charge/capacité du dispositif, illustrant la com- mande simplifiée et la souplesse de ce dispositif de ré- frigération. En liaison avec la figure 1, on a représenté un dispositif de réfrigération à boucle fermée selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, représenté en 10. Le dispositif à boucle fermée comprend un surpresseur 12 formant le premier étage, une paire de secondscompresseurs ou compresseurs de haut étage 14, 16,un condenseur refroidi par air 18, un récepteur 20, un économiseur 22, et un ou plusieurs évaporateurs 24, qui sont des composants de base du dispositif de réfrigération 10 à boucle fermée. Un moyen de conduite sert à relier les élé- ments en série avec les deux compresseurs du haut étage 14, 16 en parallèle à titre de groupe à l'intérieur du cir- cuit en série de la boucle fermée. Comme tel, le circuit 26 renfermant un fluide de travail réfrigérant approprié, com- me le produit R-502,forme au point 27 deux conduites en parallèle 28 et 30 de manière à fournir la sortie du sur- compresseur 12 du premier étage à une pression intermé- diaire au ceté d'aspiration, ou entrée, des compresseurs 14,16 du second étage. Les sorties des compresseurs 14, 16 sont réunies,via des conduites 32 et 34, à un point de jonction 33 o la vapeur du réfrigérant comprimée à haute pression est appliquée à l'entrée du condenseur 18 via une conduite 36. La sortie du condenseur permet au réfrigé- rant condensé de s'écouler vers le récepteur 20 via une conduite 38. Comme indiqué, le réfrigérant R sous forme liquide situé à l'intérieur du récepteur 20 s'écoule via 5. une conduite 40 jusqu'à l'économiseur 22. Au point 41, une conduite de soutirage, ou de dérivation,42 permet à une partie du réfrigérant liquide R d'être extraite du circuit primaire à boucle fermée et de se détendre via une vanne d'expansion 44 à l'intérieur de l'économiseur 22 fonctionnant de manière à sous-refroidir la partie princi- pale du réfrigérant liquide qui passe directement vers le ou les évaporateurs 24 via une conduite 46. Le réfrigé- rant liquide sous-refroidi se détend via une vanne d'ex- pansion 48 pour entrer dans le ou les évaporateurs 24 afin d'effectuer une fonction utile à l'intérieur du dis- positif de réfrigération. La vapeur de réfrigérant reve- nant du ou des évaporateurs 24 traverse une conduite 50 jusqu'au côté d'aspiration,ou côté basse pression, du sur-compresseur 12 du premier étage, complétant ainsi la circulation en boucle fermée. Par ailleurs,le réfrigérant soutiré via la conduite 42 qui se vaporise à l'intérieur de l'économi- seur afin d'exécuter un sous-refroidissement, traverse une conduite 52 pour atteindre un point à pression inter- médiaire,tel que 54, à l'intérieur du dispositif et dé- boucher dans la conduite 26 reliant la sortie du compres- seur du premier étage à l'entrée de l'un ou l'autre ou des deux compresseurs 14, 16 du second étage. On notera qu'alors qu'on a représenté seulement deux compresseurs 14, 16, il pourrait y en avoir trois ou plus, tous ces compresseurs étant montés en parallèle et commandés de manière appropriée. Le dispositif illustré est limité volontairement aux deux compresseurs 14, 16 du haut 3I étage. Le dispositif de réfrigération tel qu'illustré permet une réfrigération hautement efficace qui utilise un ou plusieurs évaporateurs 24 dans toutes les condi- tions de charge grâce à l'utilisation constant d'un cy- 3 cle d'économiseur, c'est-à-dire que le surpresseur 12 6. du premier étage fonctionne toujours mais que l'économi- seur 22 est toujours actif. Volontairement, on utilise les deux compresseurs 14,16 du haut étage de manière que les variations de pression inter-étage restent maîtrisées. De plus,les machines du haut étage, qui peuvent être des compresseurs alternatifs sans capacité de charge, ne se déchargent pas et donc fonctionnent toujours à leur ren- dement maximum. Le surpresseur 12 du premier étage peut être un compresseur alternatif à vitesse variable, mais pourrait être un compresseur à vis à vitesse variable,un compresseur rotatif à ailettes coulissantes à- vitesse variable,etc. I1 est également possible d'utiliser un turbo-compresseur à vitesse variable, c'est-à-dire un compresseur centrifuge. Le but du dispositif est d'obtenir le rende- ment le plus élevé possible, et le dispositif emploie fondamentalement un surpresseur 12 fonctionnant à une vitesse variable, combiné avec deux ou plusieurs machi- nes de haut étage, de capacité fixe, de façon que la pression inter-étage soit maintenue à une valeur raison- nable. Dans le système illustré, un moteur M1, par exemple en 56,est relié comme indiqué par le pointillé 58 au surpresseur 12 du premier étage, de manière à l'en- traîner à vitesse variable et fournir pour le réfrigé- rant R qui traverse le compresseur de préférence une plage de débit allant de cinq à un ou mieux. A son tour, le compresseur 16 du second étage est entraîné directement par un second moteur M2, par exemple en 72, alors qu'un moteur M3, par exemple en 74, entraîne di- rectement l'autre compresseur 14 du second étage. Le dispositif de commande est simple et stable par inhérence. Le dispositif illustré emploie un panneau de commande, par exemple en 62,qui est connecté à une source S via des fils 76. Le moteur 58 est donc alimen- té via le panneau de commande 62 par l'intermédiaire 7. d'une ligne électrique 60. Le dispositif utilise deux transducteurs. Le premier transducteur 64 est un transduc- teur de pression comme cela est représenté, qui détecte la pression à l'aspiration du sur-compresseur 12 et est représenté comme étant monté dans une conduite 50 four- nissant du réfrigérant entre le ou les évaporateurs 24 et le sur-coepresseur 12 à l'entrée, ou côté d'aspira- tion, du sur-compresseur 12. En variante, le transducteur 64 pourrait être un transducteur détectant la pression d'évaporation ou la température d'évaporation pour le ou les évaporateurs 24. Le signal du transducteur 64 est ap- pliqué au panneau de commande 62 via une ligne 66. Le second transducteur 73 détecte la pression inter-étage, et est dans ce cas branché dans la conduite 26 qui four- nit le fluide de décharge du sur-compresseur du premier étage à l'entrée des compresseurs 14, 16 du second éta- ge. Un transducteur de pression 73 fournit un signal via une ligne 75 au panneau de commande 62. En plus de la li- gne 60, qui sort du panneau de commande 62 et dont la fonction est de faire varier la vitesse du moteur 56 entraînant directement le surcompresseur 12, un certain nombre d'autres lignes sortent du panneau de commande 62 et rejoignent divers composants du dispositif. A cet égard, une ligne de commande 70 connecte le panneau de commande 62 à une vanne 68 actionnée par solénoide,qui est placée à l'intérieur de la conduite 28 débouchant dans l'entrée du compresseur 14 du second étage et fonctionne de manière à débrancher sélectivement du dispositif le com- presseur 14 dans certaines conditions qui seront expliquées ultérieurement. Une ligne de commande 67 sort du panneau de commande 62 et fournit du courant au moteur 72 entrai- nant directement le compresseur 16 du second étage. Une li- gne d'alimentation 78 s'étend du panneau de commande 62 jusqu'au moteur 74 de manière à entraîner directement le resseur 14 du second étage. compresseur 14 du second étage. 8. En marche, alors qu'il y a baisse des be- soins en réfrigérant du ou des évaporateurs 24, la pression d'aspiration à l'entrée du sur-compresseur 12 chute et le transducteur 64 fournit un signal de comman- de via la ligne 66 au panneau de commande faisant res- sortir la chute de la pression d'aspiration. A son tour, le panneau de commande 62 fait varier le courant traver- sant le moteur d'entraînement 56 de manière à ralentir le surpresseur et donc diminuer le débit du réfrigérant traversant le sur-compresseur 12 du premier étage. Le moteur 56 peut être unmoteur à induction utilisant une commande d'inverseur à vitesse variable, auquel cas le panneau de commande 62 fonctionne pour faire varier la fréquence du courant fourni au moteur 56 via la ligne 60. Pour une plage de un à cinq du surcompresseur 12, la va- riance de la fréquence du signal de commande appliqué au moteur 56 peut être comprise entre 20 et 100 Hertz. Lorsque la pression inter-étage atteint un mini- mum prédéterminé, l'un des deux compresseurs du second étage sera arrêté, et la pression inter-étage croîtra auto- matiquement et augmentera la charge du ou des compresseurs restants de l'étage à haute vitesse. Dans le dispositif illustré, le second transducteur 73 détectant la pres- sion inter-étage fournira un signal représentatif de la nouvelle réduction de pression inter-étage, via la ligne ,au panneau de commande 62. Le panneau de commande 62 arrêtera alors le compresseur, par exemple celui repré- senté en 14 en stoppant l'excitation du moteur d'entraîne- ment 74 via la ligne 78. Simultanément, si nécessaire,la vanne de commande 68 actionnée par solénoîde changera d'état de manière à couper la circulation de réfrigérant dans la conduite 28 débouchant dans le compresseur 14 du second étage, via la ligne 70. Le fonctionnement du dispositif est représenté ?5 graphiquement en figure 2,qui est une courbe de la pression 9. inter-étage en fonction de la charge/capacité du disposi- tif. Les deux lignes parallèles en trait plein P et P' sont les courbes de la pression inter-étage selon que fonc- tionnent une ou deux machines du haut étage. La courbe P concerne un seul compresseur du second étage, alors que la courbe P' est relative à un fonctionnement en charge/ capacité plus élevé du dispositif compris entre 40 et %. Si l'on suppose, par exemple, que le dispositif fonctionne à faible charge avec un seul compresseur en marche dans le second êtage, clest-à-dire le compresseur 16, et en se rappelant que le sur-compresseur du premier étage fonctionne toujours et donc que l'économiseur 22 est tou- jours opérationnel, lorsque le fonctionnement du disposi- tif est tel que la pression inter-étage atteint un point élevé de la ligne P, par exemple un point choisi B corres- pondant à 0,4 MPa, le compresseur 14 du second étage entre en action,la pression entre-étage tombe à environ O026 MPa, au point 3' de la seconde courbe P' pour le fonctionne- ment des deux compresseurs du haut étage. Comme on peut 2 étage à laquelle est redémarré le compresseur 14 du second étage est réglée à une valeur supérieure à la pression inter-étage rééquilibrée à laquelle le second compresseur est arrêté, le point d'arrêt sur la ligne Pl se trouvant en A qui correspond à une pression d'environ 0,14 MPa com- me illustré pour le dispositif. On doit se rappeler que la courbe représentée concerne un dispositif de réfrigération efficace et fiable pour supermarché, impliquant un ou plusieurs évaporateurs 24, et constitue la base d'une philosophie générique de commande ou diagramm-e logique o le réfrigérant peut être du type R-502 et le dispositif a une température d"'évapo- ration de -300C. Dans le système représenté, on évite un excès de cyclage des compresseurs 14, 16, ce qui aurait pour effet d'avoir un effet sérieux sur le rendement du dispositif car l'économiseur est toujours maintenu à 10. l'état actif. Lorsque la pression inter-étage tombe suivant la ligne P' à 0,1 MPa et atteint le point A, le dispositif écarte le compresseur 14 maintenant le com- presseur 16 du second étage, et la pression inter-éta- ge croît immédiatement (pour la même charge) jusqu'à environ 0,32 MPa. Le compresseur unique 16 du second étage maintient le fonctionnement du dispositif alors que la charge de base continue à décroltre et le sur- compresseur 12 est encore ralenti par une commande ap- propriée venant du panneau de commande 62 et appliquée au moteur 56 d'entraînement du sur-compresseur via la li- gne 60. Comme indiqué précédemment, si la charge croit après transfert du dispositif au seul compresseur 16 du second étage, la vitesse du moteur 56 augmente d'une manière appropriée, fournissant une augmentation du dé- bit du réfrigérant qui traverse le compresseur 12 du pre- mier étage jusqu'à ce que, naturellement, la pression inter-étage atteigne une valeur de 0,42 MPa (point B, courbe P), o le compresseur 14 du second étage entre en marche et comprime le réfrigérant en parallèle avec le réfrigérant traversant l'autre compresseur 16 du se- cond étage. Dans le dispositif illustré, la charge du sys- tème chutant, le transducteur 64 de la pression d'aspira- tion provoque la diminution de la vitesse du sur-compres- seur 12. Lorsque la pression inter-étage atteint A (courbe P'), un compresseur du secondétage est coupé et la pression inter-étage se rééquilibre (point A', courbe P). L'augmentation de la charge provoque l'accélération du sur-compresseur 12 et l'entrée en marche du second compresseur ou du compresseur suivant du second étage, en B (courbe P). Comme on peut l'apprécier, il est seulement nécessaire d'avoir comme entrée, pour obtenir une comman- de convenable,deux transducteurs de base. L'un sert à 11. mesurer la pression d'aspiration ou son équivalent, et l'autre à mesurer la pression inter-étage du fluide réfrigérant de travail dans la boucle fermée. La logi- que de commande générique est simple et directe, et un panneau de commande à semi-conducteurs peut être facile- ment mis en oeuvre pour effectuer la commande du dispo- sitif avec les paramètres décrits. On pense que le dis- positif de réfrigération est idéal tant pour la réfrigé- ration industrielle que pour les pompes à chaleur typi- ques qu'on utilise pour le chauffage et le refroidisse- ment de bâtiments commerciaux et autres. Le dispositif illustré ne fait appel qu'à trois compresseurs, à sa- voir un sur-compresseur et deux compresseurs à l'étage haute vitesse. Le dispositif comprend une redondance convenable, en ce sens que les compresseurs de l'étage haute vitesse seuls peuvent traiter environ 50 % de la charge maximum du dispositif en l'absence du sur-comn- presseur, et que le sur-caopresseur et l'un des compres- seurs de l'étage haute vitesse peuvent également traiter environ 50 % de la charge maximum du dispositif, comme on le remarquera d'après les courbes de la figure 2.La puissance du sur-compresseur est si faible qu'il peut être raisonnable de l'équiper avec un inverseur ou une commande en courant continu sans balais pour obtenir la vitesse variable nécessaire au système. L'appréciation de certaines des valeurs de mesu- res indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'el- les proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifica- tions qui apparaîtront à l'homme de l'art. 12. REVENDICATIONS 1 - Circuit de réfrigération, comprenant: un moyen de compresseur à capacité variable (12) comme premier étage; - un moyen de compresseur (14, 16) comme se- cond étage; - un condenseur (18); - un évaporateur (24); un moyen de conduite renfermant un réfrigérant compressible qui interconnecte le moyen de compresseur du premier étage, le moyen de compresseur du-second étage, le condenseur,l'évaporateur, en série dans une boucle fermée, dans l'ordre précédent; - des moteurs (M1, M2, M3) pour entraîner les moyens de compresseur; - un économiseur (22) disposé fonctionnellement entre le condenseur et l'évaporateur pour détendre une partie du réfrigérant condensé provenant de la boucle fer- mée en aval du condenseur afin de sous-refroidir le réfri- gérant circulant vers l'évaporateur; - un moyen(52) pour introduire la partie déten- due. du réfrigérant dans un point inter-étage situé entre la sortie dumoyen de compresseur du premier étage et l'entrée du moyen de compresseur du second étage; et - un moyen de commande pour commander le fonc- tionnement du moyen de compresseur du second étage en réponse à une certaine condition au point inter-étage. 2 - Circuit de réfrigération selon la revendi- cation l,caractérisé en ce que le moyen de commande com- prend un premier détecteur (6.4) destiné à détecter une condition au coté aspiration du premier étage et un second détecteur (73) destiné à détecter une condition au côté aspiration du second étage. 3 - Circuit de réfrigération selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que le second détecteur (73) 13. détecte la pression du réfrigérant inter-étage. 4 - Circuit de réfrigération selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que le moyen de commande peut fonctionner pour faire varier en premier lieu la ca- pacité du moyen de compresseur du premier étage et en se- cond lieu la capacité du moyen de compresseur du second étage de façon que la pression inter-étage soit maintenue à l'intérieur d'une plage désirée. - Circuit de réfrigération selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que la capacité du moyen de compresseur du premier étage est commandée en réponse à une certaine condition au côté aspiration du premier étage, et la capacité du moyen de compresseur du second étage est commandée en réponse à une certaine condition au côté aspiration du second étage. 6 - Circuit de réfrigération selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de compresseur du second étage comprend au moins deux compresseurs de capacité fixe (14, 16). 7 - Circuit de réfrigération selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que le moyen de commande com- prend un moyen (68) pour fermer sélectivement le débit de réfrigérant inter-étage entre le premier moyen de com- presseur et au moins l'un des compresseurs à capacité fixe du second étage. 8 - Circuit de réfrigération selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que le moyen de commande com- prend un moyen pour arrêter l'excitation du moteur d'entraînement pour au moins l'un des compresseurs à capacité fixe du second étage. 9 - Circuit de réfrigération selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que les compresseurs à capaci- té fixe sont montés en parallèle l'un avec l'autre. - Circuit de réfrigération selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur (M1) du compresseur du premier étage est un moteur à vitesse variable.