Brevet FR2593898A1 — publié le 19870807

-1u 2593898 I.a présente invention concerne des procédés et sys- tèmes de commande du fonctionnement d'installations fri- qorifiques et plus particulièrement des procédés et systèmes de commande du fonctionnement d'un dispositif de commande de capacité, tels que des aubes directrices d'entrée d'un com- presseur, dans des installations frigorifiques à compres- sion de vapeur par centrifugation de telle façon qu'un point de réglage de la température à l'entrée du refroidisseur soit maintenu In Généralement les installations frigorifiques com- portent un évaporateur ou refroidisseur, un compresseur et un condenseur. Habituellement un fluide de transfert calori- fique est mis en circulation à travers un tube dans l'6vapo- rateur qui forme un serpentin de transfert calorifique pour transférer de la chaleur h partir du fluide de transfert calorifique,s'écoulant à travers le tube, en direction du friqorigbne dans l'évaporateur. Le fluide de transfert calorifique, réfrigéré dans le tube se trouvant dans l'éva- porateur, est normalement de l'eau ou du glycol qui est mis en circulation en direction d'un emplacement 5loigné, afin de satisfaire une demande de froid. Le frigorigène dans l'évaporateur s'évapore tandis qu'il absorbe de la chaleur à partir du fluide de transfert calorifique s'écoulant h travers le tube dans l'évaporateur et le compresseur fonc- tionne de manière à extraire cette vapeur de frigorigène à partir de l'évaporateur, à comprimer cette vapeur de frigo- riuène et à refouler la vapeur comprimée vers le condenseur. Dans ce condenseur la vapeur de frigorigène est condensée et elle est ramenée à l'évaporateur o le cycle frigorifique recommence. Pour rendre maximal le rendement du fonctionnement, il est désirable d'adapter la quantité de travail fournie par le compresseur au travail exigé pour satisfaire la de- mande de froid à laquelle est soumise l'installation frigo- rifique. Habituellement ceci est réalisé par un dispositif de commande de capacité qui ajuste la quantité de vapeur de friqorigène s'écoulant à travers le compresseur. Les dis- positifs de commande de capacité peuvent être constitués par des auhes directrices qui sont disposées entre]e com- presseur et l'évaporateur et qui peuvent se déplacer entre une position totalement ouverte et une position totalement fermée en réponse à la température ldu fluide de transfert calorifique réfrigéré sortant du serpentin dans l'évapo- rateur. Lorsque la température du fluide de transfert ca- lorifique réfrigéré dans l'évaporateur baisse, ce qui in- dique une réduction de la demande de froid à laquelle est soumise l'installation frigorifique, les aubes directrices se ddplacent en direction de leur position de fermeture totale, ce qui entraîne une réduction de la quantité de vapeur de frigorigène s'écoulant à travers le compresseur. Ceci diminue la quantité de travail qui doit être fournie par le compresseur, ce qui entraîne une réduction de la quantité d'énergie nécessaire pour faire fonctionner l'ins- tallation frigorifique. En même temps ceci a pour effet d'accroître la température du fluide de transfert calori- fique réfrigéré sortant de l'évaporateur. Au contraire, lorsque la température du fluide de transfert calorifique réfrigéré quittant l'évaporateur s'élève, ce qui indique un accroissement de la demande de froid à laquelle est soumise l'installation frigorifique, les aubes directrices se dé- placent en direction de leur position d'ouverture totale. Ceci augmente la quantité de vapeur s'écoulant à travers le compresseur et ce compresseur travaille davantage, ce qui entraine par conséquent une diminution de la température du fluide de transfert calorifique réfrigéré sortant de l'éva- porateur et ce qui autorise l'installation frigorifique à répondre à la demande de froid accrue. De cette façon le compresseur fonctionne de manière à maintenir la température du fluide de transfert calorifique réfrigéré quittant l'évaporateur à une température de point de réglage ou à l'intérieur d'une certaine gamme de telles températures. On connaît plusieurs systèmes de commande de capa- cité différents pour commander une installation frigorifi- que de la façon indiquée ci-dessus. Par exemple un tel sys- tème de commande, h savoir un modèle de commande de refroi- disseur électronique CP-8142-024 fabriqué par la Société Barber-Colman Company de Rockford, Illinois permet d'ajus- ter un dispositif de commande de capacité dans une instal- lation frigorifique en fonction de l'écart de la température de l'eau réfrigérée sortant]'évaporateur par rapport à une température d'un point de réglage désire. Lorsque la tempé- rature de l'eau réfrigérée sortante s'écarte de la temp6- rature du point de réglage sélectionné d'une grandeur prédé- terminée, le dispositif de commande de capacité est ajusté continuellement par un actionneur qui est excité continuel- lement par un train d'impulsions électriques fournies à 1' actionnetur. Certains systèmes de gestion de l'énergie font qu'il est désirable de maintenir constante une température de l'eau réfrigérée entrante et de laisser la température de l'eau réfrigérée sortante "flotter" ou chercher sa propre température d'équilibre lorsque la charge varie. Ceci est l'inverse des systèmes conventionnels antérieurs pour la commande de la température de l'eau réfrigérée. Cependant la commande de la capacité du refroidisseur qui est basée uni- quement sur un écart de la température de l'eau réfrigérée entrante par rapport à un point de réglage fixé de la tempé- rature de l'eau réfrigérée entrante, d'une manière analogue à celle utilisée dans des systèmes antérieurs de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante, provoque des mouvements exagérés des aubes avec une faible stabilité dans le système, parce qu'un retard notable existe entre les modifications de capacité effectuées dans le refroidisseur et les variations de température résultantes qui sont dé- tectées dans l'eau pénétrant dans le refroidisseur. Ce re- tard dans la boucle de l'eau amène la commande à effectuer une compensation en excès et le résultat en est une insta- bilité de la commande et une oscillation de température excessive. [I existe ainsi un besoin de développement de tech- niques de commande de capacité pour des refroidisseurs qui permettent de maintenir constante une température de l'eau réfrigérée entrante et qui réduisent au minimum les inconvé- nients de la commande de la capacité du refroidisseur en réponse h' la tempé rature de l'eau réfrigqérée sortante ou à l'écart de la température de l'eau r6éfriqgérée entrante par rapport h un point de réglage fixé. Par conséquent un but de la présente invention est de fournir un système à micro-ordinateur simple. h bon rendement et efficace pour commander la capacité d'une ins- tallation frigorifique en réponse à la température de l'eau réfrigérée entrante. Un autre but de la présente invention est de four- nir un système à micro-ordinateur aisément programmable pour commander la capacité d'une installation frigorifique en produisant un point de commande de l'eau réfrigérée sortante de manière à fournir une température désirée de point de réglage de l'eau réfrigérée entrante. Un autre but de la présente invention est de four- nir un procédé de commande de la capacité d'une installa- tion frigorifique qui est insensible à des variations du débit de l'eau dans le refroidisseur. Ces buts ainsi que d'autres buts de la présente invention sont atteints au moyen d'un système de commande de capacité pour une installation frigorifique comprenant des moyens pour produire un signal de point de réglage correspondant à une température d'un point de réglage fixé sélectionné pour le fluide de transfert calorifique entrant dans l'évaporateur (la température de point de réglage est une valeur sélectionnée par un opérateur et introduite dans le microprocesseur), des moyens pour produire un premier signal de commande qui est fonction de la température du fluide de transfert calorifique entrant dans l'évaporateur, des moyens pour produire un second signal de commande qui est fonction de la température du fluide de transfert calo- rifique sortant de l'évaporateur, et un processeur recevant le signal correspondant au point de réglage ainsi que les premier et second signaux de commande, afin de traiter les signaux reçus suivant des procédures préprogrammées pour déterminer une température de point de commande pour le fluide de transfert calorifique sortant de l'évaporateur (la température de point de commande est une valeur produite par ]î microprocesseur et elle est utilisée pour commander la charge. par exemple en positionnant les aubes directrices) et pour produire un signal de commande de sortie afin de commander la capacité du refroidisseur en réponse au signal de commande de sortie. Le processeur, un microordinateur, détermine le point de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante en utilisant le point de réglage fixé de la tempé- rature de l'eau réfrigérée entrante et la chute de tempéra- If ture h travers l'évaporateur. Cette caractéristique de com- mande est énoncée mathématiquement comme suite: LWCP = EWSP - (AT) oû T = Ti - To et oU LWCP est le point de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante; EWSP est le point de réglage de la température de l'eau réfrigérée entrante. Ti la température de l'eau entrant dans l'é vapora- teur, et To la température de l'eau sortant de-l'évaporateur. En sélectionnant un point de réglage désiré pour l'eau réfrigérée entrante, on peut adapter aisément, effica- cement et effectivement le fonctionnement du dispositif de commande de capacité de manière qu'il satisfasse à des exi- qences opérationnelles particulières d'une application par- ticulibre pour l'installation frigorifique, en établissant le point de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante. On décrira ciaprès,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé sur lequel: La figqurre] est un schféma synrptique d'une instal- lation frigorifique à compression de vapeur par centrifuqa- tion qui est pouf\ue d'un système de commande permettant de faire varier la capaci té de l'installation frigorifique suivant l'invention. La figure 2 est un diagramme illustrant la varia- tion de la température de l'eau réfrigérée entrante et sortante en fonction de la charge, dans le cas d'un refroi- disseur typique. Si on se réfère à la figure 1, on voit que cette figure représente une installation frigorifique 1 à compres- sion de vapeur, laquelle comporte un compresseur centrifuge 2 avec un système de commande 3 permettant de faire varier la capacité de l'installation frigorifique 1 conformément aux principes de la présente invention. Comme on peut le voir sur la figure 1, l'installation frigorifique 1 comporte un condenseur 4, un évaporateur 5 et une soupape à tige 6. En fonctionnement un frigorigène gazeux comprimé est refoulé à partir du compresseur 2, à travers un conduit 7 de refou- lement du compresseur, vers le condenseur 4 o le frigori- gène gazeux est condensé par de l'eau de condensation re]a- tivement froide s'écoulant à travers un tube 8 dans le condenseur 4. Le frigorigène liquide condensé provenant du condenseur 4 passe à travers la soupape à tige 6, qui forme un joint d'étanchéité à liquide pour empêcher la vapeur provenant du condenseur de pénétrer dans l'évaporateur et pour maintenir la différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur, dans un conduit de frigorigène 9 menant à l'évaporateur 5. Le frigorigène liquide est évaporé, dans cet évaporateur 5, pour refroidir un fluide de transfert calorifique, tel que de l'eau ou du glycol, lequel s'écoule à travers un tube 10 dans l'évaporateur 5. Ce fluide de transfert calorifique réfrigéré est utilisé pour refroidir un bâtiment ou bien il peut être utilisé à d'autres fins. Le frigorigène gazeux provenant de l'évaporateur 5 s'écoule à travers le conduit 11 d'aspiration du compresseur, pour revenir à ce compresseur 2 sous la commande d'aubes direc- trices d'entrée 12 du compresseur. Le frigorigène gazeux pén6trant dans le compresseur 2 à travers les aubes direc- trices 12 est comprimé par le compresseur 2 et refoulé à partir de ce compresseur 2, à travers le conduit 7 de refou- lement du compresseur, pour compléter le cycle frigorifique. Ce cycle frigorifique est répété continuellement pendant le fonctionnement normal de l'installation frigorifique. Les aubes directrices d'entrée 12 du compresseur sont ouvertes et fermées par un actionneur 14 des aubes directrices lequel est commandé par le système de commande de capacité 3 qui comprend une carte d'interface du système 16, une carte de processeur 17, une carte de point de régla- ge et d'affichage 18 et un convertisseur analogique/numéri- que 19. Egalement un capteur de température 13 qui est prévu pour détecter la température du fluide de transfert calori- fique sortant de l'évaporateur 5 à travers le tube 10, et un capteur de température 15 qui détecte la température du fluide de transfert calorifique pénétrant dans l'évaporateur à travers le tube 10, sont connectés, par des lignes élec- triques 20 et 22, directement au convertisseur analogi- que/numérique 19. De préférence les capteurs de température 13 et sont des dispositifs à résistance sensible à la tempé- rature, tels que des thermistances, ayant leurs parties sensibles logées dans le fluide de transfert calorifique dans le tube l0 se trouvant dans l'évaporateur 5, leurs résistances étant surveillées par le convertisseur ana- logique/numérique comme il est représenté sur la figure 1. Naturellement, comme le comprendront bien les spécialistes de la technique à laquelle se rattache la présente inven- tion, les capteurs de température 13 et 15 peuvent être l'un quelconque d'un grand nombre de capteurs de tempéra- ture convenant pour produire un signal représentant la température du fluide de transfert calorifique dans le tube se trouvant dans l'évaporateur 5, et pour fournir les signaux ainsi produits au convertisseur analogique/numéri- que 19. La carte d(e processeur 17 peut tre un dispositif quelconque ou une combinaison de dispositifs capable de recevoir une pluralité de signaux d'entrée, de traiter les signaux d'entrée ainsi reçus suivant des procédures prépro- grammées, et de produire des signaux de commande de sortie désirés en réponse aux signaux d'entrée reçus et traités, conformément aux principes de la présente invention. Par exemple la carte de processeur 17 peut comprendre un micro- ordinateur tel qu'un microprocesseur du type 8031 fabriqué par la Société Intel Corporation de Santa Clara Califor- nie. De préférence le convertisseur analogique/numérique 19 est un convertisseur à double pente qui traite tous les signaux d'entrée analogiques pour les transformer en signaux de sortie numériques et qui convient à une utilisation avec la carte de processeur 17. Il convient également de noter que, bien que le convertisseur analoqique/numérique 19 soit représenté comme étant un module séparé sur la figure 1, ce convertisseur analogique/numérique 19 peut faire phy- siquement partie de la carte de processeur 17 dans un sys- tbme de commande de capacité réel 3. En outre de préférence la carte de point de réglage et d'affichage 18 comprend un afficheur visuel comportant, par exemple, des diodes électroluminescentes (LED) ou un afficheur à cristaux liquides (LCD) formant un affichage à plusieurs chiffres qui est sous la commande de la carte de processeur 17. De même la carte de point de réglage et d'affichage 18 comporte un dispositif tel qu'un clavier qui sert en tant que dispositif d'entrée de données ainsi que d'outil de programmation, afin d'introduire le point de réglage de la température de l'eau réfrigérée entrant dans l'évaporateur 5 à travers le tube 10 d'eau réfrigérée de l'évaporateur. En outre la carte d'interface du système 16 comporte de préférence au moins un dispositif interrupteur, tel qu'une triac du type SC-140 fabriquée par General Electric, Corp. h Auburn NewYork, qui est utilisé en tant qu'élément de commutation pour commander une alimentation électrique (non représentée), h travers des lignes électriques 21, de ]'actionneur 14 des aubes de guidage. Les interrupteurs à triac sur la carte d'interface du système 16 sont commandés en réponse à des signaux de commande reçus par ces inter- rupteurs h partir de la carte de processeur 17. De cette façon l'énergie électrique est fournie, à travers la ligne électrique 21, à l'actionneur 14 des aubes directrices sous la commande de la carte de processeur 17, de manière à faire fonctionner l'actionneur 14 des aubes directrices d'une manière correspondant aux principes de la présente inven- tion ainsi qu'il sera décrit plus loin avec davantage de détails. Naturellement, comme le comprendront bien les spé- cialistes de la technique à laquelle se rattache la pré- sente invention, des dispositifs de commutation autre que des triacs peuvent être utilisés pour la commande du passage de l'énergie électrique à partir de la source d'alimentation (non représentée), à travers la ligne électrique 21, vers l'actionneur des aubes directrices en réponse à des si- gnaux de commande de sortie provenant de la carte de proces- seur 17. L'actionneur 14 des aubes directrices peut être n'importe quel aispositif approprié pour entraîner les aubes directrices 12 en direction de leur position ouverte ou fermée, en réponse à des siqnaux d'alimentation électriques reçus par l'intermédiaire des lignes électriques 21. Par exemple l'actionneur 14 des aubes directrices peut être un moteur électrique, tel qu'un moteur du type MC-351 fabri- qué par la Société Barber-Colman Company de Rockford, Illi- nois, pour entraîner les aubes directrices 12 soit vers leur-position ouvertes soit vers leur position fermée, sui- vant celui des deux interrupteurs à triac, sur la carte d'interface du systbme 16, qui est excité en réponse aux signaux de commande reçus par les interrupteurs à triac à partir de la carte de processeur 17. L'actionneur 14 des aubes directrices entraîne ces aubes directrices 12 en direction soit de leur position totalement ouverte soit de leur position totalement fermée, avec une vitesse constante et fixée, uniquement pendant la portion d'un intervalle de temps de hase sélectionné durant lequel l'interrupteur à triac approprié, sur la carte d'interface du système 16, est excité. Si on se réfère à la figure 2, on voit que cette figure représente une courbe rectiligne horizontale A en trait plein qui représente le point de réglage de la tempé- rature de l'eau réfrigérée entrante que l'on désire mainte- nir par l'installation frigorifique suivant l'invention. Ce point de réglage est arbitraire et il est introduit par l'opérateur, dans la carte de point de réglage et d'afficha- ge, au moyen du clavier. En maintenant constante la tempéra- ture de l'eau réfrigérée entrante l'opérateur peut réduire la consommation d'énergie pendant certaines conditions de charge, notamment aux faibles charges. Le point de commande de l'eau réfrigérée sortante suivant l'invention, ainsi qu'il est représenté par la droite en pente B en trait plein, représente le point de commande auquel l'eau réfrigé- rée sortante fonctionne pendant n'importe quelle condition de charge avec le point de réglage de la courbe A. En ordon- née est portée la température de l'eau réfrigérée entrant dans l'évaporateur ou en sortant. En abscisse est portée la charge ou la demande de froid h laquelle est soumise l'ins- tallation frigorifique. Une valeur arbitraire de 5,60C a été choisie pour la valeur A T de l'évaporateur à pleine charge, et des valeurs correspondantes de tAT pour diverses charges sont indiquées. Sur la figure 2, la courbe A illustre un point de réglage fixé arbitraire pour la température de l'eau réfri- gérée entrante. Ainsi dans cet exemple l'opérateur désire que l'installation frigorifique commande la température de l'eau réfrigérée entrante pour la maintenir à 12,80C. La droite horizontale C, en tirets, représente le point de réglage fixé de la température de l'eau réfrigérée sortante suivant la technique antérieure, tandis que la droite en pente D, en tirets représente la température "flottante" de l'eau réfrigérée entrante suivant la techni- que antérieure. ]l line fois qu'un point de réglage prédéterminé pour l'eau réfriqérée entrante a été sélectionné, le point de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante est calculé par le microprocesseur et il est mis à jour pério- diquement, par exemple toutes les cinq secondes, afin d'as- surer que la température de l'eau réfrigérée sortante est la valeur correcte pour la charge effective. Cependant, si la charge varie, par exemple si la charge diminue dans une certaine période de temps, de 50% à 10%, le point de comman- de la température de l'eau réfrigérée sortante augmente de oC à 12,20C. Cette augmentation s'effectue à une vitesse progressive telle que 0,069oC/mn. Ainsi la température ef- fective de l'eau réfrigérée sortante qui est détectée par le capteur 13, indiquerait instantanément 100C tandis que le point de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante exigerait une température de l'eau réfrigérée sortante légèrement au-dessus de 100C. Ainsi il existe un écart entre la température effective de l'eau réfrigérée sortante et le point de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante, et cet écart est introduit dans la carte d'interface du système qui amène l'actionneur 14 des aubes directrices à déplacer les aubes directrices 12 en direction de leur position fermée, jusqu'à ce que la tempé- rature effective de l'eau réfrigérée sortante soit égale au point de commande de la la température de l'eau réfrigérée sortante. De cette façon le refroidisseur assure une transis- tion r-égulière à partir d'un niveau de charge vers un autre niveau de charge parce que le capteur de la température de l'eau réfrigérée sortante détecte immédiatement le change- ment de température de l'eau provoqué par la modification de la position des aubes directrices. Ainsi, grâce à l'uti- lisation du point de commande produit, la température dési- rée de l'eau réfrigérée entrante est maintenue pendant la transistion. Il convient en outre de noter que le débit de l'eau réfrigérée peut varier sans modifier le processus de comman- de, puisque le point de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante est uniquement une fonction du point de réqlaqe de la température de l'eau réfrigérée entrante et de la température de l'eau entrant dans l'évaporateur et en sortant. REVENDICATIONS 1.- Système de commande de capacité pour une ins- tallation frigorifique du type comportant un évaporateur dans lequel un frigoriqgène absorbe de la chaleur à partir d'un fluide de transfert calorifique passant à travers lui, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (18) pour produire un signal de point de réglage correspondant à une température d'un point de réglage fixé sélectionné pour le fluide de transfert calorifique entrant dans l'évaporateur, des moyens (15) pour produire un premier signal de commande qui est fonction de la température du fluide de transfert calorifique entrant dans l'évaporateur (5), des moyens (13) pour produire un second signal de commande qui est fonction de la température du fluide de transfert calorifique sor- tant de l'évaporateur (5), et un processeur (17) recevant le signal correspondant au point de réglage ainsi que les pre- mier et second signaux de commande, afin de traiter les signaux reçus suivant des procédures préprogrammées pour déterminer une température de point de commande pour le fluide de transfert calorifique sortant de l'évaporateur et pour produire un signal de point de commande de températu- re pour commander la charge à laquelle est soumise l'évapo- rateur. 2.- Système de commande de capacité suivant la revendication I caractérisé en ce que le processeur (17) détermine la température du point de commande proportionnel- lement à la différence entre la température du point de réglage fixé sélectionné et une différence entre les tem- pératures du fluide de transfert calorifique à travers l'évaporateur. 3.Procédé pour produire un point de commande de la température d'un fluide réfrigéré sortant dans une ins- tallation frigorifique comportant un évaporateur dans lequel un frigorigène absorbe de la chaleur à partir du fluide réfrigéré passant à travers lui, caractérisé en ce qu'on produit un signal de point de réglage de la tempéra- ture correspondant à une température désirée du fluide ré- frigqré entrant, on produit un premier signal de tempéra- ture correspondant à la température effective du fluide réfrigéré entrant, on produit un second signal de tempéra- ture correspondant à la température effective du fluide réfrigéré sortant, et on produit un point de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante en fonction du signal de point de réglage et des premier et second signaux de température. 4.- Procédé suivant la revendication 3 caractérisé en ce que le point de commande de la température de l'eau réfrigérée sortante qui est produit, est proportionnel à la différence entre le signal du point de réglage de la tempé- rature et la différence entre les premier et second signaux de température. 5.- Procédé de commande, dans une installation frigorifique comportant un compresseur centrifuge, un évapo- rateur, un échangeur de chaleur à liquide dans l'évaporateur et un condenseur, du liquide entrant dans l'échangeur de chaleur à une température d'un point de réglage prédétermi- né caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à détecter la température du liquide entrant dans l'échangeur de chaleur,à détecter la température du liquide sortant de l'échangeur de chaleur, à produire un signal de température de point de commande pour le liquide sortant de l'échangeur de chaleur qui est une fonction de la température du point de réglage prédéterminé et des températures du liquide à son entrée dans l'échangeur de chaleur et à sa sortie, et à faire varier la capacité de l'échangeur de chaleur à liquide en réponse à l'écart entre la température du liquide sortant de l'échangeur de chaleur et la température du point de commande produit. 6.- Procédé de commande du liquide entrant dans l'échangeur de chaleur à une température d'un point de ré- glage prédéterminé, suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape de production d'un signal de température de point de commande comprend l'étape de production de ce signal de température de point de commande proportionnelle- ment à la différence entre (a) la température de point de réglage prédéterminé du liquide entrant dans l'échangeur de chaleur et (b) la différence entre la température détectée du liquide entrant dans l'échangeur de chaleur et la tem- pdrature détectée du liquide sortant de l'échangeur de cha- leur.