Brevet FR2593897A1 — publié le 19870807

La"présente invention concerne des procédés et sys- tèmes de commande du fonctionnement d'installations fri- gorifiques et plus particulièrement des procédés et systèmes de commande du fonctionnement d'organes de réglage de capa- cité, tels que des aubes directrices d'entrée d'un compres- seur, dans des installations frigorifiques à compression de vapeur par centrifugation de telle façon que la température de l'eau réfrigérée sortant du refroidisseur soit automati- quement élevée lorsque la charge ou demande de froid dimi- nue. Généralement les installations frigorifiques com- portent un évaporateur, un refroidisseur, un compresseur et un condenseur. Habituellement un fluide de transfert calori- fique est mis en circulation à travers un tube dans l'évapo- rateur qui forme un serpentin de transfert calorifique pour transférer de la chaleur à partir du fluide de transfert calorifique, à travers le tube, en direction du-frigorigbne dans l'évaporateur. Le fluide de transfert calorifique, réfrigéré dans le tube se trouvant dans l'évaporateur, est normalement de l'eau ou du glycol qui est mis en circulation en direction d'un emplacement éloigné, afin de satisfaire une demande de froid. Le frigorigène dans l'évaporateur s'évapore tandis qu'il absorbe de la chaleur à partir de l'eau s'écoulant à travers le tube dans l'évaporateur et le compresseur fonctionne de manière à extraire cette vapeur de frigorigène à partir de l'évaporateur, à comprimer cette vapeur de frigorigène et à refouler la vapeur comprimée vers le condenseur. Dans ce condenseur la vapeur de frigorigène est condensée et elle est ramende à l'évaporateur o le cycle frigorifique recommence. Pour rendre maximal le rendement de l'opération, il est désirable d'adapter la quantité de travail fournie par le compresseur au travail exigé pour satisfaire la demande de froid à laquelle est soumise l'installation frigorifique. Habituellement ceci est réalisé par un dispositif de com- mande de capacité qui ajuste la quantité de vapeur de fri- gorigène s'écoulant à travers le compresseur. Le dispositif de commande de capacité peut être constitué par des aubes directrices qui sont disposées entre le compresseur et l'é- vaporateur et qui peuvent se déplacer entre une position totalement ouverte et une position totalement fermée en réponse à la température de l'eau réfrigérée sortant du serpentin d'eau réfrigérée dans l'évaporateur. Lorsque la température de l'eau réfrigérée dans l'évaporateur baisse, ce qui indique une réduction de la demande de froid à laquelle est soumise l'installation frigorifique, les aubes directrices se déplacent en direction de leur position de fermeture totale, ce qui entraîne une réduction de la quan- tité de vapeur de frigorigène s'écoulant h travers le compresseur. Ceci diminue la quantité de travail qui doit être fournie par le compresseur, ce qui entraîne une réduc- tion de la quantité d'énergie nécessaire pour faire fonc- tionner l'installation frigorifique. En même temps ceci a pour effet d'accroître la température de l'eau réfrigérée sortant de l'évaporateur. Au contraire, lorsque la tempéra- ture de l'eau réfrigérée quittant l'évaporateur s'élève, ce qui indique un accroissement de la demande de froid à la- quelle est soumise l'installation frigorifique, les aubes directrices se déplacent en direction de leur position d'ou- verture totaie. Ceci augmente la quantité de vapeur s'écou- lant à travers le compresseur et ce compresseur travaille davantage, ce qui entraîne par conséquent une diminution de la température de l'eau réfrigérée sortant de l'évaporateur 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 de l'eau réfrigérée quittant l'évaporateur à une température de point de réglage ou à l'intérieur d'une certaine gamme de telles températures. Le point de réglage de la température de l'eau réfrigérée sortante peut être ajusté couramment sur le pupitre de l'opérateur et une fois ce réglage effectué, la température de l'eau réfrigérée quittant l'évaporateur est maintenue au point de réglage sélectionné, et ce quelle que soit la demande de froid à laquelle est soumise la machine. fn connaît plusieurs s$stèmes 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, à savoir un modèle de commande de refroi- disseur électronique CP-8142-024 fabriqué par la Société Rarber-Colman Company de Rockford, Illinois permet d'ajus- _er un dispositif de commande de capacité dans une instal- lation Frigorifique en fonction de l'écart de la température de l'eau réfrigérée quittant l'évaporateur par rapport à une température d'un point de réglage désiré. Lorsque la tempé- rature de l'eau réfrigérée sortante s'écarte de la tempé- rature du point de régqlage sélectionné d'une grandeur prédé- terminée, le dispositif de commande de capacité est ajusté continuellement par un actionneur qui est excité continue].- lement par un train d'impulsions électriques fournies à l'actionneur. La grandeur prédéterminée de l'écart de tempé- rature avant que l'actionneur ne soit continuellement exci- té, fournit une bande "morte" de température dans laquelle le dispositif de commande de capacité n'est pas réglé. La fréquence des impulsions du train d'impulsions électriques fournies à l'actionneur détermine la vitesse de réglage globale du dispositif de commande de capacité. Cette fré- quence d'impulsions peut être établie à une valeur mini- male, moyenne ou maximale, en fournissant ainsi une possi- bilité limitée d'adaptation du fonctionnement du système de commande de capacité, afin de satisfaire à des exigences de fonctionnement particulières d'une application particu- lière de l'installation frigorifique. Cependant, comme cela est le cas avec la plupart des systèmes de commande de ca- pacité, une fois que le point de réglage de la température de 1'eau réfrigérée sortante a été sélectionné, la tempéra- ture de cette eau réfrigérée est maintenue à la tempéra- ture du point de réglage sélectionné quant la charge ou demande de froid varie à partir d'une charge ou demande nulle Jusqu'à une charge ou demande totale, tandis que la température de l'eau réfrigérée entrante s'écarte de la température de l'eau réfrig r6e sortante d'utne façon linéai- re à partir de zéro lAT, poutr une charge ou demande null] e, jusqu'à une valeur prévue T à pleine charge ou demande. Cependant le mode de fonctionement d'un système de commande de capacité avec un point de réglage fixe pour l'eau réfrigérée sortante n'est pas très efficace du point de vue consommation d'énergie, aux faibles charges, parce que l'installation frigorifique maintient encore une tempé- rature de l'eau réfrigérée sortante qui est inférieure à celle qui est effectivement nécessaire pour assurer le confort dans le volume qui est refroidi. l existe ainsi un besoin de développement de techniques de commande de capa- cité pour des refroidisseurs qui permettent de réduire la consommation d'énergie aux faibles charges, en élevant la température de l'eau réfrigérée sortant du refroidisseur lorsque la demande de froid diminue. Par conséquent un but de la présente invention est de fournir un système à micro-ordinateur simple, à bon rendement et efficace pour commander la capacité d'une ins- tallation frigorifique. Un autre but de la présente invention est de four- nir un système à micro-ordinateur aisément programmable pour commander le point de réglage de l'eau réfrigérée sortant du refroidisseur, directement en réponse à des variations de la demande de froid. Ces buts ainsi que d'autres buts de la présente invention sont atteints u -,o.yen d'un système de commande de capacité pour une installation frigorifique comprenant un dispositif de commande de capacité pour commander l'écoulement d'un frigorigène dans l'installation frigori- fique, un micro-ordinateur pour réajuster le point de ré- glage de la température de l'eau réfrigérée sortante en fonction de paramètres sélectionnés, et des moyens pour produire des premier et second signaux représentant respec- tivement une température détectée du fluide de transfert calorifique entrant dans le refroidisseur et une tempéra- ture détectée du fluide de transfert calorifique sortant du refroidisseur. Ces premier et second signaux sont app]i- qués au micro-ordinateur qui détermine le programme de réajustement du point de réglage de la température de l'eau réfrigérée sortante en fonction de deux paires de données programmées par l'opérateur du système dans le micro-ordina- teur. Chaque paire de données consiste en une différence de température et en une valeur désirée de réajustement pour cette différence de température. Ainsi le point de réglage de la température de l'eau réfrigérée sortante peut varier avec la charge ou demande de froid, soit à partir d'une charge minimale jusqu'è une charge maximale soit entre deux valeurs quelconques de charges intermédiaires. Le disposi- tif de commande de capacité est ajusté de manière à comman- der l'écoulement du frigorigène dans l'installation frigo- rifique en réponse au signal de commande fourni par le mi- cro-ordinateur. En sélectionnant différente paires de don- nées on peut adapter aisément, efficacement et effectivement le fonctionnement du dispositif de commande de capacité de manière qu'il satisfasse à des exigences opérationnelles particulibres d'une application particulière pour l'ins- tallation frigorifique, en établissant un programme de réa- justement pour le point de réglage de la température. de l'eau réfrigérée sortante, programme qui est basé sur la charge. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schma--synptique_ d'une instal- lation frigorifique à compression de vapeur par centrifuga- tion qui est pourvue d'un système de commande permettant de faire varier la capacité de l'installation frigorifique suivant l'invention. La figure 2 est un diagramme illustrant la varia- tion de la température de l'eau réfrigérée en fonction de la charge. Si on se réfère à la figure 1, on voit que cette figure représente une installation frigorifique i 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 I 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 rela- 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, dans un conduit de frigorigène 9 menant à l'évaporateur 5. Le frigo- rigène 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 compres- seur 2 sous la commande d'aubes directrices d'entrée 12 du compresseur. Le friqorigène gazeux pénétrant dans le com- presseur 2 à travers les aubes directrices 12 est comprimé par le compresseur 2 et refoulé à partir de ce compresseur 2, à travers le conduit 7 de refoulement 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 ana]ogi- 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 10 se trouvant dans l'évaporateur 5, leurs résistances étant-surveillées par le convertisseur ana- loqique/numérique 19 comme il est représenté sur la figure 1. Naturellement, comme le comprendront bien les spécialis- tes de la technique à laquelle se rattache la présente in- vention, 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 tempdrature 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 de processeur 17 peut être un dispositif queleor.que 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 pré-pro- 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 qutie, bien que le convertisseur analogique/numérique 19 soit représenté comme étant un module séparé sur la figure 1, ce convert i sseur analoqique!nu; -rque 19 pe:t faire phy- siquement partie de la carte de processeur 17 dans un sys- tème 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'entrer les paires de don- nées pour établir un programme de réajustement pour l'eau réfrigérée sortant de 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. à Auburn New-York, qui est utilisé en tant qu'élément de commutation pour commander une alimentation électrique (non représentée), à travers des lignes électriques 21, de l'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 à 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- qnaux de commande de sortie provenant de la carte de proces- seur 17. L'actionneur 14 des aubes directrices peut être n'importe quel dispositif approprié pour entraîner les aubes directrices 12 en direction de leur position ouverte ou fermée, en réponse à des signaux d'alimentation électriques reçus par l'intermédiaire des lignes électriques 21. Par exemple l'actionneur 14 des aubes directrices peut être un moteur éleetrique, 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 h triae, sur la carte d'interface du système 16, qui est excité en réponse aux signaux de commande reçus par les interrupteurs h triac h partir de la carte de procasseur 17. L'aetionneur 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 base sélectionné durant lequel l'interrupteur à triae 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 en tirets A qui donne la température de l'eau réfrigérée sortante que l'on obtient avec un système de commande connu antérieure- ment sans réajustement. Cette figure montre également une courbe B en pente, en trait plein, qui représente le point de réglage de la température de l'eau réfrigérée sortante obtenu suivant l'invention avec un réajustement. Ces points de réglage sont arbitraires. La valeur du réajustement qui doit être appliquée, est calculée par le microordinateur après que deux paires de données ont été introduites par l'opérateur dans la carte de point de réglage et d'afficha- ge, au moyen du clavier. Du fait que le microprocesseur ajuste automatiquement le point de réglage de la tempéra- ture de l'eau réfrigérée sortante en fonction de la char- ge, l'opérateur peut réduire la consommation d'énergie pen- dant certaines conditions de charge. La température de l'eau réfrigérée entrante correspondant à la courbe A sans réajustement, est représentée par la courbe C en pente, en tirets, tandis que la courbe D représente la température de l'eau réfrigérée entrante pendant n'importe quelle condi- tion de charge avec le réajustement désiré de la courbe B. En ordonnée est portée la température de l'eau réfrigérée entrant dans l'évaporateur et en sortant. En abscisse est portée la charge ou la demande de froid à laquelle est soumise l'installation frigorifique. En abscisse est éga- lement représenté un ensemble typique de valeurs L\T. la valeur de 5,60C, choisie pour la valeur A T de l'évapora- teur à pleine charge, est un choix arbitraire. Dans l'exemple donné sur la figure 2, la courbe A illustre ur point de réglage arbitraire pour la température de l'eau réfrigérée sortante tandis que la courbe B illus- tre la température correspondante de l'eau réfrigérée sor- tante avec la valeur désirée du réajustement appliqué. Ainsi dans cet exemple, en supposant une valeur choisie pourAT de ,60C pour une charge de 100%, l'opérateur désire que l'ins- tallation de réfrigération maintienne la température de l'eau réfrigérée sortante à 7,20C lorsque la charge est de 100% et à 100C lorsque la charge est de 0%. Ainsi l'opéra- teur doit introduire deux paires de données dans le micro- ordinateur, la première paire de données étant un réajuste- ment de 2,80C pourâT = OOC tandis que la seconde paire de données est un réajustement de Ooc pour4T = 5,6 C. Par con- séquent, avec les paires de données de cet exemple introdui- tes dans la carte de point de réglage et d'affichage 18, le microprocesseur calcule, lorsque la charge ou demande de froid varie, un nouveau point de réglage de la température de l'eau réfrigérée sortante afin d'assurer que le point de réglage de la température de l'eau réfrigérée sortante est la valeur correcte pour les conditions de charge exis- tantes. Si, par exemple, la charge diminue de 100% à 20%, avec les paires de données précitées introduites, le point il de réglage de la température de l'eau réfrigerée sortante augmente de 7,2oC à 9,4 C tandis que si ce réajustement du point de réglage n'existait pas, le point de réglage de la température de l'eau réfrigérée sortante serait resté 7,2 C. Ainsi la consommation d'énergie est réduite du fait que la température de l'eau réfrigérée sortant du refroi- disseur s'élève lorsque la demande de froid diminue. Un nombre quelconque de paires de données peuvent être entrées dans la carte de point de réglage et d'afficha- ge, suivant le point de réglage désiré. P rEVIEr: lT I iPNS 1.- Système de co",mande pour commander le réajuste- ment d'un point de réglage de la température d'un fluide réfrigéré sortant dans une installation frigorifique du type comportant un système à microprocesseur et un évapora- teur dans lequel un frigorigène 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 introduire au moins deux paires de données dans le microordinateur (17) et pour produire un signal corres- pondant à chacune des paires de données ainsi introduites, la premibre paire de données correspondante à la grandeur du réajustement à partir d'un point de réglage fixé de la température du fluide réfrigéré sortant, pour une première charge, tandis que la seconde paire de données correspond à la grandeur du réajustement à partir de ce point de réglage fixé de la température du fluide réfrigéré sortant pour une seconde charge, 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 com- mande qui est fonction de la température du fluide de transfert calorifique sortant de l'évaporateur (5), et un processeur (17) recevant un signal correspondant à chacune des paires de données introduites, 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 réglage pour le fluide de transfert calorifique sortant de l'évaporateur, pour la charge effective à laquelle est soumise l'installation frigorifique. 2.- Système de commande suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le processeur (17) détermine la température du point de réglage proportionnellement aux paires de données introduites et h la différence entre les tempdératures du fluide de transfert calorifique à l'en- trée dans l'évaporateur et à sa sortie. 3.- Procédé de réajustement d'un point de réglage de la température d'un liquide réfrigéré sortant d'une ins- tallation frigorifique, comportant un système à micro-ordi- nateur et un évaporateur dans lequel un frigorigène absorbe de la chaleur à partir du liquide réfrigéré passant à tra- vers lui, caractérisé en ce qu'on produit un premier signal de point de réglage correspondant à un premier point de donnée introduit dans le microprocesseur, on produit un second point de réglage correspondant à un second point de donnée introduit- dans le microprocesseur, on produit un premier signal de température correspondant à la température effective du liquide réfrigéré entrant, et on produit un signal de sortie proportionnellement à une relation prédé- terminée entre les premier et second signaux de point de réglage et les premier et second signaux de température. 4.- Procédé suivant la revendication 3 caractérisé en ce que le premier point de donnée introduit-correspond h une paire de données correspondant h la grandeur du réajus- tement à partir d'un point de réglage fixé de la températu- re du liquide réfrigéré sortant dans une première condition de charge et le second point de donnée introduit correspond à une paire de données correspondant h la grandeur du réa- justement à partir de ce point de réglage fixé de la tempé- rature du liquide réfrigéré sortant dans une seconde con- dition de charge. 5.- Procédé suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le signal de sortie est produit proportionnelle- ment à la somme du signal du point de réglage et de la dif- férence entre les premier et second signaux de température.