Brevet FR2664027A1 — publié le 19920103

La capacité d'un système de compression à deux compresseurs ou à deux étages est fonction du rendement volumétrique Ve, de la variation d'enthalpie AH et du rendement de déplacement De Dans un système à deux compresseurs, l'écoulement s'effectue en série au travers d'un compresseur d'appoint (étage bas) et d'un compresseur d'étage haut La réduction de charge de cet agencement est typiquement effectuée en réglant le compresseur d'appoint Dans les systèmes de compresseur alternatif à deux étages, les cylindres sont répartis entre les deux étages, le premier étage comportant typiquement deux fois plus de cylindres que le second étage La réduction de charge de cet agencement peut être effectuée au moyen d'une dérivation des gaz ou au moyen d'une déconnexion de l'aspiration d'un ou de plusieurs cylindres du premier étage En fait, le premier étage peut être déchargé dans sa totalité de telle sorte que le second étage effectue tout le pompage et soit alimenté à la pression d'aspiration de compresseur Puisque la totalité de la décharge de premier étage peut être dérivée vers l'aspiration, cet agencement sert également à nier l'augmentation de capacité qui est associée à l'utilisation d'un économiseur Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 938 029, un moyen est utilisé dans un système de compression à deux étages de manière à commander à la fois la température de la décharge de second étage et à réduire la charge du compresseur La réduction de charge du compresseur s'effectue par l'intermédiaire de l'utilisation d'une dérivation qui dirige la décharge de premier étage du compresseur en retour vers l'aspiration Lorsque le conduit de dérivation est complètement ouvert, l'entrée de second étage fonction- ne à la pression d'aspiration du système et le déplace- ment de second étage doit maintenant manipuler seul la vapeur générée à la fois par l'évaporateur du système et par l'économiseur Ceci réduit efficacement la vapeur générée par l'évaporateur du système à une fraction de sa valeur de charge totale, ce qui permet d'obtenir ainsi une décharge très efficace. Un système à deux compresseurs constitué par un compresseur d'appoint et par un compresseur d'étage haut en série est initialement réduit en charge par dérivation du compresseur d'appoint en retour à l'aspiration Lorsque la vanne de dérivation de modula- tion est complètement ouverte, le compresseur d'étage haut fonctionne essentiellement à la pression d'aspira- tion du système Si le compresseur d'étage haut peut satisfaire les besoins du système, le fonctionnement continu de la pompe d'appoint n'a aucune utilité Suite à un fonctionnement satisfaisant avec la pompe d'appoint complètement réduite du point de vue de sa charge pendant une durée appropriée telle que minutes, la pompe d'appoint est arrêtée La vanne de modulation qui a été complètement ouverte est maintenue ainsi et il y a une inversion de l'écoulement au travers d'elle puisque la ligne de dérivation devient maintenant la ligne d'alimentation de l'étage haut. Fondamentalement, l'économiseur est connecté à la ligne de fluide qui relie le compresseur d'appoint et le compresseur d'étage haut, en un point situé à l'aval de la ligne de dérivation pour réduire la charge la compresseur d'appoint L'écoulement de l'économiseur est aussi prévu afin de commander la température de décharge du compresseur d'étage haut et en outre, il interagit avec la dérivation du compresseur d'appoint de telle sorte que tout l'écoulement qui est acheminé à l'étage haut soit essentiellement à la pression d'aspiration du système lorsque le conduit de dérivation est complètement ouvert Si le conduit de dérivation est complètement ouvert pendant une durée suffisante, le compresseur d'appoint est déconnecté et le conduit de dérivation devient la ligne d'aspiration du compresseur d'étage haut. Pour un meilleure compréhension de la présente invention, référence sera maintenant faite à la description détaillée qui suit que l'on lira en relation avec les dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un système de réfrigération qui utilise la présente invention; et la figure 2 est un graphique qui représente la relation entre la capacité et la pression inter-étage. Sur la figure 1, un index de référence 10 indique de façon générale un système de réfrigération qui utilise la présente invention Le système de réfrigération 10 comprend un compresseur d'appoint 20 qui est entraîné par un moteur 20 a et un compresseur d'étage haut 120 qui est entraîné par un moteur 120 a, le compresseur d'appoint 20 étant représenté en tant que compresseur alternatif qui comprend quatre cylindres et le compresseur d'étage haut 120 étant représenté en tant que compresseur alternatif qui comprend deux cylindres Le système de réfrigération 10 comporte un circuit de fluide qui inclut en série le compresseur d'appoint 20, le compresseur d'étage haut , un condenseur 30, une soupape de détente thermique et un évaporateur 50 Une ligne 60 contient une vanne de modulation 62 et est connectée entre les côtés d'aspiration et de décharge du compresseur d'appoint 20 La vanne 62 est activée par l'intermédiaire d'un solénoïde 62 a au moyen d'un microprocesseur 63 qui est connecté à un capteur de température 162 qui est situé dans la zone en cours de refroidissement, à des capteurs de pression 164 et 165 qui sont respectivement localisés en amont et en aval de la vanne 62 (lorsque le compresseur 20 est arrêté), à un capteur d'écoulement 168 qui est localisé en aval de l'évaporateur 50 et en amont d'une ligne de dérivation et des moteurs 20 a et 120 a. Une ligne d'économiseur 70 s'étend entre un point intermédiaire situé entre le condenseur 30 et la soupape de détente 40 et un point intermédiaire situé entre le compresseur d'appoint 20 et le compresseur d'étage haut 120 mais en aval de l'intersection avec la ligne 60 Une vanne 72 est localisée dans la ligne d'économiseur 70 et elle est actionnée par l'intermédiaire d'un solénoïde 72 a qui est sensible à un capteur de température 172 localisé au niveau de la sortie du compresseur d'étage haut 120 La soupape de détente 40 est actionnée au travers d'un solénoïde 40 a qui est sensible à un capteur de température 140 localisé au niveau de la sortie de l'évaporateur 50. Lors d'un fonctionnement à pleine charge, la vanne 62 est fermée et la totalité de la sortie du compresseur d'appoint 20 est acheminée au compresseur d'étage haut 120 La sortie de gaz réfrigérant chaud haute pression qui provient du compresseur d'étage haut est acheminée jusqu'au condenseur 30 o le gaz réfrigérant se condense en un liquide qui est acheminé jusqu'à la soupape de détente thermique 40 La soupape de détente thermique 40 est sensible de manière coinmardée à la température de sortie de l'évaporateur telle que captée par le capteur de température 140 et elle provoque une chute de pression ainsi qu'un flash partiel du réfrigérant liquide qui traverse la soupape 40 Le réfrigérant liquide qui est acheminé jusqu'à l'évaporateur 50 s'évapore et le réfrigérant gazeux est acheminé jusqu'au compresseur d'appoint 20 pour terminer le cycle La vanne 72 est sensible de manière commandée à la température de sortie du compresseur d'étage haut 120 telle que captée par le capteur de température 172 et elle commande l'écoulement du réfrigérant liquide au travers de la ligne 70 afin de maintenir la température de sortie souhaitée pour le compresseur d'étage haut 120 Le réfrigérant liquide est détendu jusqu'à la pression inter-étage lors de son passage au travers de la vanne 72 et lors de sa détente, il provoque le refroidis- sement du réfrigérant liquide qui s'écoule jusqu'à l'évaporateur 50 avec en outre un autre effet de refroidissement au niveau du compresseur d'étage haut 120. Lorsque les besoins de charge captés par le capteur 162 chutent, la vanne 62 est ouverte de manière proportionnelle par le microprocesseur 63 afin de permettre une dérivation de la sortie du compresseur d'appoint 20 via la ligne 60 en retour au côté d'aspiration En situation extrême, la vanne 62 sera complètement ouverte, ce qui permettra de supprimer complètement la charge du compresseur d'appoint 20 et de placer les côtés d'aspiration et de décharge du compresseur d'appoint 20 essentiellement à la même pression qui est également la pression qui règne dans l'évaporateur 50 Au fur et à mesure que davantage de sortie du compresseur d'appoint 20 est dérivée, le flux massique acheminé au compresseur d'étage haut 120 diminue Du fait que le compresseur d'étage haut 120 travaille toujours lorsque le système de réfrigération fonctionne, le compresseur d'étage haut 120 achemine du réfrigérant au niveau du côté d'aspiration en permanence Ainsi, le compresseur d'étage haut 120 achemine toujours au moins une partie de la sortie du compresseur d'appoint en fonction 20, cette partie étant nécessaire pour maintenir une circulation dans l'évaporateur 50 et, en outre, le compresseur d'étage haut 120 achemine tout écoulement autorisé par la vanne 72 Il résulte de cela que l'écoulement de l'économi- seur au travers de la ligne 70 est toujours acheminé jusqu'au compresseur d'étage haut 120 au lieu d'être amené en dérivation au compresseur d'appoint 20 lorsque le compresseur d'appoint 20 fonctionne Lorsque le compresseur d'appoint 20 est réduit en charge, la pression inter-étage et le flux massique au niveau du compresseur d'étage haut 120 diminuent mais le flux massique résultant qui est délivré au système 10 à partir du compresseur d'étage haut 120 chutera plus vite que la pression inter-étage du fait de la chute de rendement volumétrique dans l'étage haut. Si l'on se reporte maintenant à la figure 2, le point A représente les conditions pour pour lesquelles la vanne 62 est fermée de telle sorte qu'il n'y a aucune dérivation et que la pression inter-étage et la capacité du système 10 sont à leur maximum (par exemple ,77 kg/cm 2 et 12000 W) Le point B représente la condition de dérivation totale o la vanne 62 est complètement ouverte et la pression inter-étage est nominalement supérieure de 0,070 kg/cm 2 par rapport à la pression P 5 en amont du compresseur d'appoint 20 qui est la pression d'aspiration du compresseur d'appoint 20 lorsqu'il fonctionne La différence de 0, 070 kg/cm 2 est due à la chute de pression au travers de la vanne 62 La capacité du système 10 au point B est à son minimum (par exemple 1,27 kg/cm 2 et 1750 W) Plus spécifiquement, le point A représente les conditions d'un jour chaud o le rendement volumétrique Ve est élevé du fait qu'à pleine charge les deux compresseurs sont utilisés et par conséquent, le taux de compression pour chaque compresseur est faible, la variation d'enthalpie AH est élevée du fait de l'utilisation d'un économiseur et l'écoulement de l'économiseur arrive au point de pression intermédiaire capté et le rendement de déplacement De est élevé du fait que tous (quatre) les cylindres de compresseur d'appoint pompent activement la vapeur générée seulement par l'évapora- teur 50 Le point 8 représente les conditions d'un jour froid o Ve est faible du fait du taux de compression élevé qui règne dans les deux cylindres d'étage élevé, AH est plus élevé du fait que l'écoulement de l'économiseur est en cours de réduction de charge jusqu'à une pression plus basse et De est très faible car seulement les deux cylindres d'étage élevé pompent maintenant l'écoulement généré par l'évaporateur ainsi que l'écoulement généré par l'économiseur Il résulte de cela que le taux de détente peut être d'environ 7 à 1. Lorsque le système 10 fonctionne au point B de la figure 2, le compresseur d'appoint 20 n'a pas de fonction utile mais il assure une certaine puissance d'entraînement et il réduit la densité du réfrigérant du fait de son effet de chauffage inhérent sur le réfrigérant Par conséquent, sous certaines conditions, il peut être souhaitable de mettre hors fonction le compresseur d'appoint 20 Dans les conditions dans lesquelles le moteur 20 a et par conséquent le compresseur d'appoint 20 seraient mis hors fonction et dans lesquelles le compresseur d'étage haut 120 fonctionnerait, la vanne 62 serait complètement ouverte Ainsi, si le compresseur d'appoint 20 était mis hors fonction, la ligne 60 constituerait une dérivation pour le compresseur d'appoint 20 bien qu'il y ait une inversion de la direction de l'écoulement dans la ligne 60 ainsi qu'une inversion de la chute de pression au travers de la vanne 62 Ainsi, dans des conditions de fonctionnement dans lesquelles seulement le compresseur d'étage haut 120 travaille activement, le compresseur d'appoint 20 peut être mis hors fonction par le microprocesseur 63 Il résulte de la mise hors fonction du compresseur d'appoint 20 que la performance du système sera représentée par un point C et il y aura une légère augmentation de la capacité, ce qui réduira toute tendance au cyclage L'appoint en capacité est dû à la densité accrue du réfrigérant puisqu'il n'est pas davantage chauffé par le compresseur d'appoint 20 et cet effet est supérieur à la diminution en capacité qui est due à la réduction de pression du réfrigérant qui est acheminé jusqu'au compresseur d'étage haut 120 en tant que résultat de la chute de pression au travers de la vanne 62 Spécifiquement, la pression au point C représente la pression qui résulte de la chute à partir de PB lors du passage au travers de la vanne 62 lorsque le compresseur d'appoint 20 est mis hors fonction et est la pression au moment de l'aspiration du compresseur d'étage haut 120 Une autre réduction de capacité à partir du point C s'effectuerait le long de la courbe C-D et serait obtenue par l'intermédiaire d'une régulation de la pression de l'évaporateur en réduisant la charge du compresseur d'étage élevé 120, en faisant cycler le compresseur d'étage haut 120, etc, comme nécessaire pour équilibrer la charge Si le compresseur d'étage haut 120 est constitué par plusieurs compresseurs, un ou plusieurs compresseurs peuvent être mis hors fonction pour obtenir la charge souhaitée. Un certain nombre de conditions prises individuellement ou en combinaison peuvent déclencher la mise hors fonction du compresseur d'appoint 20 Tout d'abord, si la vanne 62 est maintenue complètement ouverte pendant une durée appropriée telle que 15 minutes, le compresseur d'étage haut 120 fait preuve d'une capacité suffisante et si le compresseur d'appoint 20 peut être mis hors fonction, le compres- seur d'étage haut 120 fera circuler le réfrigérant depuis l'évaporateur 50 au travers de la ligne 60 et au travers de la vanne complètement ouverte 62 En second lieu, si seulement une différence de pression nominale, par exemple 0,070 kg/cm 2 est captée entre les capteurs de pression 164 et 165 pendant une durée appropriée, le compresseur d'appoint 20 a sa charge complètement réduite et il peut être mis hors fonction par le microprocesseur 63 et le compresseur d'étage haut 120 sera alimenté à partir de l'évaporateur 50 via la ligne En troisième lieu, si l'écoulement au travers de l'évaporateur 50 capté par le capteur d'écoulement 165 reste à un niveau prédéterminé ou au-dessous pendant une durée appropriée, le compresseur d'appoint 20 peut être mis hors fonction par le microprocesseur 63 et le compresseur d'étage haut 120 sera alimenté à partir de l'évaporateur 50 via la ligne 60 Lorsque seulement le compresseur d'étage haut 120 fonctionne et peut répondre à la demande captée par le capteur de température 162, le microprocesseur 63 force le moteur a à démarrer et à entraîner le compresseur d'appoint La vanne 62 sera initialement complètement ouverte et le démarrage du compresseur d'appoint 20 provoquera une inversion de l'écoulement dans la ligne 60 de manière à réduire la charge plutôt qu'à dériver le compresseur d'appoint 20 La légère augmentation de capacité décrite ci- avant sera perdue et ceci couplé à la demande augmentée captée par le capteur 162 conduira à ce que la vanne 62 soit modulée sous la commande du microprocesseur 63 afin de s'adapter à la charge. Bien que la présente invention ait été spécifi- quement décrite en terme de compresseur alternatif, elle peut également s'appliquer à tout agencement de compression à deux étages Par ailleurs, bien que l'écoulement de l'économiseur soit acheminé en aval de l'écoulement de dérivation, il pourrait être acheminé en amont de l'écoulement de dérivation si des effets de refroidissement étaient souhaités En outre, la vanne 62 peut être sensible de manière commandée à d'autres conditions ou peut être ignorée comme lors du démarrage D'autres modifications apparaîtront à l'évidence à l'homme de l'art Il est par conséquent entendu que le cadre de la présente invention n'est pas limité par le mode de réalisation décrit. il REVENDICATIONS 1 Système de réduction de charge pour un système de réfrigération, caractérisé en ce qu'il comporte: une première boucle de fluide fermée qui comprend en série un moyen de compresseur de premier étage ( 20), un moyen de compresseur de second étage ( 120), un moyen de condenseur ( 30), un moyen de détente ( 40) et un moyen d'évaporateur ( 50); une seconde boucle de fluide ( 60) qui définit un moyen de dérivation et qui est reliée du point de vue de la circulation du fluide à ladite première boucle entre une première extrémité située en un point intermédiaire desdits premier et second étages et une seconde extrémité située en un point intermédiaire entre ledit moyen d'évaporateur et ledit premier étage, un premier moyen de vanne ( 62) localisé dans ladite seconde boucle pour décharger ledit premier étage avec retour à ladite seconde extrémité de ladite seconde boucle lorsque ledit premier moyen de vanne est ouvert et lorsque ledit moyen de compresseur de premier étage fonctionne et pour dériver ledit premier étage depuis ladite seconde extrémité jusqu'à ladite première extrémité de ladite seconde boucle de fluide lorsque ledit premier moyen de vanne est ouvert et lorsque ledit moyen de compresseur de premier étage est mis hors fonctionnement; et une troisième boucle de fluide ( 70) définissant un moyen d'économiseur et étant reliée du point de vue de la circulation du fluide à ladite première boucle entre une première extrémité localisée en un point intermédiaire entre ledit moyen de condenseur ( 30) et ledit moyen de dilatation ( 40) et une seconde extrémité localisée en un point intermédiaire entre lesdits premier et second étages; un second moyen de vanne ( 72) étant placé dans ladite troisième boucle pour constituer un écoulement de l'économiseur; et de ce fait, lorsque ledit premier moyen de vanne est complètement ouvert, ledit second étage seul doit transporter la vapeur de réfrigérant générée à la fois par ledit moyen d'évaporateur et par ledit moyen d'économiseur pour ainsi réduire la charge dudit système de réfrigération. 2 Système de réduction de charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première extrémité de ladite seconde boucle est en amont de ladite seconde extrémité de ladite troisième boucle. 3 Système de réduction de charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier moyen de vanne est sensible de manière commandée à la température dans une zone. 4 Système de réduction de charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second moyen de vanne est sensible de manière commandée à la température du réfrigérant qui est déchargé dudit moyen de compresseur. 5 Système de réduction de charge selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier moyen de vanne est commandé par un moyen de microprocesseur. 6 Système de réduction de charge selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen de microprocesseur démarre et arrête ledit moyen de compresseur de premier étage, ce moyen de microprocesseur étant sensible à la réduction de charge dudit premier moyen de compresseur d'étage.