Brevet FR2674010A1 — publié le 19920918

Procédé pour enclencher le dégivrage d'un échangeur thermique La présente invention a pour objet un procédé pour enclencher le dégivrage d'un échangeur thermique et notamment, quoique non exclusivement, d'échangeurs thermiques tels que des échangeurs à air et/ou des évaporateurs à détente directe qui fonctionnent avec tout type de fluide caloporteur tel que par exemple de l'eau glycolée. Ce procédé concerne le déclenchement du dégivrage d'un échangeur utilisé d'une part dans une chambre à l'intérieur de laquelle règne une ambiance négative (c'est-à-dire une température comprise entre -18 C et -25 C) et d'autre part dans une chambre à l'intérieur de laquelle règne une ambiance positive (c'est-à-dire une température supérieure à +4"C). C'est ainsi qu'il est connu de procéder au dégivrage, dans le cas de chambres dites à "ambiance négative", soit par une augmentation de la température par des résistances électriques ou par l'introduction d'un fluide caloporteur chaud tel qu'un gaz sous pression, soit par une inversion du cycle thermique, et dans le cas de chambres dites à "ambiance positive", par un simple arrêt momentané de la circulation du fluide réfrigérant. Or, pour permettre un dégivrage optimal, il est nécessaire de déterminer le moment exact de son déclenchement ainsi que de son arrêt. Actuellement pour réaliser cette commande, il est connu de commander et de contrôler à des intervalles réguliers et prédéterminés, par des moyens électromécaniques ou électroniques tels que par exemple une horloge, le déclenchement du commencement du dégivrage ainsi que de sa fin à partir des informations telles que la mesure de la température fournies par un ou des capteurs et transmises au relais de commande du dégivrage ou au système de dégivrage lorsque la température de l'échangeur atteint une valeur déterminée plus ou moins importante. On conçoit aisément que ces dispositifs à horloge ne permettent pas d'obtenir un dégivrage optimal et notamment qu'ils ne peuvent pas déterminer avec exactitude le moment où il est nécessaire de déclencher ce dégivrage. De plus, ces dispositifs à horloge nécessitent un pré-réglage qui tient compte des observations faites sur les conditions réelles maximales d'utilisation. Ce pré-réglage, d'une part limite considérablement les plages d'utilisation, notamment en cas de variations importantes des conditions d'utilisation non prévues au moment du réglage, et d'autre part nécessite une maintenance complexe entraînant une vérification périodique du réglage. I1 est connu pour remédier à ces inconvénients d'avoir recours à des systèmes qui fonctionnent à partir de la mesure de variables qui évoluent en même temps que s'effectue le givrage. C'est ainsi que, certains d'entre eux utilisent la mesure de l'épaisseur de la couche de givre par des rayons infrarouges ou bien les variations des paramètres électriques et/ou thermiques en un point de l'échangeur. Toutefois, de tels systèmes ne fonctionnent qu'à partir de certaines données ponctuelles, ce qui ne permet qu'une connaissance partielle de l'état de givrage de l'échangeur. D'autres systèmes utilisent une méthode d'extrapolation dans laquelle le temps de givrage est fonction du temps de dégivrage précédent. Or, de tels systèmes ne permettent pas de contrôler efficacement le dégivrage dans le cas de variations importantes des conditions de givrage telles que celles fréquemment rencontrées dans les chambres froides. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un procédé pour enclencher le dégivrage d'un échangeur thermique quel que soit le fluide caloporteur utilisé, et qu'il y ait changement de phase ou non au cours de l'échange, en permettant de déterminer le moment où il est opportun de déclencher le dégivrage. A cet effet, le procédé selon l'invention pour enclencher le dégivrage d'un échangeur thermique consiste - à capter par des moyens électroniques et au moyen de sondes ou capteurs l'écart de température entre la température du fluide réfrigérant et la température du fluide à la sortie de l'échangeur, à des intervalles de temps réguliers - à filtrer par des moyens de traitement les informations captées - à traiter par des moyens de traitement la valeur des informations filtrées sur l'écart de température entre le fluide réfrigérant et la température du fluide à la sortie de l'échangeur d'une part par son incorporation dans une moyenne variable d'un nombre déterminé de valeurs de référence lorsque l'écart entre cette valeur et celle de la moyenne variable est inférieur à une valeur de référence fixée qui correspond à n fois l'écart-type des valeurs de référence et d'autre part par sa comparaison avec la valeur correspondante acquise lors d'une mesure n' fois plus tôt, le seuil de dégivrage étant atteint lorsque l'écart entre la valeur moyenne de la mesure et celle de la valeur correspondante acquise lors d'une mesure réalisée n' fois plus tôt dépasse une valeur déterminée fixe ou une valeur relative correspondant à N fois la valeur de référence moyenne de l'écart de température. Ce procédé permet de déterminer le moment optimal du déclenchement du dégivrage par la détection du seuil correspondant à une augmentation de la différence de température entre celle du fluide réfrigérant et celle de la température du fluide à la sortie de l'échangeur. Cette augmentation qui est lente au début de la phase de givrage croît ensuite rapidement, et sa détection permet de contrôler le déclenchement du dégivrage. Notamment, le procédé selon l'invention permet la détermination fiable de ce seuil quelles que soient la nature, la géométrie et les dimensions de l'échangeur et aussi quelles que soient les conditions de température et/ou d'hygrométrie de son fonctionnement. De plus, ce procédé assure globalement la mesure de l'état de givrage ainsi que de la perte d'efficacité thermique de l'échangeur, et il est facile à mettre en oeuvre sans réglage préalable, quelles que soient les conditions de son utilisation. Avantageusement, le déclenchement du dégivrage est réalisé dans le cas d'une élévation rapide de la différence de température entre la température du fluide réfrigérant et la température du fluide à la sortie de l'échangeur en fonction du temps, c'est-à-dire correspondant à un fonctionnement de l'échangeur sous un taux d'hygrométrie élevé, lorsque le seuil est atteint un nombre N" fois déterminé successivement sans interruption. Selon une caractéristique intéressante de l'invention, le déclenchement du dégivrage est réalisé dans le cas d'une élévation lente de la différence de température entre la température du fluide réfrigérant et la température du fluide à la sortie de l'échangeur en fonction du temps, c'est-à-dire correspondant à un fonctionnement de l'échangeur sous un taux d'hygrométrie bas, lorsque le seuil est atteint une fois après un nombre M successif déterminé de valeurs inférieures à celles du seuil correspondant. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé illustrant à titre d'exemple non limitatif ce procédé pour enclencher le dégivrage d'un échangeur thermique. Figure 1 indique des courbes représentant respectivement l'évolution temporelle de l'écart de la différence de température entre la température du fluide caloporteur et la température du fluide à la sortie de l'échangeur dans le cas d'une cinétique de givrage sous une ambiance à hygrométrie faible (courbe C), dans le cas d'une cinétique de givrage sous une ambiance à hygrométrie élevée (courbe A), et enfin dans le cas d'une cinétique de givrage sous une ambiance à hygrométrie normale (courbe B) Figure 2 est un organigramme illustrant l'algorithme correspondant au filtrage du signal de mesure de l'écart de température Figure 3 représente respectivement la forme des signaux (D,E,F) de commande d'enclenchement du givrage dans les trois états représentés par les courbes A,B,C de figure 1 Figure 4 est un organigramme illustrant l'algorithme d'enclenchement du dégivrage. Le procédé ici décrit pour enclencher le dégivrage d'un échangeur thermique et notamment d'un échangeur à air ou un évaporateur à détente directe fonctionnant avec différents types de fluide caloporteur est destiné à être utilisé par exemple dans des chambres froides ou dans des installations thermiques comportant des pompes à chaleur. Le fluide peut être de différentes natures et subir ou non un changement de phase au cours de l'échange thermique. Ce procédé consiste tout d'abord à mesurer, par des moyens électroniques tels que des capteurs ou des sondes d'un type connu l'écart de température entre la température du fluide caloporteur et la température de fluide à la sortie de l'échangeur. Le signal indiquant l'écart de température entre la température du fluide caloporteur et la température du fluide à la sortie de l'échangeur est un paramètre qui évolue rapidement et qui notamment varie brusquement au moment correspondant à celui du dégivrage optimal. Ces variations sont tributaires de nombreuses perturbations telles que par exemple - les arrêts du compresseur lorsque la consigne de température dans la chambre froide est atteinte - les variations de la température du fréon provoquées par les détendeurs thermostatiques. De ce fait il est nécessaire que ce signal numérique avant son traitement par des moyens de traitement du type microprocesseur soit filtré. Le traitement de filtrage du signal, éliminant toute variation parasite non désirée de celui-ci, est réalisé par un microprocesseur. Ce traitement de filtrage consiste à calculer une moyenne mobile de 50 points par exemple mesurés à la fréquence d'une valeur toutes les 20 secondes. A chaque pas de temps, l'algorithme effectue l'acquisition d'une valeur différente de l'écart de température entre la température du fluide caloporteur et la température du fluide à la sortie de l'échangeur. Cet écart de température, encore appelé "valeur de pincement" est comparé à la moyenne calculée des 50 derniers points stockés. Si le nouveau point est compris dans un intervalle dont les bornes sont respectivement la valeur moyenne diminuée de trois fois l'écart-type et la valeur moyenne augmentée de trois fois l'écart-type, il est stocké dans un fichier. Sa valeur est alors placée en mémoire sur la pile, alors que la valeur la plus ancienne est rejetée.Une nouvelle moyenne et un nouvel écart-type qui prend en compte cette nouvelle valeur sont alors calculés pour permettre le filtrage des mesures suivantes. Si la valeur de pincement, au contraire, n'est pas comprise dans cet intervalle, elle est rejetée et la moyenne et le filtrage conservés pour le filtrage et l'acquisition éventuels de mesures suivantes. Cet algorithme, et notamment le facteur multiplicatif de trois fois l'écart-type permet d'obtenir un filtrage correct des perturbations de ce signal. De plus, lors de l'arrêt de la production de froid, aucune valeur n'est acquise pour éviter toute perburbation des valeurs précédemment acquises et cela correspond à une zone dite zone blanche. Enfin, le stockage en mémoire des valeurs sur la pile correspondante dès leur entrée permet, à chaque instant de contrôler le fonctionnement et le filtrage du signal. Le signal est filtré par des moyens de traitement du type microprocesseur. Un algorithme dont l'organigramme est représenté à la figure 2, permet de réaliser ce filtrage. La valeur moyenne filtrée est comparée à la valeur qu'elle avait un certain nombre d'acquisitions plus tôt, ce nombre étant par exemple égal à 200. Le seuil de dégivrage est atteint lorsque l'écart entre la valeur de pincement et la valeur de la moyenne correspondante obtenue 200 fois auparavant dépasse par exemple 2"C ou bien encore 0,2 fois la valeur de référence moyenne. L'enclenchement du dégivrage est alors commandé en fonction de cette comparaison.La commande du dégivrage est variable en fonction de la cinétique de dégivrage telle que mieux représentée par les courbes A,B,C de la figure 1, c'est-à-dire en fonction de l'évolution temporelle de la valeur de pincement suivant l'ambiance dans laquelle se trouve l'échangeur. C'est ainsi que pour une évolution du type cinétique lente, telle que celle de la courbe C, correspondant à une ambiance de -20 C pour une humidité relative de 60 %, il n'y a pas de saut de la valeur du pincement et donc aucun dégivrage ne semble nécessaire. La montée de la valeur de pincement qui précède le palier correspond uniquement à la montée en régime quasi permanent de l'installation frigorifique. Le signal de commande, tel que mieux représenté à la courbe F de la figure 3 a l'allure d'un créneau dont l'amplitude et la période sont variables. Une évolution du type cinétique rapide telle que celle représentée par la courbe A de la figure 1 correspond à une ambiance où règne une forte humidité relative généralement comprise entre 80 et 100 %, sous des températures variant de -20 C à 0 C. Aucun palier ne précède dans ce cas la brusque variation du pincement. Le signal de commande à l'allure d'un échelon d'amplitude et de période variables comme illustré par la courbe E de la figure 3. Enfin, les évolutions du type classique telles que celles représentées par la courbe B correspondent à la grande majorité des cas d'utilisation rencontrés. Après une montée de mise en régime, le pincement atteint une valeur stable avant de subir une nouvelle brusque variation qui doit coïncider avec le déclenchement du dégivrage. Le signal de commande, dans ce cas, a l'allure de créneaux identiques suivis d'un échelon tel que mieux illustré par la courbe F. I1 apparaît donc que le déclenchement du dégivrage est lié à la brusque variation qui se produit au bout d'un temps plus ou moins important suivants les conditions de l'ambiance (hygrométie, température ...). I1 faut donc déterminer la variation de la pente d(pincement)/dt et commander le déclenchement lorsque la valeur de cette dérivée dépasse un seuil déterminé et préétabli. Afin de tenir compte des légères variations du signal de pincement, cette dérivée est une valeur moyenne qui est calculée sur un nombre de points relativement important. C'est ainsi que, par exemple, cette valeur est calculée à partir de 200 points de mesure associés à un seuil de déclenchement du dégivrage de 2"C, et elle permet la détection de toutes les brusques variations du pincement sur une plage thermique comprise entre -25 C et -10 C et une plage d'hygrométrie comprise entre 70 et 90 % d'humidité relative. Or, dans la majorité des cas, les différentes évolutions montrent que la longueur du palier de non demande de dégivrage est toujours supérieure à 300 points de mesure soit une durée d'environ 100 minutes et que la durée des demandes de dégivrage continues précédant le palier de non demande quelle que soit l'évolution temporelle du pincement n'excède jamais 280 points de mesure sauf pour la cinétique de givrage forte qui les dépasse toujours. Un algorithme dont l'organigramme est représenté à la figure 4 permet de réaliser cette commande du dégivrage et notamment de tenir compte de la cinétique de l'évolution temporelle du pincement. Dans tous les cas, une demande de dégivrage d'une durée supérieure à 280 points de mesure consécutifs enclenche le dégivrage. Par contre, si le nombre de points de mesure est insuffisant pour chaque passage de demande de dégivrage à l'état de non demande, la durée de cette dernière est calculée. C'est ainsi, que s'il s'écoule plus de 300 mesures d'acquisition avant une nouvelle demande de dégivrage, celle-ci enclenchera le dégivrage, par contre dans le cas contraire, il y a retour au début de l'algorithme. Le critère de la demande de dégivrage est que l'écart de pincement entre deux acquisitions distantes de 200 mesures soit supérieur à 2"C. Pour commander l'enclenchement du dégivrage, il n'est pas tenu compte des 25 premières valeurs de pincement. En effet, celles-ci sont liées fortement à la variation brutale de température dans la chambre froide. C'est seulement à partir de la 25ème mesure que l'état stationnaire est atteint. Cet algorithme de commande de dégivrage tel que mieux représenté à la figure 4, comprend les variables suivantes I: nombre de points successifs d'une demande de dégivrage en cours J: nombre de points successifs d'une demande de non dégivrage en cours K : valeur passant à 1 quand au moins une demande de dégivrage a été effectuée depuis le début du fonctionnement IDJ: valeur passant à 1 quand au moins un palier de plus de 300 points de meure a été détecté. A partir d'une valeur de mesure donnée, et si celle-ci correspond à un écart de pincement entre cette valeur et la valeur correspondante acquise 200 points auparavant avec un écart de 2"C, elle entre dans la pile des nombres de points successifs de la demande de dégivrage et la variable I passe alors à I + 1. Si elle correspond à une demande de dégivrage ayant au moins un palier de plus de 300 points qui a été détecté, c'est-à-dire pour une variable IDJ = 1, alors il y a commande du dégivrage, la variable K étant égale à 1. De même, si le nombre de points successifs d'une demande de dégivrage en cours est supérieur à 280, c'est-à-dire pour une variable I supérieure à 280, il y a aussi commande du dégivrage. Par contre, si au contraire aucun de ces deux cas n'est réalisé, il n'y a pas de commande du dégivrage à partir de cette valeur. Si l'écart de pincement entre cette valeur et la valeur correspondante acquise 200 points auparavant ne correspond pas avec un écart de 2"C, elle entre dans la pile des points successifs de la non demande de dégivrage et la variable J passe alors de J à J + 1. Si une demande de dégivrage a été effectuée depuis le début du fonctionnement, c'est-à-dire pour une variable K = 1, alors cela peut correspondre à un nombre de points successifs de non demande de dégivrage en cours supérieur à 300. Dans ce cas, si un palier de non demande de dégivrage de plus de 300 points a été détecté, la valeur de la demande de dégivrage suivante enclenchera le dégivrage et la variable IDJ passe à 1. Dans le cas contraire, il n'y a pas de commande de dégivrage. Il est ainsi possible, grâce à ce procédé d'enclencher le dégivrage d'un échangeur thermique au moment du saut de la valeur de pincement, quelle que soit l'ambiance à l'intérieur de laquelle est utilisé cet échangeur. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme de mise en oeuvre de ce procédé qui a été décrit ci-dessus, elle en embrasse au contraire toutes les variantes en respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que les valeurs numériques citées ne sont que des exemples. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour enclencher le dégivrage d'un échangeur thermique caractérisé en ce qu'il consiste - à capter par des moyens électroniques et au moyen de sondes ou capteurs l'écart de température entre la température du fluide réfrigérant et la température du fluide à la sortie de l'échangeur, à des intervalles de temps réguliers - à filtrer par des moyens de traitement les informations captées - à traiter par des moyens de traitement la valeur des informations filtrées sur l'écart de température entre le fluide réfrigérant et la température du fluide à la sortie de l'échangeur d'une part par son incorporation dans une moyenne variable d'un nombre déterminé de valeurs de référence lorsque l'écart entre cette valeur et celle de la moyenne variable est inférieur à une valeur de référence fixée qui correspond à n fois l'écart-type des valeurs de référence et d'autre part par sa comparaison avec la valeur correspondante acquise lors d'une mesure n' fois plus tôt, le seuil de dégivrage étant atteint lorsque l'écart entre la valeur moyenne de la mesure et celle de la valeur correspondante acquise lors d'une mesure réalisée n' fois plus tôt dépasse une valeur déterminée fixe ou une valeur relative correspondant à N fois la valeur de référence moyenne de l'écart de température. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enclenchement du dégivrage est réalisé dans le cas d'une évolution rapide de différence de température entre la température du fluide réfrigérant et la température du fluide à la sortie de l'échangeur en fonction du temps, c'est-à-dire correspondant à un fonctionnement de l'échangeur sous un taux d'hygrométrie élevé, lorsque le seuil est atteint un nombre N" fois déterminé successivement sans interruption. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enclenchement du dégivrage est réalisé dans le cas d'un écart faible de la différence de température entre la température du fluide réfrigérant et la température du fluide à la sortie de l'échangeur en fonction du temps, c'est-à-dire correspondant à un fonctionnement de l'échangeur sous un taux d'hygrométrie bas, lorsque le seuil est atteint une fois après un nombre M successif déterminé de valeurs inférieures à celles du seuil correspondant.