Brevet FR2790310A1 — publié le 20000901

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION - L'invention s'applique principalement au dégivrage des batteries de refroidissement de l'air - Elle s'applique aussi au contrôle et à la signalisation de la fusion complète d'une masse donnée de matière solide dans certaines limites de température ETAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les techniques de dégivrage corrèlent généralement le contrôle de fin d'écoulement d'eau de fusion avec des conditions physiques indirectes - pression, température, durée, (grandeurs considérées séparément ou en combinaison) EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif d'amélioration de la gestion de l'efficacité et de la durée de l'opération de dégivrage des batteries de refroidissement d'air dans les installations frigorifiques lorsque les conditions d'échanges thermiques sont telles que la vapeur d'eau contenue dans l'air soumis à refroidissement, se congèle sur les surfaces froides, soit sous forme de glace, soit sous forme de givre. Le dégivrage consiste à réchauffer les surfaces givrées ou glacées jusqu'à fusion complète, - soit par circulation d'air à température positive accompagnée de l'interruption de la production de froid - soit par réchauffement interne des tubes et surfaces d'échange thermique, par des condensats de fluide fngongène en inversion de cycle, l'évaporateur devenant condenseur - soit par circulation d un fluide caloporteur quelconque si le refroidissement a lieu par circulation d un fluide préalablement refroidi (dit fluide frigoporteur) L eau de fusion est recueillie sur une surface d'égouttage, collectée et évacuée à l'extérieur de l'enceinte refroidie N B Le procédé de dégivrage par aspersion d'eau n'est pas concerné par l'invention Les exploitants d'enceintes refroidies recherchent systématiquement l'optimisation de la fonction dégivrage" Cette démarche, actuellement, est le plus souvent approximative, car elle requiert un dépassement du temps de fusion complète du givre ou de la glace Il faut en effet disposer d'une marge de recouvrement visant à éviter toute forme de fusion incomplète en fin de cycle de dégivrage S il est facile de déterminer le point de départ du dégivrage, il est en revanche impossible d'en limiter la durée à celle strictement nécessaire, par les méthodes indirectes actuellement mises à disposition par les constructeurs Citation à titre non exhaustif - température de surface givrante - pression du fluide fngongène dans la battene de refroidissement - durée préfixe du créneau de dégivrage ... Or cette maîtrise a une grande importance : i - Si le temps nécessaire au dégivrage est écourté arbitrairement, la fusion de la glace ou du givre peut être incomplète, ce qui est de nature à perturber le fonctionnement ultérieur du re@@oidissement, ne serait-ce que par la réduction de la surface d'échange active air / fluide frigorigène ou fngoporteur (encombrement par la glace résiduelle) et par la difficulté à gérer la régulation de la surchauffe à l'évaporation. une telle situation conduit le plus souvent à un accroissement progressif des masses de glace qui échappent a la fusion, accompagné de la dégradation progressive de la puissance frigorifique echangée ainsi que celle du rendement énergétique 2 - SI la procédure de dégivrage se prolonge inutilement au delà du temps nécessaire à la fusion de la glace ou du givre, le rapport du temps d'immobilisation du système de refroidissement au temps ue production du froid augmente, ce qui la plupart du temps contrarie la tenue de la température a garantir dans l enceinte (déficit de production de froid au regard de la demande) Dans le meme temps on assiste a un rechauffement inutile de l'enceinte froide donc à la formation d'une charge thermique artificielle Les deux conséquences décrites contribuent separément et ensemble à altérer les caractéristiques physiques de l'air traité, donc la conservation des produits L'optimisation énergétique du dégivrage conduit à la recherche d'une durée de réchauffement de la surface totale d'échange de chaleur en relation directe avec le stnct temps nécessaire à la fusion complète de la glace ou du givre qui se sont formés au cours du cycle précédent Les moyens chronologiques, presse statiques, thermostatiques, aérauliques et autres basés sur une interprétation directe ou indirecte de la température des surfaces d'échange, de la pression corrélative qui regne dans les tubes d'évaporation quand il s'agit de fluide fngongène ou de la perte de charge rencontrée par l'air circulant au travers de la batterie de refroidissement, ne permettent pas d'assurer cette condition En effet, de nombreuses variables interviennent pour altérer l isotropie thermique des surfaces d'échange On peut aussi préciser que l'efficacité remarquable de certains moyens de dégivrage (circulation de iimae caloporteur ou de nuide tngongene a condenser) est souvent contranee par le décollement de la glace en plaquettes avant fusion, et son accumulation sur la surface d'egouttage En dépit du réchauffage de la dite surface, ce procédé subit les effets négatifs de la prolongation u une uuice ae tonte incertaine qui aitère 1 iriterèt du principe rnrs en #uvre Il convient donc d'en corlroer ie cours, ce qui est pratiquement impassible '-''''0 ::>t: tuul ueull u eau ue fusion slynificatrf au collecteur ti gOiJTTUIeS, sous cuttufuun qu'il o'y ait pas de défaillances ou de perturbation dans le déroutement de la procédure de dégivrage (ci page 5) bi'i effet, ie Îctr"lsse(nent du débit d'eau de fusion doit en l'espèce correspondre exclusivement à ta fild uncycle de dégiviage Moyens mis en Oeuvre Leau de fusion, canalisée dans le tube d évacuation (1) pénètre par ie système deverseur d amont (2) dans une enveloppe tubuiaire (3) garnie d un noyau métallique (4) par un corps de chauffe électrique (11) de puissance appropriée, généralement assez faible Enl absence de débit, l eau contenue dans l'espace annulaire (b) compris entre le noyau -jr.audnt (4 et la paroi tUbUlaire cylindrique (3) s'ecnautre notablement En présence de débit, on assiste au mélange de l'eau stationnante (tiède ou chaude) avec 1 eau froide qui afflue par l'appendice (2). #wniioii ,r,,jidnge usL conçue ae façon !elle que la réponse aes sonaes ae mesure (iu) .a.c.5 j:"L's viir- possinie aux variations ae température o un mpiinge aussi reouu que poSSIDle en vOlume cn rpnqr(i n un apport a eau de dégivrage qui part d'Lin débit nui, passe par un débit mqyl 0- qui fmalernent se tant, on assiste une évolution de !a température du noyau (4) (par conduction) qui, ,.,~..7 ,-. L,r-iP Maj'L" oonnee passe par un minimum et regagne ensuite une valeur supérieure Les variations de température sont d assez grande amplitude et dépendent essentiellement de la variation ou clpr)it oe ! eau de tusinn et de la puissance thermique du corps de chauffe (1 ) AVer une source Qe Chaleur a flUX' constant, la température de. eau contenue dans le volume 8nnUl8tre (b) ou s opère le melange de l'eau attluante et de. l'eau statlonnante varie donc a 1 Inverse de la variation du débit Le système tnermostatfnue prend en compte l'elevatlon de température qui s'établit dans la séquence de variation ducycie après passage à la température minimale, témoin du débit de fusion s sa vaieur maxi Kour une température ae recriaullement donnée, on dispose d un signât de fin de dégivrage représentatif de la fusion totale du givre ou de la glace @@mposition de la partie active au contrôleur de débitde tarissement Objet de l invention 1- Le noyau (4) qui sera avantageusement usiné a partir d'un barreau de métal bon conducteur de la chaleur et insensible à la corrosion est engagé dans l'enveloppe (3) conformément au dessin il contient deux ou trois puits - un pour le logement d'un corps de chauffe électrique (11) - Un pour le logement d'une sonde de mesure de température double ou deux pour deux sondes(10) distinctes (encadrement séquentiel et plafonnement température) La coaxialite du noyau et de la paroi cylindrique qui l'abrite est sans grande importance Par construction, 1 embase du noyau comporte un epaulement de guidage et utilise pour son etancheite un boucnon vissé (13) + joint plat ou torique (7) qui assure le calage et @ etancheite du système (ou tout autre moyen visant au même résultat) On remarque que 1 effluent deversant d'aval (9) est constitué par la branche horizontale du "TE" utilisé à la construction du contrôleur de débit La directrice inférieure est positionnée géométriquement a la partie haute du noyau (4) de taçon telle qu une partie de la surface cylindrique du noyau emerge toujours au-dessus du niveau de i eau retenue dans le puisard annulaire (5) qui possède le plus petit volume compatible a i entretien des mouvements de convexion et a la sédimentation des debns (réduction de la masse en eau calorimétrique) (page 3 ligne 12) La surface emergee du noyau (4) est soumise a chute libre de 1 eau issue du dégivrage en cours On remarque accessoirement que le dit noyau est facilement demontable pour le nettoyage interne (évacuation des boues et inflorescences organiques) 2 - L insertion du contrôleur de débit peut être pratiquée en un point quelconque du tracé de la canalisation entre egouttoir de batterie froide et déverse à l'égout, à condition que - la tuyauterie affluente ne retienne pas d'eau (absence de contre-pentes) - 1 eau recueillie provienne exclusivement de la batterie froide à dégivrer) - les différentes phases du procédé soient soustraites aux influences thermiques d'origine ambiante (emploi de jaquette isolante p e ) Il est en effet essentiel que eau de fusion deversante conserve sa température de collecte au plus prés L eau de fusion peut cependant provenir de plusieurs batteries froides à condition qu'elles travaillent ensemble au refroidissement d'une même enceinte et que la ou les réquisition(s) de dégivrage soi(en)t correctement programmée(s) D autres modes de réalisation sont possibles dès l'instant qu'est respecté le concept selon lequel le tarissement du débit d'eau de fusion est le seul paramètre qui valide directement l accomplissement du dégivrage Logique séquentielle du procédé (exemple de) 'PAS n 1 1 Des que le signal qui valide l'établissement des conditions requises s'affiche, la procédure de dégivrage est initialisee - la production du froid dans 1 enceinte est interrompue - la mise en #uvre du dégivrage démarre - le recnauffage du noyau (4) est initialisé ou se poursuit - le dispositif de rechauffage (11) reste sous contrôle d'un thermostat de plafonnement de température à maxi (non représenté) - un thermostat de séquence, (non représenté), constate l'élévation de température, en ouvrant son contact, l'affiche éventuellement, mais n'initialise aucune instruction #PSA n 2 -L eau de dégivrage commence à s'écouler - Le réchauffage initialise au Pas n 1 se poursuit - Le débit d eau de dégivrage augmente peu à peu - L eau séjournant dans 1 espace annulaire (5) se refroidit nonobstant le rechauffage par le corps de chauffe (11) toujours actif. - Le noyau (4) se refroidit comme i'eau quientoure, mouvements convectits y aidant 'PAS n 3 - Le thermostat de séquence referme son contact à l'abaissement de la température du noyau (4), mais cela n'initialise aucune instruction hormis l'armement d un contact de passage et l'affichage éventuel de situation 'PAS n 4 - L'ecoulement de l'eau de dégivrage se tant - La température de 1 eau dans l'espace annulaire (5) commence à se rechauffer - PAS n 5 - Le thermostat de séquence ouvre son contact en corrélation avec le réchauffement consécutif au tarissement du débit d'eau Cela détermine l'action d'un contact de passage préparée au pas n 3 - Arrêt de la procédure de dégivrage et initialisation de la production du froid -PAS n 6 Le rechauffage du noyau (4) peut se poursuivre sous le contrôle du thermostat de plafonnement, mais sans incidence pour le fonctionnement de l'installation frigorifique Fin de cycle - PAS n 1 Début du cycle suivant (cf page 4) etc ... DÉFAILLANCES - PERTURBATIONS 1 - Le corps de chauffe (11) n'émet plus de chaleur La fin du dégivrage n'est pas initialisée C'est un encadrement chronologique initialisé avec le départ de la procédure de dégivrage qui intervient et prend la relève jusqu'au dépannage 2 - Le corps de chauffe (11) émet de la chaleur sans arrêt La séquence se déroule normalement, mais le thermostat de plafonnement intervient Cette situation ne peut constituer qu'une discordance sans effet sur la séquence de dégivrage Il convient d'ailleurs de noter que le réchauffage permanent du noyau peut figurer au nombre des options de gestion du procédé 3 - Perturbation de la procédure de dégivrage pour cause externe (coupure de courant électrique par exemple) Retour au dégivrage sous encadrement chronologique jusqu'au dépannage avec initialisation automatique ou manuelle A noter que la procedure de dégivrage peut être initialisée automatiquement dès la disparition de la cause externe perturbatrice SIGNALISATION Les ditterents pas du déroulement du cycle de dégivrage peuvent être affichés optiquement, de même que les cas de défaillances ou perturbations EXTENSION D'UTILISATION DU PROCÉDÉ DE CONTRÔLE DE DÉBIT DÉCRIT Le procédé décrit peut être appliqué à d'autres usages que le contrôle de fin de dégivrage, notamment au contrôle de fin d'égouttage ou d'essorage dans les circonstances les plus diverses VOCABULAIRE Page 1 Ligne 2 : Batterie de refroidissement appelee aussi batterie d'évaporation ou evaporateur ou évaporateur refroidisseur - Echangeur de chaleur constitué par un ou plusieurs faisceaux tubulaires généralement garnis d'ailettes de contact avec l'air qui le traverse Au passage l'air s'y refroidit et se déshumidifie, par cession de chaleur au fluide fngorigène ou fngoporteur véhiculé dans les tubes Page 1 Ligne 21 : inversion du cvcle Il s'agit du cycle thermodynamique de l'installation frigorifique L'évaporateur devient condenseur donc émetteur de chaleur Page 1 Ligne 21 : fluide frigorigène Liquide qui génère le froid en s'évaporant. Page 1 Ligne 22 : Fluide caloporteur Generalement un fluide à l'état liquide qui cède de la chaleur à un milieu donné Page 1 Ligne 23 : Fluide frigoporteur Généralement un fluide à l'état liquide qui absorbe de la chaleur à un milieu donné Page 1 Ligne 29 : Enceinte refroidie ou enceinte en abrégée (plus loin) Volume dont 1 ambiance est refroidie par l'air traversant la batterie de refroidissement en circuit fermé Page 2 Ligne 11 : Surchauffe à l'évaporation Accroissement de température de la vapeur de fluide frigongène au-dessus de la température d'évaporation sans changement de pression Page 2 Ligne 14 : Rendement énergétique Puissance frigorifique engendrée en comparaison de la puissance motrice absorbée C'est un rapport de puissances - Kw frigorifique / Kw énergie Page 2 Ligne 22 : Optimisation énergétique du dégivrage Recherche - - de l'engagement de consommation électrique minimale - de la durée minimale par opération Page 2 Ligne 30 : Isotropie thermique Homogénéité des conditions d'échange de chaleur en tous points de l'évaporateur à dégivrer dans le temps et dans l'espace Page 3 Ligne 16 : Conduction Transmission de chaleur d'un point à un autre dans une masse de matière donnée Page 3 Ligne 24 : Séquence de variation du cycle Alternance programmée de la température du noyau réchauffé Page 4 Ligne 32 : Procédure de dégivrage Ensemble des actions séquentielles automatiques qui assurent la gestion de cette fonction à partir d'une instruction extérieure à la dite fonction Page 4 Ligne 37 : Thermostat de plafonnement Thermostat interrompant le réchauffement d'un objet ou d'un milieu donné pour une température donnée (à l'élévation) et le rétablissant soit automatiquement soit sur instructions d'un opérateur (à l'abaissement) Page 5 Ligne 7 : Mouvements convectifs (cf page 4 ligne 8) mouvements de convexion Page 5 Ligne 10 : Thermostat de séquence Thermostat chargé de contrôler un pas de programme thermique donné Page 5 Ligne 34 : Encadrement chronologique Instruction pour le début et /ou la fin d'un segment de séquence donné, transmise par ouverture ou fermeture de contact(s) électrique(s) en subordonnation avec une minuterie ou une horloge LÉGENDE DU DESSIN (1) - Tube d'adduction de l'eau de fusion en provenance directe de la batterie froide (2) - Déverseur d'amont, ensemble de pièces PVC collées (3) - Enveloppe PVC (4) - Noyau cuivre, chauffage & mesure (5) - Volume annulaire où s'opère sans attente le mélange de l'eau de fusion et de l'eau stationnante (6) - Raccord PVC / Laiton, collé/taraudé (7) - Joint d'étanchéité (8) - Écrou de serrage laiton (9) - Système déverseur d'aval (10) - Sondes de température, option représentée deux sondes simples (vanante sonde double non représentée) (11) - Résistance chauffante (12) - Bourrage (13) - Borne terre Cet énoncé correspond à la forme d'exécution retenue pour la description de l'invention REVENDICATIONS 1) - Dispositif pour mettre fin à la procédure de fusion de la glace ou du givre déposés sur les surfaces d'échange des batteries de refroidissement de l'air (ou toutes autres surfaces leur appartenant) caractérisé en ce qu'il comporte un tube collecteur des égouttures et des moyens pour détecter le moment où cesse tout débit significatif d'eau de fusion 2) - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par des moyens pour convertir un élément de séquence de variation de température d'eau de fusion mesurée dans le noyau (4) du contrôleur de débit, en signal de fin de procédure de dégivrage 3) - Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le noyau de chauffage-mesure (4) est usiné à partir d'un métal bon conducteur de la chaleur et résistant à la corrosion. 4) - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le noyau de chauffage-mesure (4) contient 2 ou 3 puits forés borgnes dans la masse recevant respectivement . - Une résistance de chauffage de faible puissance du type "blindé" (11) - Une ou deux sondes de mesure de température (soit double - soit simple) (10). 5) - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la partie supérieure du noyau (4) émerge au-dessus du niveau de l'eau retenue dans un puisard (5) entourant le noyau. 6) - Dispositif selon la revendication 3,4 ou 5 caractérisé en ce que le noyau de chauffage-mesure (4) prend appui sur une surface annulaire solidaire du bouchon fileté (8) qui assure à la fois - l'étanchéité vis à vis de l'enveloppe tubulaire (6) - le supportage et le calage du noyau (4) - le passage de la filene électrique - l'interchangeabilité rapide du noyau (4) et celui des éléments qu'il contient (10) & (11) 7) - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que le noyau de mesure/chauffage (4) n'est que partiellement immergé La partie supérieure est soumise à la chute libre de l'eau issue du dégivrage en cours 8) - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7 caractérisé en ce que le faible volume d'eau stationnant dans l'espace annulaire compris entre le noyau et l'enveloppe tubulaire (5) est réduit à la plus petite valeur compatible avec l'entretien des mouvements de convexion et à la sédimentation des débris dispersés entraînés par l'eau de dégivrage 9) - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8 caractérisé par la verticalité de l'axe du noyau, le bouchon d'accès fileté en partie basse de la branche verticale du "TÉ" constituant l'enveloppe et la soustraction aux influences thermiques perturbatrices par application de matériaux calorifugés adaptés 10) - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il peut admettre le transit de l'eau de dégivrage en provenance de plusieurs batteries de refroidissement à condition qu'elles travaillent au refroidissement d'une même enceinte et que la ou les réquisitions de dégivrage soient correctement programmées