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WO2005068919A1 - Dispositif de securite et de contrôle pour compresseur de machine frigorifique - Google Patents

Dispositif de securite et de contrôle pour compresseur de machine frigorifique Download PDF

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Publication number
WO2005068919A1
WO2005068919A1 PCT/BE2004/000174 BE2004000174W WO2005068919A1 WO 2005068919 A1 WO2005068919 A1 WO 2005068919A1 BE 2004000174 W BE2004000174 W BE 2004000174W WO 2005068919 A1 WO2005068919 A1 WO 2005068919A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
compressor
oil
temperature
asp
pressure
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/BE2004/000174
Other languages
English (en)
Inventor
Gérard ANQUETIL
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CITELEC SA
Original Assignee
CITELEC SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CITELEC SA filed Critical CITELEC SA
Publication of WO2005068919A1 publication Critical patent/WO2005068919A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F25B49/005—Arrangement or mounting of control or safety devices of safety devices
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    • F25B2700/21151—Temperatures of a compressor or the drive means therefor at the suction side of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2115—Temperatures of a compressor or the drive means therefor
    • F25B2700/21155—Temperatures of a compressor or the drive means therefor of the oil

Definitions

  • the present invention relates to refrigeration machines, and more particularly to compressors present in refrigeration machines.
  • the present invention relates in particular to a safety, control and management device for a refrigerating machine compressor.
  • compressors In refrigeration machines, one or more compressors are used to compress a refrigerant. This type of installation is well known from the state of the art. These compressors are used individually or in groups of several compressors connected in parallel to form a refrigeration plant. Their function is to compress the refrigerant coming in gaseous form from an evaporator, and to restore it under high pressure to a condenser. They are used for long periods, without supervision, and must respond to variable load constraints, resulting from the conditions of use of the fridges or warehouses in which they are used, random weather conditions, and possible faults in the circuit to which they are connected. Many external causes can therefore be the source of operational problems that can lead to compressor failures.
  • the causes and conditions under which a fault has arisen are not always easy to determine, which can cause liability issues, particularly during the warranty year of an installation.
  • the lubrication of a compressor can be done by bubbling or using an oil pump.
  • the compressor stops if the oil is too cold, the refrigerant dissolves in the oil, and can even condense. Since the refrigerant in liquid form has a density greater than that of oil, it then collects at the bottom of the compressor housing.
  • the oil pump circulates an oil loaded with refrigerant, or even pure condensed refrigerant.
  • the refrigerant being a degreaser, the compressor deteriorates and seizes quickly.
  • the compressor starts when condensed refrigerant has collected in the bottom of the housing, the following phenomenon may occur: the action of the compressor decreases the pressure in the compressor housing. Under the effect of this decrease in pressure, the refrigerant evaporates, in the form of bubbles and crosses the layer of oil which covers it. This evaporation can occur suddenly, and cause an oil / vapor droplet emulsion of the refrigerant. This emulsion occupies the volume of the casing, and is finally driven by the compressor to the discharge, causing a large amount of oil in the refrigeration circuit. This phenomenon is known as the “mayonnaise effect”.
  • the problems mentioned above can generally be detected by a technician using measurements of temperature, pressure, oil level, etc.
  • EP 0 907 058 A2 discloses a control device for a refrigerating machine compressor. This device includes an electronic circuit in a box that can be installed on the compressor.
  • the electronic circuit includes a timer which has the function of delaying the restart of the compressor after the oil pressure has returned to normal. During this period, the oil stabilizes, and any refrigerant present in the oil separates.
  • a user can communicate with the device using a portable device.
  • this device does not include any pressure measurement means, which makes it incapable of detecting the faults mentioned above.
  • the present invention aims to provide a safety device for a compressor of a refrigerating machine, making it possible to extend the life of the compressor.
  • the present invention aims to provide a device and a method which detects problems which may deteriorate the compressor, and which takes the measures necessary for its safeguarding.
  • the present invention also aims to provide a device for carrying out the regulation of a refrigeration plant.
  • the present invention relates to a safety and control device for a refrigerating machine compressor, placed on the compressor casing, comprising a programmable electronic control means capable of stopping operation and / or prohibiting starting of the compressor, a pressure sensor at the suction of the compressor p as , this sensor being connected to the programmable electronic control means, further comprising a sensor of the temperature at the suction of the compressor T aS p, the control means being able to calculate the temperature T sa t that the refrigerant would have at the point of the saturated vapor curve corresponding to the suction pressure of the compressor p asp , and to stop and / or prohibit starting the compressor if this temperature T asp differs more than one threshold value of the calculated temperature T sa t.
  • the programmable electronic control means may include means capable of receiving parameters A1 and B1, and making it possible to calculate the temperature T sat as a function of the pressure p aSp by means of the relation
  • T sat (B1 / (A1-Ln (p asp +1)) - 273
  • said parameters being chosen as a function of the refrigerant used in the refrigerating machine.
  • the device can advantageously include a sensor of the oil temperature in the compressor T h a
  • the control means programmable electronics include means capable of receiving the characteristics of the oil and of the refrigerant used, and of determining the concentration of refrigerant in the oil and the kinematic viscosity of the oil, as a function of the temperature of the oil in the compressor, T h uiie, and of the suction pressure of the compressor, p aS p, and to stop and / or prohibit the start of the compressor if this viscosity is less than a predetermined threshold.
  • the characteristics of the oil and of the refrigerant used can be determined by parametric curves giving firstly, for each temperature of the oil in the compressor T h a e and each pressure at the suction of the compressor p asp , the concentration of refrigerant in the oil, and then giving, for each temperature of the oil in the compressor T nU ii e and each concentration of refrigerant in the oil, the kinematic viscosity of the oil.
  • the programmable electronic control means comprises means capable of stopping operation and / or prohibiting the start of the compressor when the pressure at the suction of the compressor p asp is less than a threshold predetermined.
  • the device comprises a sensor for the discharge pressure of the PHP compressor and this sensor is connected to the programmable electronic control means so as to stop the operation and / or prohibit the starting of the compressor when the discharge pressure of the PHP compressor is above a predetermined threshold.
  • the pressure sensors are preferably ceramic sensors with thick layers, or piezoresistive sensors.
  • the programmable electronic control means preferably comprises a microprocessor.
  • the programmable electronic control means can also include storage means and / or communication means.
  • the programmable electronic control means may favorably be able to activate local and / or remote signaling means.
  • the device is designed for use in a refrigeration plant, in which each compressor comprises a device according to the invention, these devices being interconnected.
  • the programmable electronic control means of one of the compressors determines, as a function of a set value, of a measured or calculated parameter, whether they should start the compressor which they control, taking into account the measurements of the sensors, stored information and that communicated by at least one other similar device installed on another compressor.
  • the present invention also relates to a refrigeration plant comprising a plurality of compressors, in which at least one compressor comprises a safety and control device according to any one of the preceding claims.
  • the present invention finally relates to a method of using a compressor for a refrigeration machine, comprising the following steps: - measuring the pressure at the suction of the compressor p asp; - the temperature at the suction of the compressor T asp is measured ; - the temperature T sa t that the refrigerant would have at the point of the saturated vapor curve corresponding to the pressure at the suction of the compressor p asp is calculated; - the compressor is stopped and / or prohibited from starting if the suction temperature of the compressor T asp differs by more than a threshold value from the calculated temperature T sat .
  • Figure 1 represents a refrigeration installation of the state of the art comprising a compressor fitted with a device according to the invention.
  • FIG. 2 represents the pressure-enthalpy diagram representative of the thermodynamic cycle traversed by a refrigerant in the installation of FIG. 1.
  • Figure 3 shows the curves of the characteristics of a lubricating oil and a refrigerant.
  • each compressor being provided with a device according to the invention, these devices being interconnected by means of a network.
  • a refrigeration installation comprises: - a compressor 1 which compresses a refrigerant in the gas phase, by increasing its temperature; - a condenser 2 which, cooled by a cold source such as outside air or water, drops the temperature and condenses the refrigerant; - a tank in which the liquid refrigerant is stored (not shown); - a regulator 3; - And an evaporator 4 in which the refrigerant passes from the liquid phase to the vapor phase by taking calories from its environment.
  • the evaporator 4 therefore allows the production of cold in a cold room, a refrigerated cabinet or can also cool a liquid in a heat exchanger.
  • the security device comprises a housing
  • a piezoresistive pressure sensor 6 inside the housing 5 is in contact with the pressure prevailing in the compressor casing and transmits an analog signal to the microcontroller or a microprocessor 7.
  • a temperature probe 8 by example a thermoresistor, immerses in the oil 9 contained in the bottom of the compressor casing 1, and also transmits a value to the microcontroller 7.
  • a second pressure sensor 10, also piezoresistive, is installed in the housing 5 and is connected by a tube 11 at the compressor discharge 1. Finally, a temperature sensor measures the temperature T asp at the compressor intake. All these sensors are either integrated into the housing 5, or connected directly to the latter by a short cable or tube 11.
  • Compressor 1 fitted with its safety device forms a compact unit, easy to assemble and test in the factory.
  • the joint use of an analog pressure transmitter and a microcontroller makes it possible to vary the thresholds and the triggering and switching on times of the compressor. If this pressure becomes too low, for example in the event of a refrigerant leak, incorrect setting or the closing of a valve, the compressor is stopped, and an alarm is signaled. There is therefore a flexibility of use which it was not possible to obtain with conventional pressure switches.
  • the use of a pressure sensor has, compared to the use of a pressure switch, the advantage of giving a real measurement of the pressure, not presenting the inaccuracies that one can have with a mechanical pressure switch.
  • the microcontroller 7 has a logic output making it possible to control the contactor of the compressor 1 motor, thus making it possible to stop the compressor or to prohibit starting it if it is stopped.
  • the microcontroller 7 also includes a logic output making it possible to control one or more signals located on the box 5 itself, or nearby, or on a remote control panel.
  • Figure 2 illustrates the pressure-enthalpy diagram of a refrigerant.
  • the fluid is in liquid form in zone A, in gaseous form in zone C.
  • the liquid and gas phases coexist in zone B.
  • the portion 20 of the phase change curve is the "vapor curve saturated ”.
  • Point 1 is representative of the compressor suction.
  • Segment 1-2 represents compression, segment 2-3 represents condensation.
  • Segment 3-4 represents expansion in the regulator, and segment 4-1 evaporation. In the optimal conditions of operation, all the fluid is vaporized at the end of the journey in the evaporator.
  • the problems mentioned above namely "liquid blow” and “significant overheating” result in a point representative of the fluid at the inlet of the compressor not at point 1 of the diagram, but in a point on the left for the liquid blow (all the fluid is not evaporated), or to the right of it for significant overheating (the gas has been heated in the evaporator beyond normal).
  • the microcontroller calculates the temperature that the fluid should have at point 1 of the saturated vapor curve corresponding to the pressure measured at suction.
  • the portion 20 of the curve can be approached by the pressure-temperature relationship, of the shape
  • T sat (B1 / (A1-Ln (p asp +1)) - 273
  • the parameters A1 and B1 are determined for the refrigerant used, and recorded in the microcontroller 6, either by insertion of an EEPROM memory previously programmed, or by a wired infrared link. 'Ln' denotes the "natural logarithm" function.
  • the temperature T asp measured by the sensor 12, is compared with the value it should have if the operating point was indeed point 1, that is to say T sat . If T asp is less than or equal to T sat , there is a risk of liquid blow. If this difference is greater than a threshold, the compressor is stopped.
  • the threshold can be between 5 and 20 °, for example 10 °.
  • the compressor is therefore stopped if this difference is greater than a threshold.
  • This second threshold can also be between 5 and 20 °, for example 10 °.
  • the microcontroller If the pressure is too high, whose main cause is poor cooling of the condenser (fan out of service, dirty battery or lack of water for water condensers), the microcontroller signals a high pressure alarm.
  • An intensity sensor measures the intensity of the compressor motor. If this intensity deviates too much from a nominal value, the microcontroller signals an intensity alarm. This is to prevent the compressor from operating under abnormal and harmful intensity conditions.
  • Oil contained in the compressor housing ensures good lubrication of moving parts. Lubrication can be ensured by bubbling for small powers and by an oil pump for larger compressors. The type of oil used depends on the type of refrigerant used in the installation and operating temperatures as well as the recommendations of the compressor manufacturer. We also see in Figure 1 an oil temperature sensor, which measures the oil temperature.
  • the compressor starts, the refrigerant mixed with the oil is injected by the oil pump into the bearings of the compressor. As the refrigerant is a degreaser, the compressor quickly seizes up. To avoid this problem, a crankcase heater is energized to keep the temperature high enough. If the temperature is sufficient, this voltage can be cut to save energy.
  • the control means put the crankcase heater on or off, depending on the oil temperature and the desired temperature that the microcontroller determines from the type of gas, the type of oil and the low pressure. As long as the concentration of refrigerant in the oil is not acceptable, the microcontroller prevents the compressor from starting and continues to heat the oil.
  • Figure 3 shows the curves of the characteristics of a lubricating oil and a refrigerant. These curves are recorded in the microcontroller, in the form of tables, or parametric curves, either by insertion of an EEPROM memory previously programmed, or by a wired infrared link.
  • the microcontroller can then determine, on based on the oil temperature and the suction pressure p as , the content of refrigerant which has dissolved in the oil. For example, for a temperature of 30 ° C, is under a pressure of 5 bar, it is noted that the refrigerant R22 dissolves in SUNISO 4GS oil, up to a content of 10%.
  • the microcontroller can then determine, for this same temperature of 30 ° C, on the curve "10% of refrigerant in oil", that the kinematic viscosity of this oil is 30 cSt. To avoid lubrication faults, the microcontroller signals an alarm and prohibits starting the compressor when the viscosity is less than a determined value, generally specified by the manufacturer of the compressor. To extend the life of a compressor, it must be avoided that it starts more than six times an hour. In the device according to the invention, the microcontroller detects the start of the compressor thanks to the intensity sensor, and are connected to a clock, which makes it possible to perform this function.
  • the device according to the invention comprises a memory, in which the microcontroller 7 can record information relating to the state and the alarms of the compressor.
  • the stored information includes the temperatures and pressures measured, the temperatures and viscosity calculated, the alarms reported.
  • the information is recorded every 30 seconds, and the memory is sufficient to store the information corresponding to a duration of one month.
  • the device according to the invention also comprises means of communication, allowing the microcontrollers 7 to exchange with a user information on the state and the current and past alarms of the compressor. These means of communication also allow the user to give instructions and parameters to the microcontrollers, for example the type of refrigerant, the type of oil, the limit values corresponding to each alarm, etc. These means of communication can include a wired or wireless local area network.
  • Each of the alarms can give rise to the display of a message, to a recording, a starting ban on the compressor or a stopping of the latter if it is running, possibly after the expiration of a certain deadline or the fulfillment of other conditions.
  • Alarms can be signaled to maintenance operators by the lighting of light-emitting diodes on one face of the housing 5, or, when the device is connected to a network, to a central display panel or screen.
  • Figure 4 shows a machine equipped with several compressors. Such a machine is called a refrigeration plant.
  • the purpose of a refrigeration plant is to maintain a low pressure or a constant high pressure, depending on the load variation of the installation. This variation in load is due to the cold shutdown on a station when it is stopped or when it has reached the desired temperature.
  • each compressor is equipped with a device according to the invention 5, therefore comprising a low and / or high pressure sensor.
  • the microcontroller of a compressor decides whether the compressor it controls should be started or stopped according to the low or high pressure measured, a set pressure and the state of the other compressors with which it can communicate thanks to means of communication 30 wired or wireless (by radio wave). They obviously also take into account the generated alarms.
  • Each device makes its decision independently of the others, which has the advantage of a statistical balancing of the operating times of each compressor, and the absence of a central unit, a fault of which would be harmful to all of the compressors.
  • the device according to the invention therefore provides a simple and easy to implement safety device to avoid the conditions that can cause compressor failures. It also makes it possible to regulate a refrigeration plant, without having to resort to a centralized control body.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif de sécurité (5) pour compresseur (1) de machine frigorifique, comportant un moyen de contrôle électronique programmable (7) apte à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur (1), un capteur de la pression à l’aspiration (6) du compresseur (1) pasp, ce capteur étant relié au moyen de contrôle électronique programmable (7) et un capteur de la température à l’aspiration (12) du compresseur Tasp, ledit moyen de contrôle (7) étant apte à calculer la température Tsat qu’aurait le fluide frigorigène au point de la courbe de vapeur saturée correspondant à la pression à l’aspiration du compresseur pasp, et à arrêter et/ou interdire le démarrage du compresseur (1) si cette température Tasp diffère de plus d’une valeur seuil de la température calculée Tsat.

Description

Dispositif de sécurité et de contrôle pour compresseur de machine frigorifique
Objet de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte aux machines frigorifiques, et plus particulièrement aux compresseurs présents dans les machines frigorifiques.
[0002] La présente invention se rapporte en particulier à un dispositif de sécurité, de contrôle et de gestion pour compresseur de machine frigorifique.
Arrière-plan technologique
[0003] Dans les machines frigorifiques, un ou plusieurs compresseurs sont utilisés pour comprimer un fluide frigorigène. Ce type d'installation est bien connu de l'état de la technique. Ces compresseurs sont utilisés isolément ou en groupes de plusieurs compresseurs branchés en parallèle pour former une centrale frigorifique. Ils ont pour fonction de comprimer le fluide frigorigène provenant sous forme gazeuse d'un évaporateur, et de le restituer sous haute pression à un condenseur. Ils sont utilisés pendant de longues périodes, sans surveillance, et doivent répondre à des contraintes de charge variable, résultant des conditions d'usage des frigos ou entrepôts dans lesquels ils sont utilisés, des conditions climatiques aléatoires, et de défauts éventuels dans le circuit auquel ils sont raccordés. De nombreuses causes externes peuvent donc être la source de problèmes de fonctionnement pouvant conduire à des pannes d'un compresseur. Les causes et les conditions dans lesquelles un défaut est survenu ne sont pas toujours faciles à déterminer, ce qui peut poser des problèmes de responsabilité, en particulier pendant l'année de garantie d'une installation. [0004] La lubrification d'un compresseur peut se faire par barbotage ou à l'aide d'une pompe à huile. A l'arrêt du compresseur, si l'huile est trop froide, le fluide frigorigène se dissout dans l'huile, et peut même se condenser. Le fluide frigorigène sous forme liquide ayant une densité supérieure à celle de l'huile, il se rassemble alors dans le fond du carter du compresseur. Lors du redémarrage du compresseur, la pompe à huile fait circuler une huile chargée en fluide frigorigène, ou même du fluide frigorigène pur condensé. Le fluide frigorigène étant un dégraissant, le compresseur se détériore et grippe rapidement. De plus, si le compresseur démarre lorsque du fluide frigorigène condensé s'est rassemblé dans le fond du carter, il peut se produire le phénomène suivant : l'action du compresseur diminue la pression dans le carter du compresseur. Sous l'effet de cette diminution de la pression, le fluide frigorigène s'évapore, sous forme de bulles et traverse la couche d'huile qui le recouvre. Cette évaporation peut se produire de manière brutale, et provoquer une émulsion huile/gouttelettes de vapeur du fluide frigorigène. Cette émulsion occupe le volume du carter, et est finalement entraînée par le compresseur vers le refoulement, entraînant une grande quantité d'huile dans le circuit frigorifique. Ce phénomène est connu sous le nom d' « effet mayonnaise ».
[0005] Lorsque la température de l'huile est trop élevée, sa viscosité est réduite, diminuant ainsi ses propriétés de lubrification. Des grippages ou une usure prématurée du compresseur peuvent en résulter. [0006] Parfois il arrive que le fluide frigorigène ne s'évapore pas correctement dans l'évaporateur, et retourne au compresseur sous forme de liquide. Ce phénomène, appelé « coup de liquide » est une importante cause de casse des compresseurs. Il peut se produire lorsqu'un détendeur est mal réglé ou bloqué en position ouverte ou lors d'un défaut de fonctionnement de l'évaporateur. [0007] Parfois au contraire, le fluide frigorigène retourne au compresseur sous forme de vapeur surchauffée, pouvant causer une surchauffe de l'huile du compresseur et causer les problèmes évoqués ci- dessus. Ce phénomène est connu sous le nom de « surchauffe importante » par les frigoristes.
[0008] D'autres problèmes pouvant survenir sur ce type de machines sont : fuite de fluide frigorigène, mauvais refroidissement du condenseur, etc.
[0009] Les problèmes cités ci-dessus peuvent généralement être détectés par un technicien à l'aide de mesures de température, pression, niveau d'huile, etc.
État de la technique
[0010] On constate des problèmes cités ci-dessus que pour le bon fonctionnement d'une installation frigorifique, il est nécessaire de contrôler le fonctionnement du compresseur, en fonction de mesures telles que températures, pressions, niveau d'huile, etc. Ces mesures permettent de déterminer si le compresseur peut être mis en marche ou doit être arrêté.
[0011] Parmi les sécurités utilisées de manière traditionnelle figurent les pressostats basse pression, raccordés au carter du compresseur. Ces pressostats sont réglés une fois pour toutes lors de l'installation, et ne permettent pas de contrôle intelligent d'une installation. [0012] De manière traditionnelle, on installe des capteurs sur une installation frigorifique, et on les relie à un panneau de contrôle. Ce panneau de contrôle comprend de nombreux éléments électriques et électroniques. Il est généralement assemblé sur site, ce qui représente une charge de travail et une source d'erreurs. De plus, ce panneau de contrôle étant installé à une certaine distance du ou des compresseurs, il requiert de nombreuses liaisons électriques et hydrauliques. Ces nombreux éléments disjoints ne sont pas conçus pour collaborer entre eux et assurer une optimisation du fonctionnement du compresseur. [0013] On connaît de EP 0 907 058 A2 un dispositif de contrôle pour compresseur de machine frigorifique. Ce dispositif comprend un circuit électronique dans un boîtier pouvant être installé sur le compresseur. Dans ce dispositif, des alarmes de pression d'huile haute et basse permettent d'arrêter le compresseur. Suivant cette invention, le circuit électronique comporte un temporisateur qui a pour fonction de retarder le redémarrage du compresseur après le retour à la normale de la pression d'huile. Durant ce délai, l'huile se stabilise, et le réfrigérant éventuellement présent dans l'huile se sépare. Un utilisateur peut communiquer avec le dispositif à l'aide d'un appareil portatif. Ce dispositif ne comporte cependant aucun moyen de mesure de pression, ce qui le rend inapte à détecter les défauts évoqués ci-dessus.
[0014] On connaît également un dispositif de contrôle pour compresseur de machine frigorifique du document US 5 901 559. Ce dispositif décrit un contrôleur de niveau d'huile, apte à admettre dans le carter d'un compresseur l'huile collectée dans un réservoir. Suivant ce document, une première temporisation est prévue lors de la détection du niveau bas d'huile, avant l'admission d'huile. Une seconde temporisation est également prévue pour maintenir l'admission d'huile pendant un délai après le retour du niveau d'huile au-dessus du seuil bas. Ce document évoque également la possibilité de mesurer d'autres paramètres (Voir « input device 98 » sur figures 2 et 5, ainsi que dans le texte, colonne 2, ligne 54 à 62, et colonne 5, lignes 38 à 59). Cependant, seul le problème du contrôle du niveau d'huile dans le carter du compresseur est traité dans ce document, l'utilisation d'autres paramètres n'étant évoquée que de manière très générale. [0015] On connaît enfin un dispositif de contrôle à intelligence distribuée pour réfrigération commerciale du document US 6 332 327. Ce dispositif décrit l'utilisation d'un contrôleur maître 70, et de modules de sécurité et de contrôle 48, installés sur chacun des compresseurs, et en communication avec le contrôleur maître. Ce document n'adresse cependant pas les questions de sécurité propres à chaque compresseur individuel.
[0016] Ces dispositifs connus ne permettent donc pas de résoudre tous les problèmes précités, ce qui nuit à la durée de vie du compresseur. En particulier, le principe de contrôle de ces dispositifs est basé sur l'hypothèse selon laquelle le compresseur se trouve dans un état de fonctionnement correct après écoulement d'un certain délai, sans qu'il y ait réellement une mesure de cet état.
Buts de l'invention [0017] La présente invention vise à fournir un dispositif de sécurité pour compresseur de machine frigorifique, permettant de prolonger la durée de vie du compresseur.
[0018] En particulier, la présente invention vise à fournir un dispositif et un procédé qui détecte les problèmes pouvant détériorer le compresseur, et qui prend les mesures nécessaires à sa sauvegarde. [0019] La présente invention vise également à fournir un dispositif permettant de réaliser la régulation d'une centrale frigorifique.
Résumé de l'invention
[0020] La présente invention se rapporte à un dispositif de sécurité et de contrôle pour compresseur de machine frigorifique, placé sur le carter du compresseur, comportant un moyen de contrôle électronique programmable apte à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur, un capteur de la pression à l'aspiration du compresseur pas , ce capteur étant relié au moyen de contrôle électronique programmable, comprenant en outre un capteur de la température à l'aspiration du compresseur TaSp, le moyen de contrôle étant apte à calculer la température Tsat qu'aurait le fluide frigorigène au point de la courbe de vapeur saturée correspondant à la pression à l'aspiration du compresseur pasp, et à arrêter et/ou interdire le démarrage du compresseur si cette température Tasp diffère de plus d'une valeur seuil de la température calculée Tsat.
[0021] Dans ce dispositif, le moyen de contrôle électronique programmable peut comporter des moyens aptes à recevoir des paramètres A1 et B1 , et permettant de calculer la température Tsat en fonction de la pression paSp au moyen de la relation
Tsat = (B1/ (A1-Ln (pasp+1))-273
lesdits paramètres étant choisis en fonction du fluide frigorigène utilisé dans la machine frigorifique.
[0022] Le dispositif peut avantageusement comprendre un capteur de la température de l'huile dans le compresseur Thune, et le moyen de contrôle électronique programmable comporter des moyens aptes à recevoir les caractéristiques de l'huile et du fluide frigorigène utilisé, et à déterminer la concentration de fluide frigorigène dans l'huile et la viscosité cinématique de l'huile, en fonction de la température de l'huile dans le compresseur, Thuiie, et de la pression à l'aspiration du compresseur, paSp, et à arrêter et/ou interdire le démarrage du compresseur si cette viscosité est inférieure à un seuil prédéterminé.
[0023] Les caractéristiques de l'huile et du fluide frigorigène utilisés peuvent être déterminées par des courbes paramétriques donnant premièrement, pour chaque température de l'huile dans le compresseur Thune et chaque pression à l'aspiration du compresseur pasp, la concentration de fluide frigorigène dans l'huile, et donnant ensuite, pour chaque température de l'huile dans le compresseur TnUiie et chaque concentration de fluide frigorigène dans l'huile, la viscosité cinématique de l'huile. [0024] Dans une variante préférée de l'invention, le moyen de contrôle électronique programmable comporte des moyens aptes à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur lorsque la pression à l'aspiration du compresseur pasp est inférieure à un seuil prédéterminé. [0025] Dans une autre variante préférée de l'invention, le dispositif comprend un capteur de la pression au refoulement du compresseur PHP et ce capteur est relié au moyen de contrôle électronique programmable de manière à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur lorsque la pression au refoulement du compresseur PHP est supérieure à un seuil prédéterminé.
[0026] Les capteurs de pressions sont de préférence des capteurs céramiques à couches épaisses, ou des capteurs piézorésistifs. [0027] Le moyen de contrôle électronique programmable comporte de préférence un microprocesseur. [0028] Le moyen de contrôle électronique programmable peut également comporter des moyens de mémorisation et/ou des moyens de communication. [0029] Le moyen de contrôle électronique programmable peut favorablement être apte à activer des moyens de signalisation locaux et/ou à distance.
[0030] Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, le dispositif est conçu pour utilisation dans une centrale frigorifique, dans laquelle chaque compresseur comporte un dispositif suivant l'invention, ces dispositifs étant reliés entre eux. Le moyen de contrôle électronique programmable d'un des compresseurs détermine, en fonction d'une valeur de consigne, d'un paramètre mesuré ou calculé, s'ils doit faire démarrer le compresseur qu'ils contrôle, en prenant en compte les mesures des capteurs, les informations mémorisées et celles communiquées par au moins un autre dispositif semblable installé sur un autre compresseur.
[0031] La présente invention se rapporte également à un centrale frigorifique comportant une pluralité de compresseurs, dans laquelle au moins un compresseur comporte un dispositif de sécurité et de contrôle suivant l'une quelconque des revendications précédentes. [0032] La présente invention se rapporte enfin à un procédé d'utilisation d'un compresseur pour machine frigorifique, comportant les étapes suivantes : - on mesure la pression à l'aspiration du compresseur pasp ; - on mesure de la température à l'aspiration du compresseur Tasp ; - on calcule la température Tsat qu'aurait le fluide frigorigène au point de la courbe de vapeur saturée correspondant à la pression à l'aspiration du compresseur pasp ; - on arrête et/ou on interdit le démarrage du compresseur si la température à l'aspiration du compresseur Tasp diffère de plus d'une valeur seuil de la température calculée Tsat.
Brève description des figures [0033] La figure 1 représente une installation frigorifique de l'état de la technique comportant un compresseur muni d'un dispositif suivant l'invention. [0034] La figure 2 représente le diagramme pression-enthalpie représentatif du cycle thermodynamique parcouru par un fluide frigorigène dans l'installation de la figure 1.
[0035] La figure 3 représente les courbes des caractéristiques d'une huile de lubrification et d'un fluide frigorigène.
[0036] La figure 4 représente un groupe de compresseurs pour fonctionnement dans une centrale frigorifique, chaque compresseur étant muni d'un dispositif suivant l'invention, ces dispositifs étant reliés entre eux au moyen d'un réseau.
Description détaillée d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0037] Comme illustré de manière simplifiée à la figure 1 , une installation frigorifique comprend : - un compresseur 1 qui comprime un fluide frigorigène en phase gazeuse, en augmentant sa température ; - un condenseur 2 qui, refroidi par une source froide telle que de l'air extérieur ou de l'eau, fait chuter la température et condense le réfrigérant ; - un réservoir dans lequel le réfrigérant liquide est stocké (non représenté) ; - un détendeur 3; - et un évaporateur 4 dans lequel le fluide frigorigène passe de la phase liquide à la phase vapeur en prélevant des calories dans son environnement. [0038] L'évaporateur 4 permet donc la production du froid dans une chambre froide, un meuble réfrigéré ou peut également refroidir un liquide dans un échangeur de chaleur.
[0039] Le dispositif de sécurité selon l'invention comprend un boîtier
5 qui vient se fixer sur le carter du compresseur 1 , de préférence à l'emplacement prévu pour le voyant de niveau d'huile. Un capteur de pression piézorésistif 6 à l'intérieur du boîtier 5 est en contact avec la pression régnant dans le carter du compresseur et transmet un signal analogique au microcontrôleur ou un microprocesseur 7. Une sonde de température 8, par exemple une thermorésistance, plonge dans l'huile 9 contenue dans le fond du carter du compresseur 1 , et transmet également une valeur au microcontrôleur 7. Un deuxième capteur de pression 10, également piézorésistif, est installé dans le boîtier 5 et est relié par un tube 11 au refoulement du compresseur 1. Enfin, un capteur de température mesure la température Tasp à l'aspiration du compresseur. Tous ces capteurs sont soit intégrés au boîtier 5, soit reliés directement à celui ci par un câble ou un tube 11 court. Le compresseur 1 muni de son dispositif de sécurité forme un ensemble compact, facile à monter et à tester en usine. [0040] Dans l'utilisation du dispositif suivant l'invention, l'utilisation conjointe d'un transmetteur de pression analogique et d'un microcontrôleur permet de varier les seuils et les délais de déclenchement et d'enclenchement du compresseur. Si cette pression devient trop basse, par exemple en cas de fuite de fluide frigorigène, de mauvais réglage ou de la fermeture d'une vanne, le compresseur est arrêté, et une alarme est signalée. On a donc une souplesse d'utilisation qu'il n'était pas possible d'obtenir avec les pressostats classiques. L'utilisation d'un capteur de pression présente, par rapport à l'utilisation d'un pressostat, l'avantage de donner une mesure réelle de la pression, ne présentant pas les imprécisions qu'on peut avoir avec un pressostat mécanique. Le microcontrôleur 7 comporte une sortie logique permettant de commander le contacteur du moteur du compresseur 1 , permettant ainsi d'arrêter le compresseur ou d'interdire son démarrage si celui- ci est à l'arrêt. Le microcontrôleur 7 comporte également une sortie logique permettant de commander une ou plusieurs signalisations situées sur le boîtier 5 lui-même, ou à proximité, ou sur un panneau de contrôle distant.
[0041] La figure 2 illustre le diagramme pression-enthalpie d'un fluide frigorigène. Dans ce diagramme, le fluide est sous forme liquide dans la zone A, sous forme gazeuse dans la zone C. Les phases liquide et gazeuse coexistent dans la zone B. La portion 20 de la courbe de changement de phase est la « courbe de vapeur saturée ». Le point 1 est représentatif de l'aspiration du compresseur. Le segment 1-2 représente la compression, le segment 2-3 représente la condensation. Le segment 3-4 représente la détente dans le détendeur, et le segment 4-1 l'évaporation. Dans les conditions optimales de fonctionnement, tout le fluide est vaporisé à l'issue du parcours dans l'évaporateur. Les problèmes évoqués ci-dessus, à savoir « coup de liquide » et « surchauffe importante » se traduisent par un point représentatif du fluide à l'entrée du compresseur non pas au point 1 du diagramme, mais en un point situé à gauche pour le coup de liquide (tout le fluide n'est pas évaporé), ou à droite de celui-ci pour la surchauffe importante (le gaz a été réchauffé dans l'évaporateur au-delà de la normale). Ces deux problèmes sont résolus par le dispositif de l'invention de la manière suivante : Le microcontrôleur calcule la température que devrait avoir le fluide au point 1 de la courbe de vapeur saturée correspondant à la pression mesurée à l'aspiration. La portion 20 de la courbe peut être approchée par la relation pression-température, de la forme
Tsat =(B1/(A1-Ln(pasp +1))-273
Les paramètres A1 et B1 sont déterminés pour le fluide frigorigène utilisé, et enregistrés dans le microcontrôleur 6, soit par insertion d'une mémoire EEPROM préalablement programmée, soit par une liaison filaire au infrarouge. 'Ln' désigne la fonction « logarithme népérien ». La température Tasp, mesurée par le capteur 12, est comparée à la valeur qu'elle devrait avoir si le point de fonctionnement était bien le point 1 , c'est-à-dire Tsat. Si Tasp est inférieur ou égale à Tsat, on risque le coup de liquide. Si cette différence est supérieure à un seuil, le compresseur est arrêté. Le seuil peut être compris entre 5 et 20°, par exemple 10°. Si au contraire, Tasp est supérieur à Tsat, on a une surchauffe importante, qui risque de surchauffer l'huile. On arrête donc le compresseur si cette différence est supérieure à un seuil. Ce deuxième seuil peut également être compris entre 5 et 20°, par exemple 10°. En utilisant ce dispositif et ce procédé, on obtient donc une protection efficace du compresseur, tant contre la surchauffe importante, que contre le coup de liquide, en effectuant un calcul simple, basé sur deux paramètres, et sur une mesure de pression, et une mesure de température. [0042] Le dispositif suivant l'invention peut également comprendre un capteur 10 de pression haute PHP, raccordé par un flexible 11 à la partie pression haute de la culasse du compresseur. En cas de pression trop élevée, dont la principale cause est un mauvais refroidissement du condenseur (ventilateur hors service, batterie encrassée ou manque d'eau pour les condenseurs à eau), le microcontrôleur signale une alarme de pression haute. [0043] Un capteur d'intensité mesure l'intensité du moteur du compresseur. Si cette intensité s'écarte trop d'une valeur nominale, le microcontrôleur signale une alarme d'intensité. Cela permet d'éviter que le compresseur ne fonctionne dans des conditions d'intensité anormales et néfastes. [0044] De l'huile contenue dans le carter du compresseur assure la bonne lubrification des pièces en mouvement. La lubrification peut être assurée par barbotage pour les petites puissances et par une pompe à huile pour les compresseurs plus importants. Le type d'huile utilisé dépend du type de fluide frigorigène utilisé dans l'installation et des températures de fonctionnement ainsi que des préconisations du constructeur du compresseur. On voit aussi sur la figure 1 un capteur de température d'huile, qui mesure la température de l'huile. Si l'huile est trop froide, il est impossible d'éviter la migration de fluide frigorigène dans l'huile. Au démarrage du compresseur le fluide frigorigène mélangé à l'huile est injecté par la pompe à huile dans les paliers du compresseur. Le fluide frigorigène étant un dégraissant, le compresseur grippe rapidement. Pour éviter ce problème, une résistance de carter est mise sous tension de façon à maintenir la température suffisamment élevée. Si la température est suffisante, cette tension peut être coupée de façon à réaliser des économies d'énergie. Les moyens de contrôle mettent la résistance de carter sous tension ou non, en fonction de la température de l'huile et de la température souhaitée que le microcontrôleur détermine à partir du type de gaz, du type d'huile et de la basse pression. Tant que la concentration en fluide frigorigène dans l'huile n'est pas acceptable, le microcontrôleur interdit le démarrage du compresseur et continue à chauffer l'huile. [0045] La figure 3 représente les courbes des caractéristiques d'une huile de lubrification et d'un fluide frigorigène. Ces courbes sont enregistrées dans le microcontrôleur, sous forme de tables, ou de courbes paramétriques, soit par insertion d'une mémoire EEPROM préalablement programmée, soit par une liaison filaire au infrarouge. Le microcontrôleur peut alors déterminer, sur base de la température de l'huile, et de la pression à l'aspiration pas , la teneur en fluide frigorigène qui s'est dissoute dans l'huile. Par exemple, pour une température de 30°C, est sous une pression de 5 bar, on relève que le fluide frigorigène R22 se dissout dans l'huile SUNISO 4GS, jusqu'à une teneur de 10%. Le microcontrôleur peut alors déterminer, pour cette même température de 30°C, sur la courbe « 10% de fluide frigorigène dans l 'huile », que la viscosité cinématique de cette huile est de 30 cSt. Pour éviter des défauts de lubrification, le microcontrôleur signale une alarme et interdit le démarrage du compresseur quand la viscosité est inférieure à une valeur déterminée, généralement spécifiée par le constructeur du compresseur. [0046] Pour prolonger la durée de vie d'un compresseur, il faut éviter qu'il ne démarre plus de six fois par heure. Dans le dispositif selon l'invention, le microcontrôleur détecte le démarrage du compresseur grâce au capteur d'intensité, et sont reliés à une horloge, ce qui permet de réaliser cette fonction.
[0047] En général, l'utilisateur d'une machine frigorifique ne se trouve pas en permanence à proximité de son installation. Il est donc intéressant de connaître l'état actuel du compresseur 1 et les éventuelles alarmes correspondantes, mais également l'état passé. C'est pourquoi le dispositif selon l'invention comprend une mémoire, dans laquelle le microcontrôleur 7 peut enregistrer les informations relatives à l'état et aux alarmes du compresseur.
[0048] Les informations mémorisées comprennent les températures et pressions mesurées, les températures et viscosité calculées, les alarmes signalées. Dans cet exemple, les informations sont enregistrées toutes les 30 secondes, et la mémoire est de capacité suffisante pour mémoriser les informations correspondant à une durée d'un mois.
[0049] Le dispositif selon l'invention comprend également des moyens de communication, permettant aux microcontrôleurs 7 d'échanger avec un utilisateur des informations sur l'état et les alarmes actuelles et passées du compresseur. Ces moyens de communication permettent aussi à l'utilisateur de donner des instructions et des paramètres aux microcontrôleurs, par exemple le type de fluide frigorigène, le type d'huile, les valeurs limites correspondant à chaque alarme, etc. Ces moyens de communication peuvent comprendre un réseau local filaire ou sans fil.
[0050] Chacune des alarmes peut donner lieu à l'affichage d'un message, à un enregistrement, une interdiction de démarrage du compresseur ou un arrêt de celui-ci s'il est en marche, éventuellement après l'écoulement d'un certain délai ou la réalisation d'autres conditions. Les alarmes peuvent être signalées aux opérateurs de maintenance par l'allumage de diodes électroluminescentes sur une face du boîtier 5, ou, lorsque le dispositif est relié à un réseau, à un panneau ou écran d'affichage central. [0051] La figure 4 représente une machine équipée de plusieurs compresseurs. Une telle machine s'appelle centrale frigorifique. Le but d'une centrale frigorifique est de maintenir une pression basse ou une pression haute constante, en fonction de la variation de charge de l'installation. Cette variation de charge est due à l'arrêt du froid sur un poste quand celui-ci est arrêté ou quand celui-ci a atteint la température désirée. [0052] Dans la centrale frigorifique, chaque compresseur est équipé d'un dispositif selon l'invention 5, comprenant donc un capteur de pression basse et/ou haute. Le microcontrôleur d'un compresseur décide si le compresseur qu'il commande doit être démarré ou arrêté en fonction de la pression basse ou haute mesurée, d'une pression de consigne et de l'état des autres compresseurs avec lesquels il peut communiquer grâce aux moyens de communications 30 filaire ou sans fil (par onde radio). Ils prennent évidemment aussi en compte les alarmes générées. [0053] Chaque dispositif prend sa décision indépendamment des autres, ce qui présente comme avantage un équilibrage statistique des temps de fonctionnement de chaque compresseur, et l'absence d'une unité centrale dont un défaut serait néfaste à l'ensemble des compresseurs. [0054] Le dispositif suivant l'invention fournit donc un organe de sécurité simple et facile à mettre en œuvre pour éviter les conditions pouvant provoquer des pannes de compresseur. Il permet également de réguler une centrale frigorifique, sans devoir recourir à un organe de contrôle centralisé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de sécurité et de contrôle (5) pour compresseur (1) de machine frigorifique, comportant un moyen de contrôle électronique programmable (7) apte à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur, un capteur de la pression à l'aspiration du compresseur (6) pasp, ce capteur (6) étant relié au moyen de contrôle électronique programmable
(7), caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de la température à l'aspiration du compresseur (12) Tasp, ledit moyen de contrôle (7) étant apte à calculer la température Tsat qu'aurait le fluide frigorigène au point de la courbe de vapeur saturée correspondant à la pression à l'aspiration du compresseur pasp, et à arrêter et/ou interdire le démarrage du compresseur (1) si cette température
Tasp diffère de plus d'une valeur seuil de la température calculée Tsat.
2. Dispositif (5) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le moyen de contrôle électronique programmable (7) comporte des moyens aptes à recevoir des paramètres A1 et B1 , et permettant de calculer la température Tsat en fonction de la pression pasp au moyen de la relation Tsat = (B1/ (A1-Ln (pasp +1))-273, lesdits paramètres étant choisis en fonction du fluide frigorigène utilisé dans la machine frigorifique.
3. Dispositif (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de la température (8) de l'huile (9) dans le compresseur Thuiie, et que le moyen de contrôle électronique programmable (7) comporte des moyens aptes à recevoir les caractéristiques de l'huile (9) et du fluide frigorigène utilisés, et à déterminer la concentration de fluide frigorigène dans l'huile et/ou la viscosité cinématique de l'huile, en fonction de la température de l'huile (9) dans le compresseur Thuiie, et de la pression à l'aspiration du compresseur pasp, et à arrêter et/ou interdire le démarrage du compresseur (1) si cette viscosité est inférieure à un seuil prédéterminé, ou si la concentration de fluide frigorigène dans l'huile (9) est supérieure à un seuil.
4. Dispositif (5) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les caractéristiques de l'huile (9) et du fluide frigorigène utilisés sont déterminées par des courbes paramétriques donnant, premièrement, pour chaque température de l'huile dans le compresseur T^ne et chaque pression à l'aspiration du compresseur pasp, la concentration de fluide frigorigène dans l'huile, et donnant ensuite, pour chaque température de l'huile dans le compresseur Thuiie et chaque concentration de fluide frigorigène dans l'huile, la viscosité cinématique de l'huile (9).
5. Dispositif (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de contrôle électronique programmable (7) comporte des moyens aptes à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur lorsque la pression à l'aspiration du compresseur pasp est inférieure à un seuil prédéterminé.
6. Dispositif (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de la pression au refoulement du compresseur (10) PHP, ce capteur (10) étant relié au moyen de contrôle électronique programmable (7) de manière à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur (1) lorsque ladite pression au refoulement du compresseur PHP est supérieure à un seuil prédéterminé.
7. Dispositif (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les capteurs de pression (6, 10) sont sélectionnés parmi les capteurs céramiques à couches épaisses et les capteurs piézorésistifs.
8. Dispositif (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de contrôle électronique programmable (7) comporte un microprocesseur.
9. Dispositif (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de contrôle électronique programmable (7) comporte des moyens de mémorisation et /ou des moyens de communication (30) filaire ou sans fil.
10. Dispositif (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de contrôle électronique programmable (7) est apte à activer des moyens de signalisation locaux et/ou à distance.
11. Dispositif (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour utilisation dans une centrale frigorifique, dans laquelle chaque compresseur (1) comporte un dispositif (5) suivant l'invention, ces dispositifs (5) étant reliés entre eux, caractérisé en ce que le moyen de contrôle électronique programmable (7) détermine, en fonction d'une valeur de consigne, d'un paramètre mesuré ou calculé, s'ils doit faire démarrer le compresseur (1) qu'ils contrôle, en prenant en compte les mesures des capteurs (6, 8, 10, 12), les informations mémorisées et celles communiquées par au moins un autre dispositif (5) semblable installé sur un autre compresseur.
12. Centrale frigorifique comportant une pluralité de compresseurs (1), dans laquelle au moins un compresseur (1) comporte un dispositif de sécurité et de contrôle (5) suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
13. Procédé d'utilisation d'un compresseur (1) pour machine frigorifique, comportant les étapes suivantes : - on mesure la pression à l'aspiration du compresseur pasp ; - on mesure de la température à l'aspiration du compresseur Tasp ; - on calcule la température Tsat qu'aurait le fluide frigorigène au point de la courbe de vapeur saturée correspondant à la pression à l'aspiration du compresseur pasp ; - on arrête et/ou on interdit le démarrage du compresseur (1) si la température à l'aspiration du compresseur Tasp diffère de plus d'une valeur seuil de la température calculée Tsat.
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