FR3132754A1 - Dispositif et un procédé de réfrigération - Google Patents
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Abstract
Dispositif de réfrigération comprenant un circuit de travail (10) de fluide de travail formant un cycle comprenant un mécanisme (2, 3) de compression, refroidissement, détente et réchauffement, un moteur (11) électrique entraînant en rotation un arbre (15) portant une roue (2) de compresseur, un contrôleur (12) électronique configuré pour recevoir un signal (13) de demande de puissance (P) froide déterminée et, en réponse, pour piloter la vitesse (V) de rotation du moteur (11), le contrôleur (12) électronique étant configuré pour borner la vitesse maximale de fonctionnement (Vmf) du moteur (11) à une valeur inférieure ou égale à sa vitesse maximale de conception (Vmc), en fonctionnement nominal, le contrôleur (12) électronique fixant la vitesse maximale de fonctionnement (Vmf) du moteur à la vitesse de rotation fournissant la puissance (P) froide et régulant la vitesse (V) de rotation du moteur en fonction de la demande de puissance froide sans dépasser ladite vitesse maximale de fonctionnement (Vmf). Figure de l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne un dispositif et un procédé de réfrigération
L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération à basse température, notamment cryogénique, c'est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, le dispositif comprenant un échangeur de refroidissement destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe en lui fournissant une puissance de réfrigération déterminée par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit de travail après sa détente dans le mécanisme de détente, le mécanisme de compression comprenant au moins un moteur électrique entraînant en rotation un arbre portant au moins une roue de compresseur à une vitesse de rotation commandée entre une vitesse minimale et une vitesse maximale de conception déterminée par les caractéristiques du moteur, le dispositif étant du type à puissance de réfrigération variable contrôlée en régulant la vitesse de rotation du moteur, le dispositif comprenant un contrôleur électronique configuré pour contrôler la puissance de réfrigération fournie par le dispositif de réfrigération en pilotant la vitesse de rotation du moteur, le contrôleur électronique étant configuré pour recevoir un signal de demande de puissance froide déterminée à délivrer et, en réponse, pour piloter la vitesse de rotation du moteur pour fournir ladite demande de puissance froide.
L’invention concerne en particulier la gestion de la charge d’une machine cryogénique à partir d’un point de consigne venant d’un système client/d’un opérateur à refroidir, tout en laissant le système auto-sécurisé.
L’invention concerne en particulier une gestion de la vitesse d’un moteur autonome en cas de mauvaise condition d’utilisation (débit à refroidir insuffisant, température de fluide à refroidir déjà trop froid, etc.). Pour ce type de dispositif, la puissance froide fournie est fonction de la vitesse des moteurs. Plus la vitesse du moteur est importante, plus la machine délivrera de la puissance froide au fluide client. Lorsque la machine est en fonctionnement nominal (refroidissement du fluide client), la température du fluide de travail est imposée par la température du fluide client. Le point de régulation interne de la machine est basé sur la température du fluide de travail. C’est-à-dire que le contrôleur de vitesse ajustera la vitesse du moteur pour maintenir cette température du fluide de travail à cette consigne. Si cette température mesurée du fluide de travail excède la consigne, le moteur accélère. Au contraire si cette température mesurée du fluide de travail est en dessous de la consigne, le moteur décélère. Ce point de consigne est généralement plus froid que la température de consigne du fluide client à refroidir. Le contrôleur de vitesse va demander une accélération de la vitesse moteur, sans avoir d’effet sur la température du fluide de travail mais va réaliser une augmentation de la puissance froide fournie.
Pour ces applications, il est connu d’utiliser une régulation du type PID, avec un paramètre régulé (vitesse moteur) pour maintenir une mesure (puissance froide de la machine) à une certaine consigne (point de fonctionnement venant du client).
La régulation d’un tel dispositif est dépendante de la qualité de la mesure de paramètres. En cas de perte de l’un des capteurs sur la chaine de mesure de puissance froide, il n’est plus possible de réguler correctement la charge de la machine. De plus, dans les systèmes connus la réactivité de la régulation est faible car le système met un certain temps pour atteindre la consigne. Un réglage de type « PID » trop rapide il y a le risque important d’oscillation de la charge.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le contrôleur électronique est configuré pour borner la vitesse maximale de fonctionnement du moteur à une valeur inférieure ou égale à la vitesse maximale de conception, en fonctionnement nominal, c’est-à-dire lorsque le dispositif fournit la puissance froide déterminée, le contrôleur électronique étant configuré pour fixer la vitesse maximale de fonctionnement du moteur à la vitesse de rotation fournissant la puissance froide déterminée et pour réguler la vitesse de rotation du moteur en fonction de la demande de puissance froide sans dépasser ladite vitesse maximale de fonctionnement.
Le contrôleur bornera la vitesse moteur jusqu’à la valeur maximum. L’invention consiste donc à réguler la puissance délivrée en modifiant la vitesse maximum qui peut être demandée par le contrôleur de vitesse. La régulation sur la température cible du fluide de travail à atteindre reste active. Grâce à la gestion de la vitesse maximum du ou des moteurs, il est ainsi possible de réguler la puissance froide délivrée par la machine au fluide client à refroidir.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le contrôleur électronique est un contrôleur de vitesse comprenant un microprocesseur et/ou un ordinateur,
- le dispositif comprend au moins un capteur de température du fluide de travail dans le circuit de travail, par exemple à une entrée et/ou à une sortie du mécanisme de détente, le contrôleur électronique étant configuré pour recevoir la mesure du au moins un capteur de température,
- le contrôleur électronique est configuré pour piloter la vitesse de rotation du moteur pour atteindre une valeur cible de température au niveau du au moins un capteur de température,
- le contrôleur électronique est configuré pour calculer la valeur de vitesse de rotation du moteur en fonction de la demande de puissance froide via une formule obtenue par une fonction de régression des mesures réelles de performance du dispositif,
- la fonction de régression est une fonction polynomiale de degré supérieur ou égal à deux de la puissance froide, ladite formule et notamment les coefficients de la fonction polynomiale étant calculée à partir de mesures réelles de performance du dispositif,
- le mécanisme de compression comprend une ou plusieurs roues de compresseurs disposées le cas échéant en série et/ou en parallèle dans le circuit de travail formant un ou plusieurs étages de compression pour le fluide de travail, la ou les roues de compresseur étant entrainées en rotation par un ou plusieurs moteurs, le mécanisme de détente comprenant une ou plusieurs turbines de disposées le cas échéant en série et/ou en parallèle dans le circuit de travail formant un ou plusieurs étages de détente pour le fluide de travail, au moins l’une des turbines étant montée sur le même arbre d’un moteur entraînant en rotation au moins une roue de compresseur,
- le dispositif comprend plusieurs moteurs, le contrôleur électronique étant configuré pour piloter la vitesse de rotation de tout ou partie des moteurs pour fournir ladite demande de puissance froide,
- l’échangeur de refroidissement destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe comprend un passage de circulation de fluide pour refroidir un organe constitué d’un flux de fluide.
L’invention concerne également un procédé de réfrigération à basse température, c'est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, d’un organe tel qu’un flux de fluide en utilisant un dispositif de réfrigération conforme à l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, comprenant une régulation de la puissance froide délivrée par le dispositif en pilotant la vitesse maximale de fonctionnement du moteur.
Selon une particularité possible le procédé comporte une étape de réception d’un signal de demande de puissance froide déterminée à délivrer par le dispositif, une étape détermination d’une vitesse de rotation déterminée du moteur pour fournir ladite demande de puissance, une étape de fixation de la vitesse maximale de fonctionnement à la valeur de la vitesse de rotation déterminée et une étape de maintien de la vitesse de rotation du moteur à ladite la vitesse maximale de fonctionnement.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
Le dispositif 1 de réfrigération cryogénique, c'est-à-dire opérant à une température basse comprise par exemple entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, comprend un circuit de travail 10 formant une boucle et contenant un fluide de travail.
Le circuit 10 de travail forme un cycle comprenant en série: un mécanisme 2, 3 de compression du fluide de travail, un mécanisme 6, 16 de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme 7 de détente du fluide de travail et un mécanisme 6, 8 de réchauffement du fluide de travail.
Le dispositif 1 comprend un échangeur 8 de refroidissement destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe 25 ou utilisateur en lui fournissant une puissance P de réfrigération déterminée par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit 10 de travail après sa détente dans le mécanisme 7 de détente. L’échangeur 8 de refroidissement destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe 25 comprend par exemple un passage de circulation de fluide pour refroidir un organe 25 constitué par exemple d’un flux de fluide à refroidir.
Le mécanisme 2, 3 de compression comprend au moins un moteur 11 électrique entraînant en rotation un arbre 15 portant au moins une roue 2 de compresseur à une vitesse de rotation commandée entre une vitesse minimale et une vitesse maximale de conception Vmc du moteur qui est déterminée par exemple par les caractéristiques de conception et de fabrication du moteur 11.
Comme illustré dans les différents exemples, le mécanisme 2, 3 de compression peut comprendre une ou plusieurs roues 2 de compresseurs disposées le cas échéant en série et/ou en parallèle dans le circuit 10 de travail et formant un ou plusieurs étages de compression pour le fluide de travail. La ou les roues 2 de compresseur peuvent être entrainées en rotation par un ou plusieurs moteurs 11. Le mécanisme 7 de détente peut comprendre quant à lui une ou plusieurs turbines 7 (et/ou vanne(s) de détente) de disposées le cas échéant en série et/ou en parallèle dans le circuit 10 de travail formant un ou plusieurs étages de détente pour le fluide de travail.
Au moins l’une des turbines 7 peut être montée sur le même arbre 15 d’un moteur 11 entraînant en rotation au moins une roue 2 de compresseur.
Le dispositif de réfrigération est du type à puissance P de réfrigération variable contrôlée en régulant la vitesse V de rotation du moteur 11.
Par exemple, et comme schématisé à la , cette vitesse peut être déterminée à partir d’une courbe caractéristique donnant la puissance froide P en fonction de la vitesse de rotation du moteur. A noter que la courbe représentée à titre d’exemple est une fonction parabolique, cependant ceci n’est nullement limitatif.
Par exemple, le contrôleur 12 électronique peut être configuré pour calculer la valeur de vitesse V de rotation du moteur en fonction de la demande de puissance froide via une formule dans laquelle ladite vitesse est donnée par une fonction polynomiale de degré supérieur ou égal à deux de la puissance froide P, ladite formule étant prédéfinie (établie ou calculée) à partir de mesures réelles mesurées de performance du dispositif 1.
Par exemple, ces valeurs réelles sont mesurées sur un dispositif et les coefficients (la formule) peuvent être définis pour toute une gamme de dispositifs identiques (ou à chaque fois pour chaque machine).
Comme illustré, le dispositif 1 comprend un contrôleur 12 électronique configuré pour contrôler la puissance P de réfrigération fournie par le dispositif 1 de réfrigération en pilotant la vitesse V de rotation du ou des moteurs 11. C’est-à-dire que, lorsqu’il y a plusieurs moteurs, le contrôleur 12 électronique peut être configuré pour piloter la vitesse V de rotation de tout ou partie des moteurs 11 pour fournir ladite demande de puissance froide.
Le contrôleur 12 électronique est par exemple un contrôleur de vitesse comprenant un microprocesseur et/ou un ordinateur. Il peut être intégré au dispositif 1 ou au moins en partie déporté.
Le contrôleur 12 électronique est en particulier configuré pour recevoir un signal 13 de demande de puissance P froide déterminée à délivrer et, en réponse, pour piloter la vitesse V de rotation du moteur 11 pour fournir ladite demande de puissance froide.
Selon une particularité avantageuse, le contrôleur 12 électronique est configuré pour borner la vitesse maximale de fonctionnement Vmf du moteur 11 à une valeur inférieure ou égale à la vitesse maximale de conception Vmc. De plus, en fonctionnement nominal, c’est-à-dire lorsque le dispositif 1 fournit la puissance froide déterminée, le contrôleur 12 électronique est configuré pour fixer la vitesse maximale de fonctionnement Vmf du moteur à la vitesse de rotation fournissant la puissance P froide déterminée et pour réguler la vitesse V de rotation du moteur en fonction en fonction de la demande de puissance froide sans dépasser ladite vitesse maximale de fonctionnement Vmf. (par exemple Vmf est un pourcentage de Vmc Cf. ).
C’est-à-dire que, en fonctionnement, la vitesse du moteur peut être variée en fonction de la puissance froide P demandée.
La vitesse maximale de fonctionnement Vmf du moteur peut être fixée par exemple au démarrage du dispositif 1 (au démarrage de l'installation), c'est la vitesse réelle qui permet de délivrer la puissance nominale demandée par le client ou utilisateur 25. Par « fonctionnement nominal » on désigne par exemple le fonctionnement du dispositif lorsqu’il fournit 100% de la puissance nominal.
Ceci permet d’atteindre rapidement la consigne de puissance froide à fournir par rapport à une régulation de type PID connue. Cette solution permet en outre une plus grande réactivité pour atteindre le point de consigne au niveau de l’application à refroidir (pression, température, etc.).
Ceci peut rendre le fonctionnement indépendant par rapport aux mesures réelles de puissance froide fournie. Ceci évite une possible erreur de régulation en cas d’une mauvaise mesure (dérive d’un capteur par exemple).
Par exemple, le dispositif 1 comprend au moins un capteur 9, 19 de température du fluide de travail dans le circuit 10 de travail, par exemple à une entrée et/ou à une sortie du mécanisme 7 de détente et le contrôleur 12 électronique est configuré pour recevoir la mesure 14 du au moins un capteur 9, 19 de température.
Par exemple, le contrôleur 12 électronique est configuré pour piloter la vitesse V de rotation du moteur 11 pour atteindre une valeur cible de température au niveau du au moins un capteur 9, 19 de température dans le circuit de travail.
La cible de température peut être constante et égale à la température froide demandée par l'application client à refroidir.
Le système de régulation peut être autonome en ce qui concerne la gestion en température (le contrôleur 12 reste actif car on ne régule que la vitesse maximum). En cas de de problème de débit du fluide à refroidir 25 (arrêt d’une pompe ou autre), le contrôleur 12 pourra ajuster la vitesse de rotation du moteur pour ne pas descendre en dessous de la consigne de température du fluide de travail.
La vitesse maximale de fonctionnement du moteur Vmf est de préférence bornée à une valeur strictement inférieure à la vitesse maximale de conception du moteur Vmc.
Dans d’autres applications, il est possible que la vitesse maximale de fonctionnement du moteur Vmf soit égale à la vitesse maximale de conception du moteur Vmc. Dans ces applications (dans la liquéfaction d’un biométhane par exemple), la température du fluide client à refroidir (par exemple en sortie d’échangeur de refroidissement) est prise comme paramètre de contrôle de la régulation de la vitesse du ou des moteurs. La température mesurée conduit à une correction de la consigne de température cible qui conduit alors à une variation de la consigne de vitesse du ou des moteurs (par exemple en pourcentage % de la vitesse maximale de fonctionnement du moteur.
Claims (11)
- Dispositif de réfrigération à basse température, notamment cryogénique, c'est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, comprenant un circuit de travail (10) formant une boucle et contenant un fluide de travail, le circuit (10) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (2, 3) de compression du fluide de travail, un mécanisme (6, 16) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (7) de détente du fluide de travail et un mécanisme (6, 8) de réchauffement du fluide de travail, le dispositif (1) comprenant un échangeur (8) de refroidissement destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe (25) en lui fournissant une puissance (P) de réfrigération déterminée par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit (10) de travail après sa détente dans le mécanisme (7) de détente, le mécanisme (2, 3) de compression comprenant au moins un moteur (11) électrique entraînant en rotation un arbre (15) portant au moins une roue (2) de compresseur à une vitesse de rotation commandée entre une vitesse minimale et une vitesse maximale de conception (Vmc) déterminée par les caractéristiques du moteur (11), le dispositif (1) étant du type à puissance (P) de réfrigération variable contrôlée en régulant la vitesse (V) de rotation du moteur (11), le dispositif (1) comprenant un contrôleur (12) électronique configuré pour contrôler la puissance (P) de réfrigération fournie par le dispositif (1) de réfrigération en pilotant la vitesse (V) de rotation du moteur (11), le contrôleur (12) électronique étant configuré pour recevoir un signal (13) de demande de puissance (P) froide déterminée à délivrer et, en réponse, pour piloter la vitesse (V) de rotation du moteur (11) pour fournir ladite demande de puissance froide, caractérisé en ce que le contrôleur (12) électronique est configuré pour borner la vitesse maximale de fonctionnement (Vmf) du moteur (11) à une valeur inférieure ou égale à la vitesse maximale de conception (Vmc) et en ce que, en fonctionnement nominal, c’est-à-dire lorsque le dispositif (1) fournit la puissance froide déterminée, le contrôleur (12) électronique est configuré pour fixer la vitesse maximale de fonctionnement (Vmf) du moteur à la vitesse de rotation fournissant la puissance (P) froide déterminée et pour réguler la vitesse (V) de rotation du moteur en fonction de la demande de puissance froide sans dépasser ladite vitesse maximale de fonctionnement (Vmf).
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contrôleur (12) électronique est un contrôleur de vitesse comprenant un microprocesseur et/ou un ordinateur.
- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un capteur (9, 19) de température du fluide de travail dans le circuit (10) de travail, par exemple à une entrée et/ou à une sortie du mécanisme (7) de détente, le contrôleur (12) électronique étant configuré pour recevoir la mesure (14) du au moins un capteur (9, 19) de température.
- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le contrôleur (12) électronique est configuré pour piloter la vitesse (V) de rotation du moteur (11) pour atteindre une valeur cible de température au niveau du au moins un capteur (9, 19) de température.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contrôleur (12) électronique est configuré pour calculer la valeur de vitesse (V) de rotation du moteur en fonction de la demande de puissance froide via une formule obtenue par une fonction de régression des mesures réelles de performance du dispositif (1).
- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fonction de régression est une fonction polynomiale de degré supérieur ou égal à deux de la puissance froide, ladite formule et notamment les coefficients de la fonction polynomiale étant calculée à partir de mesures réelles de performance du dispositif (1).
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mécanisme (2, 3) de compression comprend une ou plusieurs roues (2) de compresseurs disposées le cas échéant en série et/ou en parallèle dans le circuit (10) de travail formant un ou plusieurs étages de compression pour le fluide de travail, la ou les roues (2) de compresseur étant entrainées en rotation par un ou plusieurs moteurs (11), le mécanisme (7) de détente comprenant une ou plusieurs turbines (7) de disposées le cas échéant en série et/ou en parallèle dans le circuit (10) de travail formant un ou plusieurs étages de détente pour le fluide de travail, au moins l’une des turbines (7) étant montée sur le même arbre (15) d’un moteur (11) entraînant en rotation au moins une roue (2) de compresseur.
- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs moteurs (11), le contrôleur (12) électronique étant configuré pour piloter la vitesse (V) de rotation de tout ou partie des moteurs (11) pour fournir ladite demande de puissance froide.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’échangeur (8) de refroidissement destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe (25) comprend un passage de circulation de fluide pour refroidir un organe (25) constitué d’un flux de fluide.
- Procédé de réfrigération à basse température, c'est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, d’un organe (25) tel qu’un flux de fluide en utilisant un dispositif de réfrigération conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant une régulation de la puissance froide délivrée par le dispositif (1) en pilotant la vitesse maximale de fonctionnement (Vmf) du moteur (1).
- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de réception d’un signal (13) de demande de puissance (P) froide déterminée à délivrer par le dispositif (1), une étape détermination d’une vitesse de rotation (V) déterminée du moteur pour fournir ladite demande de puissance, une étape de fixation de la vitesse maximale de fonctionnement (Vmf) à la valeur de la vitesse de rotation déterminée et une étape de maintien de la vitesse (V) de rotation du moteur à ladite la vitesse maximale de fonctionnement (Vmf).
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| WO2021023428A1 (fr) * | 2019-08-05 | 2021-02-11 | L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Procédé, dispositif et installation de réfrigération et/ou de liquéfaction |
| CN112484330A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-03-12 | 河南新飞制冷器具有限公司 | 一种布雷顿制冷循环低温箱 |
-
2022
- 2022-02-15 FR FR2201298A patent/FR3132754B1/fr active Active
- 2022-12-20 WO PCT/EP2022/086870 patent/WO2023156047A1/fr unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013154185A1 (fr) * | 2012-04-13 | 2013-10-17 | 大陽日酸株式会社 | Dispositif de refroidissement pour appareil supraconducteur à haute température, et procédé de fonctionnement de celui-ci |
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| CN112484330A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-03-12 | 河南新飞制冷器具有限公司 | 一种布雷顿制冷循环低温箱 |
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