Le secret du dégivrage adaptatif de Danfoss

lundi 4 mai 2020

Avant d'aborder le secret du dégivrage adaptatif de Danfoss, examinons d'abord les méthodes les plus courantes de dégivrage des évaporateurs et découvrons pourquoi elles sont nécessaires.

Pourquoi le dégivrage est-il nécessaire ?

De la glace peut se former dans les évaporateurs en raison de plusieurs facteurs tels que l'humidité, la température à la surface de l'évaporateur, ainsi que le débit d'air. Si les évaporateurs ne sont pas régulièrement dégivrées, de la glace peut s'accumuler à leur surface et le débit d'air est alors ralentit voir tend à cesser complètement, ce qui entraîne une réduction du refroidissement et le rend donc inefficace.

Un mauvais débit d'air entraîne donc des hausses de températures sur l'air, ce qui déclenche des alarmes de température élevée. Des températures d'air élevées sur de longues périodes nuisent à la qualité des aliments et peuvent par conséquent entraîner des pertes alimentaires.

Mais bien que le dégivrage soit nécessaire pour un fonctionnement sûr et efficace, un équilibre doit être trouvé.

Des cycles de dégivrage peu fréquents ou courts peuvent également engendrer la formation de glace sur l'évaporateur pouvant entraîner le besoin d'un entretien prématuré. Alors qu'un trop grand nombre de cycles de dégivrage effectués sur une longue durée peut avoir un impact négatif sur la qualité des aliments. Cela peut également générer une consommation d'énergie excessive.

En quoi le dégivrage adaptatif est-il si intelligent ?

Étant donné que l'humidité, la température ambiante et le débit d'air peuvent varier de manière considérable en raison du remplissage excessif ou de l'ouverture des portes de la chambre froide, même un programme de dégivrage optimal ne peut pas tenir pleinement compte des nombreuses conditions de fonctionnement.

C'est pourquoi un algorithme de contrôle du dégivrage adaptatif est nécessaire pour garantir le bon nombre de cycles de dégivrage selon les conditions en temps réel.

Méthodes habituelles de dégivrage (modernes)

Les régulateurs de l'évaporateur AK-CC de Danfoss sont dotés d'une fonction de régulation du dégivrage flexible permettant aux utilisateurs de configurer diverses méthodes de dégivrage, ainsi qu'une palette de méthodes de début et d'arrêt du dégivrage.

Les capteurs de température AK-CC de Danfoss et leur emplacement :

Évaporateur S3 air activé—sonde de reprise d'air

Évaporateur S4 air désactivé—sonde d’air de refoulement

Arrêt dégivrage S5—sonde de fin de dégivrage

Cycle de dégivrage air/arrêt

La meilleure façon de faire fondre la glace dépend de la conception de l'armoire et du niveau de température. Dans des applications à température moyenne (5 °C), la glace peut fondre en mettant en pause la réfrigération, ce qui permet aux ventilateurs de simplement faire circuler l'air.

Dégivrage électrique ou par gaz chauds

Dans des applications à basse température où la température cible est d'environ -18 °C, la glace ne peut fondre qu'à l'aide d'une source de chaleur, généralement une résistance de carter électrique montée à proximité des ailettes de l'évaporateur ou du gaz chaud circulant à l'intérieur du tube de l'évaporateur.

Méthodes de dégivrage

Intervalle d'ouverture du dégivrage

La méthode de début de dégivrage la plus simple utilise un intervalle d'ouverture du dégivrage réinitialisée après chaque cycle de dégivrage.

Il est également logique d'utiliser un intervalle d'ouverture comme système de secours pour d'autres méthodes de début du dégivrage. Par exemple, si une entrée digitale provenant d'un dispositif externe est utilisée pour démarrer un cycle de dégivrage deux fois par jour et que le signal est interrompu, le réglage de l'intervalle d'ouverture du dégivrage pour effectuer un dégivrage d'urgence 16 heures après le dernier cycle peut aider à protéger le système.

Planning de dégivrage

Il s'agit de la méthode de début de dégivrage la plus courante, elle peut être lancée à partir du système frontal en utilisant la communication par bus ou à partir du planning de dégivrage intégré. En utilisant un planning, les dégivrages peuvent être réalisés en dehors des heures de pointe ou lorsqu'un magasin est fermé.

Temps de fonctionnement maximum du thermostat

Une méthode de début de dégivrage moins courante, le temps de fonctionnement maximum du thermostat utilise un temps de réfrigération accumulé entre les dégivrages.

Début de dégivrage manuel ou externe

Les cycles de dégivrage peuvent également être lancés au moyen d'une entrée digitale, une application ou le bouton de début/fin de dégivrage sur les écrans de réglage.

Toutes les méthodes de début de dégivrage peuvent être utilisées en parallèle.

Temps

Après avoir sélectionné une méthode de dégivrage, il est important de sélectionner une méthode d'arrêt ou de fin du dégivrage appropriée.

Lors de l'utilisation de la circulation d'air dans des armoires à température moyenne, faire circuler l'air à un moment défini peut être suffisant. Toutefois, les cycles de dégivrage électrique ou par gaz chauds requièrent des méthodes d'arrêt plus sophistiquées afin d'éviter la surchauffe de l'armoire lorsque la glace a fondu.

Sonde de dégivrage S5 ou capteur de température de refoulement S4

Souvent, une sonde d'arrêt ou de fin de dégivrage est placée sur l'évaporateur où la glace se forme en règle générale. En surveillant le signal de température lors du dégivrage, le cycle peut être arrêté lorsque la sonde atteint une température définie.

Les régulateurs AK-CC de Danfoss ont un réglage de durée de dégivrage maximum qui est également utilisé comme fonction de sécurité en association avec d'autres méthodes d'arrêt du dégivrage.

Arrêt manuel du dégivrage

Les cycles de dégivrage peuvent également être arrêtés manuellement via le système frontal, une application ou le bouton de démarrage/arrêt du dégivrage sur les écrans de réglage.

Des cycles de dégivrage trop fréquents ou trop longs peuvent avoir un impact négatif sur la qualité des aliments et risquer de compromettre l'efficacité du système à cause des températures dangereuses et d'alarmes de température imprévues. En outre, un système utilise davantage d'énergie pour atteindre sa température cible après un cycle de dégivrage.

L'utilisation du mode de dégivrage adaptatif, associé à un capteur de température S5, peut aider à optimiser les cycles de dégivrage.

L’algorithme de dégivrage adaptatif de Danfoss peut détecter la quantité de glace formée et peut être défini pour annuler un dégivrage programmé ou seulement mener à bien un dégivrage si le débit d’air de l’évaporateur est entravé par du givre ou de la glace.

Le concept compare l'absorption d'énergie du côté débit du réfrigérant avec les émissions d'énergie du côté du débit d'air. Par exemple, lorsque l'évaporateur est exempt de glace, un équilibre énergétique est supposé. Tandis qu'un déséquilibre peut être détecté lorsque de la glace s'accumule sur la surface de l'évaporateur, ce qui se traduit par un débit d'air restreint.

Le calcul du débit d'énergie et la comparaison entre le réfrigérant et le débit d'air dépendent de différents signaux de sonde existants et des données du régulateur :

  • Côté réfrigérant : température de condensation Tc depuis le régulateur pack distribuée via le système frontal. La pression de l'évaporateur Pe, la température de sortie de la bobine S2 et le degré d'ouverture (DE %) du détendeur électrique.
  • Côté débit d'air : évaporateur S3 air activé (air de retour) et évaporateur S4 air désactivé (air de refoulement).

Fonction de surveillance

La surveillance peut être configurée en parallèle avec d’autres méthodes de dégivrage et générer une alarme en cas de débit d’air restreint ou de formation de glace sur l’évaporateur. Une alarme de gaz instantanée peut également être activée pour indiquer des problèmes de débit de réfrigérant.

Saut adaptatif (jour)

Le saut adaptatif (jour) permet au régulateur d'annuler et d'ignorer les dégivrages programmés durant la journée, laissant ainsi les dégivrages se poursuivre la nuit sans interruption.

Seuls les dégivrages qui sont configurés dans le système frontal via un planning ou configurés dans le régulateur via le planning interne de dégivrage peuvent être ignorés.

Saut adaptatif (jour et nuit)

Dans une configuration adaptative jour et nuit, le régulateur peut ignorer les cycles de dégivrage programmés 24 h/24.

Toutefois, pour des raisons de sécurité, seuls trois dégivrages consécutifs au maximum peuvent être ignorés, le quatrième sera effectué quelle que soit la quantité de glace présente.

Entièrement adaptable

Le mode « Full Adaptive » (Entièrement adaptatif) est le choix idéal pour les applications où un dégivrage n'est pas nécessaire à un moment donné, mais peut être réalisé lorsque la glace entrave le débit d’air. Par mesure de sécurité, il est recommandé de combiner ce mode avec un intervalle d'ouverture du dégivrage ou un dégivrage programmé.

Le dégivrage manuel peut toujours être mené à bien indépendamment de la méthode de dégivrage choisie.

Dégivrage adaptatif
  • Utilisez toujours l'intervalle d'ouverture du dégivrage en combinaison avec d'autres méthodes de début du dégivrage afin de garantir un fonctionnement sûr.
  • Lors de l'arrêt d'un cycle de dégivrage basé sur une température S5 ou S4, il est important de s'assurer que le temporisateur de dégivrage maximum est réglé pour une durée supérieure à celle prévue pour que la glace fonde et que la température d'arrêt du dégivrage soit atteinte. Si la durée de dégivrage maximale est trop courte, chaque dégivrage déclenche une alarme.
  • Si la formation de glace varie d'une section à l'autre, le dégivrage adaptatif avec coordination du dégivrage n'est alors pas recommandé.
  • Lors de la sélection du saut de dégivrage, il est recommandé de définir votre planning de dégivrage pour une demande maximale. Par exemple, le nombre de dégivrages nécessaires pour atteindre les niveaux d'humidité les plus élevés en permettant au régulateur d'ignorer automatiquement les cycles de dégivrage supplémentaires, dans la mesure du possible.
  • Le dégivrage entièrement adaptatif peut être utilisé en combinaison avec d'autres méthodes de début de dégivrage et n'ajoutera qu'un cycle de dégivrage en fonction des besoins.
    Le dégivrage adaptatif n'a pas d'impact sur l'arrêt du dégivrage et ne l'utilise pas.
  • La méthode d'arrêt et les minuteries associées doivent encore être optimisées pour différentes applications.
  • Des périodes de dégivrage appropriées doivent être définies selon les conditions individuelles et l'application.

Contexte

Pour comprendre la logique sous-jacente du dégivrage adaptatif, il est important de comprendre le concept d'équilibre énergétique avant tout. Ce bilan énergétique concerne la comptabilité de l'énergie et suit la première loi relative à l'énergie thermodynamique qui ne peut pas être créée ou détruite, mais peut être modifiée.

L'application de cette loi sur un évaporateur dans un supermarché signifie que lorsque la chaleur circulant dans l'évaporateur/échangeur de chaleur est éliminée, elle doit être ajoutée au débit du réfrigérant. Lorsque l'air circule à travers l'évaporateur, la température ou la « teneur énergétique » de l'air est réduite.

Conformément à la première loi relative à la thermodynamique, cette réduction ΔQair doit correspondre à l'augmentation d'énergie du réfrigérant ΔQréf. Sous forme mathématique, cela signifie que :

Équation 1 : ΔQair = ΔQréf => mairΔhair = mréfΔhréf

Là où m désigne le débit massique et le sous-critère désigne le fluide (air ou réfrigérant), le changement d'enthalpie à travers l'échangeur de chaleur sur le côté air et le côté réfrigérant est indiqué par Δh.

Principe de la détection de givre

Lorsque le givre se forme sur un échangeur de chaleur, le débit d'air traversant l'échangeur de chaleur est réduit, ce qui inclut une réduction du débit d'air massique. Toutefois, le débit d'air n'est pas mesuré, ce qui signifie qu'il ne peut pas être utilisé pour la détection de givre.

Le débit massique du réfrigérant et la différence d'enthalpie entre l'évaporateur côté air et côté réfrigérant peuvent être calculés moyennant des informations et des données relatives à la sonde disponibles dans le régulateur de vitrine. Cela signifie qu'une estimation du débit massique d'air hors givre peut être obtenue à l'aide de l'équation du bilan énergétique :

Équation 2 : mair.horsglace = mréf.horsglaceΔhréf.horsglace / Δhair.horsglace

En réalité, ce débit massique hors glace estimé peut être obtenu juste après un cycle de dégivrage et fait office de référence pour le débit massique attendu dans l'échangeur de chaleur. Cela signifie que la détection de givre vérifie si le débit massique a chuté par rapport à la valeur de référence.

Pour ce faire, on vérifie mathématiquement le bilan énergétique en supposant que les conditions sont exemptes de glace, comme suit :

Équation 3 : mair.horsglaceΔhair = mréfΔhréf

Remarque : Le signe égal dans l'équation 3 est exact lorsque l'échangeur de l'évaporateur est exempt de givre. Dès que la glace commence à se former sur la bobine, le débit d'air massique diminue et le côté gauche de l'équation devient plus grand que le côté droit.

Ce déséquilibre est ce que l'algorithme de dégivrage adaptatif utilise en tant qu'indicateur d'accumulation de givre.

Le principe de la détection de givre à l'aide du bilan énergétique peut être comparé à une échelle :

Étape 1 : l'échelle est réglée pour s'équilibrer lorsque la bobine est exempte de givre, juste après un dégivrage.

Étape 2 : Plus la glace s'accumule sur la surface de la bobine de l'évaporateur, plus l'absorption de chaleur mesurée du côté réfrigérant diminue par rapport à ce qui est attendu d'une bobine d'évaporateur exempte de givre. Enfin, l'échelle bascule et un signal de détection de givre est émis.

Pour illustrer le fonctionnement de l'algorithme de dégivrage adaptatif, nous avons transmis les données d'une expérience en laboratoire par le biais de l'algorithme.

L'objectif de l'expérience était de générer des données à partir d'un évaporateur alors que de la glace s'est accumulée à partir de l'évaporateur exempt de glace jusqu’à ce que le débit d'air à travers l'évaporateur soit bloqué.

La figure 1 montre les données issues de l'expérience et le résultat de l'algorithme de dégivrage adaptatif. Les courbes bleue et rouge situées en bas indiquent la température de l'air entrant et sortant de l'évaporateur.

Les limites de température d'enclenchement et de coupure du thermostat sont également indiquées sur la courbe en jaune et en violet. En outre, une variable d'état du régulateur est tracée en vue d'indiquer si l'évaporateur refroidit ou chauffe.

La courbe supérieure montre la sortie de l'algorithme de dégivrage adaptatif, où « 1 » représente une demande de dégivrage. De la glace a pu être détectée au moins 24 heures avant que la température n'atteigne la limite supérieure de la bande thermostatique.

Au moment de la détection, il est difficile de voir si un dégivrage est requis en regardant les températures. Néanmoins, en regardant la variable d'état de régulation, cette dernière indique que le cycle d'utilisation du thermostat augmente considérablement après le point où le dégivrage adaptatif aurait dû demander un dégivrage, ce qui signifie que les performances de l'évaporateur ont diminué.

L'algorithme de dégivrage adaptatif garantit l'exécution d'un dégivrage dès que les performances de l'évaporateur commencent à se dégrader.

L'algorithme du dégivrage adaptatif

Pour qu'un système de réfrigération délivre des performances élevées et constantes, une adaptation continue aux conditions de fonctionnement changeantes est primordiale pour aider à éliminer la formation de givre dans l'échangeur de l'évaporateur et garantir de bonnes performances globales du système.

Un échangeur de l'évaporateur de haute performance exempt de givre, associé à une régulation optimale de l'injection, comme le MSS ou l'ALC, contribue à optimiser la température d'évaporation pour un échange thermique optimal entre la bobine et l'air qui passe, et garantit le maintien de la précision.

Pour qu'un système fonctionne efficacement à une température d'évaporation élevée, l'optimisation adaptative de Po doit être appliquée afin d'aider le système à fonctionner avec la pression d'aspiration la plus élevée possible, minimisant ainsi la consommation électrique des compresseurs.

Plusieurs couches adaptatives de commandes intelligentes contribuent à garantir une efficacité élevée et permanente du système. Chaque couche fonctionne de manière indépendante et s'adapte constamment aux conditions en obtenant des performances optimales, même avec un échangeur de l'évaporateur peu performant.

Le dégivrage adaptatif, associé à l'arrêt du dégivrage sur les températures, aide à garantir un nombre optimal de cycles de dégivrage pour que l'évaporateur soit toujours exempt de glace.

Le dégivrage adaptatif peut simplement vous aider à trouver le parfait équilibre entre le maintien d'une qualité alimentaire optimale et l'efficacité énergétique.

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