Brevet FR2012561A1 — publié le 19700320

-1- 2012561 L'invention se rapporte à un procédé et à un appareil destiné au chauffage et/ou à la vaporisation d'un courant d'une substance ou d'un milieu dans un four contenant au moins deux serpentins disposés en parallèle. 5 Dans de nombreux fours comprenant des serpentins disposés en parallèle, le débit du milieu dans chaque serpentin est réglé individuellement pour établir une certaine répartition de l'écoulement du milieu sur les serpentiùs. Cela est nécessaire afin d'empêcher un surchauffage local d'une section de canalisation 10 et/ou du milieu et aussi pour assurer la répartition convenable de la charge calorifique sur les serpentins individuels. Les fouis de chauffage industriel fonctionnent le plus souvent en continu pendant de très longues périodes. Dans ces fours, il ne suffit pas de maintenir une répartition spécifique du courant d'arrivée 15 F du milieu sur les serpentins dès que cette répartition a été décidée, parce qu'il se produit des influences qui nécessitent de la faire varier. Les exemples de ces influences sont : les variations de production de chaleur, les variations de la position ou des positions de la flamme ou des flammes, l'encrassement 20 d'une partie des tubes, les conditions atmosphériques. Un but de la présente invention est de prévoir un con-'trôle (continu ou intermittent) de la répartition de F sur les serpentins. L'écoulement. F entrant dans le four ne doit pas être modifié par les variations de la répartition de F. En outre, il 25 serait souhaitable de pouvoir régler la valeur de F indépendamment. Avec ces exigences, cependant, des dispositions particulières sont nécessaires pour le réglage des débits dans les serpentins parce que l'interaction ne peut pas être empêchée. Par exemple, si dans un serpentin particulier le débit doit être 30 augmenté parce qu'il constitue un risqu^Ae surchauffage, il faudra alors faire diminuer un ou plusieurs débits dans d'autres serpentins, mais cela doit être effectué d'une manière telle qu'il ne se produise pas de surchauffage dans les autres serpentins. 35 Pour ce problème de réglage, on a trouvé une solution élégante qui prévoit que pour agir sur les interactions, il faut séparer les réglages des débits dans les serpentins individuels et cette solution satisfait les conditions concernant la tempé 69 23143 -2- 2012561 rature, l'empêchement d'un surchauffage et le.réglage indépendant du débit total dans le four, en prévoyant la possibilité d,j-un dispositif de réglage à fonctionnement entièrement automatique L'invention se rapporte donc à tua procédé de chauffage 5 et/ou de vaporisation d'un courant d'un milieu dans un four contenant au moins deux serpentins disposés en parallèle, sur lesquels la quantité de ce milieu - pénétrant à une vitesse F -est répartie; par ce procédé les débits dans les serpentins individuels sont réglés d'une manière telle que les températures 10 T. des débits à la fin des serpentins individuels diffèrent aussi U peu que possible, et en vertu duquel, chacun des débits P.. est déterminé pour varier selon l'intégrale correspondante J*(T. -TÂV)cLt, où 'fAV est la moyenne arithmétique des températures , le même facteur de proportionnalité entre les. variations de P. tJ 15 et de l'intégrale correspondante s'appliquant à tous les débits V Par débit on entend ici le volume ou la masse du milieu passant par unité de temps. Une explication de l'effet du procédé selon l'invention 20 sera donnée en utilisant la version préférée faisant intervenir un fonctionnement automatique. Cette version comprend les actions suivantes : (a) les températures à la fin des serpentins individuels sont constamment mesurées. 25 (b) la moyenne arithmétique n TAV = 5 ^ est cons- tamment déterminée (c) pour chaque serpentin est comparé avec dans un appareil de contrôle à action intégrale, qui fournit un si-30 gnal de sortie a • , r \ Çd) les unités de correction pour „les débits F.. dans les serpentins individuels sont réglées de manière a faire varier les débits F. dans la même proportion que les signaux corres- tJ pondants 35 Les dites actions se produisent constamment, c'.est-à-dire d'une manière continue, intermittente ou périodique. , Supposons qu'un four contient quatre serpentins. On aura alors : 69 23143 -3- 2012561 4 TAV ■? ^ TJ * l (T1 * T2 + h + V Le signal de sortie de l'appareil de contrôle à ac-5 tion intégrale est : 'S " T S (Id " T«>dt • où T est le temps d*;intégrât!oïu- 10 Pendant une durée courte At le signal de sortie de l'appareil de contrôle du premier serpentin varie de : A.., (*1 - ^ - &> - - iV- Pareillement, en supposant que les quatre appareils de 15 contrôle ont le même temps ~ d'intégration T : A0C2 . AË T - r-T ? 1 — T-T ï 2 -h - 5Ï4) At T («3 — —T 4 1 — r-T ¥x2 -^3 - 20 À0C4. _ ^ T (l4 - T-T ? *1 — T-ÎE 2F 2 -H -?v Il en résulte que pour la somme de toutes les variations ùaâ 4 pc ^ = o. 5 f-1 - A Par suite des variations des signaux de sortie d d les débits p. sont modifiés par des quantités A]?. qui sont d d égales à t Aa1 30 ■ TT.'a • fi La somme des variations ZiF.j pour les quatre serpentins est : 4 . Fj 4 F f il y AF. « -2 Ao, , aT*° -i - —- U1 3 «4 a3 1 a. ¥ 35 3 n ,3 3 £ a, j=i .3 car le même facteur de proportionnalité s'applique à tous les débits 7^. 69 23143 _4_ 2012561 4 . On a déjà découvert que "T. = O , de sorte que, aussi : = O, ce qui signifie qUe ie débit total F ne varie pas par suite des actions de contrôle. L'effet ci-dessus est obtenu parce que T^y est la mo-5 yenne arithmétique des températures En général, T^y n'est pas égal à la température T des débits F., ayant été réunis en o j nn écoulement unique. La production de chaleur dans le four peut être réglée pour maintenir une valeur désirée de la température . Dans ce but, on fait usage d'un appareil de contrôle qui 10 règle l'alimentation en combustible (et en air) du ou des brûleurs en réponse à la différence entre la valeur mesurée T0 et une valeur de réglage pour cette température. Le contrôle de la température TQ détermine la quantité totale de chaleur fournie par unité de temps. Le système de 15 contrôle règle automatiquement les débits F^ d'une manière telle que la relation suivante est satisfaite : *3 ' * ~4 T" ' £ 2: -f. J=1 3 jr=1 3 % où Vf - est la quantité de chaleur fournie par unité de temps à t) un débit F. . Cette relation résulte de l'équilibre calorifique tJ : 25 fT • °v • *3 + °W - V- (TJ - 0 • • où T. est la.température du débit d'arrivée F, c est la cha-in ' w leur spécifique de la charge, cv est la chaleur d'évaporation de la charge, et f la fraction vaporisée de la charge, et de l'équilibre calorifique global : VV3Ç-1 *3 + Voîl - *1*) - V«To - V + 'v°vF car le système de contrôle rend égales les températures et est ainsi égales à la température de sortie TQ du four. 35 Comme on l'a montré, le débit total F du milieu n'est pas influencé par les actions de contrôle sus-mentionnées. Ce débit F peut ^re réglé indépendamment. Cependant une variation de débit F implique une variation des débits F.. Le problème de 3 20 69 23143 -5- 2012561 contrôle qui en résulte peut être résolu en multipliant les signaux a . par un facteur correspondant au débit I?, les signaux U ainsi obtenus étant utilisés pour le réglage des débits P.. En d conséquence, les signaux sont destinés au débit total I1 qui 5 doit passer dans le four sans que les avantages du réglage des débits F.j selon l'invention en soient aucunement affectés. " Le procédé qui a été exposé jusqu'à ce point peut être complété par un mode opératoire au moyen duquel la dérive des signaux est corrigée. On a découvert que les signaux a. va-d d 10 rient parfois lentement sans que les rapports entre eux soient changés. On obtient une correction de cette dérive si : (e) la moyenne arithmétique 1 £ #st oon'stammeJlt aAY = | p 3 déterminée ; 15 (f) la somme de a^y et de T^y est constamment déterminée; (g) la somme d'une des températures T.. et agy est constamment déterminée, agy représentant une valeur désirée de o^y , (h) dans un des appareils de contrôle mentionné sous (c), correspondant à la température mentionnée sous (g), les sommes 20 mentionnées sous (f) et (g) sont comparées, ce qui fournit une valeur qui est utilisée ultérieurement telle quelle de la manière sus-mentionnée. Le signal de sortie de l'appareil de contrôle en question devient maintenant : Œ1 ■ \ ~ + T ^ ~ aAV^dt* De cette manière, il est assuré que la valeur moyenne o^y est maintenue à une valeur constante, la valeur de réglage agy , par laquelle la correction de dérive est effectuée. 30 Le procédé selon l'invention peut être appliqué d'une manière automatique, à l'aide d'un appareillage de mesure, de calcul et de contrôle classiques. Le fonctionnement de cet appareillage peut être pneumatique, électrique, ou, mécanique, ou bien il peut être une combinaison de ces modes de fonctionnement. 35 Lesdits calculs et actions de contrôle peuvent être ef fectués d'une manière appropriée par une calculatrice numérique selon la technique de commande digitale directe. Un appareil approprié pour l'application du procédé de 69 23143 -6- 2012561 la présente invention sera décrit ci-dessous en utilisant un exemple accompagné d'une figure, dans lequel des symboles ont été utilisés pour l'appareillage de mesure, de calcul et de contrôle classiques. 5 En provenance d'un récipient 1 - dans ce cas le fond d'une colonne - le milieu destiné à être chauffé, par exemple un liquide, s'écoule par une canalisation 2 vers un four qui dans ce cas comprend quatre, serpentins - indiqués d'une manière schématique par les lignes 3» 4, $ et 6 - disposés d'une manière 10 parallèle. L'écoulement réuni de liquide sort du four par une canalisation 7. Un taûleur 8 assure une production de chaleur dans le four. Un débit-mètre 9» un appareil de contrôle 10 et une soupape 40 règle l'alimentation en combustible selon la valeur 15 de réglage de l'appareil de contrôle 10. Cette valeur de réglage provient d'un appareil de mesure 11 et d'un appareil de contrôle 12 pour la température du débit liquide sortant du four par la canalisation 7« Cette température peut être réglée indépendamment en choisissant la valeur de réglage de l'appareil da contrôle 12» 20 Bans le but de régler la répartition de liquide destinée à être chauffée sur les serpentins 3» 4, 5 et 6, chaque serpentin est pourvu d'un débit-mètre (13, 14, 15» 16), d'un appareil de contrôle (17, 18, 19 et 20) et d'une soupape de réglage (41, 42, 44 et 45). Ces circuits de contrôle dans le premier cas maintien— 25 nent constants les débits de liquide F. dans les serpentins indi- tJ viduels. A l'extrémité de chaque serpentin se trouve un appareil de mesure (21, 22, 23 et 24) pour mesurer la température et un appareil de contrôle (25, 26, 27 et 28) qui reçoit le signal de sortie de l'appareil de mesure de température correspondant. 30 Les signaux de sortie des appareils de mesure de la température 21, 22, 23 et 24, sont également envoyés vers un élément calculateur 29, où la moyenne des quatre températures est calculée. La valeur T^y constitue la valeur de réglage pour les quatre appareils de contrôle 25, 26, 27 et 28. Ces appareils de 35 contrôle, qui ont une action intégrale avec un temps de réenclenchement T , engendrent les signaux de sortie a^, a2, et ou, respectivement. Chaque valeur a. représente -la..valeur de M réglage d'un des appareils de controlè 17» 18, 19 et 20. De cette * 69 23143 -7- 2012561 manière les débits de liquide F. dans les serpentins sont réglés tJ proportionnellement à la différence existant entre la température concernée T. et la valeur moyenne TAV des températures T.. La t) V f somme de ces différences est toujours égale à zéro. Par conse-5 quent, et du fait que les appareils de contrôle 25« 26, 27 et 28 ont le même temps de réenclenchement (vitesse d'intégration), il en résulte que la somme des débits F. demeure constante. U La figure montre aussi comment le débit total F de liquide destiné à être chauffé peut être réglé sans faire varier 10 les proportions selon lesquelles F est réparti sur les serpentins. Un signal qui représente la valeur de réglage de F (et qui dans cet exemple est fourni par une jauge de niveau 30 associée à un appareil de contrôle 31 pour le niveau de liquide au fond de la colonne 1) est envoyé vers les éléments calculateurs 32, 33» 34 15 et 35. Dans ces éléments calculateurs, les valeurs sont mul- ^ tJ tipliées par ledit signal de sortie avant d'etre envoyées en tant que valeurs de réglage aux appareils de contrôle de débit correspondants 17, 18, 19» et 20. Tant quoie niveau du liquide dans la colonne -1 ne varie pasi les valeurs a.- sont multipliées t) 20 par un facteur constant. S'il se produit une-élévation du niveau de liquide dans la colonne 1, le signal de sortie de l'appareil de contrôle 31 augmente, ce qui augmente la valeur de réglage du débit total F. En conséquence, les valeurs de réglage des appareils de contrôle de débit 17» 18, 19 et 20 varieront du 25 même pourcentage que F, et ces appareils de contrôle de débit provoqueront l'ouverture plus prononcée des soupapes 41, 42, 44 et 45, simultanément, afin d'augmenter les débits F. du même 3 pourcentage. Les actions inverses se produisent si le niveau de liquide au fond de la colonne 1 s'abaisse. Les températures 30 des serpentins individuels sont influencées d'une manière à peu près égale par les variations du débit total de liquide (signal de sortie provenant de l'appareil de contrôle 31) ou par les variations de débit de combustible (appareils de contrôle 12 et 10). 35 II est évident qu'en général le signal représentant la valeur de réglage de F peut être engendré d'une manière quelconque qui atteigne un but utile : par exemple il peut provenir 4'un générateur de point de réglage réglé manuellement ou d'un 69 23143 -8- 2012561 appareil de contrôle qui contrôle certaines variables en changeant la valeur de réglage de F. La correction de la dérive des valeurs a.. est effectuée V comme il suit. Les valeurs «. sont envoyées aussi vers tua élé- d 5 ment calculateur 36, où la moyenne a^y des quatre valeurs est' calculée. La valeur de réglage de l'appareil de contrôle 25, est alors composée par l'élément 37 en tant que somme de a^y et de et le signal d'entrée par l'élément 38 en tant que somme de et de aSy. Ici agy représente la valeur désirée de 1 O CC£y • Il est bien entendu que la figure peut également être considérée coiome représentant un appareil comprenant des dispositifs de contrôle et des éléments calculateurs classiques ou bien un appareil comprenant une calculatrice numérique à comman-15 de digitale. Dans ce dernier cas, les fonctions de tous ou de plusieurs des appareils de contrôle 17, 18, 19, 20, 25, 26, 27, 28, 10, 12 et 31 et des éléments calculateurs 29, 32, 33» 34» 35, 36, 37 et 38 sont effectués par la machine à calculer. 69 23143 -9- 2012561 (- REVENDICATIONS -) 1 - Procédé de chauffage et/ou de vaporisation d'un courant d'une substance ou d'un milieu dans un four contenant au moins deux serpentins disposés en parallèle, sur lesquels la 5 quantité de ce milieu - pénétrant avec un débit F - est répartie, procédé au moyen duquel les débits F- dans les serpentins indivi- d duels sont réglés d'une manière telle que les températures T. de ces débits à l'extrémité des serpentins individuels diffèrent aussi peu que possible, et au moyen duquel chacun des débits P. A (] 10 peut varier selon l'intégrale correspondante J - {D^y)dt, où est la moyenne arithmétique des températures T.. , le même facteur de proportionnalité entre les variations de F. et l'intégrale correspondante s'appliquant à tous les débits P.. U 2 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel : 15 (a) les températures T- à l'extrémité des serpentins in- d dividuels sont constamment mesurées. 1 (b) la moyenne arithmétique ï,v = — T. est ■a.» n -j_^| j constamment déterminée. 0 (c) pour chaque serpentin, T.. est comparé avec T^y dans 20 un appareil de contrôle à action intégrale ce qui produit un signal de sortie a^. (d) les unités de correction F. dans les serpentins indi- d viduels sont réglées afin de faire varier les débits F.. dans la même proportion que les signaux a_. correspondants. d 25 3 - Procédé selon la revendication 2, dans lequel les signaux aH sont multipliés par un facteur représentant la valeur d de réglage du débit P, les signaux ainsi obtenus étant utilisés pour régler les débits P^. 4 - Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3> dans 30 lequel : n (e) la moyenne arithmétique a»-tt — ~ ^ a_. est cons-tamment déterminée. * (f) la somme de a^y et de T^y est constamment déterminée. (g) la somme d'une des températures T.. et agy est cons-35 tamment déterminée, agy représentant une valeur désirée de a^y. (h) dans un des appareils de contrôle mentionnés sous 2(c) correspondant à la température T. mentionnée sous (g), les d sommes mentionnées sous (f) et (g) sont comparées, ce qui fournit 69 23143 -10- iO12561 une valeur a ■ qui est ensuite utilisée comme telle de la manière ï) décrite précédemment. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4-, dans lequel, en outre, la production d© che.leur dans le four est con-5 trôlée d'une manière telle que la température des débits F.. , ayant été réunis en un débit unique à la sortie du four s a une valeur désirée TQ. S - Procédé selon l*une des revendications 1 à 5» dans lequel lesdits calculs et actions de contrôle sont effectués par 10 une calculatrice numérique selon la technique de commande digitale directe. 7 - Appareil approprié à être utilisé pour l'application lu procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, qui comprend : (i) pour chaque serpentin un. appareil de mesure de tem- i5 pérature T. du milieu à JL du "serpentin; «J -—■—^ Cj) pour chacun des appareils de mesure mentionnés sous (i) : un appareil de contrôle ayant une action intégrale dont l'entrée pour la valeur mesurée est reliée à l'appareil de mesure en question; 20 (k) un élément calculateur pour le calcul de n TaTr = — -S. T • t AV n rz o » set élément pour ce but est relié aux appareils de "~ mesure mentionnés sous (i), dont l'entrée pour le signal T^y ost reliée à l'entrée pour la valeur de réglage de chacun des £5 appareils de contrôle mentionnés sous (d), (1) pour chaque serpentin une unité de correction pour le débit F. du milieu dans chaque serpentin, cette unité de cor- t) xection est reliée a la sortie d'un appareil de contrôle du débit F., dont l'entrée pour la valeur mesurée est reliée à un J 30 appareil de mesure qui effectue la mesure du débit F. et dont tJ l'entrée pour la valeur de réglage est reliée à la sortie de l'appareil de contrôle en question mentionné soùs (j). 8 -- Appareil selon la revendication 7» approprié à être utilisé pour l'application du procédé selon la revendication 3» 35 qui comprend : • (q) un appareil de mesure mesurant le débit F formé par la quantité de milieu pénétrant dans le four; (r) un appareil de contrôle réglant le débit F, dont 69 23143 -11- 2012561 l'entrée pour la valeur mesurée est reliée à l'appareil de mesure mentionné sous (q) et dont la sortie est reliée à plusieurs éléments calculateurs - un pour chaque serpentin - chacun de ceux-ci est aussi relié à la sortie de l'appareil de contrôle corres-5 pondant mentionné sous 7(î))» et dans chacun de ces éléments les deux signaux d'arrivée sont multipliés l'un par l'autre, la sortie de cet élément étant reliée à l'entrée pour la valeur de réglage de l'appareil de contrôle correspondant mentionné sous 70). 10 9 - Appareil selon l'une des revendications 7 ou 8, ap proprié à être utilisé pour l'application du procédé selon la revendication 4, cet appareil comprend : (s) un élément calculateur pour le calcul de 1 £■ 15 -r/'îi.pj "d • cet élément pour ce but est r elié aux aor^ie^desappareils de contrôle mentionnés sous 7(j), et la sortie de cet élément—pour le signal a^y est reliée à un élément supplémentaire, qui est également relié à la sortie pour le signal ï^y de l'élément cal-20 culateur mentionné sous 7(1*0» et la sortie de cet élément supplémentaire est reliée à l'entrée pour la valeur de réglage d'un des appareils.de contrôle mentionné sous 7(j); (t) m élément supplémentaire dont l'entrée est reliée à un des appareils de mesure mentionnés sous 7(i) appartenant à 25 l'appareil de contrôle choisi selon (s), auquel est envoyé en plus, une valeur de réglage agy, la sortie de cet élément; supplémentaire étant reliée à l'entrée pour la valeur mesurée de l'appareil de contrôle choisi selon (s). 10 - Appareil selon l'une des revendications 7» 8 ou 9, 30 approprié à être utilisé pour l'application du procédé selon la revendication 5» qui comprend : (m) tin appareil de mesure mesurant la température T0 du courant du milieu sortant du four, (n) un appareil de contrôle dont l'entrée pour la valeur 35 mesurée est reliée à l'appareil de mesure mentionné sous (m), (o) un appareil de mesure mesurant le débit de combustible dans le ou les brûleurs du four, (p) un appareil de contrôle réglant le débit du combus- 69 23143 -12- 2012561 tible pour le four, dont l'entrée pour la valeur mesurée est reliée à l'appareil de mesure mentionné sous (o) et dont la valeur de réglage est reliée à la sortie de l'appareil de contrôle mesuré sous (n).