Brevet FR2353045A1 — publié le 19771223

L'invention, due à Jens Jgen Mdlbaek, se rapporte à un dispositif de mesure du débit ou d'une grandeur qui en est fonction, dans des installations d'échangeurs thermiques, par mesure de différences de températures, et convenant notamment pour la mesure de la consommation d'énergie thermique dans des installations de chauffage à eau chaude. I1 est connu de déterminer la consommation d'énergie thermique d'installations de chauffage, par intégration du produit du débit par la différence entre la température d'arrivée et la température de retour. En ce qui concerne la mesure de la différence de température, on utilise deux palpeurs thermiques, par exemple des thermocouples ou des résistances fonction de la température, lesquels sont montés sur les conduites de jonction ou raccordement d'arrivée et de retour, ou sont reliés à cesconduites par conduction thermique. En ce qui concerne la mesure du débit, de nombreux moyens sont connus. On peut mesurer la chute de pression sur un diaphragme. On peut encore utiliser un compteur à ailettes. Le débit peut être également déterminé par méthode inductive. Dans un appareil connu de mesure de la consommation de chaleur, le débit est également déterminé par mesure d'une différence de température. On se base alors sur le fait que la chaleur transmise par un fluide en écoulement, à un palpeur positionné dans l'écoulement, dépend de la vitesse de cet écoulement. A cet effet, une plaque formant le palpeur thermique est montée dans la conduite de jonction c8té arrivée, et sa température est comparée avec une autre température par exemple la température de paroi de la conduite de jonction c6té retour. Une telle mesure de débit, fonction des températures, présente pour un dispositif de mesure de la consommation d'énergie thermique, l'avant tage que seuls des signaux de température doivent être traités. Il existe toutefois un inconvénient du fait que la variation de la résistance de transfert thermique n' est pas suffisamment élevée en fonction de la vitesse d'écoulement, ce qui nuit a' la précision de la mesure, notamment lorsque la résistance de transfert thermique se trouve modifiée par des dép8ts d'impuretés ou par attaque par le fluide en circulation, sur les palpeurs thermiques lors du fonctionnement. L'invention a pour but de fournir un dispositif du type précité, dans lequel la mesure du débit, ou d'une grandeur qui en est fonction, peut être effectuée sur la base des mesures de~ températures, tout en tenant compte de grandeurs autres qu'une variation de la résistance de transfert thermique. Ce but est atteint grâce au dispositif selon l'invention, lequel est caractérisé en ce qu'il comprend s un pont thermique reliant, de manière à assurer la conduction thermique, les conduites de jonction du coté de l'arrivée et du côté du retour une première paire de points de mesure associés à une conduite de jonction, l'un de ces points se trouvant en avant et l'autre en arrière du pont thermique, une seconde paire de points de mesure, l'un de ces points étant associé à la conduite de jonction c & é arrivée, et l'autre à la conduite de jonction côté retour ; et un montage de restitution pour la formation d'un quotient dont le numérateur est une fonction de la différence de température des points de mesure de la seconde paire, et dont le dénominateur est égal à la différence de température des points de mesure de la première paire. Comme on l'expliquera plus loin, plus en détail, un flux thermique est dirigé sur le pont thermique, flux qui modifie les conditions de température par ailleurs existantes, de façon qu'on puisse déterminer les débits ou autres grandeurs qui en sont fonction, par la formation précitée du quotient, en tenant compte des deux différences de température. Un tel dispositif de mesure est d'un montage très simple et est par ailleurs de faible encombrement, économique et commode à employer. La précision de la mesure est très bonne. En outre, la résistance de transfert thermique aux extrémités du pont thermique est faible par rapport à la résistance thermique par conduction dans ce pont thermique. On obtient ainsi une précision de mesure particulièrement élevée. Les variations, fonction de la vitesse, de la résistance de transfert thermique, n'ont pratiquement aucune influence sur le flux thermique dans le pont. Il est recommandé d'avoir des valeurs de la résistance de transfert thermique inférieures, ou même bien inférieures à 10% de la résistance thermique par conduction. Si, dans le quotient, le numérateur est égal à la différence de température des points de mesure de la seconde paire, on obtient une valeur de sortie qui est proportiamelle au débit. Si le numérateur du quotient est égal au carré de la différence de température des points de mesure de la seconde paire, on obtient une valeur de sortie qui est proportionnelle à la quantité de chaleur apportée. On obtient également un signal de sortie proportionnel à la quantité de chaleur, en prévint une troisième- paire de points de mesure disposés sur le côté du pont thermique opposé à la seconde paire, et dont l'un des points est associé à la conduite de jonction ceté arrivée et l'autre, à la conduite de jonction côté retour, et à condition que le numérateur soit égal au produit des différences de température des points de mesure de la seconde et de la troisième paire. Une telle construction est réalisée de façon symétrique et, par conséquent, indépendante du sens du montage. La différence de température des points de mesure de la première paire est beaucoup plus petite que la différence de température des points de mesure de la seconde ou de la troisième paire. Il est donc avantageux d'associer les points de mesure de la première paire à la conduite de jonction coté arrivée. Du fait que le niveau de température est ici plus élevé, on obtient des signaux de mesure bien accusés. Par ailleurs, avantageusement, les paires de points de mesure présentent, comme palpeurs de températures, des thermocouples montés en série opposés l'un à l'autre, le nombre des thermocouples montés en série dans la première paire étant plus élevé que dans la seconde paire. Grâce au montage en série de plusieurs thermocouples, la tension de sortie est accrue pour la première paire de points de mesure. Suivant un mode de réalisation préféré, le pont thermique est constitué par un bloc raccordé aux tubes des deux conduites de jonction. Un tel bloc, en une matière massive, présente une section prédéterminée et par conséquent, une résistance thermique définie de transfert par conduction. En outre, le bloc présente une bonne transmission de chaleur par rapport au fluide en circulation. afin de pouvoir choisir une résistance de -transfert thermique faille par rapport a le istenee thermique par conduction, le bloc comporte avantageusement une portion à section réduite. Ceci sert à accroître la résistance thermique par conduction. Le bloc peut présentera à ses extrémités, des canaux d'écoulement se trouvant per conséquent directement en liaison avec le fluide en circulation. Ceci diminue la résistance de transfert thermique. Cette dernière valeur peut encore titre diminuée en disposant, dans chaque extrémité du bloc, plusieurs canaux d'écoulement parallèles, ce qui permet d'accroître la surface de transmission de chaleur. Chaque point de mesure doit présenter un palpeur de température qui est inséré dans un bloc de mesure relié de façon à assurer la conduction thermique avec le fluide en circulation. te bloc de mesure peut être notamment un solide d'écoulement placé à peu près au milieu du canal d'écoulement, et permettant de déterminer très rapidement la température moyenne du fluide en circulation. Au moins deux points de mesure de différentes paires peuvent présenter un bloc commun de mesure, ce qui simplifie le montage. Le bloc du pont et les blocs de mesure sont avantageusement en une matière de bonne conductibilité thermique, par exemple en cuivre. Dans certains cas, il suffit de couler le bloc du pont et/ou les blocs de mesure, simplement autour des tubes. En règle générale, il est toutefois plus avantageux de mettre ces blocs directement en contact avec le fluide en circulation. En outre-, le pont thermique et/ou les points de mesure sont munis d'une isolation thermique. Ceci permet d'empêcher des erreurs de mesure dues au rayonnement thermique ou à un écoulement de chaleur sur les éléments voisins. Dans la pratique, le dispositif de mesure peut être mis en service sous la forme d'un appareil indépendant, dans lequel deux tronçons parallèles de tubes sont reliés par le pont thermique, chaque tronçon présentant un ou deux blocs de mesure et étant entouré d'une enveloppe isolante commune, d'od émergent quatre extrémités d'accouplement desdits tronçons de tubes. Le dispositif de mesure convient non seulement pour des mesures dans des installations de chauffage, mais également pour des mesures dans des installations de rafraîchissement ou des installations de climatisation et, d'une façon générale, partout ou intervient le fluide en circulation d'un échangeur thermique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée, donnée ci-après, à titre illustratif mais non limitatif, avec référence aux dessins annexés, d'un mode de réalisation de l'invention. - ma figure 1, de ces dessins, représente schématiquement le dispositif de mesure selon l'invention; - la figure 2 représente, en perspective, des parties du dispositif de mesure selon l'invention - la figure 3 représente schématiquement, en perspective, une extrémité du bloc constituant le pont - la figure 4 est une coupe longitudinale schématique d'un mode de réalisation d'un point de mesure - la figure 5, enfin, est une coupe longitudinale schémati que d'une variante de réalisation d'un point de mesure. Une installation de chauffage à eau chaude comportant une chaudière 1 et une pompe 2, envoie, par l'intermédiaire d'une conduite de jonction ou de raccordement du côté de l'arrivée 3, de l'eau chaude à un utilisateur 4, qui est ici représenté sous la forme de deux radiateurs 5 montés en parallèle. A partir de cet utilisateur, l'eau revient vers la chaudière 1, par l'inter médiaire d'une conduite de jonction ou de raccordement 6, du côté retour. Un dispositif de mesure 7 présente deux portions tubulaires parallèles 8 et 9, munies d'éléments d'accouplement à leurs extrémités 10, 11, 12 et 13, permettant de monter le dispositif de mesure entre les conduites de raccordement entrée et sortie 3 et 6. Un pont thermique 14 réunit entre elles, de manière à assurer la conduction thermique, les deux sections tubulaires 8 et 9 ; ce pont se présente sous la forme d'un bloc métallique 31, avec ses deux extrémités 32 et 33 associées aux tubes. La por tion tubulaire 8 présente un bloc de mesure 15 devant le pont thermique 14, et un bloc de mesure 16 en arrière de ce pont. La portion tubulaire9 présente un bloc de mesure 17 en avant du pont thermique 14, et peut présenter un autre bloc de mesure 18 en arrière de ce pont (figure 2). Dans les trois, ou éventuellement, les quatre blocs de me sure, on a, dans l'ordre décroissant, les températures t1 t2, t3 et, le cas échéant, t4. Une première paire points de mesure 19 et 20 est prévue sur les blocs de mesure 15 et 16. Chaque point de mesure présente trois thermocouples montés en série, les thermocouples de deux points de mesure étant opposés l'un à l'autre. Un signal de tension correspondant à la différence de température t1 - t2 est donc émis aux conducteurs de sortie 21. Une seconde paire de points de mesure 22 et 23 est prévue sur les blocs de mesure 16 et 17. Chaque point de mesure présente un thermocouple, les thermocouples de deux points de mesure étant montés en série opposés l'un à l'autre. On obtient donc, aux conducteurs de sortie 24, une tension émettrice d'un signal et correspondant à la différence de température t2 - t3 Ces deux tensions sont transmises a-un montage de restitution 25 qui fournit, à un intégrateur 26, une valeur de sortie proportion (t2 - t3) nelle au quotient t1 - t2 . Cet intégrateur peut être un compteur, peut fonctionner suivant un procédé électrolytique, ou par vaporisation, ou intégrer de toute autre façon.Un dispositif indicateur 27 fait apparaître la valeur d'intégration qui correspond à la quantité de chaleur consommée. Afin d'éviter les pertes par rayonnement, l'ensemble du dispositif de mesure 7 est entouré d'une enveloppe isolante 28. Comme ceci est illustré à la figure 2, les capteurs ou palpeurs de température des différents points de mesure sont encastrés et moulés dans les blocs de mesure, de rnanière à ne laisser dépasser que leurs conducteurs de raccordement. Les points de mesure 19 et 20 ne sont pas visibles. On a représenté les points de mesure 22 et 23 sur les blocs de mesure 16 et 17. Sur les blocs de mesure 15 et 18, il est prévu une troisième paire de points de mesure 29 et 30, à l'aide de laquelle la différence de température t1 - t4 peut être mesurée. On a désigné à la figure 1 par Q1, 44 les quantités de chaleur qui traversent les portions tubulaires à l'avant et à l'arrière du'pont thermique 14, par unité de temps ; par Qibla quantité de chaleur absorbée par l'utilisateur, et par Q5 la quantité de chaleur s'écoulant par le pont thermique. On peut donc ainsi calculer - 2 Q1 ~ Q2 = m . C (t1 - t2) = K . A (t2 - t3) (1) oU Q représente les quantités de chaleur en W, m le débit d'eau en kg/sec, C la chaleur spécifique en joule/kg C, A la section du pont thermique 14 en m , K le coefficient de conductibilité thermique en W/m20C, et t les températures en C. On peut en tirer facilement t2 - t3 m = K # A # (2) C t1 - t2 Les facteurs K, A et C étant des constantes, il s'ensuit que le débit m est proportionnel nu quotient des deux différences de températures t2 - t3 et t1 - t2 La consommation de chaleur Q0 est calculée suivant Q0 = Q2 - Q3 = m # C (t2 - t3) (3) Si l'on introduit la valeur calculée pour le débit m à par tir de l'équation (2), on obtient (t2 - t3) Q0 = K # A (4) t1 - t2 Ici encore, les facteurs K et A etant des constantes, la consommation de chaleur est proportionnelle au quotient du carré de la différence de température t2 - t3 par la différence de température t1 - t2. Pour étre complet, il y a lieu de préciser que les paires de points de mesure pourraient etre groupées autrement. Ainsi la seconde paire pourrait être formée par les points de mesure 29 et 30. Par ailleurs, également la première paire de points de mesure pourrait se trouver sur la conduite de raccordement coté retour.Il en résultera, pour le débit, les calculs suivants K # A t1 - t4 K # A t2 - t3 K # A t1 - t4 m = # = # = # (5 C t1 - t2 C t3 - t4 C t3 -t4 Ceci conduit, quant à la consommation de chaleur, aux va riantes suivantes (t1 - t4)2 (t2 - t3)2 (t1 - t4)2 Q0 = K # A = K # A= KA (6) t1 - t2 t3 - t4 t3 - t4 Si, en vue d'obtenir des conditions symétriques, une deuxième et une troisième paire de points de mesure 22,23 et 29,30 devaient Btre utilisées, on obtiendrait, pour la consommation de chaleur : (t2 - t3)(t1 - t4) (t2 - t3) (t1 - t4) Q0 = K # A = K # A (7) t1 - t2 t3 - t4 On peut également prévoir d'autres dispositions des points de mesure. Par exemple, la seconde paire de points de mesure peut être prévue directement aux extrémités du pont de mesure thermique. Alors qu'il suffit, dans certains cas, de mouler les extré- mités 32 et 33 du bloc 31 du pont, ainsi que les blocs de mesure 15, 16, 17 et 18, simplement autour du tube de raccordement 8, il est plus avantageux, dans un grand nombre de cas, de mettre en contact les blocs individuels directement avec le fluide en circulation. On a représenté à la figure 3, le bloc 31 du pont, dont l'extrémité 33 est directement munie de six canaux d'écoulement 34 se trouvant sur le passage du tube 9. On obtient de cette façon une surface importante de contact direct entre le fluide en circulation et le bloc 31 du pont et, de ce fait, une très faible résistance thermique de transfert. Le bloc 31 présente par ailleurs une partie 35 de plus faible section. On accroît de cette façon la résistance thermique par conduction du bloc. On a représenté à la figure 4, un mode de réalisation du point de mesure 23. Le bloc de mesure est ici disposé, sous la forme d'un solide d'écoulement 36, à peu près au milieu de la section libre du cahal d'écoulement 37 prévu à l'intérieur d'un bottier 38. La température moyenne du fluide en circulation se trouve ainsi mieux contrôlée que si elle était captée à travers la paroi du tube. Le bloc de mesure 36 est guidé vers l'extérieur du boîtier 38, par une bague isolante 39, afin de maintenir ce bloc exactement à la température du fluide. La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un point de mesure 23 comprenant trois palpeurs 42 répartis dans la section d'un canal-d'écoulement 40 ménagé à l'intérieur d'un boîtier 41. Ces palpeurs sont encastrés par moulage dans un bloc de mesure 43, de section réduite en son milieu. Ce bloc est séparé du boîtier 41 par l'intermédiaire d'une isolation inférieure 44 et d'une isolation supérieure 45. Le dispositif est immobilisé dans le bottier 41 au moyen d'un disque de recouvrement 46. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du débit ou d'une grandeur qui en est fonction, dans des installationsp'échîngeurs thermiques, par mesure de différences de températures, et convenant notamment pour la mesure de la consommatidn d'énergie thermique dans des installations de chauffage à eau chaude, caractérisé en ce qu'il comprend : un pont thermique (14) reliant, de manière à assurer la conduction thermique, les conduites de jonction du côté de l'arrivée (8) et du côté du retour (9) ; une première paire de points de mesure (19, 20) associés à une conduite de jonction (8), l'un de ces points se trouvant en avant et l'autre en arrière du pont thermique, une seconde paire de points de mesure (22, 23), l'un de ces points étant associé à la conduite de jonction côté arrivée (8), et l'autre à la conduite de jonction coté retour (9) ; et un montage de restitution (25) pour la formation d'un quotient dont le numérateur est une fonction de la différence de température des points de mesure de la seconde paire, et dont le dénominateur est égal à la différence de température des points de mesure de la première paire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance de transfert thermique aux extrémités (32, 33) du pont thermique (14) est faible par rapport à la résistance thermique par conduction de ce pont. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le numérateur est égal à la différence de température des points de mesure (22,23) de la seconde paire. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le numérateur est égal au carré de la différence de température des points de mesure (22,23) de la seconde paire. 5. Dispositif sel-on l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième paire (29, 30) de points de mesure qui sont disposés sur le côté du pont thermique (14) opposé à la seconde paire, et dont l'un des points est associé à la conduite de jonction côté arrivée (8) et l'autre, à la conduite de jonction côté retour (9), et en ce que le numérateur est égal au produit des différences de température des points de mesure de la seconde et de la troisième paire. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les points de mesure (19,20) de la première paire sont associés à la conduite de jonction côté arrivée (8). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les paires de points de mesure (19,20 22,23) présentent, comme palpeurs de température, des thermocouples montés en série opposés l'un à l'autre, et en ce que le nombre des thermooouples montés en série dans la première paire est plus élevé que dans la seconde paire. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le pont thermique (14) est constitué parut bloc (31) raccordé aux tubes (8,9) des deux conduites de jonction. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le bloc (31) du pont présente un tronçon (35) de section réduite. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le bloc (31) présente à ses extrémités (32, 33) des canaux d'écoulement (34). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que plusieurs canaux d'écoulement (34) parallèles sont prévus dans chaque extrémité (32,33) du bloc du pont. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que chaque point de mesure présente un palpeur électrique de température qui est inséré dans un bloc de mesure (15 à 18,36,43) relié de façon à assurer la conduction thermique avec le fluide en circulation 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le bloc de mesure (36, 43) est un solide d'écoulement placé à peu près-au milieu du canal d'écoulement (37, 40). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'au moins deux points de mesure (20,22) de différentes paires présentent un bloc de mesure commun (16). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14; caractérisé en ce que le pont thermique (14) et/ou les points de mesure (19,20,22,23,29,30) sont munis d'une isolation thermique (28,39,44,45). 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que deux tronçons parallèles de tubes (8, 9) sont reliés par le pont thermique (14), chaque tronçon présentant un ou deux blocs de mesure (15 à 18) et étant entouré d'une enveloppe isolante (28) commune, dloù émergent quatre extrémités d'accouplement (10 à 13) desdits tronçons de tubes.