Brevet FR2410788A1 — publié le 19790629

La présente invention a pour objet un procédé pour optimiser la combustion dans une installation thermique. Elle trouve une application dans la régulation des générateurs d'eau chaude, ou d'air chaud, ou de vapeur, de type industriel ou non, ou encore dans la régulation des fours de réchauffage de pièces. On connaît cn procédé de régulation de chaudière qui est basé sur une combustion intermittente. I1 consiste à mesurer la température de l'eau (ou de la vapeur) à la sortie de la chau dière, à la emparer à une valeur minimale et à une valeur maxi- male, à provoquer une admission de combustible et un soufflage de comburant dans le foyer de combustion ainsi qu'un allumage du brûleur, lorsque la température de l'eau vient Btomber endessous de la valeur minimale, et à faire cesser l'admission de combustible et de comburant lorsque la température de l'eau atteint la valeur maximale. Le fonctionnement dSune installation régulée selon ce procédé est donc essentiellement intermittent, des périodes de combustion alternant avec des périodes de repos. Un tel procédé conduit à des moyens de régulation de faible oeuf rais ne permet pas de réduire à son minimum la consommation de oembustible. En-effet, la succession d'arrets et de remises en marche de la combustion provoque des pertes thermiques non négligeables1 dues notamment au refroidissement du corps de chauffe et du conduit de fumées pendant les périodes d'arrêt et à la combustion incomplète du coEbustible. On peut estimer que ce régime alterné provoque des pertes de combustible d'environ 5%. On oennalt également un procédé de régulation de chaudière qui est basé sur un fonctionnement permanent de l'installation. Il consiste à régler le débit du oembustible en fonction de la température désirée au niveau des organes d'utilisation. Par exemple, dans le cas d'une installation de chauffage central, on règle l'admission de combustible en fonction de la température que l'on désire obtenir dans le local à chauffer. La température de 1' eau à la sortie du radiateur situé dans le local est maintenue à la valeur souhaitée et c'est la température à la sortie de la chaudière qui est-réglée pour pouvoir satisfaire à la demande. Ce procédé met en oeuvre des régulateurs à action proportionnelle et/ou dérivée et/ou intégrale et des sondes de mesure de température, tous appareils qui sont bien connus. L'action sur le débit de combustible s'effectue à l'aide d'un signal de commande qui permet de régler l'ouverture d'une vanne disposée sur le conduit d'amenée de combustible. Dans Q procédé, la quantité de comburant (d'air en général), qui est nécessaire à la combustion est réglée par un servomoteur oommandé par un signal proportionnel à celui qui règle le débit de combustible ; oe servomoteur agit en général sur des volets d'entrée d'air. La quantité de comburant reste donc proportionnelle au débit de combustible. Les deux types de procédé de l'art antérieur qui viennent d'être évoqués sont davantage des procédés de régulation d'une installation thermique que des procédés d'optimisation de la combustion. Ils permettent d'asservir le fonctionnement d'une chaudière à des conditions d'utilisation variables, mais, en général, le point de fonctionnement obtenu n'est pas celui qui correspond au rendement optimal, c'est-à-dire, en définitive, à la consommation minimale en combustible. Or, on sait que le problème de l'amélioration du rendement des installations thermiques est devenu un problème majeur depuis qu'a éclaté la crise de l'énergie. La présente invention a justement pour objet un procédé qui permet de réduire la consommation de combustible des installations thermiques à une valeur minimale. A cette fin, le procédé de l'invention consiste à agir sur le débit de comburant de telle manière que le rendement de l'installation, c'est-à-dire le rapport de l'énergie utilisable à l'énergie consommée soit maximal. Ce procédé stap- plique essentiellement aux installations dont le fonctionnement est permanent, plutôt qu'aux installations dont le fonctionnement est intermittent. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé pour optimiser la combustion dans une installation thermique laquelle comprend 'n four de combustion et un circuit fermé parcouru par un fluide caloporteur circulant entre ce four et un organe d'utilisation, le four re recevant, d'une part, un combusti- ble sous un débit dépendant de la demande en chaleur au niveau de l'organe d' utilisation et, d'autre part, un comburant sous un certain débit ; ce procédé est caractérisé en ce qu'on mesure l'énergie thermique Pu disponible au niveau de l'organe d'utilisation et l'énergie P c apportée par le combustible dans le four, en ce qu'on calcule le quotient PU/Pc et-en ce qu'on agit sur le débit de comburant pour porter ce quotient à un maximum pour un débit de combustible donné. De préférence, pour mesurer l'énergie Pu, on mesure le débit Qf du fluide caloporteur, la température Te du fluide-ca- loporteur à son entrée dans le four et la température T5 du meme fluide à la sortie du four et on effectue le produit Of x (T5-T )., qui est proportionnel à l'énergie Pu, si l'on suppose constante la chaleur spécifique du fluide caloporteur, ce qui est le cas dans la pratique aux températures envisagées. De préférence encore, pour mesurer l'énergie Pc, on mesure le débit O de combustible, qui lui est proportionnel c si l'on suppose constant son pouvoir calorifique. De toute façon les caractéristiques et avantages de l'invention apparaltront mieux après la description qui suit, de modes de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre le schéma général d'une installation optimisée selon le procédé de l'invention ; - la figure 2 présente une courbe montrant les variations des pertes calorifiques d'une installation de combustion en fonction du pourcentage d'oxygène mesuré dans les fumées de combustion ; - la figure 3 permet de comparer les résultats obtenus avec le procédé de l'invention avec oeux d'un procédé de l'art antérieur. L'installation représentée sur la figure 1 comprend une chaudière 2 alimentée en combustible à travers un conduit d'entrée 4 et en gaz comburant à travers un conduit d'entrée 6 ; les produits de combustion s'échappent par une cheminée 7. Un circuit 8, parcouru par un fluide caloporteur (par exemple, de l'eau) relie la chaudière 2a' un radiateur 10 disposé dans les locaux à chauffer.Ce circuit 8 comprend, à la sortie de la chaudière 2, une pompe de circulation 12 et des moyens de mesure constitués par -une premiers sonde de température 14, mesurant la température Ts de l'eau à la sortie de la chaudière, une seconde sonde de tem pérature 16 mesurant la température T de l'eau à l'entrée de e la chaudiere, et un débitmètre 18 apte à mesurer le débit Qf de l'eau dans le circuit. Eventuellement, une troisieme sonde de température 20 peut etre placée au niveau du radiateur 10. Le conduit 4 d'amenée de fluide combustible est muni d'un débitmètre 21, d'une première vanne d'ouverture-fermeture 22 commandée par un circuit 24 et d'une seconde vanne de réglage de débit 25 commandée par un circuit 26. Le conduit 6 d'amenée de fluide comburant (en l'occurrence de l'air) comprend des volets d'entrée d'air 28 et un dispositif de réglage de débit 30, du genre ventilateur qui est commandé par un circuit 32. L'installation représentée comprend en outre, une sonde de mesure de température 34 disposée dans la cheminée 7, et qui mesure la température T F des fumées, une autre sonde de température 50, qui mesure la température extérieure TE du local à chauffer. Le coefficient de transfert thermique global d'une telle installation est donné par la relation Qf # Cf # (Ts - Te) Qc # Cc où Qf représente le débit du fluide caloporteur, Cf sa chaleur spécifique, Ts sa température à la sortie de la chaudière, Te sa température à l'entrée de la chaudière, et où Qc représente le débit de fluide combustible, et Cc son pouvoir calorifique. Une simplification de cette expression peut etre apportée si l'on considère que la chaleur spécifique Cf du fluide caloporteur est constante dans la zone de température considérée (généralement de 30 C à 800C) et que Cc est connu ou supposé cons tant. Dans ces hypothèses, le coefficient de transfert global est proportionnel à la quantité R donnée par la relation Qf # (Ts - Te) R = Qc # Qc Pour calculer oette quantité à tout instant, on mesure, à l'aide de la sonde 14 la température Ts, de la sonde 16, la température Te, du débitmètre 18, le débit Self et du débitmètre 21, le débit Oc A partir du résultat de ces mesures, on calcule la quantité R au moyen d'un calculateur 40.Ce calculateur n'est pas décrit en détail ici, car il est classique et de tout type connu , il reçoit les grandeurs mesurées 01 O , Test T et il délivre sur c e s sa connexion de sortie 42 un signal électrique apte à commander le circuit 32 permettant le réglage du débit de comburant. De préférence, le calculateur 40 agit par actions successives en modifiant le débit de fluide comburant par quantités fixes et déterminées. Pour chaque débit, le calculateur calcule la quantité R donnée plus haut et la compare à la valeur précé denté Si la nouvelle valeur est supérieure à l'ancienne, le débit du comburant est modifié dans le même sens. Si la nouvelle valeur est inférieure à l'ancienne, la modification s'effectue dans le sens inverse. Naturellement, le calculateur est conçu pour tenir compte du temps de réponse du système qui n'est pas instantané puisque, lorsque le débit de fluide comburant est modifié, il faut attendre que la combustion se soit modifiée et que la température du fluide caloporteur ait atteint sa nouvelle valeur pour que la sonde 16 détecte enfin la nouvelle valeur de la température T5 qui détermine le rendement R En plus de cette fonction essentielle, le calculateur remplit des fonctions annexes comme, par exemple, la commande du circuit d'introduction du combustible. A cette fin, le calculateur délivre sur rne connexion de sortie 44 un signal qui permet d'ouvrir le conduit d'amenée de combustible et sur une connexion 46 un signal qui permet de régler le débit du combustible.A cette fin, le calculateur reçoit les informations en provenance de la sonde 20, qui donne la température du radiateur 10, de la sonde 34 qui donne la -température T des fumées et de la sonde 50 qui donne la température TE de l'extérieur au voisinage du radiateur 10. De cette manière, le calculateur 4Q peut assurer également la régulation de la température du fluide caloporteur à la sortie du radiateur. Il peut notamment imposer in cycle d'évolution à oette température en fonction des horaires -d'utilisation des locaux à chauffer ; il peut aussi exécuter irie comptabilité de la consommation de combustible. Après cette description, on voit que le procédé de l'invention présente quelques analogies avec des procédés de recherche extrémale utilisés dans certaines installations industrielles, notamment dans les unités de fabrication de soufre basées sur une oxydation ménagée de l'hydrogène sulfuré par l'oxygène ou l'air. Dans de telles installations, l'objectif recherché n'est pas le rendement thermique maximum mais le meilleur rendement en soufre qui correspond à un niveau de pertes en soufre et en composés sulfurés aussi bas que possible, quelles que soient les variations des paramètres de fonctionnement. La régulation automatique d'une telle unité à soufre con- siste à ajuster le rapport du débit d'hydrogène sulfuré au débit d'air à l'entrée de l'unité à soufre en utilisant un système à contre-réaction. On pourra consulter à ce sujet le brevet français 1 489 044 déposé le 8 mars 1966 pour 'Procédé et appareil pour l'optimisation d'unités chimiques" et le brevet français 2 118 365 déposé le 18 décembre 1970 pour "Procédé de régulation automatique des unités de fabrication de soufre ". Le procédé de la présente invention est une application nouvelle de ces méthodes de recherche extrémale à l'optimisation des installations thermiques, qui permet d'utiliser tout type de méthode de recherche extrémale. Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux générateurs d'eau chaude tels qu'ils sont illustrés sur la figure 1, mais qu'elle peut s'appliquer à d'autres installations thermiques comme par exemple, les générateurs de vapeur. Dans ce cas, le calculateur 40 forme une quantité R' qui est du type Hs - He R' = Qc x Cc où H est l'enthalpie de la vapeur à la pression et à la tempé s rature qui règnent à la sortie de la chaudière, et H l'enthalpie de l'eau à la température d'entrée T e dans le e four, Qe est le débit du fluide calorifique, Cc est le pouvoir calorifique du fluide calorifique supposé constant ou connu. B 6326-34 RS Après cette description de l'installation optimisée selon le procédé de 1' invention, quelques résultats vont etre donnés qui permettront d'apprécier l'économie réalisée grave à la mise en oeuvre de l'invention. Dans l'art antérieur, le régime optimum d'une installation thermique était généralement établi de telle manière qu'il n'y ait pas-d'imbrûlés. Le débit de comburant était alors ajusté à une valeur minimum conduisant à cette absence dlimbrulés. Mais; ce régime ne correspondait pas nécessairement au meilleur transfert de 1' énergie calorifique libérée par la combustion. En effet, si lton étudie le transfert thermique des flammes et des gaz chauds vers tne surface refroidie, on constate que plusieurs phénomènes entrent en jeu et notamment, le rayonnement de la flamme et des gaz et la convection des gaz chauds.Le premier est maximum lorsque la température de combustion et celle des gaz sont élevées, lorsque le pouvoir éclairant de la flamme est important et lorsque la surface de rayonnement de la flamme est grande. La convection des gaz chauds est élevée lorsque la vitesse de ces gaz est grande. De tous ces phénomènes, il ressort que le transfert thermique global ne peut étre -maximum que si l'on adopte un compromis entre diverses exigences. Le meilleur transfert thermique est obtenu en combustion faiblement oxydante et non avec un excès d'air minimum conduisant à une absence dlimbrulés. La courbe de la figure 2 illustre ce résultat. Elle montre les variations des pertes calorifiques Apportées en ordonnées, en fonction du pourcentage d'oxygène présent dans les fumées, lequel est porté en abscisses. L'abscisse marquée m cor- respond au minimum d'air conduisant à l'absence d'imbrùlés. On constate que oette -courbe passe par un minimum pour un pourcentage d'air légèrement supérieur à cette quantité minimum m. Sur la courbe, à gauche du point m, les pertes résultent de la somme de la chaleur sensible des fumées et de la chaleur latente des im bru lés . A droite du point m, les pertes résultent de la seule chaleur sensible des fumées. Si l'on agit sur le débit de gaz comburant, selon le procédé de l'invention, il est donc possible de réduire les pertes calorifiques de la valeur P1 qu'elles auraient si l'on se plaçait dans les conditions conduisant a l'absence d'imbrulês, à la swa- leur P2 correspondant à un minimum. Lorsque cet état extrémal est atteint, toute évolution des paramètres, par exemple du pouvoir calorifique C du combustible, se traduit par une diminution du c rendement R.Le calculateur modifie alors la valeur du débit des gaz comburants pour que soit atteint un nouvel extrémum. Par ce mode de conduite, on voit que le procédé se passe de la mesure du pouvoir calorifique Cc du combustible, ainsi que de celle de la teneur en oxygène des fumées. La figure 3 permet de comparer les résultats obtenus avec le procéde de l'invention et ceux de l'art antérieur. Sur cette figure, le rendement thermique global R est porté en ordonnées en fonction du débit Qc de combustible qui est, en lloccur- rence un gaz ; le débit est exprimé en mètres cube par heure. La courbe R1 correspond à une installation gérée selon l'invention, et la courbe R2 à une installation de l'art antérieur dont le débit de comburant est ajusté å une valeur proportionnelle au débit de combustible. On voit qu'il n'existe qu'une valeur du débit de combustible pour laquelle les deux rendements sont égaux et qu'en dehors de Q cas le procédé de l'invention permet un gain en rendement de 1' ordre de 5%. REVENDICATIONS 1. Procédé pour optimiser la combustion dans une installation thermique, laquelle comprend un four de combustion et un circuit fermé parcouru par un fluide caloporteur circulant entre ce four et un organe d'utilisation, le four recevant, d'une part, un combustible sous un débit dépendant de la demande en chaleur au niveau de l'organe d'utilisation et, d'autre part, un comburant sous un certain débit, caractérisé en ce qu'on mesure l'éner- gie thermique Pu disponible au niveau de l'organe d'utilisation et l'énergie P apport c ée par le combustible dans le four, en ce qulon-calcule le quotient PU/Pc et en ce.qu'on agit surie débit de comburant pour porter ce quotient a un maximum pour un débit de combustible donné. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour mesurer l'énergie Pu, on mesure le débit Qf du fluide caloporteur, la température Te du fluide caloporteur à son entrée dans le four et la température Ts du me me fluide à la sortie du four et en ce qu'on effectue le produit Qf x (T5 - Te) qui est proportionnel à Pu. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour mesurer l'énergie Pc, on mesure le débit Oc de combustible qui lui est proportionnel. 4. Procédé selon 1' une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'installation est un générateur d'eau chaude, ou d'air chaud, ou de vapeur, ou un four de réchauffage de produits.