Brevet FR2449262A1 — publié le 19800912

La présente invention concerne la production dleau chaude sanitaire au moyen d'un échangeur de chaleur et elle concerne plus particulièrement un procédé de régulation de la température du fluide secondaire a la sortie d'un échangeur de chaleur du type à plaques. Afin d'assurer le rechauffement de l'eau sanitaire susceptible d'etre utilisée dans UnF, installation domestique ou industrielle, il est connu de l'amener au travers du circuit secondaire d un echangeur de chaleur, par exemple du type a plaques, dont le circuit primaire est parcouru par un fluide primaire, lui-même réchauffé après son passage dans l'échangeur au moyen d'une installation de chauffage raccordée au circuit primaire de l'échangeur de chaleur. Si on désigne par la puissance thermique échangée dans l'échangeur de chaleur, par K le coefficient d'échange global déterminé par la construction de l'échangeur, par S la surface d'échange de l'échangeur, par #TLM la différence logarithmique moyenne des températures d'entrée et de sortie des circuits primaire et secondaire, on sait que = tK.S] ATLM. Le produit [YSJ étant constant pour un échangeur donné, il apparalt donc que la puissance thermique échangée est proportionnelle a ATLg. -Par ailleurs, si l'on désigne par T1 la température du fluide primaire a son entrée dans le circuit primaire de l'echan- geur, par T2 la température du fluide primaire a sa sortie du circuit primaire, par tl la température du fluide secondaire à son entrée dans le circuit secondaire, et par t2 la température du fluide secondaire a sa sortie du circuit secondaire, la valeur de #TLM est donnée par avec :: Ata = T1 - t2 Atb = T2 tl En conséquence, puisque dans le cas de l'utilisation normale d'un tel dispositif de production d'eau chaude, la température t1 est sensiblement constante, égale à la température de l'eau de ville à son entrée dans l'installation sanitaire, et que l'on désire obtenir une température t2 de l'eau sanitaire,prête a l'utilisation,sensiblement constante également, on voit que la puissance thermique échangée dans l'échangeur de chaleur est sensiblement déterminée par les températures TletT2du fluide primaire à l'entrée et à la sortie du circuit primaire. Par ailleurs, la régulation d'un échangeur pour la production d'eau chaude sanitaire doit prendre en compte une carac téristique spécifique de ce type d'utilisation, constituée par des variations de débit très importantes et très rapides du débit secondaire provoquées par la demande généralement irrégulière d'eau chaude sanitaire par les utilisateurs. Dans le cas des procédés et dispositifs de régulation classiques, on prévoit d'alimenter le circuit primaire de l'échanqeur par un fluide a débit constant, dont on fait varier la température en raison inverse de la température mesurée a la sortie du fluide secondaire. Ainsi, lorsque le débit du fluide secondaire est très faible ou nul, la température t2 a tendance a croître, ce qui provoque la diminution de la température T1, et donc, comme le montrent les formules précédentes,un coefficient d'change minimum. Si, à ce moment, il se produit une brusque demande d'eau chaude dans le circuit secondaire, le système d'échange se trouvera dans des conditions les plus défavorables, du fait de ce coefficient d'échange minimum et également du fait que les dispositifs classiques utilisés pour faire varier la température d'entrée du fluide primaire présentent un temps de réponse relativement élevé de l'ordre de 30 secondes par exemple. En outre, afin de maintenir un débit de fluide primaire Constant, il est nécessaire d'utiliser une pompe de circulation primaire fonctionnant 24 heures sur 24, dont la consommation d'énergie est totalement indépendante de la consommation d'eau. C'est pourquoi, le but de la présente invention est de prévoir un procédé de régulation de la température du fluide secondaire a la sortie de l'échangeur de chaleur qui ne conduise pas aux inconvénients précités, qui permette une réponse très rapide et conduise a une consommation d'énergie électrique sensiblement proportionnelle au débit d'eau chaude au secondaire. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un dispositif de régulation de la température pour la mise en oeuvre de ce meme procédé. Ces objets sont réalisés selon la présente invention, en particulier en prévoyant un procédé de régulation de la température du fluide secondaire a la sortie d'un échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'on amène a l'entrée du circuit primaire un fluide primaire de température constante, et dont on fait varier le débit en raison inverse de la température du fluide secondaire, mesurée a la sortie du circuit secondaire. Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, on prévoit de faire varier le débit du fluide primaire en modulant la vitesse d'une pompe primaire raccordée a l'entrée ou a la sortie du circuit primaire de l'échangeur en raison inverse de la température de sortie du fluide secondaire. Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, on prévoit de faire varier le débit du fluide primaire en dérivant une fraction du fluide primaire entre les canalisations d'entrée et de sortie du circuit primaire de l'échangeur, et en modulant cette fraction dérivée en raison directe de la température de sortie du fluide secondaire. Ainsi, lorsque le débit du circuit secondaire diminue ou tend verszéro, la température t2 a tendance a croître, limitant alors le débit d'entrée du fluide primaire, dont la température T1 restera constante. Parallèlement, la température de sortie T2 du fluide primaire aura tendance a s'équilibrer-avec la température d'entrée tl du fluide secondaire. Dans le cas d'une demande subite de fluide secondaire, on se trouvera alors dans une configuration particulièrement favorable, caractérisée par une valeur maximale-de la puissance thermique échangée, résultant d'un écart maximal entre les températures T1 et T2.En outre, il est possible de réaliser une variation du débit primaire bien plus rapide que la variation possible de la température du primaire des dispositifs de l'art antérieur. On comprendra également que ce procédéutilisant une pompe primaire de débit variable, conduit a une consommation d'énergie de celle-ci sensiblement proportionnelle au débit du secondaire. La présente invention sera bien comprise a la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins cijoints, dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un échangeur de chaleur et de son dispositif de régulation de l'art antérieur - la figure 2 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du dispositif de la présente invention ; - la figure 3 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif de la présente invention - la figure 4 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation encore du dispositif de la présente invention - la figure 5 est une vue en perspective représentant la disposition des éléments principaux du dispositif de la figure 2 ; et - la figure 6 est une vue en perspective représentant la disposition des éléments principaux du dispositif de la figure 4. Dans la figure 1, on a représenté schématiquement un échangeur de chaleur généralement référencé 1, associé a un dispositif de regulation connu. L'échangeur de chaleur 1 comprend un circuit primaire 2 présentant une entrée 3 et une sortie 4 entre lesquelles circule un fluide primaire, et un circuit secondaire 5 entre l'entrée 6 et la sortie 7 duquel circule le fluide secondaire. Le circuit primaire 2 et le circuit secondaire 5 sont disposés de manière a favoriser l'échange de calories entre les fluides primaire et secondaire.Une canalisation primaire d'alimentation 8, unecanaisation de décharge 9,perutnt de raccorder l'entrée 3 et la sortie 4, du circuit primaire 2 a une installation de chauffage, non représentée, prévue pour amener le fluide primaire a une température comprise par exemple entre 80 et 900C.Une pompe primaire 10 disposée dans la canalisation d'alimentation 8 ou de décharge 9 permet de maintenir un débit constant du fluide primaire dans le circuit primaire 2, tandis qu'une vanne a 3 voies 11 est prévue dans la canalisation d'alimentation 8, en amont de la pompe 10, pour permettre de faire varier la température du fluide primaire a l'entrée 3 du circuit primaire 2, en recyclant une quantité plus ou moins importante du fluide primaire prélevé dans la canalisation de décharge 9, au moyen d'une canalisation de dérivation 15. La vanne a 3 voies 11 est actionnée par un servomoteur 12 luimême commandé par un régulateur électronique 13, par exemple du type proportionnel intégral, piloté par une sonde thermique 14 destinée a mesurer la température, t2 du fluide secondaire au voisinage de la sortie 7. On voit donc que lorsque le débit secondaire diminue, la température t2 a la sortie 7 du circuit secondaire aura tendance a croître, ce qui provoque, par l'intermédiaire de la sonde 14, du régulateur 13 et du servomoteur 12 ~ l'ouverture de la voie de la vanne 11, raccordée a la dérivation 15, et la fermeture simultanéè de la voie raccordée à l'installation de chauffage du fluide primaire. Ceci provoque donc la décroissance de la température du fluide a l'entrée 3 du circuit primaire 2, puisqu'une quantité croissante de fluide primaire est ramenée de la sortie 4 vers l'entrée 3 du circuit primaire. Inversement, lorsque le débit secondaire augmente, la température t2 aura tendance a baisser, provoquant ainsi l'obturation progressive de la dérivation 15, et l'alimentation directe de l'entrée q du circuit primaire 2 par le fluide provenant de l'installation de chauffage. L'ouverture complète de la vanne 11 est généralement très lente, puisqu'elle nécessite une durée d'environ 30 secondes et, en outre, on voit que la pompe primaire 10 fonctionne de manière continue, même lorsque le débit de fluide secondaire est nul. On a représenté dans la figure 2 un mode de réalisation particulier du dispositif selon la présente invention, dans lequel les éléments analogues a ceux de la figure 1 ont été désignés par les mêmes références numériques. Le circuit primaire 2 de l'échangeur généralement référencé 1 et raccordé à une installation de chauffage du fluide primaire au moyen d'une canalisation d'alimentation 8 et de décharge 9.Dans l'une de ces canalisations, par exemple dans la canalisation de décharge 9, est prévue une pompe primaire 20 dont la vitesse est modulée par un régulateur électronique 23, par exemple du type proportionnelintégral-dérivé (PID), piloté par une sonde de température 14,ré vte ou rDn àdistance dans sonbdtierui agLtp l'intermédiaire d'un régulateur a thyristors a décalage de phase 21,pour modifier le débit de la pompe primaire 20 en raison inverse de la variation de la température t2 a la sortie 7 du circuit secondaire détectée par la sonde 14. En outre, on prévoit un clapet anti-thermosiphon classique 22 dans l'une ou l'autre des canalisations 8 ou 9, pour éviter une circulation en retour du fluide primaire, lorsque la pompe primaire 20 est arrêtée. On comprendra aisément qu'en cas de diminution du débit du secondaire, et donc d'augmentation de la température t2 détectée par la sonde 14,le dispositif de régulation provoque la réduction du débit dans le circuit primaire. Parallèlement, la température T1 a l'entrée 3 du circuit primaire 2 reste sensiblement constante, tandis que la température T a sa sortie 4 tend a s'équilibrer avec la température t1 généralement constante. S'il se produit une brusque augmentation du débit secondaire, la chute de température de sortie t2 du fluide secondaire entraînée par cette variation de débit conduit a une augmentation très rapide du débit de la pompe 20, dont la vitesse peut passer de l'arrêt a la vitesse maximale en quelques dixièmes de seconde. Par conséquent, la consommation d'énergie de la pompe 20 est toujours sensiblement proportionnelle au débit d'eau du secondaire, tandis que le temps de réponse du dispositif de régulation est considérablement réduit. Dans la figure 3, on a représente un dispositif analogue a celui de la figure 2, dans lequel la régulation électronique du débit de la pompe 20 a néanmoins été notablement simplifiée. En effet, la pompe 20 est prévue pour fonctionner a des vitesses différentes v1, V21 v3, tandis que des thermostats T1, T2, T3 disposés dans la canalisation de décharge 28 du circuit secondaire 5 a proximité de la sortie 7 de ce circuit présentent des températures de déclenchement différentes. A titre d'exemple non limitatif, si l'on prévoit des températures de déclenchement respectives de 520C, 560C, 600C pour les thermostats respectifs T1, T2, T3, il convient de raccorder ces thermostats a la pompe de manière que le déclen- chement de T1 provoque l'enclenchement de la vitesse V1 la plus grande, le déclenchement de T2 provoquant l'enclenchement de la vitesse V2 moyenne et le déclenchement de T3 provoquant llenclen- chement de la vitesse V3 la plus faible. En outre, on peut prévoir un thermostat de sécurité TS pour couper l'alimentation de la pompe lorsque la température de fluide dans la canalisation de décharge 28 devient trop importante. On comprend qu'un tel dispositif, plus simple que celui de la figure 2, est tout particulièrement approprié pour des installations a débit permanent d'eau chaude sanitaire, dans les cas d'une consommation d'eau chaude sanitaire plus uniformément répartie dans la journée, par exemple dans les immeubles abritant des travailleurs postés. On comprendra également qu'il est possible d'utiliser autant de thermostats et de vitesses différentes de la pompe pri mare20 qp'on le de sire, ou encore un seul thermostat à seuils multiples. Enfin, on a représente dans la figure 4 un dispositif particulier susceptible d'être utilisé lorsqu'un débit secondaire très important est requis, pouvant conduire a une puissance thermique échangée de l'ordre du millier de XW ou plus par exemple . I1 est alors rare de pouvoir disposer de courant monophasé, et le coût de dispositifs de regulation a thyristors triphasés est beaucoup plus élevé.Il est alors plus avantageux de moduler le débit de fluide primaire a l'entrée 3 du circuit primaire 2 au moyen d'une vanne 31 montée en distribution dans la canalisation d'alimentation 8 du circuit primaire 2 et actionnée par un servomoteur 32, commandé par un régulateur électronique 23, par exemple du type PID, piloté par la sonde thermique 14 montée dans la canalisation de décharge 28 du circuit secondaire 5, a proximité de la sortie 7. La voie centrale de la vanne 31 est raccordée à la canalisation de décharge primaire 9, au moyen d'une canalisation de dérivation 33. En outre, une pompe primaire 20, susceptible de fonctionner a une petite vitesse V1 et une grande vitesse V2, est montée dans la canalisation-de décharge 9, en aval de la dérivation 33.Un thermostat de sécurité TS, identique à celui décrit en liaison avec la figure 3, permet de fermer la vanne de distribution 31, lorsqu'une température prédéterminée est dépassée à la sortie du circuit secondaire de l'échangeur. Lorsque la température t2 à la sortie 7 du circuit secondaire 5 croit, le régulateur électronique 23 agit de manière à fermer la voie de la vanne 31 raccordée a l'entrée du circuit primaire 2, et à ouvrir la voie raccordée a la canalisation de dérivation 33. Ainsi, toute augmentation de la température à la sortie du secondaire de l'échangeur de chaleur provoque une diminution du débit à l'entrée du circuit primaire, comme précédemment.Lorsque la vanne 31 approche de sa position de fermeture de la voie raccordée a l'entrée du circuit primaire de l'échangeur, un contact de fin de course permet l'enclenchement de la petite vitesse V1 de la pompe 20, pour limiter la consommation de celle-ci, lorsque le débit dans le circuit primaire de l'échangeur est minimal. Bien entendu, en fonctionnement normal, la pompe 20 tourne à la vitesse V2. Dans les figures 5 et 6, on a représenté en perspective les éléments principaux des dispositifs des figures 2 et 4. Dans la mesure où le débit du fluide primaire dans le circuit primaire de l'échangeur peut être très faible ou nul, et favori ser ainsi l'untartrage de l'échangeur, il est préférable d'utiliser des echangeurs a plaques, par exemple du type commercialisé sous la dénoirînation ALPHA LAVAL. Ces échangeurs comportent des plaques monies en 40 sur deux barres guides 41, 42 et serrées par des tirants entre un bati fixe 43 assujetti au sol par son embase 44 et qui recoit les canalisations d'alililentation et de decharge des circuits primaire et secondaire,et.nEatide seras 45 qui lut estopposé Le ta0Leaudecommande etderégdationdu dLspostf est inclus dans un boîtier 46-, assujetti a la partie supérieure du bâti fixe 43.On reconnaît dans les figures 5 et 6 les canalisations d'alimentation et de décharge 8 et 9 du circuit primaire, les canalisations d'alimentation et ae décharge 29 et 28 du circuit secondaire, la pompe primaire 20, a laquelle est associée une pompe de secours 20', susceptible d'être mise en marche en cas de défaillance de la pompe 20. En outre, une pompe de recirculation 50, munie d'un clapet anti-retour 51 est raccordée a la canalisation d'alimentation secondaire 29, pour ramener dans l'échangeur l'eau chaude sanitaire de l'extrémité de l'installation. Dans la canalisation de décharge 28 du circuit secondaire est prévu un séparateur d'air à purgeur automatique 52, pour éliminer l'air du circuit d'eau chaude sanitaire. Dans la figure 5, on reconnaît le boîtier 53 assujetti à la canalisation de décharge secondaire 28, pour recevoir la sonde de prise de température et le thermostat de sécurité. Ce boîtier pourrait également contenir les différents thermostats de réglage et de sécurité utilisés dans le dispositif décrit en liaison avec la figure 3. Le clapet anti-thermosiphon 22 est monté dans la canalisation d'alimentation 8 du circuit primaire. Dans la figure 6, on reconnaît la vanne à trois voies 31, dont l'une des voies est raccordée à la canalisation de dérivation 33, elle-même raccordée à la conduite de décharge primaire 9, pour dériver une partie du fluide primaire provenant de la canalisation d'alimentation primaire 8. Le boîtier 54 monté sur la canalisation de décharge secondaire 28 renferme le régulateur électronique et le thermostat de sécurité actionnant le servomoteur 32 de la vanne 31. On comprendra aisément que la pompe primaire pourrait sans difficulté être disposée dans la canalisation d'alimentation primaire, mais que dans le cas du dispositif des figures 4 et 6, il conviendrait de la placer en amont de la vanne 31 montée en distribution. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront a l'homme de l'art. REVENDICAIONS 1, Procédé de régulation de la température du fluide secondaire à la sortie d'un échangeur de chaleur comportant notamment un circuit primaire et un circuit secondaire, présentant chacun une entrée et une sortie entre lesquelles circule un fluide primaire, respectivement un fluide secondaire, et disposés de manière a favoriser l'échange thermique entre lesdits fluides primaire et secondaire, caractérisé en ce qu'on amène à l'entrée du circuit primaire un fluide primaire de température constante, et dont on fait varier le débit en raison inverse de la température du fluide secondaire mesurée a la sortie du circuit secondaire. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait varier le débit du fluide primaire en modulant la vitesse d'une pompe primaire raccordée à l'entrée ou la sortie du circuit primaire de l'échangeur en raison inverse de la température de sortie du fluide secondaire. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait varier le débit du fluide primaire en dérivant une fraction du fluide primaire entre l'entrée et la sortie du circuit primaire de l'échangeur et en modulant cette fraction dérivée en raison directe de la température de sortie du fluide secondaire. Dispositif de régulation de la température du fluide secondaire à la sortie d'un échangeur de chaleur comportant notamment - un circuit primaire et un circuit secondaire, présentant chacun une entrée et une sortie entre lesquelles circule un fluide primaire, respectivement un fluide secondaire, et disposés de manière à favoriser l'échange thermique entre lesdits fluides primaire et secondaire - une canalisation primaire d'alimentation, respectivement de décharge, pour raccorder l'entrée, respectivement la sortie, du circuit primaire de l'échangeur à une installation de chauffage du fluide primaire - une canalisation secondaire d'alimentation, respectivement de décharge, pour accorder l'entrée, respectivement la sortie du circuit secondaire de l'échangeur à une source de fluide secondaire, respectivement à l'installation d'utilisation du fluide secondaire ;; - un clapet anti-thermosiphon monté dans la canalisation d'alimentation ou de décharge ; - une pompe primaire disposée dans la canalisation d'alimentation ou de décharge primaire ; et - des moyens de mesure de la température de sortie du fluide secondaire, disposés dans les canalisations de décharge secondaire, a proximité de la sortie du circuit secondaire de l'échangeur ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour faire varier le débit de fluide primaire a l'entrée du circuit primaire en raison inverse de la température mesurée par les moyens de mesure de la température. 5, Dispositif de régulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vitesse de rotation de la pompe primaire estitoliée par un régulateur électronique, et en ce que les moyens de mesure sont constitués par une sonde thermique pilotant le régulateur électronique. 6, Dispositif de régulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pompe primaire est une pompe présentant plusieurs vitesses de fonctionnement, et en ce que les moyens de mesure de la température comportent plusieurs thermostats de températures de déclenchement différentes, le déclenchement de l'un des thermostats provoquant l'enclenchement d'une vitesse correspondante de la pompe. 7, Dispositif de régulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour faire varier le débit du fluide à l'entrée du circuit primaire sont constitués par une vanne de distribution montée dans la canalisaticn d'alimentation primaire etactionnée par un servomoteur commandé par un régula- teur électronique, et en ce que les moyens de mesure sont cons titués par une sonde thermique pilotant le régulateur électronique. 8, Dispositif de régulation selon l'une quelconque des revendications 5 ou 7, caractérisé en ce que le régulateur est du type proportionnel-intégral-dérivé. 9. Dispositif de régulation selon la revendication 7 et la revendication 8, caractérisé en ce que la pompe primaire est une pompe présentant deux vitesses de fonctionnement, dont la vitesse inférieure est enclenchée lorsque la vanne de distribution parvient au voisinage de sa position de fermeture, au moyen d'un contact monté sur la vanne. 10. Dispositif de régulation selon l'une quelconque des revendications 7 a 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un thermostat de sécurité monté a proximite des moyens de mesure de la température, pour arrêter le débit du fluide primaire, lorsqu'une température prédéterminée du fluide secondaire est dépassée.