Brevet FR2514141A1 — publié le 19830408

Installation de mesure en continu du pouvoir calorifique d'un gaz La présente invention a pour objet une installa- tion de mesure en continu du pouvoir calorifique d'un gaz combustible, permettant de suivre les variations lentes de ce pouvoir. On connait déjà de nombreuses installations destinées à mesurer en continu le pouvoir calorifique ou la chaleur de combustion de gaz combustibles, tels que les gaz provenant de gisements naturels De telles installa- tions sont notamment utilisées en coopération avec des appareils de mesure du debit circulant dans des gazoducs pour déterminer 1 'énergie thermique fournie. Les installations de mesure connues utilisent pour la plupart des détecteurs thermométriques constitués par des transducteurs fournissant un signal électrique. L'emploi de ces transducteurs se traduit par des défauts graves La nécessité d'un isolement introduit des résis- tances thermiques dont le vieillissement nuit aux perfor- mances et à la fiabilité La faible valeur des surfaces actives des transducteurs permet difficilement d'atteindre une répartition sur le trajet du flux thermique fournis- sant une intégration satisfaisante des densités de flux sur toute la surface de transfert Ce dernier défaut est particulièrement grave lorsque le flux à mesurer traverse une surface d'échange de grande dimension et présente une répartition de densitéshétérogène et aléa- toire. La présente invention vise notamment à fournir une installation de mesure en continu répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pra- tique, notamment en ce qu'elle autorise une intégration satisfaisante du flux sur toute la surface de transfert et une mesure de précision satisfaisante avec des moyens relativement simples. Dans ce but, l'invention propose notamment une installation de mesure en continu du pouvoir calorifique d'un gaz canbustible, comportant un calorimètre dans lequel est disposée une cellule ouverte dont la partie basse entoure un brûleur et des moyens pour alimenter le brûleur et la cellule respec- tivement en gaz combustible et en air de combustion à pres- sion et débit déterminés, caractérisée en ce que le calori- mètre comprend une paroi externe maintenue à température constante et délimitant, avec la paroi de la cellule, un espace annulaire séparé, au moyen d'une cloison parallèle aux parois, en une enceinte interne et une enceinte externe d'épaisseursfaibles par rapport à leurs autres dimensions, lesdites enceintes étant-occupées par un même gaz et asso- l O ciées de façon à constituer un thermomètre différentiel-à gaz. On voit que cette disposition permet d'éviter toute résistance de contact thermique puisque le gaz au con- tact de la paroi de chaque enceinte a la même température que la paroi de la cellule d'une part, la paroi externe d'autre part L'épaisseur des enceintes, donc des gaines de gaz qu'elles contiennent, étant faible, le gradient de tempéra- ture dans ces enceintes sera sensiblement normal, c'est-à- dire radial si les enceintes, et donc les parois, sont de révolution autour d'un axe Les inerties calorifiques mises en jeu sont faibles, de sorte que l'installation est apte à suivre les variations du flux thermique produites par une flamme de gaz naturel dont le débit est constant alors que sa composition est lentement variable. L'installation peut aisément être munie de moyens d'étalonnage Ces derniers peuvent comporter une résistance chauffante dont l'effet est substitué à celui du brûleur. Il est toutefois préférable d'utiliser des moyens permet- tant d'alimenter en alternance le brûleur en gaz combustible dont les caractéristiques sont à mesurer et en un gaz de référence, par exemple en méthane pur lorsque l'installation est destinée à mesurer le pouvoir calorifique de gaz naturel. Pour éviter que le débit d'air aspiré soitnotable- nent affecté par des variations de pouvoir calorifique du gaz combustible, il suffit pratiquement de réaliser la cel- lule sous forme d'un conduit surmonté d'une cheminée d'éva- cuation munie d'une résistance électrique chauffante déga- geant une puissance largement supérieure au flux à mesurer-; ledit conduit étant muni de chicanes pour freiner le courant d'air entraîné par convection Ainsi,, les variations de flux thlrmique sont -3- sans incidence réelle et il se crée dans la cheminée d'évacuation un courant de convection naturel pratiquement indépendant du flux à mesurer. Le thermomètre à gaz constitué à partir des enceintes interne et externe peut être réalisé sous forme d'un pont de mesure pneumatique alimenté par une source de gaz à pression variable suivant une loi périodique alternative En particulier, on peut utiliser un pont pneumatique de mesure du genre décrit et revendiqué dans la demande de brevet déposée ce jour au nom de l'OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES pour "Pont pneumatique de mesure". L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisa- tion, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma montrant les compo- sants principaux du calorimètre'de l'installation, les organes de structure étant représentés en coupe suivant un plan vertical; la figure 2 est un schéma montrant la consti- tution d'un pont pneumatique de mesure associé aux enceintes du calorimètre de la-figure 1 pour constituer un thermomètre à gaz. Le calorimètre montré en figure 1 comporte une cellule 8, constituée par un tube qui, lors du fonctionne- ment, est en position verticale La partie basse de la cellule entoure le bec d'un brûleur 9 qui reçoit le gaz dont le pouvoir calorifique est à mesurer La partie haute de la cellule 8 se prolonge par une cheminée d'évacuation 10 dont le râle apparaîtra plus loin et qui débouche dans une chambre il de dimensions nettement supérieures à celles de la cheminée, par laquelle s'effectue l'admission d'air frais et l'évacuation des gaz brûlés à l'abri des courants d'air. La cellule 8, de longueur nettement supérieure às.on diamètre,-est entourée de deux enceintes concen- triques 12 et 14, d'épaisseur faible par rapport à leurs autres dimensions, séparées par une cloison 13 La paroi de la cellule 8 sépare les gaz de combustion provenant du brû- leur 9 de l'enceinte 12 L'enceinte 14 est délimitée par une paroi externe 16 maintenue à température uniforme-et cons- tante par exemple par le liquide 15 occupant un volume - annulaire 17 appartenant à un circuit de circulation compre- nant une pompe 18 et un thermostat 19 Les enceintes 12 et 14 sont d'épaisseur constante Elles seront généralement de forme cylindrique, ainsi que les parois et cloison Les faces en regard de la cellule 8 et de la paroi 16 sont avantageu- sement absorbantes ou au contraire réfléchissantes au rayonnement infra- rouge pour éviter les conséquences du vieillissement sur les propriétés réflectives des corps intermédiaires La cloison 13 doit être de conductivité moyenne, de façon à ce que l'ensemble 12, 13, 14 constitue un calorimètre à flux dans lequel le gradient thermique principal intervient dans les lames d'air. L'ensemble constitué par les enceintes 12 et 14, la cloison 13 et les parois de limitation des enceintes consti- tue un mur thermique dans lequel la transmission de chaleur peut être définie mathématiquement Le calcul montre que, lorsque les enceintes sont d'épaisseur faible par rapport à leurs dimensions longitudinale et circonférentielle et lors- que les températures varient suffisamment peu dans les lames d'air occupant les enceintes 12 et 14, l'écart de masse entre les deux lames d'air est proportionnel au flux thermique total qui traverse le mur, quelle que soit la répartition de la densité de flux sur les parois Une mesure de l'écart de masse est donc représentative de l'intégrale de surface des densités de flux, donc du flux total La mesure de l'écart de masse peut s'effectuer à l'aide de toute-dispo- sition équivalente à un thermomètre à gaz dont les enceintes constituent les bulbes Il est toutefois avantageux d'asso- cier aux enceintes le pont pneumatique de-mesure qui sera -décrit plus loin. Le brûleur 9 de l'installation doit être alimenté en gaz sous un débit constant ou régulé Pour cela, on inter- pose, sur la tubulure 20 d'amenée de gaz au brûleur 9 depuis la conduite 21 dans laquelle s'effectue le prélèvement, - un régulateur de pression 22 constitué par exemple par un manodétendeur de précision Sur le trajet du gaz est de plus inséré un humidificateur 23 de type classique, permet- tant de saturer le gaz en vapeur d'eau. Le brûleur fonctionne à pression atmosphérique et des mesures doivent être prises pour éviter que le courant de convection naturel qui s'établit dans la cellule 8 et entraîne un important excédent d'air ne soit pas affecté par les variations du pouvoir calorifique du gaz Ce résul- -10 tat peut être atteint en disposant un extracteur rotatif très stable au-dessus de la cellule 8, qui est munie de chicanes 24 destinées à imposer des pertes de charge frei- nant le courant dû à la convection Il est toutefois préférable de prévoir une cheminée d'évacuation 10 prolon- geant la cellule 8 et munie à sa base d'une résistance électrique chauffante 25 dans laquelle un circuit d'alimen- tation électrique 26 dissipe une puissance largement supé- rieure au flux thermique à mesurer, due à la combustion du gaz On crée ainsi dans la cheminée d'évacuation 10 un courant de convection naturel de débit pratiquement indépendant du flux thermique à mesurer La cheminée 10 débouche dans la partie haute de la chambre 11, munie d'une tubulure 27 d'évacuation des gaz br Zilés La partie basse de la chambre, séparée de la partie haute par une cloison transversale 28, reçoit l'air de combustion par l'intermédiaire d'un humidificateur 29 et d'un détendeur Les conditions d'emploi doivent être telles qu'il n'y ait pas de condensation dans la cheminée: on mesure ainsi le pouvoir calorifique inférieur. Lorsque l'installation est utilisée pour oesurer le pouvoir calorifique d'un gaz naturel, il est souhaitable de disposer de moyens d'étalonnage Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, ces moyens coeportent une électrovanne 31 permettant d'alimenter le régulateur de pression 22 et le brûleur 9 alternativement en gaz cabus- tible à étudier et en un gaz de référence, qui sera par exemple du méthane pur contenu dans une bouteille sous pression 32 La durée de chaque étalonnage sera évidem- ment déterminée par le temps nécessaire pour arriver à un nouvel équilibre thermique: elle sera en règle générale inférieure à une-heure. _ 6- On peut utiliser, au lieu d'une alimentation alternative du brûleur 9, une résistance électrique chauf- fante permettant un étalonnage par effet Joule Mais cette façon de procéder implique que l'encombrement et la forme de la résistance soient comparables à ceux du brûleur, de- façon à créer un courant de convection naturel équivalent. Il faut de plus introduire un facteur de correction tenant compte du rayonnement différent de la résistance et du brûleur, même lorsque le brûleur est entouré d'un écran dont la température est voisine de celle de la résistance d'étalon- nage. Comme on l'a indiqué plus haut, les enceintes 12 et 14 doivent être associées dans un ensemble de mesures que l 'on peut comparer à un thermomètre à gaz Dans le cas particulier illustré sur la figure 2, les enceintes 12 et 14 sont asso- ciées à un pont pneumatique du type décrit dans la demande de brevet déposée ce jour au nom de l'ONERA et déjà mentionnée. Ce pont de mesure pneumatique comporte une-alimentation en gaz (qui peut être de l'air) sous un débit périodique alter- natif Dans le mode de réalisation montré en figure 2, ce débit est créé par dilatation thermiquepulsée Les moyens de pulsation comportent un réservoir 33 qui communique avec le pont et dans lequel est placée une résistance chauf- fante 34 associée à une alimentation électrique 35 fournissant des créneaux de courant Un ventilateur 36 à fonctionnement permanent, placé dans le réservoir 33 à proximité de la sortie de celui-ci, maintient un écoulement d'air permanent sur la résistance 34 de façon à provoquer des variations de pression périodiques alternatives, qui sont en pratique approximativement sinusoïdales. Le pont pneumatique proprement dit comporte deux éléments de perte de charge 37 et 38 dans lesquéls un débit alternatif est créé par le réservoir 33 et respectivement placés en série avec les enceintes 12 et 14 Les éléments de perte de charge sont constitués par des blocs percés de conduits de diamètre suffisanrent faible pour que l'écoulement y soit laminaire et donc que la perte de charge soit une fonction sensiblement linéaire de la vitesse moyenne de l'écoulement A titre d'exemple, on peut indiquer que, dans un pont pneumatique dont les moyens de création de débit alternatif fonctionnent à une fréquence de l'ordre de 1 Hz, on a constitué les éléments de perte de charge par des barreaux de céramique de 1 cm de longueur, percés de quel- ques trous de 0,2 mm de diamètre Pour que les pertes de charge subies par le gaz à la traversée des éléments 37 et 38 soient bien déterminées et constantes, la tempéra- ture de ces éléments et du gaz qui les traverse doit être également constante Dans ce but, les éléments 37 et 38 sont placés dans une enceinte 39 occupée par un liquide dont la température est constante L'enceinte 39 peut d'ailleurs être incorporée à l'enceinte 17 (figure 1) et utiliser la même pompe 18 et le même thermostat 19. Une telle disposition permet d'obtenir par exemple une surpression moyenne de l'ordre du tiers de la pression atmosphérique, avec une modulation dont l'amplitude est de quelques dizaines de millibars. Les éléments de perte de charge 37 et 38 sont avantageusement aussi identiques que possible De même, il sera généralement préférable de donner aux enceintes 12 et 14 le même volume Dans ces conditions, les tubu- lures 40 et 41 qui relient les éléments de perte de charge aux enceintes sont à la même pression lorsqu'aucun déséquilibre n'intervient entre les branches du pont. Si au contraire un déséquilibre se produit, du fait d'un écart entre les températures moyennes des gaz contenus dans les enceintes 12 et 14, du fait du flux calorifique de la flamme du brûleur qui augmente la température du gaz dans l'enceinte 12 davantage que dans l'enceinte 14, un débit alternatif tend à circuler entre les enceintes 12 et 14, dans une canalisation 42 qui les relie Le calcul montre que, aussi longtemps que la différence de température entre les enceintes 12 et 14 reste faible par rapport à la température moyenne de ces enceintes, l'écart de pression entre les extrémités de la conduite de liaison est proportionnel à l'écart de tempé- rature entre les enceintes Le calcul fait également apparaître que la réponse du pont est d'autant meilleure que la fréquence d'excitation, fixée par le générateur de créneaux 35, est plus proche d'une valeur'optimale détermi- nable par le calcul, fonction des caractéristiques dimen- sionnelles du pont. Dans le mode de réalisation montré en figure 2, la pression différentielle est mesurée à l'aide d'un micro- débitmètre 43 du type décrit et revendiqué dans le brevet français N O 75 11844, publié sous le-n 2 308 090, auquel on pourra se reporter La constitution et le fonctionnement de ce microdébitmètre ne seront donc que sommairement dé-' crits Il comporte un capteur 44 dans lequel est ménagée une chambre 45 interposée sur la conduite 42 Dans cette chambre est placé un élément thermorésistant 46 de faible épaisseur placé dans un pont de mesure électrique 47 Le pont est alimenté par un circuit 48 en impulsions électri- ques de chauffage A l'écoulement entre les enceintes 12 et 14 qui balaie l'élément thermorésistant 10, est super- posé un écoulement alternatif, à une fréquence qui est d'au moins de deux ordres de grandeur supérieure à la fré- quence des pulsations de pression fournies par le réservoir 33 Ces oscillations de pression sont réalisées par une membrane 49 excitée par une bobine Cette dernière reçoit un signal sinusoïdal d'un oscillateur 50 qui fournit des créneaux carrés à la même fréquence et avec la même phase à un circuit de mesure comprenant un déphaseur 51 Les sorties de ce déphaseur attaquent les entrées de commande de deux mémoires 52 et 53 qui reçoivent les signaux de mesure provenant du pont Les signaux mémorisés en mémoire 52 et 53 sont appliqués sur les deux entrées d'un amplifi- cateur différentiel 54 dont la sortie fournit un signal- de mesure. On peut ainsi constituer une installation de mesure à faible-temps de réponse (typiquement de l'ordre de 10 mn),-à faible consommation de combustible, permettant d'arriver à une précision élevée. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation Par exemple, le brûleur peut être alimenté non pas à débit constant, maïs à débit régulé, de façon que le flux thermique de la flamme soit constant Le pouvoir calorifique est alors déduit du débit Le mesure du flux thermique traversant le calorimètre peut être effectuée par d'autres moyens que ceux donnés à titre d'exemples _-g _ plus haut. Il doit être entendu que la portée du présent brevet ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été particulièrement décrits et représentés et s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. - Revendications 1 Installation de mesure en continu du pouvoir calo- rifique d'un gaz combustible, comportant un-calorimètre dans lequel est placée une cellule ouverte ( 8) dont la partie basse entoure un brûleur ( 9) et des moyens ( 22, 30) alimen- tant le brûleur et la cellule respectivement en gaz combus- tible et en air de combustion à pression et débit déterminés, caractérisée en ce que le calorimètre comprend une paroi externe ( 16) maintenue à température constante et délimitant, avec la paroi de la cellule ( 8), un espace annulaire séparé, au moyen d'une cloison ( 13) parallèle aux parois, en une enceinte interne et une enceinte-externe d'épaisseurs faibles par rapport à leurs autres dimensions, lesdites enceintes étant occupées par un même gaz et associées de façon à cons- tituer un thermomètre différentiel à gaz. 2 Installation suivant la-revendication I,-caracté- risée en ce que la cellule comprend un tube sensiblement vertical muni de chicanes ( 24) et surmonté d'une cheminée d'évacuation ( 10 > munie d'une résistance électrique chauf- fante dégageant une puissance largement supérieure au flux thermique à mesurer. 3 Installation suivant la revendication X ou 2, carac- térisée en ce qu'elle comprend des moyens d'étalonmage per- mettant d'alimenter en alternance le brûleur en gaz combus- tible et en un gaz de référence. 4 Installation suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée par des moyens pour alimenter le brûleur ( 9) à débit constant ou à débit régulé pour que le flux thermique traversant les enceintes soit constant. 5 Installation suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que le calorimètre comporte un trajet unique de circulation d'air depuis les moyens de circulation d'air jusqu'à des moyens ( 27) de sor- tie d'air et de gaz de combustion. 6 Installation suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les enceintes ( 12, 14) sont associées à un circuit de mesure de la différence de pression entre les enceintes comportant un il - microdébitmètre monté entre les enceintes. 7 Installation suivant la revendication 6, caracté- risée en ce que chacune des enceintes ( 12, 14) est reliée, au moyen d'éléments ( 37, 38) imposant au gaz qui les tra- verse une perte de charge variant avantageusement suivant une fonction sensiblement linéaire dudébit, à une alimen- tation pneumatique alimentant les deux enceintes en paral- lèle à partir des éléments de perte de charge et imposant un débit périodique alternatif. 8 Installation suivant la revendication 7, caracté- risée en ce que les éléments de perte de charge ( 37, 38) sont constitués par des barreaux percés de plusieurs trous de faible diamètre et maintenus à température constante. 9 Installation suivant la revendication 8, caracté- risée en ce que l'alimentation pneumatique est constituée par un réservoir ( 33) dans lequel est disposée une résistance chauffante ( 34) connectée à une alimentation électrique alternative ( 35).