Brevet FR2526162A1 — publié le 19831104

Procédé et dispositif de mesure statique de puissance calorifique La présente invention est relative à un procédé de mesure statique de la puissance calorifique fournie à un récepteur par un fluide caloporteur, ainsi qu'à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Un tel procédé est applicable chaque fois que l'on dés ire connaître le nombre de calories (ou de frigories) fournies par une installation de chauffage (ou dé réfrigération) utilisant un fluide chaud (ou froid) dirigé vers des récepteurs qui puisent une fraction de l'énergie calorifique (ou frigorifique) disponible en abaissant (ou augmentant) la température du fluide, et renvoient vers l'installation le même fluide à une température abaissée (ou augmentée). On a déjà proposé de nombreux procédés pour effectuer cette mesure de calories. Une solution classique consistant à intégrer le produit du débit du fluide caloporteur par la différence des températures à l'entrée et à la sortie du récepteur et éventuellement par la chaleur spécifique moyenne du fluide, fournit une mesure précise de l'énergie thermique consommée pendant une période de temps déterminée. En pratique, malheureusement, ce genre d'installation met en oeuvre un compteur de fluide de type mécanique qui, parcouru par des eaux sales ou agressives, est sujet aux défaillances et entraine des frais d'entretien. D'autres solutions ont été avancées en vue de réaliser un système de mesure entièrement statique, c'est-à-dire sans pièces en mouvement, et même sans compteur de fluide proprement dit. Ces systèmes sont basés sur des mesures de flux thermiques engendres par des échanges thermiques entre le fluide chaud entrant dans le récepteur et le fluide froid sortant de ce dernier, mesures à partir desquelles il est possible de déduire le débit de fluide consommé et par suite la puissance calorifique fournie au récepteur. Les flux thermiques sont mesurés uniquement par des différences de température que ceux-ci engendrent à leur tour dans des réseaux thermiques constitués par des corps solides d'impédance thermique connue. Une solution particulière de ce genre met à profit la variation d'impédance thermique constituée par la couche limite qui existe dans le fluide au voisinage des parois des conduites. Cette couche limite vient ajouter à une impédance thermique fixe sa propre impédance thermique, variable en fonction du débit et de la viscosité du fluide. La mesure de la puissance thermique est alors obtenue par la mesure de plusieurs températures existant dans un réseau thermique constitué par un pont solide qui relie entre elles les conduites d'arrivée et de retour du fluide de chauffage. Ces systèmes statiques ont l'inconvénient d'avoir une précision qui varie en raison de la variation au cours du temps des impédances thermiques mises en jeu. En particulier, dans la dernière solution rappelée ci-dessus, la métrologie repose sur la reproductibilité et une stabilité parfaite de l'impédance thermique de la couche limite. Les dépôts inévitables se produisant sur les parois des conduites de fluide provoquent une modification de cette impédance thermique qui peut être considérable, mais surtout incontrôlable. L'invention a donc pour objet un procédé de mesure statique de puissance calorifique basé sur des échanges thermiques entre des zones du fluide caloporteur à différentes températures, mais dans lequel l'influence de dépôts dans les conduites ne joue qu'un rôle mineur, pratiquement sans influence sur la métrologie. Suivant l'invention, le procédé de mesure statique de la puissance calorifique fournie à un récepteur par un fluide caloporteur parcourant une conduite d'arrivée et une conduite de retour, consiste à - brancher sur l'une des conduites en série avec le récepteur deux impédances, de type fluidique ou hydraulique, montées en parallèle, - brancher un échangeur thermique ayant deux voies respectivement parcourues par au moins une fraction du fluide de chacune des conduites, et il est caractérisé en ce qu'il consiste en en outre à - mesurer la température du fluide dans lesdites im pédances, - mesurer les enthalpies différentielles massiques du fluide aux entrées et sorties des deux voies de l'échangeur et à l'entrée et sortie du récepteur, et - effectuer un calcul algébrique sur lesdites gran deurs thermiques mesurées pour en déduire une grandeur proportionnelle à la puissance calorifique fournie au récepteur. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précédent, ce dispositif comportant deux ifipdnces, fluidiques ou hydrauliques, montées en parallèle, un échangeur thermique ayant deux voies parcourues respectivement par au moins une fraction du fluide passant dans lesdites conduites d'arrivée et de retour, des capteurs de température fournissant des signaux électriques de mesure représentatifs des différences de température du fluide respectivement aux entrées et sorties des deux voies de l'échangeur et de la différence de température à l'entrée et à la sortie du récepteur, et un circuit électronique de calcul et d'affichage relié auxdits capteurs de température, et étant caractérisé en ce que lesdites impédances suivent des lois différentes et non proportionnelles de perte de charge en fonction du débit, que l'une desdites impédances est branchée en série sur l'une des voies de l'échangeur, que lesdits capteurs mesurent en outre la température du fluide dans les impédances et que ledit circuit effectue ledit calcul à partir des signaux fournis par les capteurs. L'invention repose sur la production d'échanges thermiques de qualité quelconque entre des fluides dont les débits sont reliés entre eux par des relations non proportionnelles ou non-linéaires, mais parfaitement connues. Le calcul montre alors que le débit de fluide, par exemple le débit d'eau chaude dans une installation de chauffage, peut être obtenu en mettant en oeuvre deux impédances hydrauliques de types différents en parallèle, en procédant à des mesures d'enthalpies différentielles dans le réseau hydraulique, et en effectuant une opération algébrique. Suivant la nature des impédances hydrauliques, le calcul peut faire intervenir une nouvelle variable, liée ou non à la nature du fluide, mais en général seulement fonction d'une température locale si ce fluide est connu. Pour en déduire la puissance calorifique fournie au récepteur, il suffit alors de faire le produit du débit trouvé ci-dessus par la différence des températures d'arrivée et de retour du fluide aux bornes du récepteur. L'invention est notamment applicable à la répartition des frais de chauffage central ent-re les différents consommateurs. I1 est à préciser cependant que l'invention ne s'applique pas à des installations de chauffage (ou de réfrigération) dans lesquelles le fluide caloporteur subit des changements de phase faisant intervenir des chaleurs de vaporisation ou de condensation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en relation avec le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif d'un mode de mise en oeuvre conforme à l'invention. Sur ce dessin - la fig. 1 est un schéma synoptique expliquant le principe de fonctionnement du procédé suivant l'invention i - la fig. 2 représente schématiquement un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé - la fig. 3 montre schématiquement un mode de réali sation pratique d'un dispositif conforme à l'invention. En se référant à la fig. 1, on voit une installatipn de chauffage 10 comportant une chaudière 11 fournissant un apport d'énergie calorifique sous forme d'eau chaude à un récepteur 12 constitué par exemple par plusieurs radiateurs. L'eau chaude parvient au récepteur par une conduite d'arrivée 13 et retourne à la chaudière par une conduite de retour 14. On désignera par la suite par Qv le débit volumique d'eau chaude dans le récepteur 12, T1 et T2 étant les températures de l'eau à l'entrée et à la sortie du récepteur. La puissance calorifique P fournie dans ces conditions au récepteur est P = QM (H1 - H2) où QM est le débit massique d'eau dans le récepteur, H1 et H2 les enthalpies massiques correspondant aux températures T1 et T2. En amont du radiateur sont branchées en parallèle sur la conduite 13 deux impédances hydrauliques Z1 et Z2' parcourues respectivement par un débit d'eau ql et q2, et telles qu'elles produisent pour la même perte de charge commune #p, des débits q1 et q2 non proportionnels ; autrement dit ou encore #p = h (q1) et #p = j (q2). Les lois de perte de charge dans les impédances Z1 et Z2 sont bien définies, mais choisies de manière à ne jamais produire des débits ql et q2 proportionnels. A la sortie des impédances, par exemple Z2, -la fraction de fluide q2 est soumise à un échange thermique dans un pont ou un échangeur thermique 15 avec le fluide de retour de débit Qv Cet échange est de qualité quelconque et peut meme ne pas rester stable dans le temps. Néanmoins, quelle que soit sa qualité, on a toujours q2M (HA - HB) = QM (HC - HD) (2) H A - HB désignant la chute d'enthalpie massique du débit d'eau chaude q2, HC - HD désignant l'accroissement d'enthalpie massique du débit d'eau de retour q2M et QM désignant les débits massiques d'eau. La combinaison des équations (1) et (2) permet d'exprimer le débit QM = q1M + q2M, et par suite la puissance calorifique cherchée P = QM (H1 - H2). L'exemple qui suit donne un cas d'application générale du procédé suivant l'invention. On suppose les deux impédances hydrauliques Z1 et Z2 déterminées par les relations liant les débits volumiques q1 et q2 les parcourant respectivement à la perte de charge engendrée #p. p = K1 q1n pour Z1 p = K2 q2m pour Z2. Comme elles sont branchées en parallèle #p = K1q1n = K2q2n d'où : En faisant intervenir les débits massiques La masse volumique'étant, par hypothèse, identique dans les deux impédances en s'arrangeant pour que l'eau soit à la même température. En exprimant de débit massique QMen fonction de q2M: QM= q1M+ q2M On sait aussi que D'où : On peut en déduire l'expression de QM à la condition que m / n Finalement, on voit que, pour connaître le débit d'eau QM passant dans le récepteur, il suffit - de mettre en oeuvre deux impédances hydrauliques de type différent en parallèle, - de procéder à des mesures d'enthalpies différen tielles dans le réseau hydraulique, et - d'effectuer une opération de calcul, la masse volu mique, liée à la nature du fluide généralement connue, pouvant être déterminée en fonction de la température locale de ce fluide. Si le calcul du coefficient fait intervenir une autre variable, liée ou non à la nature du fluide, celle-ci est encore en général seulement fonction d'une température locale du fluide. La figure 2 représente un exemple plus pratique d'un dispositif basé sur le procédé exposé en relation avec la figure 1. Dans cet exemple, on a choisi comme impédances hydrauliques Z1 et Z2 une restriction du type déprimogène 21, telle qu'un diaphragme ou un venturi, et un serpentin 22. Ces deux impédances sont entourées par une enceinte calorifugée 23 et sont à la température T d'arrivée d'eau chaude. Cette température T est mesurée par une sonde thermométrique à résistance 24 plongée dans l'enceinte 23. L'eau sortant du serpentin 22 traverse la première voie 25 d'un échangeur thermique 26 sans perte de charge appréciable et se mélange à l'eau ayant traversé la restriction 21. L'échangeur 26 est entouré d'une seconde-enceinte calorifugée 27. L'eau arrive alors au récepteur 12 à une température T1 4 T et en sort à une température T2 Un thermocouple 30 fournit une force électromotrice W représentative de la chute de température T1 - T2 aux bornes du récepteur 12. L'eau issue du récepteur traverse la seconde voie 28 de l'échangeur 26, à contre-courant avec l'eau traversant la première voie 25, avant d'être renvoyée à la chaudière. Deux thermocouples 31 et 32 fournissent respectivement des forces électromotrices u et v représentatives des chutes locales de températures d'une part, TA - T B entre les points A et B à l'entrée et à la sortie de la première voie 25 de l'échangeur 26, d'autre part T C - TD à la sortie et à l'entrée de la seconde voie 28 de l'échangeur. D'après leur naFore, les impédances 21 et 22 produisent une perte de charge #p de la forme pour la restriction 21 pour le serpentin 22 et t désignant respectivement la masse volumique et le coefficient de viscosité de l'eau à la température T. Par application de l'équation (3) trouvée précédemment, il vient : Le coefficient de viscosité est une fonction connue de la température T et peut être mesuré par l'intermédiaire de la résistance de la sonde thermométrique 24 qui fournit un signal électrique f(r) représentatif de ce coefficient. Par ailleurs, on peut choisir comme thermocouples 30, 31, 32 des couples du type chromel-alumel qui fournissent une force électromotrice remarquablement proportionnelle, à 1% près, à l'enthalpie massique différentielle de l'eau dans une gamme de températures comprises entre 200 C et 1200 C, couvrant largement le domaine pratique d'emploi de radiateurs de chauffage. En conséquence, en remplaçant dans l'expression ci-dessus de QM les enthalpies différentielles par les signaux électriques u,v fournis par les thermocouples 31 et 32, on peut en déduire la puissance calorifique fournie au récepteur 12, de la forme En pratique, les signaux f (r), u, v, w des éléments thermométriques 24, 30, 31, 32 peuvent être envoyés dans un microprocesseur programmé pour effectuer le calcul de la puissance suivant la relation (4) et pour intégrer cette grandeur en fonction du temps de manière à indiquer le nombre de calories fournies au récepteur pendant une période donnée. Bien entendu si les débits d'eau sur le réseau hydraulique conduisaient à des différences locales de température trop faibles pour pouvoir être mesurées avec précision, il est possible d'utiliser des thermocouples multiples en multipliant suffisamment le nombre de paires de jonctions mises en série et/ou d'augmenter la valeur de l'enthalpie différentielle H C - HD en ne faisant passer dans la seconde voie 2 de l'échangeur 26 qu'unie fraction constante du débit de retour Qv Cette dernière disposition peut être pratiquement réalisée en insérant deux jerkes de charge du même type, par exemple deux restrictions, dans les deux canaux en parallèle qui fractionnent le débit de retour. On peut encore remarquer que la force électromotrice différentielle u - v apparaissant dans la formule (4) peut être obtenue directement à l'aide d'une autre paire de thermocouples, l'une mesurant u, l'autre mesurant v, convenablement branchée pour fournir u - v. I1 est aussi à noter que le procédé décrit est applicable de façon identique lorsque le débit de fluide Q v s'écoule en sens inverse ou que, au lieu de céder des calories, le fluide en circulation apporte des frigories, à la condition déjà mentionnée, toutefois, que le fluide reste monophasique au cours des échanges thermiques avec le récepteur. La figure 3 représente schématiquement un exemple de réalisation pratique d'un compteur de calories appliquant le procédé suivant l'invention. Ce compteur 40 est constitué de deux boitiers superposés 41,42. L'ensemble des enceintes calorifugées 23 et 27 avec le réseau des impédances hydrauliques et de l'échangeur thermique est contenu dans le premier boîtier 41 qui est équipé de deux paires de tubulures 43,44 permettant de raccorder les impédances et l'échangeur aux conduites d'arrivée et de retour de la chaudière et au récepteur. Le boîtier 40 renferme également les éléments thermométriques (24, 30 - 32 de la fig. 2) montés dans l'enceinte 23 et sur les tubulures 43,44 côté récepteur de manière à mesurer les différentes températures intervenant dans l'élaboration de la puissance calorifique cherchée. Sur le boîtier 41 est monté le boîtier 42 qui contient un circuit de calcul sous forme d'un microprocesseur 45 et un intégrateur-totalisateur muni d'un dispositif d'affichage 46, l'ensemble étant alimenté par une pile incorporée (non représentée). Le microprocesseur reçoit les signaux des éléments thermométriques du boîtier 41 et, après conversion du signal f(r) en température correspondante, élabore le calcul de la puissance calorifique P suivant la relation (4) en fonction des autres signaux de températures différentielles u, v, w. La quantité de chaleur consommée pendant une période donnée est indiquée sur le dispositif d'affichage 46 du totalisateur qui intègre les signaux représentatifs de P fournis par le microprocesseur. Ce dernier peut aussi être prévu pour transmettre les informations à distance et exécuter d'autres fonctions (commutations jour-nuit, week-end, etc...). REVENDICATIONS 1 - Procédé. de mesure statique de la puissance calo rifique fournie à un récepteur par un fluide caloporteur parcourant une conduite d'arrivée et une conduite de retour, consistant à : - brancher sur l'une des conduites en série avec le récepteur deux impédances, de type fluidique ou hydraulique, montées en parallèle, - brancher un ecnangear thermique ayant deux voies respectivement parcourues par au moins une fraction du fluide de chacune des conduites, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à - mesurer la température du fluide dans lesdites impédances, - mesurer les enthalpies différentielles massi ques du fluide aux entrées et sorties des deux voies de l'échangeur et à l'entrée et sortie du récepteur, et - effectuer un calcul algébrique sur lesdites grandeurs thermiques mesurées pour en déduire une grandeur proportionnelle à la puissance calorifique fournie au récepteur. 2 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé sui vant la revendication 1, comportant deux impédances, fluidiques ou hydrauliques, montées en parallèle, un échangeur thermique ayant deux voies parcourues respectivement par au moins une fraction du fluide passant dans lesdites conduites d'arrivée et de retour, des capteurs de température fournissant des signaux électriques de mesure représentatifs des différences de température du fluide respectivement aux entrées et sorties des deux voies de l'échangeur et de la différence de température à a' l'entrée et à la sortie du récepteur, et un circuit électronique de calcul et d'affichage relié auxdits capteurs de température, caractérisé en ce que lesdites impédances suivent des lois différentes et non proportionnelles de perte de charge en fonction du débit, que l'une desdites impédances est branchée en série sur l'une des voies de l'échangeur, que lesdits capteurs mesurent en outre la température du fluide dans les impédances et que ledit circuit effectue ledit calcul à partir des signaux fournis par les capteurs. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, dans le quel l'une des impédances est un système déprimogène, caractérisé en ce que l'autre impédance est constituée par un serpentin. 4 - Dispositif suivant la revendication 2, caracté risé en ce que lesdites impédances et l'échangeur sont placés respectivement à l'intérieur d'une enceinte calorifugée. 5 - Dispositif suivant la revendication 2, dans le quel les capteurs mesurant des différences de température sont des thermocouples, caractérisé en ce qu'ils sont choisis d'un type approprié, par exemple en chrome-alumel, pour fournir une force électromotrice directement proportionnelle à l'enthalpie massique du fluide dans la gamme de température duti1isation du récepteur. 6 - Dispositif suivant la revendication 4, dans le quel la température du fluide dans les impédances est mesurée par une sonde thermométrique à résistance, caractérisé en ce que ladite sonde est montée pour mesurer la température de l'enceinte calorifugée dans laquelle sont placées les impédances. 7 - Dispositif suivant la revendication 4, caractéri sé en ce qu'il comprend un boîtier renfermant deux paires de tubulures respectivement raccordables aux conduites d'arrivée et de retour du fluide et au récepteur, les deux enceintes calorifugées et les capteurs de température, les impédances étant branchées avec une voie de l'échangeur entre une paire de tubulures et l'autre voie de l'échangeur étant branchée entre l'autre paire de tubulures.