Brevet FR2544891A1 — publié le 19841026

La présente invention concerne un dispositif permettant le raccordement d'un appareil(destiné à être soumis à un échange thermique avec l'extérieur) à une source de fluide caloporteur, source maintenue à température contrôlée le dispositif selon l'invention vise à permettre le raccordement de l'appareil soumis à régulation thermique en constituant un circuit indépendant soumis à sa propre régulation thermique ; il évite dans le cas où plusieurs appareils soumis à régulation thermique sont raccordés à une même source de fluide caloporteur, les interférences possibles lorsque les appareils devaient être branchés en dérivation sur des collecteurs communs d'arrivée et de sortie de fluide caloporteur par rapport à la source de fluide maintenue à température programmée. D'une façon générale, 11 invention trouve application chaque fois que l'on dispose d'une batterie d'appareils fonctionnant dans des conditions sensiblement identiques mais ayant des besoins d'échanges thermiques spécifiques. I1 est clair que dans ce cas on utilisera une source de fluide caloporteur unique qui apportera aux appareils soumis à régulation thermique, les calories ou frigories nécessaires. ; et l'invention permet dans ce cas de brancher individuellement chaque appareil soumis à régulation thermique directement sur la source commune tout en isolant les appareils régulés thermiquement les uns des autres, chaque circuit constituant son système autonome et permettant ainsi à chaque unité de travail d'effectuer son prélavement de frigories ou de calories sur la source commune rigoureusement dans les conditions nécessaires pour obtenir une rentabilité et une optimisation des échanges thermiques. D'une façon générale, l'invention sera applicable au domaine du moulage des matières synthétiques (caoutchouc, matière plastique), dans lesquelles il est prévu d'effectuer un refroidissement des moules1 de façon à raccourcir le temps de prise entre l'injection de la matière synthétique à l'état plastique et la phase de démoulage. Cependant, l'invention n'est pas limitée au domaine de la plasturgie et trouvera son utilisation chaque fois que l'on voudra brancher sur une source de frigories ou de calories une batterie d'appareils destinés à être contrôles et régulés thermiquement. On comprend donc que l'invention s'applique à des appareils mettant en oeuvre des opérations endothermiques comme exothermiques. Pareillement, on a décrit dans le mémoire descriptif qui suit l'invention en rapport avec l'utilisation d'un fluide caloporteur constitué par de l'eau, sans que cet exemple d'application ait un caractère limitatif et l'invention pourra s1 appliquer à tous les fluides caloporteurs. C'est sans doute dans le domaine de la plasturgie que le problème de l'utilisation de l'eau comme fluide caloporteur a pu poser des problèmes étant donné la nécessité de plus en plus pressante d'obtenir un meilleur bilan thermique dans le but d'une meilleure économie d'énergie et par ailleurs, la nécessité d'économiser cette matière première que constitue l'eau, a conduit également à une révision des conditions d'utilisation de cette dernière. Le problème de l'eau, c'est-à-dire son approvisionnement, son recyclage éventuel ainsi que la maitrise de sa température, se pose fréquemment dans l'industrie et notamment dans celles du caoutchouc et des Matières Plastiques, compte tenu de l'augmentation du prix du m3, de la limitation des capacités de puisage dans le sol et des exigences de fabrication. I1 est ainsi devenu classique de recycler l'eau utilisée en intercalant dans le circuit fermé de l'eau, un aéroré frigérant complété par un traitement anti-calcaire et un dispositif de filtration. Toutefois un des inconvénients de cette solution réside dans le fait que la température de l'eau recyclée est essentiellement variable, étant fonction de la valeur du bulbe humide de l'air extérieur. De plus, la température de l'eau obtenue reste toujours supérieure à celle de ce bulbe humide. Une autre solution consistera à utiliser un groupe frigorifique, refroidisseur de liquide, qui permettra, lui, de délivrer une eau industrielle à température constante et réglable pouvant descendre aux alentours de zéro degré, ensemble qui fonctionne généralement suivant le schéma de la figure 1. Cet équipement toutefois nécessite une quantité plus importante d'énergie électrique par rapport à l'aéro-refrigérant, inconvénient qui est depuis quelque temps contrebalancé par les possibilités de récupération l'hiver des calories engendrées, en concevant l'utilisation du système sous forme de pompe à chaleur. I1 reste toutefois un inconvénient à ce système, dA à la production d'une eau à température unique, ne convenant pas toujours aux différents besoins existants. La solution couramment employée et illustrée à la figure 2 consiste alors à modifier le débit de liquide sur certaines parties du circuit de distribution, a-fin d'agir sur l'échange thermique, façon de procéder qui comporte toutefois des inconvénients L'invention vise à remédier aux inconvénients des solutions antérieures et concerne à cét effet un procédé de régulation des échanges thermiques entre une unit de travail échangeant des calories avec un fluide caloporteur provenant d'une source de fluide caloporteur à température sensiblement constante, et le procédé est caractérisé en ce que on relie ladite unité de travail à ladite source de fluide caloporteur par un circuit indépendant d'alimen- tation et par un circuit indépendant de retour, et en ce que l'on recycle dans le circuit d'alimentation une partie du liquide caloporteur du circuit de retour et à cet effet, le circuit d'alimentation reçoit, par le moyen d'une vanne à trois voies, le branchement d'une dérivation provenant du circuit de retour. L'invention vise également à titre de produits industriels nouveaux, un module de régulation thermique apte à permettre le raccordement sur une réserve de fluide caloporteur à température conditionnée, d'une unité fonctionnelle de travail maintenue à température sensiblement-constante par échange thermique avec ladite réserve, le fluide caloporteur circulant entre la réserve conditionnée et l'unité fonctionnelle, ledit module est caractérisé en ce qu'il est constitué d'un boitier intégrant une premiere entrée de fluide caloporteur, apte à être raccordée à ladite réserve, une première sortie de fluide caloporteur apte à être raccordée avec l'entrée du circuit de l'unité fonctionnelle, une seconde entrée pour le fluide caloporteur apte à être raccordee à la sortie du fluide sur l'unité fonctionnelle, une seconde sortie du fluide caloporteur apte à être raccordée à un retour sur ladite réserve, le boitier contenant également intérieurement une pompe apte à assurer la circulation du fluide caloporteur à travers ledit module depuis ladite première entre vers ladite première sortie et depuis ladite seconde entrée vers ladite seconde sortie, une dérivation intérieure reliant le retour du fluide sortant de l'unité fonctionnelle au circuit amont de ladite pompe sur lequel il est branché par une vanne à trois voies apte à commander le taux de fluide de retour ainsi recyclé, au moins une sonde thermométrique mesurant la température du fluide circulant au sein de l'unité fonctionnelle et un organe de commande apte à recevoir les informations de ladite sonde et à manoeuvrer en conséquence la vanne à trois voies L'invention sera mieux comprise de la description qui suit et qui est donnée à la lumière des dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente une vue d'un schéma d'un circuit de refroidissement conventionnel et selon l'art anté- rieur. La figure 2 représente une vue d'un circuit de refroidissement identique à la figure 1 et appartenant à l'art antérieur mais dans lequel plusieurs machines sont bran chées en dérivation sur un circuit unique. La figure 3 représente un schéma de principe d'un montage mettant en oeuvre l'appareil selon l'invention. La figure 4 représente un circuit montrant le branchement d'une batterie comportant plusieurs unités de travail reliée par l'intermédiaire d'un appareil conforme à l'invention et chacune selon un circuit autonome à une source unique de fluide caloporteur. La figure 5 montre une vue schématique de l'appareil de thermo-régulation selon l'invention. La figure 6 représente une vue en perspective de l'appareil. Les figures 1 et 2 montrent les schémas de montage conventionnels dans lesquels une machine de travail, par exemple un moule de plasturgie, est branchée sur une source de refroidissement constituée du bassin tampon 1, contenant de l'eau, elle-même refroidie par passage à travers un groupe frigorifique 2. Dans le cas de la figure 2, le bassin tampon ou bassin de réserve 1 est divisé en deux parties soit un compartiment d'eau froide 3 qui est alimenté par l'arrivée d'eau refroidie depuis le groupe frigorifique ; et c'est de ce compartiment eau froide qu'est prélevée l'eau de refroidissement qui va desservir les appareils de plasturgie tels que les moules desservis par les circuits de refroidissement 4, 5, 6. Comme on l'a indiqué, si l'on veut ajuster les besoins en refroidissement de chacun des circuits 4, 5, 6 (en fonction du travail ou cadence particulière de chaque appareil, on utilise une vanne à commande manuelle ou thermos tatée qui etrangle plus ou moins le circuit de retour en aval du système de refroidissement 4, 5 ou 6 et qui règle les besoins en refroidissement par le jeu du débit de l'eau transitant. Ce système n' est pas très satisfaisant dans la mesure où il ne permet pas d'adapter la température de l'eau de refroidissement et par conséquent l'écart entre le fluide caloporteur et la température du moule à un niveau optimum de façon à éviter les disparités thermiques au sein de l'appareil et les distorsions qui peuvent en résulter dans l'état de moulage ; pas plus qu'il ne permet d'adapter exactement les températures à un bilan d'échange et à un bilan énergétique optimum. L'invention est illustrée par la figure 3 et montre que le circuit de refroidissement 7 qui dessert la machine de travail 8 est raccordé à la réserve de fluide de refroidissement 1 par l'intermédiaire d'un module de régulation thermique (représenté en détail aux figures 5 et 6) et défini par la référence générale 9. Le module est raccordé par une première entrée 10 à la réserve d'eau de refroidissement 1 et l'eau ainsi véhiculée à travers le module 9 ressort par une première sortie 11 aboutissant à la machine de travail 8. Le module 9 comporte une seconde entrée 12 qui reçoit l'eau provenant de la machine de travail 8 et qui va aboutir à l'extrêmité oppose à une seconde sortie 13 rejoignant la réserve d'eau de refroidissement 1. Entre la première entrée 10 et la première sortie 11, le circuit intérieur passe par une vanne à trois voies 14 à laquelle aboutit la dérivation de recyclage 15 provenant du circuit de retour 16 ; la vanne à trois voies est située en amont d'une pompe de circulation 17. La vanne 14 est du type motorisé à action modulante. Comme on le voit sur les figures 5 et 6, le module comporte en outre des organes de réglage de mesure et de commande ; on trouve ainsi en aval de la pompe 17 une sonde thermométrique 18 mesurant la température du fluide de refroidissement accédant à la machine de travail 8 tandis que la sonde thermométrique 19 placée sur le circuit de retour 16 mesure la température du fluide de refroidissement provenant de cette machine. Au delà de la dérivation 15 on trouve également un manomètre 20, un organe d'étranglement 22 apte à créer une perte de charge pour le bon fonctionnement du circuit, cet organe d'étranglement est de préférence du type soupape à ressort, ou motorisée alors commande par un pressostat 21 à action modulante ou à défaut du genre soupape à commande manuelle ou encore clapet de laminage à levier et contrepoids ou tout autre moyen équivalent. Un ensemble de régulation 23 reçoit les données mesurées et envoyées depuis les sondes thermométriques 18 et/ou 19 et peut, en fonction de ces données, et des consignes qui ont été préalablement affichées, commanderAla vanne 14. Comme on le voit sur la figure 6, les différentes entrées et sorties respectivement 10, 11, 12 et 13 peuvent être associées à des robinets d'arrêt permettant d'isoler le module pour les besoins de son déplacement. L'intérêt de cette unité est en effet de permettre de raccorder une unite de travail, telle une machine devant être refroidie (ou éventuellement réchauffée), à une source unique de fluide caloporteur tout en permettant d'ajuster la régulation particulière du circuit ainsi créé. On peut donc intercaler le dispositif selon l'invention entre un circuit général d'alimentation en eau chaude ou eau froide de refroidissement ou de régulation thermique et une machine individuelle. Et les robinets d'arrêt respectivement 24, 24', 24" et 24 tierce peuvent être prolongés par des raccords du type flexible (connus en soi) permettant ainsi un raccordement dans toutes positions des unités de travail ainsi interconnectées. La figure 3 montre un schéma de montage mixte dans lequel un circuit conventionnel 25 desservant l'unité de travail 26 et raccordée directement au bac 1 respectivement dans sa partie eau froide 27 et sa partie eau chaude 28. A ce schéma conventionnel (sans recyclage selon le dispositif de régulation thermique de 11 invention) est associé, branché sur la même source de fluide caloporteur 1 le schéma représenté à la partie supérieure de la figure 3 et incorporant l'ensemble de régulation thermique 9 tel que précèdemment décrit. Dans l'exemple de la figure 3, ensemble 9 correspond à un circuit de grandes dimensions desservant par exemple une unité de travail en condition d'échange thermique symbolisée par le cadre 8 mais pouvant correspondre à toute une usine. On voit que ce circuit 9 est branché par l'arrivée 10 sur la partie "eau chaude 28 du réservoir 1", les conditions d'échange thermique de l'unité 8 étant ici moins strictes et moins exigeantes que celles de l'unité de travail 26, de sorte que le fluide refroidissement (qui est partiellement recyclé en 15), peut être prélevé par l'arrivée 10 dans la partie 28 du réservoir à plus haute température. Mais avantageusement, on a prévu une alimentation 10' qui est raccordée à la partie froide 27 du réservoir 1. On précisera que la terminologie "partie froide" et "partie chaude respectivement correspond à un échange thermique correspondant à une absorption de calories au niveau des unités de travail donc à une réaction exothermique qu'il faut réfrigérer ; mais la terminologie "partie froide" et "partie chaude" serait inversée dans le cas inverse d'une réaction endothermique à laquelle il faudrait par conséquent apporter des calories. Le circuit 10' permet donc, par le jeu de la vanne a trois voies 29, de sélectionner la source d'approvisionnement respectivement dans la partie 27 ou dans la partie 28 du réservoir 1. On comprend que sur la sortie 16 du circuit 9 ou l'entrée 11 de l'unité de travail 8, peuvent être branchés en cascades des modules de régulation annexes utilisant l'eau (ou le fluide caloporteur) à une température appropriée, le retour desdits modUles annexes s' effectuant directeeent dans la psRie chaude 28 du réservez La figure 4 donne une variante de réalisation dans laquelle on a une batterie de machines de travail 30, 31, 32, 33. Les unités de travail 30, 31 et 32 sont branchées sur le collecteur d'alimentation en eau mère 34 par l'intermédiaire de modules de régulation thermique 9a, 9b, 9c comportant chacun leur dérivation de recyclage intérieure ; le circuit de retour aboutissant au collecteur 35 de retour vers le bloc réfrigérant 36 par l'intermédiaire du bac tampon 37 et de la pompe 38. La machine de travail 33 est branchée directement sur le collecteur 34 et elle est alimentée en eau de refroidissement par la conduite 39 directement et sans régulation autonome et elle délivre son fluide de retour par la conduite 40. D'une façon générale, le dispositif de l'invention permet de faire fonctionner plusieurs circuits secondaires pratiquement parallèles et indépendants les uns des autres pouvant chacun travailler à des températures très différentes (et éventuellement les uns en fonctionnement exothermique tandis que d'autres seraient en fonctionnement endothermique, les besoins en frigories ou calories obtenus à partir du bassin central étant ajustés par le recyclage interne obtenu au sein du module 9 par le jeu de la vanne à trois voies 14. De sorte que chacun des circuits indépendants se contentera de prélever une quantité d'eau mère en fonction de ses besoins propres en rejettant une quantité d'eau de retour équivalente dans le bassin commun. La mise en oeuvre des modules de raccordement et de régulation thermostatique selon l'invention permet de disposer à partir d'une même source d'eau chaude ou de fluide caloporteur ayant deux ou plusieurs températures nettement différentes et pouvant conserver indépendamment l'un de l'autre une valeur constante des circuits de refroidissement ou de régulation thermique indépendants et possèdant chacun sa logique de régulation thermostatique. Le nombre des circuits secondaires branchés sur une même source est pratiquement illimité. On a donné ci-après quelques valeurs calculées à partir d'un exemple de réalisation de l'invention tel que illustré à la figure 3. Définition des paramètres . Débit d'eau passant par le groupe frigo = Q Débit sur le circuit "froid" (moules par exemple) = Q1 . Température entrée circuit "froid" = T1 Température retour " " = tl . Débit sur le circuit secondaire n 2 (circuits hydrauliques par exemple) = . Température entrée circuit n 2 = T2 . Température retour " " = t2 Inconnue s . Température compartiment de retour = TR (température resultante) . Débit d'eau aspiré dans le compartiment de retour et dirigé vers le point B de la vanne 3 voies mélangeuse = q2 .Débit d'eau du circuit n 2 recyclé et dirigé vers le point A de la vanne mélangeuse à 3 voies. = Q2 -q2 Equation n 1 Q1 (t1 1 1) + Q2 (t2 - T2) = Q (TR - T1) d'où T R = Q1 (tl - T1) + Q2 (t2 - T2) + QT1 Q Equation n 2 q2 x TR + (02 - q2 ) t2 Q2 T2 d'où q2 (TR - t2) = Q2 (T2 - t2) et q2 = Q2 (T2 - t2 > TR - t2 Cas numérique Supposons : Q = 65 m / heure Qi = 30 m3 / heure ; T1 = 60C ; tl = 90C Q2 = 20 m3 / heure ; T2 = 18 C ; t2 = 240C. On trouve a/ TR = 30 x 3 + 20 x 6 + 65 x 6 = 9,230C 65 b/ q2 = 20 x 6 = 13,68 m3 / heure 9,23 - 18 c/ Q2 - q2 = 20 - 13,58 = 5,32 m3 / heure A partir du procédé et du module de mise en oeuvre de l'invention on peut realiser plusieurs montages et circuits couplés. Ainsi à partir d'un circuit primaire constitué d'un macro module distribuant son fluide d'une façon générale à une unité de travail ou à un ensemble constitué d'une pluralité d'unités de travail, on peut raccorder un circuit secondaire utilisant un module selon l'invention; tout comme on peut raccorder plusieurs circuits secondaires en série ou en cascade. Ces circuits secondaires peuvent etre branchés sur l'alimentation du circuit primaire (recevant par conséquent un fluide recyclé partiellement, le raccordement etant -effectué en aval de la vanne à trois voies et de la pompe de circulation) ou sur le circuit de retour depuis l'unité de travail. REVENDICATIONS 1 - Procédé de régulation des échanges thermiques entre une unité de travail échangeant des calories avec un fluide caloporteur provenant d'une source de fluide caloporteur à température sensiblement constante, et le procédé est caractérisé en ce que on relie ladite unité de travail (8) à ladite source (1) de fluide caloporteur par un circuit indépendant de retour (13), et en ce que on recycle dans le circuit d'alimentation une partie du liquide caloporteur du circuit de retour et à cet effet, le circuit d'alimentation reçoit, par le moyen d'une vanne à trois voies (14), le branchement d'une dérivation (15) provenant du circuit de retour. 2 - Module de régulation thermique pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication nO 1 apteà permettre le raccordement sur une réserve de fluide caloporteur a température conditionnée (1), d'une unité fonctionnelle de travail (8) maintenue à température sensiblement constante par échange thermique avec ladite reserve, le fluide caloporteur circulant entre la réserve conditionnée (1) et l'unité fonctionnelle (8), ledit module est caractérisé en ce qu'il est constitué d'un boitier intégrant une première entrée (10) de fluide caloporteur, apte à être raccordée à ladite réserve (1), une première sortie (11) de fluide caloporteur apte à être raccordée avec l'entrée du circuit de l'unité fonctionnelle (8), une seconde entrée (12) pour le fluide caloporteur apte a être raccordée à la sortie du fluide sur l'unité fonctionnelle (8), une seconde sortie du fluide caloporteur (13) apte à être raccordée à un retour sur ladite réserve (1), le boitier contenant également intérieurement une pompe (17) apte à assurer la circulation du fluide caloporteur à travers ledit module depuis ladite première entrée vers ladite première sortie et depuis ladite seconde entrée vers ladite seconde sortie, une dérivation intérieure (15) reliant le retour du fluide sortant de l'unité fonctionnelle au circuit amont de ladite pompe sur lequel il est branché par une vanne à trois voies (14) apte à commander le taux de fluide de retour ainsi recyclé, au moins une sonde thermométrique (18, 19) mesurant la température du fluide circulant au sein de l'unité fonctionnelle (8) et un organe de commande (23) apte à recevoir les informations de ladite sonde et à manoeuvrer en conséquence la vanne à trois voies 3 - Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de retour (13) comporte en aval de la dérivation (15) un organe d'etranglement (22). 4 - Module selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit organe d'étranglement(22) est du type soupape à ressort. 5 - Module selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'organe d'étranglement(22) est du type soupape motorisée modulée par un organe de commande tel que manostat ou pressostat. 6 - Module selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les sorties et entrées de fluides (10, 11, 12, 13) sont aptes à être isolées par des robinets d'arrêt (24, 24', 24", 24'''). 7 - Module selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux sondes thermométriques (18, 19) reliées à l'organe de commande (23) et apte à mesurer les températures du fluide caloporteur respectivement à l'entrée et à la sortie de la machine de travail. 8 - Module selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte, en amont de l'organe d'étranglement (22), un manomètre (20) permettant de régler ledit organe d'étranglement. 9 - Procédé pour la régulation thermique d'une unité de travail secondaire, comportant un circuit pourvu d' une dérivation de recyclage selon la revendication 1 et couplé à un circuit de régulation thermique d'une unité de travail primaire lui-même pourvu d'une dérivation de recyclage selon la revendication 1 et caractérisé en ce que le fluide caloporteur alimentant le circuit de l'unité secondaire est prélevé sur le retour du circuit de régulation de l'unité primaire. 10 - Procédé pour la' régulation thermique d'une unité de travail secondaire, comportant un circuit pourvud' une dérivation de recyclage selon la revendication 1 et couplé à un circuit de régulation thermique d'une unité de travail primaire lui-même pourvu d'une dérivation de recyclage selon la revendication 1 et caractérisé en ce que le fluide caloporteur alimentant le circuit de l'unité secondaire est prélevé sur le circuit d'alimentation de l'unité primaire en aval de la dérivation de recyclage et de la pompe de circulation du dit circuit primaire.