Brevet FR2564571A1 — publié le 19851122

La présente invention a pour objet le réglage continu du rapport air-combustible d'une source calorifique chauffée par un combustible, à l'aide d'une sonde surveillant la composition des gaz de combustion, d'un générateur de consignes ainsi que'un régulateur. Du brevet DE-PS 2510189], on connaît une sonde pour la mesure de la teneur en oxygène de gaz de fumée, faisant partie d'un régulateur assurant le réglage continu du rapport air-combustible par variation de la quantité d'air en fonction de la teneur en oxygène des gaz de fumée, l'adaptation aux différents états de service étant obtenue par variation de la quantité de combustible dont est alimenté le brûleur. Il s'est montré que le réglage du rapport air-combustible seulement en fonction de la teneur en oxygène des gaz de fumée est très difficile à-maitriser et que les sondes employées à cette fin sont en outre relativement chères. Pour cette raison, des régulateurs commandés par de telles sondes ne sont utilisés que pour des installations de chauffage industrielles. Notamment dans le chauffage domestique, le besoin est manifeste d'utiliser ces régulateurs aussi pour des intt8l1ationS de faible puissance, d'environ 4 k:l au minimum. Dans ce contexte, il est évident que le prix du régulateur, compte tenu du coût de l'ensemble de l'installation de chauffage, joue un rôle non négligeable. La régulation doit donc être bon marché et sûre puisque l'utilisateur privé d'une installation de chauffage ne dispose pas des connaissances de l'utilisateur d'une grande installation industrielle. Ce but est atteint par ce que, outre une sonde pour la mesure de la teneur e. oxygène, il est prévu une sonde pour la mesure de la teneur en oxyde de carbone des gaz de combustion et que le régulateur émet une grandeur réglante tant que l'une des valeurs mesurées s'écarte de la consigne. Une solution alternative équivalente consiste en ce que, partant d'une teneur d'oxyde de carbone réglable, trop petite, la grandeur réglante est variée jusqu'à l'obtention d'une teneur maximale d'oxyde de carbone, préréglée, et qu'ensuite la teneur d'oxygène correspondante est majorée d'une constante et que la valeur ainsi obtenue sert de grandeur pilote pour le régulateur. Une autre solution alternative équivalente est donnée par ce que, en présence d'un signal d'appel de fourniture de chaleur, un signal correspondant est appliqué à l'organe régleur pour obtenir un débit déterminé du brûleur, et que, à partir de ce signal, est généré un autre signal agissant sur le débit d'air d'alimentation du brûleur, et que la sonde mesure ou le CO ou le C02 et réduit le débit de gaz au moment du dépassement d'une consigne, soit une valeur CO ou C02 maximale, le débit d'air restant constant. Un perfectionnement avantageux consiste en ce que le réglage se fait périodiquement de façon constante. Un autre perfectionnement est donné par ce que, pour une source calorifique avec ventilateur de gaz de combustion, le régime du ventilateur représente la grandeur réglante. Un autre perfectionnement résulte de ce que, sur une source calorifique chauffée par un combustible, avec ventilateur de gaz de combustion, l'organe régleur est un clapet de dérivation qui commande un by-pass de la chambre de chauffe de la source calorifique en fonction des variations de la grandeur réglante. Un autre perfectionnement consiste en ce que, en cas de dépassement d'une (autre) valeur CO ou C02 maximale, l'alimentation en gaz du brûleur est coupée. Un autre perfectionnement résulte de ce que le si gnal commandant le débit de gaz est fonction de la pression d'alimentation du brûleur. Un exemple de réalisation de l'invention est donné en détail par la description ci-après, à l'aide des figures un à trois du dessin. Les figures montrent: Fig. un, une représentation schématique d'un chauffe-eau à circulation, à gaz, doté du réglage. Fig. deux, un chauffe-eau à circulation à gaz, avec ventilateur de gaz de combustion, Fig. trois, une chaudière. Le chauffe-eau à circulation à gaz 1 présente un corps 2 à l'intérieur 3 duquel est prévue une chambre de chauffe 4 fermée en haut par un échangeur de chaleur à lamelles 5. L'échangeur de chaleur 5 communique par une conduite 7 munie d'une sonde thermométrique 6, avec une multitude de radiateurs de chauffage montés en parallèle et/ou en série, ou avec un accumulateur d'eau sanitaire, d'où part une conduite de retour 8 comportant une pompe de circulation 9 et retournant à l'échangeur de chaleur 5. La sonde thermométrique 6 est réliée par une ligne 10 à un régulateur 11. Au haut du corps 2 est branchée une combinaison 12 de deux tuyaux ennçentrin,lies dont le tuyau intérieur 13 sert à l'évacuation des gaz de combustion et est fixé au tuyau extérieur 15 à une distance circulaire 14 qui sert à l'adduction d'air frais.Le tuyau d'évacuation 13 est fixé sur une tubulure d'échappement 16 d'un ventilateur de gaz de combustion 18, entraîné par un servomoteur électrique 17, et dont la tubulure d'aspiration communique avec l'intérieur 20 de la chambre de chauffe 4. Le servomoteur 17 est rélié par une ligne 19 au régulateur 11. A l'intérieur du tuyau d'évacuation 13 est disposée une sonde 21 destinée à la mesure de l'oxygène et réliée au régulateur 11 par une ligne 22. Dans l'espace circulaire 14 s'étend, fixé au tuyau extérieur 15, un diaphragme 23 qui, par une conduite pneumatique 24, communique avec un servomoteur à membrane 25 qui commande, à l'aide d'un poussoir 26, une valve proportionnelle 27 par laquelle est alimenté un brûleur à gaz atmosphérique 28, par l'intermédiaire d' une conduite 29 où est logée ladite valve. Au lieu du chauffe-eau à circulation, on peut aussi mettre un chauffe-eau instantané pour la préparation d'eau sanitaire, ou une chaudière. Le réglage pourrait aussi être appliqué à un accumulateur chauffé au gaz. Comme combustible, on pourrait aussi prendre du mazout au lieu de gaz, et le brûleur 28 pourrait aussi être un brûleur à pulvérisation pour ces deux combustibles. Le tuyau d'évacuation 13 est muni, en aval de la sonde 21, d'une sonde à oxyde de carbone 30, reliée àu régulateur 11 par une ligne 31. Le régulateur 11 comporte un générateur de consignes 32, fixes, ou variables en continu p.e. en fonction d'une valeur dépendant de la température extérieure. Le dispositif décrit plus haut fonctionne comme suit: Supposons un régulateur en fonction de la température extérieure; le générateur de consignes 32 débite donc une consigne pour la température de départ, qui dépend de la température extérieure donnée. La sonde thermométrique 6 transmet la valeur effective de la température de départ, par la ligne 10, au régulateur 11. En fonction de l'écart donné, le régime du servomoteur 17 est varié pour obtenir un débit d'air donné à travers l'intérieur 20 de la chambre de chauffe4. Ce débit traverse aussi le diaphragme 23 et produit un signal de pression différentielle, qui est transmis par la conduite 24 au'servomoteur à membrane 25. Ce- signal déterminant la position de la membrane, commande l'ouverture de la valve 27 de sorte qu'en fonction du débit d'air, il y ait un débit de combustible donné dans la source calorifique. Dans cette régulation de la température de départ intervient le réglage continu du rapport air/combustible, comme suit: Par l'action des deux sondes 21 et 30, le régulateur 11 reçoit des signaux correspondant à la teneur résiduelle en oxygène et à la teneur en oxyde de carbone des gaz de fumée. La grandeur réglante est exclusivement le débit d'air à travers un intérieur 20. Ce débit peut varier sous l'effet d'un by-pass évitant l'intérieur 20 de la chambre de chauffe 4 et qui peut être plus ou moins fermé par un clapet non représenté. Ainsi, le ventilateur de gaz de combustion tournant à vitesse constante, une partie plus ou moins grande du débit d'air ne traverse pas l'intérieur 20 de la source calorifique, mais s'écoule en dehors de lui. Le signal commandant l'ouver- ture de la valve de gaz ne varie pas, et le régulateur agit par variation du débit d'air.Le clapet de dérivation étant fermé, l'appareil démarre donc avec un débit d'air maxi, ce qui signifie un minimum ou l'absence complète de CO. Le régulateur réduit automatiquement le d4- bit d'air en commandant l'ouverture du clapet de dérivation, ce qui se traduit par une augmentation de la teneur en CO, jusqu'à une valeur maxi préréglable. A cet effet, la teneur correspondante en oxygène est mesurée, et le débit d'air en dérivation est réglé de sorte à faire ajouter à cette teneur en oxygène une constante. De cette façon, il est garanti que les teneurs en CO ou C02 atteignent des valeurs acceptables du point de vue sécurité et oDtimales du point de vue chauffage. Il se conçoit que ce réglage du rapport air-combustible ne prend effet qu'avec un certain retard, après la mise en marche de l'installation, et que, auparavant, ce rapport se trouve de loin en dehors des conditions stoechiométrîques. Ce retard peut d'ailleurs réglé par un signal temporisé émis après la mise en marche. Au lieu d'utiliser un clapet de dérivation, on pourrait aussi, comme variante de l'invention, faire tourner, à la mise en marche de la source calorifique, le ventilateur à une vitesse maximale et, après un certain temps, faire ralentir, par intervalles, le ventilateur pendant une durée déterminée, la teneur en oxyde de carbone étant mesurée par la sonde 30. Quand, par suite du rapprochement de l'excédent d'air à l'optimum stoechiométrique, une teneur en CO est atteinte, posée comme limite inférieure, la vitesse du ventilateur est augmentée d'une constante pour garantir des conditions acceptables du point de vue sécurité et optimales du point de vue chauffage.Avec ce mode de réglage, il peut arriver que, par suite de variations de l'état physique de l'air (humidité, pression barométrique et température à l'entrée), il se produise un manque ou un excédent d'air. Tout excédent d'air se traduit par une teneur résiduelle plus élevée en oxygène des gaz de fumée, tout manque d'air faisant augmenter la teneur en CO. De plus, il peut arriver que, par suite de variations de l'état physique du gaz d'alimentation, par exemple variation du pouvoir calorifique ou de la pression du gaz, il se produise un excédent ou un manque de gaz. Tout excédent de gaz a les mêmes effets qu'un manque d'air, tout manque de gaz, ceux d'un excédent d'air. Finalement, une perturbation peut résulter d'une variation de la charge de l'appareil, donc de la source calorifique, par exemple par suite d'une variation de la température extérieure ou de la mise en ou hors circuit de radiateurs par l'utilisateur. Dans le cas d'un excédent d'air pour une raison quelconque, la valeur 02 dépasse la limite supérieure de la marge de réglage du rapport air-combustible, ce qui provoque un nouveau réglage, la réduction de l'excédent d'air entraînant une augmentation de la teneur en CO jusqu'au seuil préréglé. Quand ce seuil est atteint, la teneur résiduelle d'oxygène mesurée est augmentée d'une constante, et ce signal est alors utilisé pour fixer une vitesse déterminée du ventilateur ou une position du clapet de dérivation et faire marcher le foyer avec le débit d'air qui en résulte. Quand il y a, par contre, manque d'air ou excédent de gaz, la combustion entraîne automatiquement une augmentation de la teneur en CO, qui, par l'action du régulateur, donne lieu à un réglage tendant à faire augmenter la teneur en 2 ou à une diminution du CO jusqu'au-dessous de la valeur prédéterminée. Au moment où le point critique est atteint, il y a de nouveau addition d'une certaine constante en oxygène.Le réglage décrit ci-dessus permet encore quelques variantes sur le plan sécurité: C'est ainsi que l'on peut concevoir le régulateur de sorte que la vitesse du ventilateur ne puisse descendre sous un régime déterminé. Si par suite de l'écart relevé, cette vitesse doit tomber au-dessous de ce mi minimum, le régulateur arrête la source caloriFiHue. Ce minimum est établi empiriquement pendant la marche en charge partielle de l'installation. De plus, il est possible de prévoir qu'en cas de dépassement de la teneur maximale en oxyde de carbone, réglable à volonté, le brûleur soit arrêté automatiquement par l'action du régulateur. Finalement, il est possible de faire surveiller mutuellement, par une liaison OU logique, les teneurs en oxyde de carbone et d'oxygène, ce qui a pour effet que, faute d'un signal de base-pour la teneur en oxygène ou en oxyde de carbone, on peut faire arrêter la source calorifique par l'action du régulateur. De plus, dans des états non définis, quand par exemple il y a simultanément signalisation d'une haute teneur en CO et en 02, ce qui est techniquement impossible, un arrêt peut être commandé. Un tel état pourrait par exemple résulter de la défaillance d'une sonde. Enfin, il peut y avoir ar rêt de l'installation en cas de dépassement des valeurs mini en 2 ou maxi en CO. On pourrait aussi prévoir une sonde supplémentaire pour la mesure de l'oxyde de carbone, indiquée en pointillé. On pourrait alors faire comparer, à des intervalles variables, les valeurs mesurées par les sondes à CO, qui sont relativement bon marché, et on pourrait contr6ler continuellement le fonctionnement de ces sondes. Cela permettrait aussi de parer à toute défaillance ou au vieillissement des sondes Un chauffe-eau à circulation 101 suivant la fig. deux présente un corps 102 abritant un échangeur de chaleur 103 relié, du côté retour, à une conduite 105 comportant une pompe de circulation, et du côté départ, à une conduite 107 alimentant une multitude de radiateurs de chauffage 106 montés en parallèle et/ou en série. L'intérieur du corps 102 est constitué par un foyer 108 chauffé par un brûleur à gaz atmosphérique 109, alimenté par une électrovalve proportionnelle 110 montée sur une conduite 111. A l'électrovaîve 110 est adjoint un servomoteur 131 relié par une ligne 112 à un transformateur de grandeur réglante 113, lequel est branché, par une ligne 114, sur un régulateur 115. Ce régulateur assume aussi bien la fonction de régulateur du rapport air-combustible que celle d'un régulateur de la température de retour. A cet effet, la conduite de retour 105 comporte une sonde thermométrique 116 reliée au régulateur 115 par une ligne 117. Avec la fonction régulatrice de témpérature du régulateur 115 se combine en outre un générateur de consignes de température 119, par une ligne 118.Au-dessus de l'échangeur de chaleur 103 est disposée, à l'intérieur du foyer 108, une sonde 120 mesurant le CO, laquelle, par une ligne 121, est reliée à la fonction régulatrice du rapport air-combustible du régulateur 115. Pour la valeur maximale en oxyde de carbone, il est prévu un générateur de consignes 122, qui, par une ligne 123, est relié à la même fonction régulatrice. Pour assurer un arrêt en cas de dépassement d'un autre seuil maximum d'oxyde de carbone, il est prévu un autre générateur de consignes 124 relié également, par une ligne 125, à cette fonction. Au lieu d'une sonde à CO, on peut aussi utiliser une sonde mesurant le C02. Dans ce cas, un générateur de consignes 122 est prévu pour déterminer la valeur maximale d'oxyde de carbone. Un arrêt est déclenché au moment où un autre seuil maximal d'oxyde de carbone est dépassé. Sur le corps 102 est branché un tuyau d'évacuation de fumée 126 dans lequel est disposé un ventilateur 127 dont l'arbre 128 est entrainé par un moteur 129 avec réglage de la vitesse à action proportionnelle. Il est relié par une ligne 130 au transformateur de grandeur réglante 113. L'exemple de réalisation suivant la figure deux fonctionne comme suit: Si la température de retour de l'eau, après circulation à travers les éléments 103, 107, 106, 1û4 et 105, tombe au-dessous de la valeur préréglée sur le générateur de consignes 119, il y a émission d'un signal demandant la fourniture de chaleur. Ce signal pourrait aussi être déclenché en fonction de la température extérieure ou de la température intérieure d'un local. Dans le premier cas, la valeur imposée par le générateur de consignes 119 dépendrait de la température extérieure, dans l'autre, le capteur de température 116 n'est pas exposé à ia température de retour, mais à celle du local. Ce qui est cependant essentiel, c'est l'émission d'un signal demandant la fourniture de chaleur, et qui met la source calorifique 101 en marche. En fonction de l'écart relevé, la fonction régulatrice de température du régulateur 115 génère une grandeur réglante appliquée par la ligne 114 au transformateur de grandeur réglante 113 qui envoie, à travers la ligne 112, un signal proportionnel au servomoteur 111 commandant l'électrovalve proportionnelle réglant le débit de combustible du brûleur atmosphérique 109. Ainsi, le brûleur 109 est alimenté par un débit de gaz déterminé qui est enflammé et brûlé.L'air de combustion nécessaire est prélevé, par l'ouverture au bas du corps 102, dans le local où est installée la source calorifique. Le gaz est brûlé, les gaz de combustion chauffent l'échangeur de chaleur, et par là, l'eau du circuit de chauffage. Les gaz de combustion sortant en aval de l'échangeur de chaleur 103, sont aspirés et évacués par le ventilateur 127, la vitesse du ventilateur, donc son débit, correspondant au débit de gaz parce que cette vitesse réglée par la ligne 130, est fonction du signal de débit de gaz. Cela peut se faire à l'aide d'un montage à fréquence ou à phase entamée. On pourrait aussi envisager l'incorporation d'une résistance variable dans le circuit d'alimentation du servomoteur du ventilateur. De même, il serait possible de faire varier la section d'écoulement du ventilateur par un diaphragme et de faire marcher le ventilateur à débit constant.L'essentiel est que le débit d'air alimentant le brûleur 109 soit varié. Cela pourrait aussi se faire à l'aide d'un ventilateur d'air supplémentaire ou d'un diaphragme dans un tuyau d'air supplémentaire dont la section puisse être variée. Quand la combustion a atteint un état stable, donc après écoulement d'un certain laps de temps, la sonde 120 débite, à travers la ligne 121, un signal relatif à la composition des gaz de combustion et qui est transmis à la fonction régulatrice du rapport air-combustible du régulateur 115, où il est comparé à un seuil maximal sur lequel est réglé le générateur de consignes 122. Si la teneur en oxyde de carbone ou gaz carbonique dépasse ce seuil, le régulateur émet un signal par la ligne 114, appliqué au transformateur 113, mais qui agit seulement sur le débit de gaz alimentant la source calorifique, le débit d'air restant inchangé. Le débit de gaz est diminué, de façon linéaire, jusqu'à ce que l'écart soit réduit à zéro, c'est-à-dire la teneur en oxyde de carbone ou gaz carbonique des gaz de combustion, ramenée au-dessous du seuil critique.Si ce résultat, en dépit d'une forte réduction du débit de gaz, n'est pas atteint du tout ou dans un laps de temps acceptable, il y a formation d'une différence par rapport au deuxième générateur de consignes 124, ayant pour effet la fermeture complète de la valve 110 et l'arrêt de la combustion. Ce cas pourrait se présenter par suite d'une perturbation grave de la combustion, nécessitant l'intervention d'un technicien. Il se peut par exemple que l'évacuation des gaz de combustion ou l'adduction d'air frais soit tellement troublée qu'une combustion à peu près stoe- chiométrique est impossible. L'exemple de réalisation suivant la figure trois concerne, au lieu d'un chauffe-eau, une chaudière 103 réliée par une conduite de départ 107 et une conduite de retour 105 à une installation de chauffage central ou par le sol. Cela pourrait aussi être un chauffe-eau instantané servant au chauffage d'eau sanitaire. Dans l'exemple de réalisation suivant la figure trois, cette chaudière est dotée d'un brûleur atmosphérique 109, mais qui pourrait tout aussi bien être un brûleur à pulvérisation. Par une jauge électronique 141 est rele- vée la pression entre le brûleur 109 et l'é1ectrovalve 110, et transformée en un signal électrique transmis par la ligne 142 au régulateur 115. Ce signal est proportionnel au débit de gaz alimentant la chaudière, Celle-ci n'a pas de ventilateur pour l'évacuation des gaz de combustion, mais un orifice d'admission d'air 143, à sa face inférieure, lequel peut être recouvert plus ou moins par un système de tôles 144 mues par un servomoteur 145. La position de ces tôles 144 influence donc l'admission d'air au foyer 108. Les autres éléments de la figure trois correspondent à ceux de la figure un. Le fonctionnement de l'ensemble est analogue, à la seule différence que l'électrovalve 110 peut être beaucoup plus simple, le capteur 141 mesurant exactement la pression et par là le débit de gaz du brûleur. Revendications 1. Réglage continu du rapport air-combustible d'une source calorifique chauffée par un combustible, à l'aide d'une sonde surveillant la composition des gaz de combustion, d'un générateur de consignes et d'un régulateur, caractérisé par le fait qu'il est prévu, à côté de la sonde pour la mesure de la teneur en oxygène, une autre sonde (30) pour mesurer la teneur en oxyde de carbone des gaz de combustion, et que le régulateur (11) émet une grandeur réglante tant que l'une des grandeurs mesurées s'écarte de la consigne. 2. Réglage continu du rapport air-combustible d'une source calorifique chauffée par un combustible, à l'aide d'une sonde mesurant la teneur en oxygène des gaz de combustion, d'un générateur de consignes et d'un régulateur, caractérisé par le fait que, partant d'une teneur d'oxyde de carbone réglable, trop petite, la grandeur réglante est variée jus qu'à l'obtention d'une teneur maximale d'oxyde de carbone, préréglée, et qu'ensuite la teneur d'oxy gène correspondante, est majorée d'une constante et que la valeur ainsi obtenue sert de grandeur pilote pour le régulateur. 3. Réglage continu suivant la revendication deux, ca ractérisé par le fait qu'il se fait périodiquement de façon constante. 4. Réglage continu suivant la revendication un ou deux, caractérisé par le fait que pour une source calorifique avec ventilateur de gaz de combustion, le régime du ventilateur représente la grandeur réglante. 5. Réglage continu suivant la revendication un ou deux, caractérisé par le fait que sur une source calorifique chauffée par un combustible, avec ven tilateur de gaz-de combustion, l'organe régleur est un clapet de dérivation qui commande un by-pass de la chambre de chauffe de la source calorifique en fonction des variations de la grandeur réglante. 6. Réglage continu du rapport air-combustible d'une source calorifique chauffée par un combustible, avec un brûleur à débit variable par l'action d'un organe de réglage, un échangeur de chaleur, une ca nalisation d'adduction d'air alimentant le brûleur ainsi qu'avec un dispositif d'évacuation des gaz de combustion, une sonde contrôlant les gaz de combustion et un générateur de consignes, caractérisé par le fait qu'en présence d'un signal demandant la fourniture de chaleur, un signal cor respondant est appliqué à l'organe de réglage pour obtenir un débit déterminé du brûleur, et que, à partir de ce signal est généré un autre signal faisant varier le débit d'air alimentant le brûleur, et que la sonde peut servir pour la mesure du CO ou du C02 et fait diminuer, en cas de dépassement d'une consigne, soit une valeur CO ou C02 maximum, le débit de gaz, le débit d'air restant constant. 7. Réglage continu du rapport air-combustion suivant la revendication six, caractérisé par le fait qu'un dépassement d'une (autre) valeur CO ou C02 maxi male fait couper l'alimentation en gaz du brûleur. 8. Réglage continu du rapport air-combustion suivant la revendication six ou sept, caractérisé par le fait que le signal de débit de gaz est fonction de la pression d'alimentation du brûleur.