Brevet FR2599162A1 — publié le 19871127

SYSTEHE DE REGULATION DE TEMPERATURE D'EAU CHAUDE POUR DES CHAUDIERES A GAZ MURALES A HELANGE INSTIANTANE La présente invention concerne un système pour la 5 régulation de. Ia température de l'eau chaude dans une chaudière à gaz murale à mélange instantané comportant deux échangeurs de chaleur. Ce système non seulement sert à maintenir en permanence la température à un niveau constant, celui de la valeur de référence préétablie, 10 quelle que soit la quantité d'eau chaude consommée par l'utilisateur en fournissant ainsi une alimentation constante sans variations brusques de température, ce qui est particulièrement important en ce qui concerne l'eau pour le bain et pour la douche, mais peut également 15 limiter le débit du gaz envoyé à la chaudière dans le cas o la puissance thermique demandée par l'eau chaude est supérieure à la puissance de sortie maximale de la chaudière ou est inférieure au minimum n4cessaire pour maintenir la stabilité de la flamme. Comme il est bien connu, une chaudière à gaz murale à mélange instantané consiste en un brûleur alimente 5 successivement par une valve de commande tout ou rien, commandée électriquement, et une valve de mnodulation de débit de gaz, commandée également électriquement, ce brûleur cédant de la chaleur, par l'intermédiaire d'un échangeur de- chaleur à ailettes, à l'eau du système de 10 chauffage domestique entraînée en circulation par use pompe à travers le circuit des radiateurs ou à travers mne valve à trois voies jusqu'au circuit primaire d'un second échangeur de chaleur ou échangeur d'eau chaude dans 1e circuit secondaire duquel circule l'eau chaude15 Chaque chaudière est munie d'un système de régulation dont le but est de maintenir l'eau chaude a la sortie de la chaudière à la valeur de référence ou de consigne préétablie voulue en assurant ainsi à l'utilisateur une alimentation en eau chaude exempte de 20 variations déplaisantes de température provoquées par des perturbations extérieures qui ne sont pas compensées parfaitement par les systèmes de régulation comme par exemple, de façon caractéristique, les variations du débit de l'eau consommée, les variations de la température de 25 l'eau pénétrant dans le circuit secondaire de l'échangeur de chaleur pour eau chaude, etc. Dans les cas actuels,de la technique, il existe déjà divers types de systèmes de régulation allant des dispositifs mécaniques jusqu'aux dispositifs électroniques munis d'une commande tout ou rien ainsi que jusqu'aux dispositifs électroniques munis d'une commande proportionnelle, soit dans le circuit 5 primaire, soit dans le circuit secondaire de l'échangeur de chaleur d'eau chaude, mais aucun de ces dispositifs existants n'est capable de maintenir totalement la température de l'eau chaude constante en permanence à la sortie. Les dispositifs du premier type sont en fait incapables, bien que d'une conception notablement compliquée, d'atteindre l'objectif préétabli par suite de limitations inhérentes qui affectent le système mécanique par suite de phénomènes d'hystérésis et de frottement. En 15 outre, dans ces systèmes, la régulation est uniquement proportionnelle et, de ce fait, la présence d'une erreur est obligatoire même dans les conditions de fonctionnement normales. D'autre part, les dispositifs du second type, bien qu'utilisant un régulateur électronique, n'ont pas de 20 bonnes performances car l'actionneur final, du fait qu'il est du type tout ou rien, ne permet pas de proportionner la puissance thermique à la valeur requise pour maintenir la température de sortie correcte. Les dispositifs du troisième type ont tendance à 25 maintenir constante la température du fluide primaire et ceci serait équivalent à maintenir constante la température à la sortie du circuit secondaire de l'échangeur de chaleur d'eau chaude, ceci uniquement dans le cas d'un échangeur de chaleur idéal. En réalité, les échangeurs de chaleur que l'on peut réaliser actuellement sont loin d'être idéals et, en outre, le système de 5 régulation du type purement proportionnel entraîne une diminution supplémentaire des performances, ce qui a stimulé les recherches faites pour obtenir une amélioration par utilisation de dispositifs du quatrième type. Ces derniers dispositifs ajustent la température de l'eau chaude efficacement au point voulu, c'est-à-dire à la sortie de l'échangeur de chaleur d'eau chaude et sont ainsi virtuellement capables d'assurer les performances requises. Leur limitation se situe dans leur utilisation 15 dans la boucle de régulation d'une commande du type proportionnel qui ne permet pas d'annuler l'erreur en régime stable. Ce type de commande est, en fait, caractérisé par une équation liant la différence entre la température de référence et la température sous contrôle, 20 différence qui est appelée erreur e, à la puissance thermique W à la sortie de la chaudière, puissance qui est du type: W = Ke o K est le gain dans la boucle de régulation ou 25 boucle de commande. Lorsque la quantité d'eau chaude soutirée du circuit secondaire de l'échangeur de chaleur augmente, il est évidemment nécessaire, pour maintenir la température constante, d'augmenter la puissance fournie. D'après l'équation précédente, on peut voir que cette augmentation de la puissance requise entraîne une augmentation de 5 l'erreur, c'est-à-dire une variation de la température de sortie qui est d'autant plus faible que le gain K est grand mais qui, toutefois, ne peut pas augmenter au- delà d'une certaine valeur sans se traduire par une oscillation du système. Les dispositifs typiques conçus selon ce concept présentent l'apparition d'une oscillation de la température de l'eau à la sortie par rapport à la valeur préétablie avec une variation correspondante du débit de l'eau luimême entre les valeurs minimale et maximale 15 d'utilisation normale, cette oscillation étant supérieure à dix degrés, ce qui est une valeur trop prononcée pour assurer le niveau requis de confort. Le but de la présente invention décrite dans cet exposé est de résoudre ce problème et de fournir ainsi un 20 système de régulation de la température de l'eau chaude dans une chaudière murale instantanée à chauffage au gaz qui, en maintenant en permanence l'erreur à une valeur nulle et en procurant une réponse rapide aux variations, assure en permanence le maintien de la température de 25 l'eau chaude à une valeur constante, quel que soit le débit auquel elle est consommée. En outre, le système est conçu pour arrêter et/ou limiter l'alimentation en gaz de la chaudière dans le cas o la puissance thermique requise sort d'une certaine plage normale de fonctionnement, plus précisément lorsqu'elle est supérieure à la puissance maximale qui 5 peut être fournie par la chaudière ou inférieure à la puissance minimale nécessaire pour éviter une instabilité de la flamme. On obtient ce résultat principalement en insérant dans la boucle de régulation de température d'eau chaude un dispositif du type proportionnel-intégrateur- différentiateur (P.I.D) qui, grâce à son effet d'intégration, permet de maintenir une valeur constante à sa sortie et, de ce fait, une puissance thermique constante équivalente à celle nécessaire dans cette 15 condition de fonctionnement particulière, avec une erreur drentrée nulle. En d'autres termes, dans le système fonctionnant à l'état stable, quelle que soit la quantité d'eau chaude soutirée et tant que la puissance thermique requise se situe entre la limite supérieure de puissance 20 maximale pouvant être fournie par la chaudière et la limite inférieure de puissance minimale pouvant être fournie sans entraîner une instabilité de la flamme, la température de l'eau chaude à la sortie reste strictement constante à la valeur établie. Cette caractéristique du 25 dispositif P.I. D. est en outre complétée par la présence de l'action de différentiation dans le régulateur qui, en informant la valve de modulation de débit de gaz en avance sur les variations à la sortie améliore la rapidité de réponse. En bref, le système de régulation pour l'eau chaude dans une chaudière murale à gaz à mélange instantané 5 comprend un brûleur alimenté par un gaz arrivant par l'intermédiaire d'une valve de commande tout ou rien commandée électriquement puis par l'intermédiaire d'une seconde valve de modulation de débit de gaz, commandée aussi électriquement, le brûleur cédant de la chaleur, par 10 l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur à ailettes, à l'eau du système de chauffage domestique qui est entraînée en circulation par une pompe à travers le circuit des radiateurs ou, par l'intermédiaire d'une valve à trois voies, au circuit primaire d'un échangeur de chaleur dans 15 le circuit secondaire duquel, o l'eau chaude circule, est inséré un commutateur d'écoulement qui commande la valve à trois voies mentionnée ci-dessus, ainsi qu'un capteur de température d'eau chaude, est caractérisé selon la présente invention par le fait que le signal électrique 20 engendré par le capteur de température d'eau chaude est comparé avec un signal électrique de référence agissant comme un thermostat avec un potentiomètre et le signal d'erreur, ou différence, résultant de cette comparaison est envoyé à l'entrée d'un amplificateur du type 25 proportionnel-intégrateur-différentiateur (P.I.D.). La sortie de cet amplificateur est appliquée à une des entrées d'un sélecteur de puissance minimale à l'autre entrée duquel est envoyé le signal d'erreur ou différence entre, d'une part, la température de l'eau du système de chauffage, détectée par un second capteur se trouvant dans le circuit primaire mentionné ci-dessus à la sortie de 5 l'échangeur de chaleur à ailettes et, d'autre part, la température de référence maximale admissible. La sortie de ce sélecteur de puissance minimale est ensuite envoyée de manière à commander, respectivement, la seconde valve de modulation de débit de gaz par l'intermédiaire d'un 10 amplificateur de puissance et de la première valve de commande tout ou rien,après avoir été comparée avec un signal 61électrique proportionnel à la puissance minimale qui peut être fourni par la chaudière. L'invention est illustrée plus clairement dans les 15 dessins annexés qui représentent un mode de réalisation pratique préférentiel & titre purement illustratif et non limitatif: Sur ces dessins: la figure 1 est une vue schématique d'une chaudière à gaz murale instantanée munie d'un double échangeur de chaleur et comprenant le système de régulation de température d'eau chaude selon la présente invention; et la figure 2 est un diagramme de circuit logique du 25 système un régulation illustré sur la figure 1. En se référant aux figures, on voit que le chiffre 1 désigne le brûleur d'une chaudière qui est chauffée par un gaz arrivant par l'intermédiaire d'une valve 2 de commande tout ou rien et d'une valve de modulation 3 qui sont commandées électriquement par l'intermédiaire de conducteurs 4 et 5 par la boucle de régulation 6. La 5 chaleur produite par le brûleur 1 est cédée, dans un échangeur de chaleur 7 à ailettes à l'eau du système de chauffage qui est entraînée en circulation par une pompe 8 dans le circuit 9 des radiateurs 10 quand la valve 11 à trois voies est placée dans la position représentée en 10 traits interrompus sur la figure 1, ou dans le circuit primaire 12 d'un échangeur de chaleur 13 quand la valve 11 est placée dans la position représentée en trait plein sur la figure 1. Dans le circuit secondaire 14 de l'échangeur de chaleur 13 mentionné cidessus, circule, à contre15 courant de l'eau du système de chauffage du circuit primaire 12, l'eau chaude qui est destinée à alimenter les divers robinets 15. Dans le circuit secondaire 14, à la sortie de l'échangeur de chaleur 13, est alors inséré un capteur 16 qui est destiné à détecter la température de 20 l'eau chaude et dont le signal électrique est envoyé,, par l'intermédiaire d'un conducteur 17, au circuit de régulation 6 ainsi qu'un commutateur 18 d'écoulemen.t qui commande, par l'intermédiaire du conducteur 19, la valve 11 à trois voies et qui opère la commutation de cette 25 dernière, comme représenté sur la figure 1, quand l'ouverture d'un robinet 15 se traduit par un écoulement d'eau chaude que détecte le débitmètre lui-même. Au circuit de régulation 6 est également envoyé, par l'intermédiaire du conducteur 20, le signal électrique proportionnel à la température de l'eau chaude détectée par un second capteur 21 de température inséré dans le 5 circuit primaire 12 de l'échangeur de chaleur 13 à la sortie de l'échangeur de chaleur 7 à ailettes. Plus spécifiquement (voir figure 2), le signal électrique proportionnel à la température de l'eau chaude détectée par le capteur 16 est acheminé, par l'intermédiaire du conducteur 17, vers un comparateur 22 o il est comparé avec un signal de référence électrique engendré par un potentiomètre 23 et jouant ainsi le rôle d'un thermostat. Le signal de différence ou signal d'erreur à la 15 sortie du comparateur 22 est alors envoyé sur l'entrée d'un amplificateur 24 du type proportionnel-intégrateurdifférentiel dont la sortie, laquelle a une valeur électrique proportionnelle à la puissance thermique requises est envoyée à l'entrée 25 d'un sélecteur 26 de 20 puissance minimale qui la compare avec le signal de puissance autorisée maximale engendré dans le circuit commençant à l'entrée 27 du sélecteur 26. Le circuit prélève le signal électrique proportionnel à la température de l'eau du système de 25 chauffage qui circule dans le circuit primaire 12 de l'échangeur de chaleur 13 et qui est détecté par le capteur 21 et le compare dans le comparateur 28 avec une valeur électrique de référence qui est introduite par l'intermédiaire du potentiomètre 29 et qui représente, dans la même échelle que celle du capteur, la température maximale qui ne devrait pas être dépassée pour des raisons 5 de sécurité (légèrement inférieure à la température d'ébullition de l'eau). Le signal de différence ou signal d'erreur à la sortie du comparateur 28 est ensuite amplifié d'un facteur élevé K par l'amplificateur 30 de telle sorte que le signal à l'entrée 27 du sélecteur 26 10 représente aussi une puissance qui prend des valeurs élevées tant que la température détectée par le capteur 21 est inférieure à la température de référence maximale introduite par le potentiomètre 29 tandis qu'elle diminue jusqu'à zéro lorsque le niveau de température détecté 15 atteint la valeur autorisée maximale. Par conséquent, dans le premier cas, le sélecteur 26 de puissance minimale laisse passer à l'état intact le signal de l'amplificateur 24 et, dans le second cas, celui de l'amplificateur 30 qui est zéro, en ignorant, dans ce dernier cas, une demande 20 éventuelle de plus grande puissance effectuée par le système et en remplissant ainsi la fonction de protection qui cesse automatiquement dès que la température de l'eau chaude détectée par le capteur 21 n'a plus la valeur maximale autorisée. La sortie 31 du sélecteur 26 est ensuite acheminée, par l'intermédiaire de I'amplificateur 32 de puissance et du conducteur 5 mentionné ci-dessus, de manière à commander la valve 3 de modulation de débit de gaz qui fournit, par conséquent, au brûleur 1 un gaz dont le débit est proportionnel au signal électrique envoyé à cette valve. De plus, la sortie 31 commande la valve 2 de de 5 commande tout ou rien par une comparaison, dans le comparateur 33, avec un signal électrique proportionnel à la puissance minimale qui devrait être fournie au brûleur 1 pour maintenir la stabilité de la flamme; ce signal est engendré par le potentiomètre 34. Pour des valeurs de la 10 sortie 31 inférieures à ce signal, la valve tout ou rien 2 mentionnée ci-dessus arrête l'alimentation en gaz. REVENDICATIONS 1. Système de régulation de température d'eau chaude dans une chaudière à gaz murale à mélange instantané comprenant un brûleur (1) alimenté par un gaz arrivant par 5 l'intermédiaire d'une première valve (2) de commande tout ou rien, commandée électriquement, et d'une seconde valve (3) de modulation de gaz, commandée aussi électriquement, ledit brûleur cédant de la chaleur, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (7) à ailettes, à l'eau du système de chauffage qu'une pompe (8) fait circuler dans un circuit (9) de radiateurs ou, par l'intermédiaire d'une valve (11) à trois voies, au circuit primaire (12) d'un échangeur de chaleur (13) dans le circuit secondaire (14) duquel, o circule l'eau chaude, est inséré un commutateur 15 d'écoulement (18)- qui commande la valve à trois voies ainsi qu'un capteur (16) de température d'eau chaude, caractérisé par le fait que le signal électrique engendré par ce capteur (16) de température d'eau chaude est comparé avec un signal de référence électrique 20 introduit par un potentiomètre (29) et que le signal d'erreur ou de différence obtenu est envoyé à l'entrée d'un amplificateur (24) du type proportionnel-intégrateurdifférentiateur (P.I.D.) dont la sortie est reliée à une (25) des entrées d'un sélecteur (26) de puissance minimale, 25 à l'autre entrée duquel est envoyé le signal d'erreur ou de différence entre la température de l'eau du système de chauffage détectée par le second capteur (21) du circuit primaire (12) à la sortie de l'échangeur de chaleur (7) à ailettes, et la température de référence tolérable maximale, la sortie de ce sélecteur (26) de puissance minimale étant transmise de manière à commander la seconde 5 valve de modulation de débit gaz par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance (32), et à la première valve (2) de commande tout ou rien après avoir été comparée avec un signal électrique proportionnel à la puissance thermique minimale qui peut être fournie par la chaudière.