Brevet FR2654511A1 — publié le 19910517

i La présente invention se rapporte à un procédé pour dé- terminer la température moyenne, variant rapidement, d'un flui- de compressible en circulation. De surcroît, l'invention concerne en particulier un pro- cédé pour déterminer la température moyenne de la vapeur sor- tant d'un générateur de vapeur, dans lequel un combustible est brûlé ou entre respectivement en réaction avec un agent d'oxy- dation dans un foyer du générateur de vapeur, et de l'eau est encore pulvérisée additionnellement dans ledit foyer. Les procédés connus jusqu'à présent, pour déterminer la température moyenne, variant rapidement, d'un fluide compres- sible en circulation, prévoient toujours un mesurage direct de la température proprement dite, avec entrée en action des son- des de température classiques, comme par exemple des thermo- couples Les sondes de température classiques accusent l'incon- vénient de présenter des temps de réaction relativement longs, si bien que de brusques variations de température ne sont réa- lisables après coup qu'avec temporisation, ce qui soulève en permanence des problèmes lorsque de tels mesurages de tempéra- ture doivent être pris en compte dans des processus de régula- tion. L'invention a par conséquent pour objet un procédé du ty- pe mentionné ci-avant, perfectionné de telle sorte qu'il soit en mesure de détecter de brusques variations de température, d'une manière précise et avec la temporisation la plus faible possible. Conformément à l'invention, dans un procédé cité en pre- mier lieu, cet objet est atteint par le fait qu'on fait circu- ler le fluide par une zone d'étranglement; qu'on détermine le débit massique du fluide circulant à travers la zone d'étran- glement; qu'on détecte la pression à l'intérieur de la zone d'étranglement et en amont à l'extérieur de celle-ci; et qu'on détermine la température moyenne sur la base du débit massique et de la pression, notamment de la différence entre les pres- sions régnant à l'intérieur et en amont à l'extérieur de la zone d'étranglement, ladite température pouvant être établie par des calculs, à partir des valeurs prises en compte pour la détermination. L'avantage du procédé conforme à l'invention consiste en ce qu'un temps de réaction notablement plus court peut être obtenu, suite à la présence des sondes de pression classiques nécessaires à la détection de la pression, étant donné que les temps de réaction des sondes de pression sont d'au moins un or- dre de grandeur plus courts que les temps de réaction de son- des de température classiques Cela prodigue un avantage consi- dérable En outre, le procédé conforme à l'invention offre le grand avantage consistant en ce que la température moyenne, déterminée dans ce procédé, est la température rapportée à la moyenne de la densité du débit massique, ce qui confère un grand avantage lorsque le fluide compressible circule avec une densité de débit massique non homogène; jusqu'à présent, en effet, dans un cas de ce type, il n'est possible d'établir une température rapportée à la moyenne de la densité du débit mas- sique qu'en détectant la température et la vitesse de circula- tion en plusieurs emplacements de l'écoulement à densité de débit massique non homogène, puis en établissant par des cal- culs la température rapportée à la moyenne de la densité du débit massique. La dépendance entre la température moyenne et les pres- sions, c'est-à-dire en particulier la différence entre les pressions régnant à l'intérieur et en amont à l'extérieur de la zone d'étranglement, ainsi qu'entre ladite température et le débit massique, est encore affectée d'une constante qui est tributaire de la nature de la zone d'étranglement, des condi- tions géométriques avant et après cette zone d'étranglement, et de la nature du fluide. Conformément à l'invention, la possibilité est offerte de déterminer cette constante par des calculs, auquel cas il est impératif de détecter la géométrie exacte de la zone d'étran- glement Néanmoins, dans le cadre de la solution proposée par l'invention, il est particulèrement simple de déterminer la constante par voie expérimentale. Dans le cadre de la solution conforme à l'invention, dé- crite jusque-là, l'on n'a pas mentionné en détail la manière dont la détection de la pression s'opère en amont à l'extérieur de la zone d'étranglement Cette pression est mesurée, en tant que pression statique, en amont avant la zone d'étranglement, là o il n'existe encore aucun rétrécissement de section Ain- si, une possibilité particulièrement préférentielle prévoit de mesurer cette pression directement en amont avant la zone d'étranglement. Une forme de réalisation particulièrement préférentielle de la solution selon l'invention prévoit que la zone d'étran- glement soit constituée d'une buse, à l'embouchure d'une ex- trémité tubulaire parcourue par le fluide compressible en cir- culation Dans ce cas, il est notamment envisageable, en vue de détecter la pression régnant à l'intérieur de la zone la plus étroite de la buse, de mesurer la pression de l'espace dans lequel le fluide en circulation afflue en provenance de la buse, c'est-à-dire la pression régnant dans l'environne- ment à l'extérieur de ladite buse En variante cependant, dans le cadre de la solution con- forme à l'invention, il est également envisageable que la zone d'étranglement soit constituée d'une zone resserrée dans un tube. Dans le développement qui précède, aucune indication pré- cise n'est formulée quant à la réalisation de la zone d'étran- glement La corrélation entre le débit massique et la diffé- rence entre les pressions à 1 'intérieur et à 1 'extérieur de la zone d'étranglement peut être établie, d'une manière particu- lièrement simple, lorsque les zones d'étranglement présentent des tangentes de sortie parallèles à leur axe longitudinal. L'objectif mentionné ci-avant est également recherché dans les procédés, jusqu'à présent connus, pour déterminer la tempé- rature moyenne de la vapeur sortant d'un générateur de vapeur. Conformément à l'invention également, dans un procédé ci- té en second lieu, cet objet est atteint par le fait qu'on pré- voit une zone d'étranglement à l'extrémité du foyer; qu'on dé- tecte la somme des débits massiques délivrés; qu'on détecte la pression régnant à l'intérieur et à l'extérieur de la zone d'étranglement; et qu'on détermine la température moyenne sur la base du débit massique sortant du foyer, et de la pression régnant à l'intérieur et à l'extérieur de la zone d'étrangle- ment. En particulier dans ce procédé spécifique, une importance notable est accordée au fait que la température moyenne est la température rapportée à la moyenne de la densité du débit mas- sique, car la vapeur circule à l'intérieur du foyer avec une densité de débit massique non homogène, mais, pour l'utilisa- tion ultérieure de la vapeur, une importance est accordée à la température rapportée à la moyenne de la densité du débit mas- sique, c'est-à-dire la température de la vapeur intégralement brassée et circulant avec une vitesse égale. Dans ce procédé, il est notamment prévu que le combustible soit de l'hydrogène et que l'agent d'oxydation soit de l'oxy- gène. Des générateurs de vapeur de ce genre sont avantageusement exploités de façon telle que de l'hydrogène et de l'oxygène sont délivrés de façon régulée, en des rapports stoechiométri- ques. Dans un exemple de réalisation particulièrement préféren- tiel du procédé conforme à l'invention, il est de surcroît pré- vu qu'on détermine les débits massiques délivrés de l'hydrogé- ne et de l'oxygène sur la base des valeurs mesurées pour la régulation stoechiométrique de ces derniers; qu'on détermine le débit massique délivré de l'eau pulvérisée, sur la base de la valeur mesurée pour la régulation en vue de la pulvérisa- tion de l'eau; et que, pour établir le débit massique sortant du foyer, l'on forme la somme des débits massiques de l'hydro- gène, de l'oxygène et de l'eau Ainsi, l'on détermine en outre le débit massique délivré de l'eau pulvérisée dans le foyer, au moyen du dispositif mesureur prévu pour la régulation de la pulvérisation de l'eau, si bien que le débit massique sortant du foyer résulte, globalement, de la somme de ces débits mas- siques. Par ailleurs, concernant des réalisations avantageuses du procédé pour déterminer la température moyenne de la vapeur sortant d'un générateur de vapeur, il convient de se référer aux exemples de réalisation particulièrement préférentiels qui ont été expliqués au sujet du procédé pour déterminer la tempé- rature moyenne, variant rapidement, d'un fluide compressible en circulation. L'invention va à présent être décrite plus en détail à ti- tre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins an- nexés sur lesquels: la figure 1 illustre un premier exemple de réalisation d'un procédé conforme à l'invention, appliqué à un tube obturé par une buse; la figure 2 montre un deuxième exemple de réalisation du procédé conforme à l'invention, appliqué à une zone resserrée dans un tube; et la figure 3 est une illustration schématique d'un généra- teur de vapeur dans lequel le procédé conforme à l'invention trouve application. Comme illustré sur la figure 1, dans un premier exemple de réalisation d'un procédé conforme à l'invention pour mesu- rer la température moyenne, variant rapidement, d'un fluide compressible en circulation, un débit massique M est guidé par un tube 10 muni, à une extrémité, d'une buse 12 qui matéria- lise un ajutage d'embouchure dudit tube 10 La buse 12 est agencée avec symétrie de rotation par rapport à un axe longi- tudinal 14 du tube 10, et possède elle aussi une embouchure 16 disposée concentriquement à l'axe longitudinal 14. La pression du débit massique du fluide compressible, circulant par le tube 10, est mesurée en amont de la buse 12, pour l'essentiel avant cette dernière, dans une zone 18 dans laquelle le tube 10 présente encore une section transversale intégrale Cette pression donne la valeur mesurée Pl. Une pression P 2 est par ailleurs mesurée, dans la zone 20, au voisinage de la section transversale la plus étroite de la buse 12. Sur la base des pressions Pl et P 2, ainsi que du débit massique devant être mesuré par n'importe quels procédés, il est à présent possible d'établir intégralement et de manière précise la température moyenne du fluide compressible en cir- culation; dans ce cas, pour mesurer les pressions Pl et P 2, il est possible d'employer des sondes de pression classiques et il est nécessaire de connaître la loi physique du fluide, Q(p T) L'avantage du procédé conforme à l'invention réside dans le fait que, en présence de températures variant rapidement, le mesurage relatif aux pressions Pl et P 2 peut être effectué, pour l'essentiel, d'une manière plus rapide et plus précise qu'au moyen de sondes de température classiques utilisées pour le mesurage d'une température, comme par exemple des thermo- couples, car les temps de réaction de sondes de pression uti- lisées traditionnellement sont plus courts, d'au moins un or- dre de grandeur, que les temps de réaction de sondes de tem- pérature traditionnellement employées. En variante du premier exemple de réalisation du procédé selon l'invention, expliqué ci-avant, la possibilité est éga- lement offerte, au lieu de procéder à un mesurage de la pres- sion P 2, effectué à l'intérieur de la buse 12, de mesurer la pression P 2 ' qui règne dans l'environnement à l'extérieur de la buse 12, c'est-àdire en aval de cette dernière, puis, sur la base de cette valeur P 2 ' ainsi que de la valeur Pl et de la valeur du débit massique, de procéder à la détermination de la température de la même manière que ci-avant. Pour effectuer le calcul, l'on applique la théorie de la circulation isentropique unidimensionnelle par une buse, la température moyenne T du fluide compressible en circulation présentant alors, avec les pressions Pl et P 2 et avec le débit massique M, en admettant un comportement gazeux idéal, la re- lation suivante 2 (A 4 Pl)2 T 1 = M 2 ZR x i /f P 2 \ 1P 2 x 11 _ _ _ _ xi_- x Plk x = exposant isentropique M = débit massique A = superficie de section transversale de la buse Z = facteur du gaz réel. Lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'inven- tion, l'on utilise d'une manière particulièrement avantageuse toutes les formes de buses 12 qui sont correctement arrondies et présentent une tangente de sortie parallèle à l'axe longi- tudinal 14. Dans un deuxième exemple de réalisation du procédé confor- me à l'invention, le mesurage de la température du fluide com- pressible en circulation a lieu au moyen d'une zone resserrée 24 qui est prévue dans un tube 22, et est également orientée concentriquement à l'axe longitudinal 26 du tube 22 Dans le principe cependant, à la place de la zone resserrée 24, il est également possible d'utiliser des diaphragmes ou des tubes de Venturi. Similairement au premier exemple de réalisation, le mesu- rage d'une pression Pl a lieu en amont de la zone resserrée 24, et le mesurage d'une pression P 2 s'effectue dans la zone res- serrée 24, là o la section transversale est la plus petite. Là encore, en établissant le débit massique circulant par le tube 22 et en utilisant les pressions Pl et P 2, il est pro- cédé à un calcul de la température du fluide compressible en circulation. Le procédé conforme à l'invention trouve notamment appli- cation dans un générateur de vapeur à hydrogène-oxygène, illus- tré schématiquement sur la figure 3, et servant de générateur de vapeur à réserve immédiate dans des centrales génératrices. Dans ce générateur de vapeur, désigné dans son ensemble par 30 sur la figure 3, il est prévu un foyer 34 entouré par un carter 32 et obturé à une extrémité par une tête d'insuf- flation 36 et, à l'autre extrémité,par une buse 38. Au moyen de la tête d'insufflation 36, d'une part de l'oxygène et d'autre part de l'hydrogène sont insufflés, sous la forme d'un jet mixte, dans le foyer 34 dans lequel ils brû- lent, ce qui engendre de la vapeur d'eau Pour refroidir cette vapeur d'eau, des bagues de pulvérisation 42 et 44 disposées en aval de la tête d'insufflation 36, dans la direction d'écou- lement 40, pulvérisent additionnellement de l'eau dans le foyer 34, plus précisément en une quantité telle que cette eau se vaporise également, sous l'effet de la chaleur disponible, et forme, avec la vapeur résultant de la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène, un flux de vapeur d'eau qui sort du foyer 34, en tant que débit massique M, en traversant la buse 38 Dans le cas le plus simple, le débit massique est alors déterminé- par des dispositifs mesureurs respectifs 46 et 48 qui sont de toute façon nécessaires pour l'apport stoechiométrique d'hy- drogène et d'oxygène, et sont destinés à détecter les débits massiques d'hydrogène et d'oxygène délivrés en vue de la com- bustion dans le foyer 34; et, en outre, par l'intermédiaire d'un dispositif mesureur 50 qui est également nécessaire au refroidissement de la vapeur, qui sert à détecter le débit massique de l'eau pulvérisée dans le foyer 34 par l'intermé- diaire des bagues de pulvérisation 42 et 44, en vue du refroi- dissement de la vapeur, et qui est également nécessaire, dans un générateur de vapeur de ce type, pour réguler la quantité d'eau pulvérisée. Les pressions Pl et P 2 sont mesurées à l'aide de sondes de pression classiques qui, en présence de températures va- riant rapidement, et comme déjà mentionné au sujet du premier exemple de réalisation, autorisent une détermination des tem- pératures notablement plus rapide que le mesurage classique des températures au moyen de thermocouples. Il est également possible, en variante, de mesurer la pression P 2 à l'extérieur de la buse 38. Par ailleurs, concernant la réalisation de la buse 38, il convient de se référer aux commentaires relatifs au premier exemple de réalisation. Lorsque le générateur de vapeur 30 est employé dans une centrale génératrice, la buse 38 est remplacée par une zone resserrée, similaire à la zone resserrée 24, devant laquelle une canalisation tubulaire gagne ensuite une turbine à vapeur. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir du ca- dre de l'invention. -R E V E N D I C A T I O N S- 1 Procédé pour déterminer la température moyenne, variant rapidement, d'un fluide compressible en circulation, procédé caractérisé par le fait qu'on fait circuler le fluide par une zone d'étranglement; qu'on détermine le débit massique du fluide circulant à travers la zone d'étranglement; qu'on dé- tecte la pression à l'intérieur de la zone d'étranglement et en amont à l'extérieur de celle-ci; et qu'on détermine la tem- pérature moyenne sur la base du débit massique et de la pres- sion régnant à l'intérieur et à l'extérieur de la zone d'étran- glement. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour détecter la pression en amont à l'extérieur de la zone d'étranglement, l'on effectue un mesurage directement en amont avant ladite zone d'étranglement. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, carac- térisé par le fait que la zone d'étranglement est constituée d'une buse à l'embouchure d'une extrémité tubulaire. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que, pour détecter la pression régnant à l'intérieur de la buse, l'on mesure la pression régnant dans l'environne- ment à l'extérieur de ladite buse. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la zone d'étranglement est cons- tituée d'une zone resserrée dans un tube. 6 Procédé pour déterminer la température moyenne de la vapeur sortant d'un générateur de vapeur, dans lequel un com- bustible entre en réaction avec un agent d'oxydation dans un foyer du générateur de vapeur, et de l'eau est encore pulvéri- sée additionnellement dans ledit foyer, procédé caractérisé par le fait qu'on prévoit une zone d'étranglement à l'extré- mité du foyer; qu'on détecte la somme des débits massiques délivrés; qu'on détecte la pression régnant à l'intérieur et à l'extérieur de la zone d'étranglement; et qu'on détermine la température moyenne sur la base du débit massique sortant du foyer, et de la pression régnant à l'intérieur et à 1 'ex- térieur de la zone d'étranglement. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le combustible est de l'hydrogène, et l'agent d'oxy- dation est de l'oxygène. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'hydrogène et l'oxygène sont délivrés de façon ré- gulée, en des rapports stoechiométriques. 9 Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait qu'on détermine les débits massiques délivrés d'hydro- gène et d'oxygène sur la base des valeurs mesurées pour la ré- gulation stoechiométrique de ces derniers; qu'on détermine le débit massique délivré de l'eau pulvérisée, sur la base de la valeur mesurée pour la régulation en vue de la pulvérisation de l'eau; et que, pour établir le débit massique sortant du foyer, l'on forme la somme des débits massiques de l'hydrogè- ne, de l'oxygène et de l'eau. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait qu'il est mis en oeuvre en concor- dance avec les revendications 2 à 5.