Brevet FR2663408A1 — publié le 19911220

"Procédé de régulation d'un générateur de chaleur à laveurs d'air et de fumées" La présente invention concerne un procédé de régulation d'un générateur de chaleur comportant un foyer alimenté en combustible et en air comburant et dégageant des fumées, un circuit de chauffage dont la demande d'énergie est variable, un laveur d'air recevant l'air comburant en amont du foyer, un laveur de fumées recevant les fumées en aval du foyer, un circuit de liquide de lavage reliant les laveurs pour prendre le liquide de lavage (eau) à la sortie de l'un des laveurs et l'introduire à l'entrée de l'autre, ce liquide circulant dans les laveurs à contre-courant avec le gaz (air, fumées), l'excédent de liquide de lavage étant extrait du circuit pour y maintenir une quantité de liquide constante. Un tel procédé est déjà connu. Ce procédé permet de récupérer de l'énergie des fumées pour injecter cette énergie à l'air comburant et augmenter le rendement de l'installation. Toutefois le rendement dépend, de manière très importante, de la régulation. Cette régulation doit assurer un optimum entre la circulation du liquide de lavage ou liquide caloporteur et la demande en énergie, demande variable, imposée à la chaudière et déterminant le débit d'air comburant et par suite le débit des fumées. La présente invention se propose de créer un procédé de régulation permettant d'optimiser la combustion. A cet effet l'invention concerne un procédé caractérisé en ce que - on détermine la température de l'eau de lavage à la sortie du laveur d'air (ou du laveur des fumées), - on détermine le pincement de l'air comburant entrant (sortant) dans le laveur d'air par rapport à la température de l'eau sortant (rentrant) de ce laveur, - on détermine le pincement des fumées sortant (rentrant) dans le laveur des fumées et de l'eau entrant (sortant) dans le laveur des fumées, - on règle le débit d'eau en circulation pour faire tendre vers zéro la différence des pincements. Comme cette régulation optimise le débit du liquide caloporteur ou liquide de lavage, en circulation en fonction de la demande de puissance imposée à la chaudière, c'est-à-dire de la demande d'air comburant et de l'émission de fumées, on arrive ainsi à un épuisement optimum des fumées et par suite à un rendement optimum de l'installation thermique. En effet, cette régulation tient compte de toutes les variations d'énergie contenue dans les fumées de la chaudière, que ces variations proviennent des variations de débit des fumées (variation de puissance) ou des variations d'enthalpie des fumées (variation de la température d'irrigation de la chaudière). La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'ensemble d'un générateur de chaleur auquel est appliqué le procédé de régulation de l'invention, - la figure 2 est un détail de la courbe de saturation d'air en eau et des courbes d'enthalpies, pour expliquer la mise en oeuvre du procédé de régulation selon l'invention. - la figure 3 est un schéma d'un pont de résistances, formé des thermistances R1-R2-R3-R4 mesurant respectivement les températures TAe (R1), TEAF (R2), TEAF (R3), TAs (R4) ; en fait, les résistances R2 et R3 mesure la même température de référence qui dans ce cas est TEAF. Selon la figure 1, l'invention concerne un procédé de régulation d'un générateur de chaleur. Ce générateur de chaleur se compose d'un foyer 1 relié à un circuit de chauffage 20 par l'intermédiaire d'un échangeur placé dans le foyer. Ce foyer est alimenté en combustible et en air comburant ; il fournit des fumées. En amont de l'entrée d'air comburant 2 se trouve un laveur d'air 3 et en aval du foyer 1, sur la sortie 4 des fumées, se trouve un laveur de fumées 5. Avant d'alimenter la chaudière 1 l'air comburant passe à travers le laveur 3 dont l'entrée d'air porte la référence 5. De même, les fumées sortant du foyer 1 arrivent par l'entrée 4 dans le laveur de fumées 6 et en sortent par la sortie de fumées 7. L'installation comporte également un circuit de liquide de lavage reliant respectivement la sortie de chaque laveur à l'entrée de l'autre laveur. De manière plus précise, ce circuit se compose d'une première branche reliant la sortie 8 du laveur d'air 3 à l'entrée 9 du laveur des fumées. Cette branche peut comporter une pompe de circulation 10. De façon analogue, la sortie 11 du laveur de fumées 6 est reliée à l'entrée 12 du laveur d'air par la seconde branche du circuit de liquide de lavage. Cette seconde branche peut également comporter une pompe de circulation 13. Enfin, le circuit de lavage comporte un trop-plein 14 pour évacuer les excédents de liquide formés par les condensats des produits de combustion. La régulation selon l'invention porte sur le débit de liquide de lavage puisque les autres paramètres de l'installation sont donnés ou imposés par la combustion. La demande calorifique du circuit de chauffage impose le fonctionnement de la chaudière, c'està-dire la demande d'air comburant et l'émission des fumées. Par contre, le débit de liquide de lavage se règle de l'extérieur pour assurer le fonctionnement optimum de l'installation, c'est-à-dire une combustion avec le meilleur rendement thermique. Pour décrire le procédé selon l'invention, on donnera ci-après la définition de différents paramètres de l'installation Toutes les températures d'air et de fumées utilisées sont des températures humides isenthalpiques. QA = débit d'air sec à travers le laveur d'air (air comburant) QF = débit massique des fumées sèches sortant du foyer et traversant le laveur des fumées. QEFA = (égal à QEAF) débit d'eau du laveur de fumées vers le laveur d'air QEAF = débit d'eau du laveur d'air vers le laveur des fumées. TEFA = température de l'eau (liquide de lavage) à l'entrée du laveur d'air. TEAF = température de l'eau à la sortie du laveur d'air. TAe = température de l'air à l'entrée du laveur d'air. HAe = enthalpie de l'air à l'entrée du laveur d'air. TAs = température de l'air à la sortie du laveur d'air. HAs = enthalpie de l'air à la sortie du laveur d'air. T1 = pincement entre l'air à l'entrée du laveur d'air et la température de l'eau en sortie de ce même laveur, soit TEAF - TAe. H1 = pincement en enthalpie correspondant à l'écart de température T1. T2 = pincement entre l'air sortant du laveur d'air et l'eau entrant dans le laveur d'air. H2 = pincement en enthalpie correspondant à l'écart de température T2. TEAF = température de l'eau à l'entrée du laveur des fumées (cette température est la même que la température de sortie de l'eau du laveur d'air). TEFA = température de l'eau en sortie du laveur des fumées (cette température est la même que la température de l'eau à l'entrée du laveur d'air). TFe = température des fumées à l'entrée du laveur des fumées. HFe = enthalpie des fumées à l'entrée du laveur de fumées. TFs = température des fumées en sortie du laveur des fumées. HFs = enthalpie des fumées à la sortie du laveur de fumées. T3 = pincement entre les fumées à l'entrée du laveur des fumées et l'eau sortant du laveur des fu mées. H3 = pincement en enthalpie correspondant à l'écart de température T3. T4 = pincement entre les fumées sortant du laveur des fumées et l'air entrant dans le laveur des fumées. H4 = pincement en enthalpie correspondant à l'écart de température T4. But recherché On veut que HAs soit le plus élevé possible et que HFs le plus petit possible. Principe de la régulation La régulation doit régler les débits des capacités thermiques dans les laveurs pour avoir l'eau la plus chaude à l'entrée du laveur d'air (chaleur récupérée sur les fumées) et la plus froide à l'entrée d'eau du laveur de fumées (chaleur échangée avec l'air comburant). En d'autres termes pour arriver à une régulation optimale se traduisant par le meilleur rendement de combustion, il faut équilibrer les débits des capacités des fluides gaz (air ou fumées) et des fluides eau de lavage dans chacun des laveurs, c'est-àdire réaliser le meilleur compromis entre de bonnes températures d'eau et de bons pincements. A titre d'exemple, dans le laveur d'air 3 les échanges thermiques sont les suivants Pour l'eau - L'abaissement de la température de l'eau entre l'entrée 12 et la sortie 8 correspond de manière linéaire à l'énergie échangée, c'est-à-dire l'énergie fournie à l'air pour un débit d'eau donné. Pour l'air - L'élévation de température de l'air entre l'entrée 5 d'air comburant et la sortie d'air humide 2 alimentant le foyer 1 est une fonction non linéaire de l'énergie reçue (c'est-à-dire l'énergie fournie par l'eau). Cette fonction non linéaire dépend de la courbe de saturation représentée à la figure 2. Le procédé de régulation sera illustré ciaprès à l'aide de quelques exemples de mauvais fonctionnement sur le plan du bilan énergétique avant de définir le procédé dans ses caractéristiques générales ler Cas : débit d'eau de lavage est trop faible par rapport au débit d'air. Cette situation entraîne différentes conséquences dans les laveurs d'air et de fumées ; la régulation se fera à partir du laveur d'air. - Dans le laveur d'air le pincement T1-H1 sera faible. L'eau sortant du laveur d'air 3 est très froide, ce qui est en soi un bon résultat mais le pincement T2-(H2) est fort donc l'air comburant ayant traversé le laveur d'air 3 n'a pas reçu assez d'énergie. Dans le laveur des fumées, l'eau introduite à la température TEAF est froide ce qui est une bonne caractéristique en soi mais le débit d'eau étant faible, le pincement T4 (H4) est fort : les fumées sortent du laveur de fumées sans être suffisamment épuisées pour cette température. Par contre, le pincement T3 (H3) est faible et la température de l'eau, élevée, ce qui est apparemment bon. L'eau sortant du laveur de fumées et qui arrive dans le laveur d'air 3 est à une température élevée (mais le débit est faible) ; cette eau fournit donc peu d'énergie à l'air et le pincement T2 (H2) est fort. Régulation : pour réduire dans ce cas les forts pincements T2 (H2) et T4 (H4) il faut réguler la circulation d'eau de lavage dans le sens d'un débit plus fort. 2ème cas : Débit d'eau trop fort par rapport au débit d'air dans le laveur d'air 3 Le pincement T1 (H1) sera fort car par hypothèse le débit d'eau est trop fort pour le débit d'air ; l'air est très rapidement chargé en température et en enthalpie et l'eau, à fort débit, ne subira que peu de variations de température. Le pincement T2 (H2) est faible, ce qui apparemment est bon, sous réserve que TEFA soit une température suffisamment élevée. - La température de l'eau en sortie de laveur TEAF est élevée car l'eau est insuffisamment refroidie par l'air du fait du trop fort débit d'eau. Dans le laveur des fumées, la situation est la suivante - l'eau reçue est à la température TEAF elle est chaude, ce qui est une mauvaise température. - le pincement T4 (H4) est faible, ce qui est apparemment bon. - les fumées quittent le laveur de fumées 6 à une température trop élevée. Elles auront été épuisées par l'échange dans ce laveur mais à une température d'eau trop élevée, de sorte qu'elles seront mal épuisées. - le pincement T3 (H3) est fort et la température d'eau TEFA à la sortie du laveur de fumées sera voisine de TEAF, éloignée de TFe. Pour la régulation, il faut augmenter le niveau de température TEFA-TEAF, donc diminuer le débit d'eau. Le procédé selon l'invention a pour but d'optimiser les niveaux des enthalpies de l'air et des fumées. Le bilan énergétique est le suivant QA (HAs - HAe) = QEFA (TEFA - TEAF).C = E C = chaleur massique de l'eau. Comme les fumées proviennent de l'air comburant, QA est sensiblement équivalent à QF ; QEFA sera maintenu égal à QEAF. E représente l'énergie échangée. Comme déjà indiqué, le procédé doit rendre E maximum. Selon le procédé, dans le laveur d'air 3, le but est de rendre HAs aussi proche que possible de l'enthalpie d'un air saturé à la température de TEFA tout en ayant la température TEAF de l'eau sortant du laveur d'air, telle que l'enthalpie d'un air saturé à cette température TEAF soit aussi proche que possible de HAe. Du côté du laveur des fumées 6, une conséquence est que HFs devient très proche de l'enthalpie d'un air saturé à la température TEAF et l'enthalpie d'un air saturé à TEFA est très proche de HFe. La régulation faite à partir du laveur d'air pourrait également se faire à partir du laveur des fumées. Ainsi, de manière parallèle dans le laveur des fumées il faut rendre l'enthalpie HFs aussi proche que possible de l'enthalpie d'un air saturé à la température TEAF et il faut que la température TEFA de l'eau sortant du laveur des fumées 6 soit telle que l'enthalpie d'un air saturé à cette température TEFA soit aussi proche que possible de l'enthalpie des fumées HFe. La régulation selon l'invention se fait en s'appuyant sur la courbe de saturation (figure 2). La courbe de saturation et les courbes des enthalpies montrent, comme cela est connu, que pour l'air saturé, l'enthalpie ne varie pas linéairement par rapport à l'élévation de température ou aux différences de températures humides. Mais il est plus facile de mesurer les températures que des enthalpies. En conséquence, selon l'invention, on simule la régulation des enthalpies par des variations de température, proches pour que le rapport AT soit pratiquement constant. En d'autres termes, à partir d'un point M de fonctionnement de la courbe, correspondant à la température TEAF, on se place de part et d'autre de ce point sur la courbe de saturation. Au niveau du point M la courbe peut être assimilée à sa tangente. On a alors au à peu près constant. La température de repère pour la régulation peut être soit TEAF, soit TEFA. Selon l'invention, si l'on choisit TEAF comme repère, on réalise une régulation qui compare T1 et T4 pour que |T1| - |T4| tende vers 0 et ainsi |H1| |H1| ~ |H4| |H4| tend vers 0 car T1 T4 . Pour cela, on as- servi les pompes 10 et 13 pour que les débits QEAF ou QEFA (qui sont identiques puisqu'il s'agit d'une circulation de liquide de lavage sans augmentation du volume de liquide) tende vers la réduction des différences des pincements T1 et T4 jusqu'à l'annulation. Il en résultera de la même manière, que les pincements T2 et T3 seront voisins ou égaux en valeur absolue et, par suite, les enthalpies H2 et H3 seront égales. Cela constitue la meilleure optimation du système permettant de réaliser une élévation maximale de l'enthalpie de l'eau et un abaissement maximum de l'enthalpie des fumées. Bien que décrit ci-dessus dans le cas des pincements T1 et T4, l'asservissement pourrait également se faire sur les pincements T2 et T3 en choisissant le repère TEFA. Suivant une variante de l'invention qui ne constitue qu'une solution moins bonne que la solution décrite ci-dessus, on égalise les écarts de température par une régulation qui compare l'abaissement de la température de l'eau à l'élévation de la température de l'air dans le laveur d'air 1T = TEFA - TEAF A2T = TAs - TAe On cherche à rendre nulle la différence A1T - T. Pour cela, on règle le débit QE. Dans le laveur des fumées, comme on a A3T = TEAF - TEFA et A4T = TFe TFs, la différence A3T - A4T tendra grossièrement vers 0. Comme autre variante, on pourrait partir des différences de température A3T - #4T et avoir pour conséquence une différence A1T -A2T qui tend grossièrement vers 0.Il est également possible de réaliser un équilibre tel que A1T = A2T sur le laveur d'air et pour l'autre laveur on aura : A3T = - A u t6tU laveur fonctionne à des températures supérieures à celles du laveur d'air (du fait des pincements) ; la pente de la courbe de saturation sera donc plus forte et A3T sera différent de A4T pour une même énergie échangée. Enfin, suivant une autre variante, on prend les pincements en température dans le laveur d'air T2 - Tî et on règle pour faire tendre cette différence vers 0 en agissant sur le débit QE. On obtiendra en conséquence T4 - T3 tendant vers 0. L'inverse est également possible à partir du laveur des fumées. Il est à remarquer que Si l'on cherche un équilibre entre T1 et T2 ou T3 et T4, cette méthode serait très grossière car l'optimum du niveau H2 H1 des énergies n'est pas réalisé car T2 T1 Le montage en pont détermine ainsi les pincements T1 et T4 entre les résistances R1 -R2 et R3-R4. La régulation ci-dessus utilise comme réf é- rence la température TEAF ; il est également possible d'utiliser la température TEFA et les pincements T2, T3. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de régulation d'un générateur de chaleur comportant - un foyer alimenté en combustible et en air comburant et dégageant les fumées, - un circuit de chauffage dont la demande d'énergie est variable, - un laveur d'air recevant l'air comburant en amont du foyer, - un laveur de fumées recevant les fumées en aval du foyer, - un circuit de liquide de lavage reliant les laveurs pour prendre le liquide de lavage (eau) à la sortie de l'un des laveurs et l'introduire à l'entrée de l'autre, ce liquide circulant dans les laveurs à contre courant avec le gaz (air, fumées), l'excédent de liquide de lavage étant extrait du circuit pour y maintenir une quantité de liquide constante, procédé caractérisé en ce que - on détermine la température de l'eau de lavage à la sortie du laveur d'air (ou du laveur des fumées) TEAF (TEFA), - on détermine le pincement T1 (T2) de l'air comburant entrant (sortant) dans le laveur d'air (3) par rapport à la température de l'eau sortant (rentrant) de ce laveur (3), - on détermine le pincement T4 (T3) des fumées sortant (rentrant) dans le laveur des fumées (5) et de l'eau entrant (sortant) dans le laveur des fumées, - on règle le débit d'eau QE en circulation pour faire tendre vers zéro la différence des pince ments entre |T1| |T4| (ou |T2| - |T3|). 2 ) Procédé selon la revendication 1, carac térisé en ce qu'on mesure la température des fluides pour la régulation à l'aide d'un pont de résistance (thermistance) R1, R21 R31 R4.