Brevet FR2712762A1 — publié le 19950524

DISPOSITIF ET PROCEDE DE CHAUFFAGE PAR EFFET JOULE D'UN FLUIDE DANS UN TUBE FORMANT RESISTANCE ELECTRIQUE La présente invention concerne un dispositif de chauffage d'un fluide par effet Joule du type comportant au moins un tube à passage de courant, des moyens d'alimentation électrique en puissance basse tension du tube, des moyens de mesure de la température du fluide en sortie du tube et des moyens de régulation électronique, ou régulateur, de la puissance basse tension en fonction de la température du fluide mesurée en sortie du tube et d'une température de consigne du fluide à respecter. Elle concerne également un procédé de chauffage par effet Joule mettant en oeuvre un tel dispositif. Le fluide à chauffer circulant à l'intérieur du tube, celui-ci joue donc à la fois le rôle d'un générateur de chaleur et celui de conducteur hydraulique. L'invention trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine du chauffage en continu des liquides pour l'industrie alimentaire, pharmaceutique ou cosmétique. On connaît déjà des dispositifs de chauffage de fluide par tubes à passage de courant muni d'une régulation électronique de la puissance de type Proportionnel, Intégral, Dérivé (PID en abréviation). Cette régulation présente des inconvénients car elle nécessite des réglages longs et difficiles. Elle se révèle de plus peu satisfaisante notamment lorsqu'il s'agit de chauffer des fluides particulièrement thermosensibles. La présente invention vise à fournir un dispositif et un procédé de chauffage par effet Joule dans un tube à passage de courant, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle propose de prendre en compte la température d'entrée du fluide, d'o une meilleure réponse aux perturbations et une meilleure qualité de traitement du fluide chauffé, et en ce qu'elle autorise une régulation de la température de peau du tube lui-même ce qui permet de limiter l'encrassement du tube et donc de retarder le nettoyage du dispositif, entraînant ainsi et notamment des gains de production. Dans ce but, l'invention propose essentiellement un dispositif de chauffage d'un fluide par effet Joule du type ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens de mesure de la température du fluide à l'entrée du tube, des moyens de mesure du débit du fluide dans le tube et en ce que les moyens de régulation électronique de la puissance basse tension comportent un premier circuit correcteur commandé par lesdits moyens de mesure de la température du fluide à la sortie et à l'entrée du tube et par lesdits moyens de mesure du débit du fluide dans le tube. Dans des modes de réalisation avantageux, on a de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - le premier circuit correcteur est du type régulateur à réponse plate, dont une transformée de Laplace du modèle interne simulant le processus de chauffe est donnée par la formule: 1 Q r l exp(-rop) H(p) -= - --- x- x....... - -.... 1 + rp p 1+ fp i + 2P I o p: variable de Laplace r: constante de temps du capteur de température de sortie du fluide K Q ----à_____ óO + 1 - Tr2 avec K: gain statique du système en boucle ouverte, T0: temps de parcours du fluide dans le tube, Tl et r2: paramètres de temps du système calculés à partir des caractéristiques géométriques et physiques du tube et des paramètres physiques du fluide à chauffer. - le dispositif comporte de plus une pompe d'alimentation du tube à débit variable, et des moyens de mesure de la température de peau du tube, les moyens de régulation électronique de la puissance basse tension comportant un second circuit correcteur de contrôle de la température de peau du tube, et de commande du débit de ladite pompe en fonction d'une valeur seuil de température déterminée de peau dudit tube; - le second circuit correcteur est agence pour présenter un modèle de régulation de fonction de transfert: Ks x p H2(P) = ---------_____ (1 + T'oP) x (1 + 12P) avec p: variable de Laplace Ks: une constante fonction de la température de peau du tube op: température de peau du tube r'1 = k r0 avec r0: temps de parcours du fluide dans le tube et 2 oeuvre par le dispositif décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description des modes de réalisation de l'invention donnés ci-après à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - La figure 1 est un schéma de principe d'un tube à passage de courant appartenant à un dispositif selon l'invention, montrant les principaux points de mesure des paramètres de fonctionnement du dispositif. - La figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention. - Les figures 3 et 4 montrent deux modes de réalisation schématiques de régulateur et de système de tubes à passage de courant appartenant à un dispositif selon l'invention. - La figure 5 est un organigramme général du fonctionnement de la régulation selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici. - Les figures 6 a 11 montrent des courbes donnant les variations des paramètres de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention dans diverses configurations de réglage et faisant apparaître notamment les avantages importants de l'invention. La figure 1 montre un tube 1 à passage de courant en acier inoxydable, agencé pour être mis sous basse tension, par exemple avec une puissance d'alimentation comprise entre 10 KW et 100 KW, via deux brides 2 fixées de façon ajustable sur le tube et situées à distance l'une de l'autre. Le tube 1 crée donc une résistance électrique entre les deux brides 2, ce qui provoque un échauffement thermique par effet Joule dans la zone 3 du tube située entre les deux brides. Le fluide 4, par exemple un produit thermosensible comme de la moutarde dont la pasteurisation s'effectue à 74' + 2 C, est injecté froid dans le tube en 5. Il est ensuite chauffé dans la zone 3 et ressort chaud en 6. On a par ailleurs représenté sur la figure 1 les points de mesure des paramètres de fonctionnement du dispositif, à savoir la température d'entrée du fluide (ee) en 6, la puissance de l'alimentation électrique entre brides (U) en 7, la température de peau du tube (op) en 8, la température de sortie du fluide (as) en 9 et le débit (D) en 10. Les capteurs de température utilisés sont de type connu en soi, par exemple des thermocouples pour des débits rapides (supérieurs à lm/s) ou des sondes platine pour des débits plus lents. Le débit est quant-à-lui mesuré par exemple via un débitmètre électromagnétique. On a représenté sur la figure 2 un dispositif 11 selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici. On utilisera dans la suite et quand il y a lieu, les mêmes numéros de référence pour désigner les mêmes éléments. Le dispositif comprend un tube ou un système de tubes 12 à passage de courant, par exemple constitué par trois serpentins hélicoïdaux disposés hydrauliquement en série et électriquement en étoile. L'alimentation électrique du système de tubes est par exemple assurée par un transformateur basse tension 13 piloté au primaire par un modulateur 14 triphasé a angle de phase, alimenté en 380 V en 15. Le dispositif 11 comprend de plus une pompe 16 à vitesse variable connue en elle-même, d'actionnement du fluide 4 alimentant le système 12. Le dispositif 11 comprend également un régulateur 17 relié aux points de mesures 6, 8, 9 et d'entrée des données. Ce régulateur actionne, respectivement via les liaisons 18 et 19, d'une part le modulateur 14 et d'autre part la pompe 16, de façon à respecter une première température de consigne (YCF) du fluide en sortie du système 12, et une deuxième température de consigne (YCP) de peau de tube, lesdites consignes étant respectivement introduites dans le régulateur en 20 et 21 par exemple par un opérateur. La figure 3 montre en trait mixte un premier mode de réalisation 17' du régulateur 17, connecté au système réchauffeur 22 qui comprend les tubes 12 et les éléments 13 et 14 d'alimentation basse tension. Le régulateur 17' comporte un premier circuit correcteur 23 dit à réponse plate, c'està-dire présentant un temps de réponse minimal avec suppression des oscillations cachées. Le circuit 23 est agencé pour contrôler la température de sortie du fluide (os) par l'intermédiaire de la puissance électrique (U). Selon l'invention, les réglages s'adaptent aux fluctuations du débit (D) et de la température d'entrée (0e) du fluide, grâce à la mise en oeuvre d'une régulation adaptative préprogrammée. De façon plus précise, le premier circuit 23 comprend par exemple un calculateur du type IBM PS avec bus MCA ou AT, programmés avec les lois de commandes de la régulation de la température de sortie du fluide. L'interface avec le système réchauffeur 22 est réalisée par des cartes d'entrée-sortie, par exemple fabriquées par la société américaine DATA TRANSLATION sous la référence DT-2801. Ces cartes sont placées à l'intérieur du boîtier calculateur et réalisent les conversions analogiques-numériques nécessaires. Ces cartes sont elles-même reliées à un bornier externe sur lequel sont connectés des modules de remise en forme des signaux, modules agencés pour permettre également l'isolement galvanique entre les capteurs et les cartes, isolation nécessaire puisque les capteurs peuvent être sous tension, notamment dans le cas du capteur de la mesure de la température de paroi. On va maintenant décrire plus précisément le modèle interne du premier circuit correcteur 23 du régulateur 17'. Pour ce faire, on a cherché à représenter linéairement le processus du type entrée-sortie mis en jeu, la température du fluide en sortie du réchauffeur (os) étant le paramètre de sortie, et la puissance de chauffe (U) basse tension étant le paramètre d'entrée du premier circuit. Le mode de réalisation du modèle interne du système simulé par le circuit 23 selon l'invention est, comme on l'a vu, donné par la formule (représentation par transmittance): 1 a r1 exp(-rop) H(p) = ------ x --- x [ - - - --- (1) 1 + rp p + rlP 1 + r2 o p: variable de Laplace r: constante de temps du capteur de température de sortie du fluide K Q =à-------______ T0 + Tr - T2 avec K: gain statique du système en boucle ouverte, ro0: temps de parcours du fluide dans le tube, r et r2 étant les deux paramètres de temps du système modélisé calculés à partir des caractéristiques géométriques et physiques du tube, et des paramètres physiques du fluide à chauffer. Ces calculs sont à la portée de l'homme du métier, une fois les hypothèses posées et l'invention décrite comme ci-dessus. Les paramètres géométriques et physiques du tube pris en compte pour le calcul de rl et r2 sont notamment: le nombre de tubes à passage de courant du réchauffeur 22 à considérer (s'il y a des tubes en parallèle), la longueur des tubes, les diamètres interne et externe des tubes ainsi que la masse volumique du matériau constitutif des tubes à la température moyenne de fonctionnement. Les paramètres du fluide pris en compte sont: la viscosité, la conductivité thermique du fluide, la chaleur massique et la masse volumique du fluide à une température intermédiaire entre la température d'entrée (0e) du fluide (en général la température ambiante) et la température de sortie (os). Le calcul du circuit correcteur 23, de fonction R(z), est effectué directement à partir de H(z), transmittance en Z du modèle interne décrit ci- dessus [voir formule (1)] de la façon suivante: Sachant que: J(z) = Z [BO(p) x H(p)] (2) avec 1 - exp(-Tep) BO(p) ------------- (3) p Te étant la période d'échantillonnage (fréquence des traitements); Et que: V(z) 1 J(Z) = ---- (4); Ko = U(z) V(1) U étant le numérateur de la fonction de transfert en z du modèle interne V étant le dénominateur de la fonction de transfert en z du modèle interne Il vient: K0 x U(z) R(z) = ------------(5) 1 - KO x V(z) Après détermination de R(z), la programmation de la loi de commande peut être effectuée aisément par l'homme du métier à l'aide d'équations récurrentes, la température de consigne (YCF) étant introduite en 20 dans le régulateur (voir figure 3). Avantageusement on choisit par ailleurs une période d'échantillonnage Te = rO/20 (avec T0 = temps de parcours du fluide dans le tube) ce qui, de façon surprenante permet d'améliorer encore les performances du correcteur qui vient d'être décrit. De plus, dans un mode avantageux de réalisation, en se basant sur la connaissance du surplus de puissance à accorder en cas d'augmentation de débit, on va pouvoir modifier le contenu de la mémoire du régulateur en fonction d'une variation incontrôlée de débit, ce qui améliore ici encore les performances de la régulation. Pour ce faire, lors de la détection d'une variation de débit, on commence par calculer les nouvelles commandes correspondant au nouveau débit à l'aide d'une relation linéaire. Dès l'instant d'échantillonnage suivant la perturbation, le régulateur calcule alors la nouvelle valeur de puissance correspondant à ce nouveau débit. Il s'ensuit une diminution importante de la sensibilité du dispositif aux perturbations de débit, et ce dans un rapport de l'ordre de un à dix. Le dispositif peut également être agencé pour mieux réagir aux variations de température d'entrée. Pour ce faire, on modifie comme précédemment la mémoire du régulateur à l'aide d'une relation linéaire. Cette modification n'est pas faite de façon immédiate lors de la détection de la perturbation, mais avec une constante de temps de l'ordre de to. Le régulateur 17' comprend par ailleurs un second circuit correcteur 24 agencé pour tenir compte des phénomènes d'encrassement du tube, et pour agir sur le débit (D) en conséquence. Pour ce faire, l'action du circuit correcteur 24 reste peu dynamique, les variations lentes de débit étant prises en compte par le circuit 23. La fonction de transfert du modèle de régulation du second circuit 24 est comme on l'a vu donnée par la formule: Ks x Op H2(p) = --- --- ---- (6) (1 + Tf'p) x (1 + T'2p) avec p: variable de Laplace Ks: constante fonction de la température de peau du tube Op: température de peau du tube r'1 = k r0 avec r0: temps de parcours du fluide dans le tube et 2 reliée linéairement à r0, par exemple r'1 = 5 x f. La dynamique propre, maintenant négligeable devant le terme r ' est alors modélisée de façon grossière également par une relation de premier ordre, par exemple de constante de temps r'2 = ro/2. Pour cela on choisit un régulateur PID que l'on met sous la forme: K(1 + Tip) (1 + Tdp) D(p) = -------------------- (7) Tip On choisit: Ti = r'1 (action aux basses fréquences) Td = r'2 On obtient: KKsOp F(p) = -- en boucle ouverte (8) Tip F(p) = ----- --------- en boucle fermée (9) Ti 1+ p KKsop Le système se comporte donc comme un premier ordre de constante de temps. Ti rBF = ------ (10) KKs p On peut donc imposer la dynamique du système en choisissant K: Ti K = (11) rBF Ksep On choisit par ailleurs rBF en fonction de la constante de temps de filtrage du débit, par exemple : rBF = ri/2 On utilise alors un régulateur PID programmé avec une structure parallèle, chacune des actions étant saturée comme il convient. La figure 4 montre un autre mode de réalisation selon l'invention d'un dispositif avec un régulateur 17" (en trait mixte), mais cette fois-ci sans possibilité d'action sur le débit. Le régulateur 17" comprend un circuit 23 comme décrit ci-dessus, et un circuit 25 complémentaire. Ce circuit ne permet pas de tenir compte du problème d'encrassement mais va agir comme une sécurité. En effet tant que la température de peau reste en dessous de la consigne, le circuit 25 reste inactif. Dès que la température de peau dépasse sa consigne, le circuit 25 diminue la puissance et la température de peau est stabilisée sur la consigne via le circuit 26. Le modèle interne du circuit 25 présente la fonction de transfert suivante: Ks R3 H3(p) = -- - - - - - - - (12) (1 + Tlp) (1 + T2P) Les valeurs de rl et r2 ont été calculées [cf. H(p)]. Pour le calcul du gain statique KSR3 on utilise: P = hi S (op - es) (13) P: puissance totale transmise au tube hi: coefficient d'échange entre le fluide et le tube S: surface totale d'échange On peut donc en déduire le gain statique KSR3 à partir de la transmittance ou: P Op = Os + -___ (14) hi S op Os 1 ___....__ +.... (15) P P hi S On a donc: KsR3 = Ks + ---- (16) hi S On a ainsi obtenu un modèle linéaire du second ordre dans lequel on cherche à compenser les pôles. Pour cela on choisit un régulateur PID que l'on met sous la forme: K(1 + tip) (1 + Tdp) D(p) = --------- (17) Tip on choisit: Ti = *1 (action aux basses fréquences) Td = r2 On obtient: KKsR3 F(p) = ----- en boucle ouverte (18) Ti p F(p) = -- ---- en boucle fermée (19) Ti 1+ p KKsR3 Le système se comporte donc comme un premier ordre de constante de temps: Ti rBF = ----- (20) KKsR3 On peut donc imposer la dynamique du système en choisissant K: Ti K = --- (21) rBF KsR3 On choisit par ailleurs ici encore rBF en fonction de la plus grande constante de temps du modèle, par exemple: rBF = r 1. Pour la programmation, on utilise le PID déjà utilisé mentionné précédemment. On a représenté sur la figure 5 un organigramme général de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention. La première étape 30 est une étape d'acquisition des données (mesures et consignes). Puis on calcule à l'étape 31 le modèle interne, et on effectue le calcul de régulation du circuit 23 (étape 32). En cas de commande possible du débit (choix 33), le circuit 24 est actionné (étape 34), puis on filtre le débit (étape 35) dont on effectue le calcul (étape 36) avant réactualisation de la mémoire en 37 et commande de la puissance en 38. En cas d'absence de régulation sur le débit, le circuit de régulation de paroi 25 est par contre activé (étape 39) et la commande de sécurité décrite ci-avant sur la température minimum de paroi actionnée en 40. A titre d'exemple on a représenté sur les figures 6 à 11 les résultats obtenus avec un dispositif selon l'invention dont la partie chauffante 12 est constituée de trois serpentins hélicoïdaux disposés hydrauliquement en série et électriquement en étoile, l'alimentation électrique étant assurée par un transformateur 380/48V. Le fluide utilisé est de l'eau adoucie, la pompe doseuse étant utilisable sur une plage de 50 à 4000 1/h. Chaque figure montre les courbes suivies par les cinq paramètres e, Os, U, D et op. Les figures 6 et 7 représentent tout d'abord la réponse de la température de sortie (os) à une variation de débit de 2000 à 3000 l/h, sans anticipation et avec anticipation de cette variation. L'amélioration est nette, la variation de os passant de 3C à + 1 C. On peut noter également que la structure du régulateur impose une montée en température jusqu'à la consigne (YCF = 40'C), sans dépassement ni oscillation. Les figures 8 et 9 représentent la réponse de la température de sortie (os) à une variation de la température d'entrée du fluide, de 22 C à 34 C, sans anticipation et avec anticipation de cette variation. L'excursion de os passe de + 5"C à + 2 C. Les figures 10 et 11 représentent quant-à-elles la réponse de la température de sortie (os) à un encrassement progressif du tube, sans action sur le débit et avec action sur le débit, sachant ici que la température de peau du tube est régulée à sa valeur limite de 62 C. Sur la figure 10, lorsque 0p atteint sa valeur limite (629C), la puissance décroit et la température de sortie (>s) ne peut plus être respectée car la régulation sur op devient prioritaire. Sur la figure 11 lorsque 0p atteint sa valeur limite, la puissance décroît pour respecter la consigne YCP (62C) et simultanément le débit décroît pour que os se maintienne à la consigne YCF. REVENDICATIONS 1. Dispositif (11) de chauffage d'un fluide par effet Joule comportant au moins un tube (1,12) à passage de courant, des moyens (13,14,15) d'alimentation électrique en puissance basse tension U du tube, des moyens (9) de mesure de la température os du fluide en sortie du tube, et des moyens (17, 17',17") de régulation électronique de la puissance basse tension en fonction de la température du fluide mesurée en sortie du tube et d'une température de consigne YCF du fluide à respecter, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens (6) de mesure de la température de du fluide à l'entrée du tube, des moyens (10) de mesure du débit D du fluide dans le tube et en ce que les moyens de régulation électronique de la puissance basse tension comportent un premier circuit (23) correcteur commandé par lesdits moyens de mesure de la température du fluide à la sortie et à l'entrée du tube et par lesdits moyens de mesure du débit du fluide dans le tube. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier circuit correcteur (23) est du type régulateur à réponse plate, une transformée de Laplace du modèle interne simulant le processus de chauffe étant donnée par la formule: 1 a 1 exp(-rOP) H(p) = ------ x --- x ------- - --------- 1 + rp p 1 + rlp + r2P o p: variable de Laplace : constante de temps du capteur de température de sortie du fluide K a =-à__ _ __ _ T0 + r1 - f2 avec K: gain statique du système en boucle ouverte, ro: temps de parcours du fluide dans le tube, r1 et T2: paramètres de temps du système calculés à partir des caractéristiques géométriques et physiques du tube et des paramètres physiques du fluide à chauffer. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte de plus une pompe (16) d'alimentation du tube à débit variable et des moyens de mesure de la température op de peau du tube, et en ce que les moyens (17') de régulation électronique de la puissance basse tension comporte un second circuit correcteur (24) de contrôle de la température de peau du tube, et de commande du débit de ladite pompe en fonction d'une valeur seuil de température YCP déterminée de peau dudit tube. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second circuit correcteur (24) est agencé pour présenter un modèle de régulation de la fonction de transfert: Ks x op H2(P) =------ --- (1 + r'p) x (1 + "zP) avec p: variable de Laplace Ks: une constante fonction de la température de peau du tube op: température de peau du tube Ti1 = k r0 avec t0: temps de parcours du fluide dans le tube et 2 r12 = k rit1 avec 2 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la période d'échantillonnage Te est donnée par la formule: Te = ro/Ke avec r0: temps de parcours du fluide dans le tube et 15 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour tenir compte des variations de débit, le dispositif (11) comporte des moyens (17) de calcul agencés pour calculer, à l'aide d'une relation linéaire, des nouvelles commandes du régulateur et le modèle interne correspondant au nouveau débit et dès l'instant d'échantillonnage suivant la variation, pour calculer la nouvelle valeur de puissance correspondant au nouveau débit. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour tenir compte des variations de température d'entrée du fluide, le dispositif (11) comporte des moyens de filtrage de la température mesurée avec une constante de temps du premier ordre de l'odre de ro, des moyens (17) de calcul agencés pour calculer, à l'aide d'une relation linéaire, les nouvelles commandes correspondant à la nouvelle température d'entrée du fluide et pour calculer la nouvelle valeur de puissance correspondant à cette nouvelle température, 10 étant le temps de parcours du fluide dans le tube. 8. Procédé de chauffage d'un fluide par effet Joule dans au moins un tube (1) à passage de courant, dans lequel on régule électroniquement la température du fluide en agissant sur la puissance basse tension à partir de mesures de la température du fluide effectuées à la sortie dudit tube et d'une valeur de consigne à respecter, caractérisé en ce que on corrige la régulation par la température du fluide effectuée à l'entrée du tube et par le débit dudit fluide, ladite correction étant basée sur un modèle interne du système de chauffe dont une transformée de Laplace est donnée par la formule: 1 a 1r exp(-rop1 H(p) ------ x --- x ----- 1 + rp p + rlp 1 + r2p J o p: variable de Laplace r: constante de temps du capteur de température de sortie du fluide K =- To + T1 - T2 avec K: gain statique du système en boucle ouverte, to: temps de parcours du fluide dans le tube, r1 et r2: paramètres de temps du système calculés à partir des caractéristiques géométriques et physiques du tube et des paramètres physiques du fluide à chauffer. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que on corrige de plus le debit d'alimentation du fluide pour tenir compte de l'encrassement du tube à partir de la mesure de la température de peau du tube, ladite correction présentant la fonction de transfert: Ks x Op H2(P) = (1 + T'1p) X (1 + '2P) avec p: variable de Laplace Ks: une constante fonction de la température de peau du tube Op: température de peau du tube re, = k r0 avec ro0: temps de parcours du fluide dans le tube et 2 f'2 = k' r',1 avec 2 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la période d'échantillonnage Te est donnée par la formule Te = rdKe, avec To: temps de parcours du fluide dans le tube et 15