Brevet FR2805622A1 — publié le 20010831

La présente invention concerne un dispositif pour régler les débits dans les réseaux constitués de tubes , tuyauteries , gaines , ou enveloppes , associés en série ou parallèle , dans lesquels circule un fluide. réglage des débits est traditionnellement appelé équilibrage d'une installation . Le mot équilibre désignant un état stable obtenu après temps de mise en régime, le terme d' équilibrage ne convient pour nommer la méthode traditionnelle, puisque que quelque soient les actions des organes de réglage et sur l'organe moteur de l'écoulement, un régime permanent s'établit naturellement ; ce terme d' équilibrage se réfère à la méthode traditionnelle lorsque l' on égalise tous les calculs mais cette égalisation des calculs ne reflétant pas la réalité physique l'installation où il y a toujours équilibre , il faut abandonner ce terme d'équilibrage. Il faut parler de réglage des débits , puisque régler désigne l'action tendant à faire approcher une caractéristique d'une valeur précise . Ce réglage des débits vise à dimensionner ou à agir sur des organes de réglage , afin que dans chaque tronçon circule le débit de fluide imposé par le cahier des charges . Par exemple pour une installation bouclée de chauffage à eau, on ferme plus ou moins une vanne, ou té de réglage , et le débit est calculé pour assurer dans des émetteurs de chaleur une certaine puissance thermique ; si l'on ne règle pas les débits de cette installation , les radiateurs placés près de la pompe auront un débit trop fort, donc délivreront trop de chaleur aux pièces où ils sont placés , entraînant une surconsommation énergétique et une température intérieure trop élevée , les émetteurs éloignés de la pompe une température trop faible. Pour une installation de ventilation l'organe de réglage est un diaphragme placé dans la gaine, dont les dimensions ont été calculées afin que le débit à la bouche de soufflage soit celui imposé par le cahier des charges , sinon les pièces dont les bouches de soufflage sont proches du ventilateur délivreront trop de débit , source de courant d'air de trop faibles températures intérieures en été (ou trop fortes en hiver) , et les pièces dont les bouches de soufflage sont éloignées du ventilateur n'auront pas un renouvellement d'air suffisant pour éliminer les odeurs l'humidité , leurs températures intérieures seront trop fortes en été ( et trop faibles en hiver ) , et leur volume d'air sera stratifié en température. Traditionnellement ce réglage des débits est obtenu en calculant les pertes de pression par frottement ( appelées pertes de charge et notées PdC ) tous les tronçons , qui se décomposent en pertes de charge des longueurs de tuyauteries , en pertes de charge des accidents ( coudes , rétrécissement ... ) , et en pertes de charge des appareils ( radiateurs , vannes isolement ...) , puis les pertes de charge totales de tous les trajets possibles entre le point de départ du fluide et le point d'arrivée, cette perte de charge totale étant la somme de toutes les pertes de charge de tous les tronçons en série parcourus successivement par le fluide durant son trajet . Pour réseau bouclé de chauffage les trajets possibles seront toutes les boucles où le fluide caloporteur passe dans l'organe moteur de l'écoulement et l'un des émetteurs de chaleur, pour un réseau non bouclé le point de départ est le point d'aspiration de l'organe moteur, et le point d'arrivée est le point de refoulement commun en pression à tous les tronçons terminaux . Le trajet à la plus forte perte de charge totale est appelé trajet le plus défavorisé ; c'est souvent le trajet le plus long, car les accidents créent moins de pertes de charge que les longueurs de canalisations . On calcule pour chaque trajet la différence entre la perte de charge totale du trajet le plus défavorisé et la perte de charge totale du trajet étudié . Cette différence est la perte de charge de l'organe réglage à placer sur le tronçon au plus faible débit du trajet étudié . Le fabricant de cet organe de réglage indique, sous forme d'abaque, de tableaux ou de relations numériques , pour le débit désiré , la perte de charge calculee et les dimensions des canalisations, soit les dimensions internes de cet élément ( cas du diaphragme d'une installation aéraulique ) soit le réglage interne de cet organe ( nombre de tours de fermeture d'une vanne une installation hydraulique) . Mais cette méthode a comme défaut de requérir beaucoup de calculs , et d'obtenir des résultats imparfaits , car les calculs se basent sur données réelles ( métré des tuyauteries existantes ) , aléatoires ( rugosité des tuyauteries ) , fictives ( métré des tuyauteries futures sur plan ) ou moyennes ( température, masse volumique, viscosité , et meure pression pour les fluides compressibles) , données toutes imprécises qui s'eloignent des valeurs réelles de la longueur de la tuyauterie , de la rugosité variable et aléatoire de la tuyauterie , de la température décroissante ( pour un fluide caloporteur, croissante pour un fluide réfrigerant ) , de la masse volumique et de la viscosité dépendant la température variable, et de la pression variable le long des tuyauteries . Cet écart entre la réalité des données nécessaires calculs et leurs valeurs utilisées dans les calculs , entraîne des écarts entre débits réels mesurés après réglages et les débits désirés selon le cahier des charges . Pour tenter de minimiser ou remédier à ces écarts de résultats , on vient traditionnellement redimensionner ou agir de nouveau sur l'organe de réglage du tronçon où l'écart entre le débit mesuré et le débit desiré est trop conséquent . Sur les installations hydrauliques , on vient agir sur l'organe de réglage du tronçon incriminé jusqu'à ce que le débit lu sur un débitmètre affiche la valeur désirée . Sur les installations aérauliques on agit sur des volets ou un autre organe obturateur jusqu'à ce que le débit trop élevé diminue jùsqu'à la valeur désirée . Mais cet affinage traditionnel , s'il corrige le débit dans le tronçon incriminé , va changer dans les mêmes proportions et dans l'autre sens le débit du tronçon placé en parallèle avec le tronçon incrimine , et aussi dans une moindre proportion les débits de tous les autres tronçons , puisque , l'organe moteur ayant eté réglé pour assurer le débit total égal à la somme de tous les débits désirés avec des conditions de perte de charge totale englobant tous les tronçons , l'action n'importe quel organe de n'importe quel tronçon a une influence certes limitée mais réelle , sur l'organe moteur qui assure la circulation du tluide dans tous les tronçons ; ainsi agir dans le sens de la fermeture l'organe de réglage d'un tronçon où débit mesuré est exagérément supérieur au débit désiré , va effectivement faire diminuer ce débit réel jusqu'à la valeur désirée , mais aussi augmenter le débit du tronçon placé en parallèle avec le tronçon incrimine, et diminuer d'une proportion faible mais réelle les débits dans tous les autres tronçons . Le dispositif selon l'invention permet d'éliminer ces défauts l'imprécision provenant de la différence entre la réalité et les calculs est éliminée en remplaçant tous les calculs estimatifs des pertes de charge par la mesure directe des débits , et l'interaction du réglage d'un tronçon sur tous les autres est annulée en respectant à la fois la propriété de l'équirépartition en % des débits , et à la fois la méthode des réglages successifs de cette répartition en % des noeuds allers en remontant vers l'organe moteur de la circulation avant le réglage final de cet organe . II s'agit concrètement de régler , après la mise en marche de l'organe moteur de l'écoulement à une quelconque valeur de débit, pas les débits dans les tronçons , mais la répartition en de ces débits dans toute l'installation , de régler la division du débit à chaque noeud en respectant le principe intraitable de n'étudier un noeud aller que si seulement si tous les noeuds qu'il dessert ont déjà été étudiés , puis de régler l'organe moteur au débit total désiré . L'étude de la répartition en % des débits à un noeud est possible en mesurant les débits dans deux tronçons desservis par le noeud aller, soit avec deux débitmètres travaillant en même temps , soit avec un débitmètre placé successivement sur les deux tronçons étudiés . La propriété de l'équirépartion en % des débits signifie que le débit total apporté par l'organe moteur de l'écoulement n'a strictement aucune influence sur tous les rapports calculés en divisant un débit de n'importe quel tronçon par le débit de n'importe quel autre tronçon. Cette propriété permet de rendre indépendant le réglage des tronçons du réglage de l'organe moteur de l'écoulement. Prenons l'exemple (figure 3 ) de deux tronçons A-R -A' et A-R2 A' raccordés tous les deux en A ( noeud aller ) et en A' ( n#ud retour ) . Les débits des deux tronçons I et 2 sont respectivement Q@et Q2, lorsque arrive en A le débit Q = Q+ Q, et Q,' et QZ lorsque arrive en A le débit Q' = Q.; + Q' . Les deux tronçons étant branchés en parallèle sur les mêmes noeuds de départ A et d'arrivée A' , ils ont la même pression de départ p, et même pression d'arrivée p A., donc la même différence de pression entre le départ et l'arrivée A p,, =Gp#2 = p@ - p#4, . Cette différence de pression provient de l'énergie perdue par frottement ( notée PdC ) , et de la variation de l'énergie potentielle ( notée dp[z] ) p = + 4 p[z] ; cette variation d'énergie potentielle ne dépend que de la différence d'altitude des deux points A et A' , donc pour les deux tronçons nous obtenons: dp[z]? =dp[z]2; ainsi on peut en déduire que deux tronçons ont les mêmes pertes de charge : PdC4 = PdC2. Ces pertes de charge sont la somme, pour chaque tronçon, des pertes de pression entre A et A' obtenue par le frottement dans les longueurs de canalisations ( pertes de charge linéaires étant le coefficient géométrique adimensionnel , masse volumique , v la vitesse, D la dimension et L la longueur de la canalisation ) , et dans les accidents ponctuels ( coudes ... ) ( pertes de charge singulières ; T étant la somme des coefficients géomètriques adimensionnels ) . On a relation reliant la vitesse v et le débit volumique Q,, ( S étant la section du conduit) . Les débits volumique et massique % sont reliés par Que= Qr . En combinant les relations , on peut mettre les pertes de charge sous la forme PdC = a . Q 2 a étant un terme tenant compte de toutes les caractéristiques énoncées précédemment. Ainsi la relation : PdC, = PdC2 devient: a Q,z= a2 @z, ce qui permet d'affirmer est constante indépendante de Q, et Q., donc Etendons cette propriété de l'équirépartition en % de deux tronçons en parallele à l'ensemble de l'installation: ces deux tronçons sont équivalents à un tronçon parcouru par le débit Q = Q., + Q2 , qui a comme perte de charge PdC = PdC = PdC2 . Nous savons que toute 2 perte charge peut se mettre sous la forme: PdC = a -Q, donc la 2 relation PdC = PdC2 est équivalente à la relation a Q = Q? donc ( Qi + ( )2 ) ?= a (@2 ; comme Z = QÂ , on a a ( â z Q2 + Q1)2= a QZ , et en simplifiant par Q-1 on obtient a2 a= 1)z Ces deux tronçons sont reliés en série avec d'autres tronçons BA et A'B' , parcourus par le même débit Q ( exemple de la figure 3 ) ; la perte de charge entre B et B' est la somme des pertes de charge PdCBB,- PdC5A + PdCgA, + PdC#,e,= a., Q2 + a Q2 + R,QZ ( âR+a +a9@) QZ Donc tronçon (BA+AR %A'+A'B') peut se mettre sous la forme 2 PdC = ' Q , avec a' = , + a + a@8 , . Un tronçon (B-Rj- B') est raccordé en B et B' en parallèle avec (BA+AR %A'+A'B') . II suffit d'appliquer la démonstration (AR A'/ AR A') à (BR3B' / BA+AR R A'+A'B') pour étendre la propriété d'équirépartition en % successivement à toute l'installation. Il faut donc maintenant utiliser cette propriété d'équirépartition en des débits , mais sans que le réglage de tous les noeuds de l'installation n'interfèrent entre eux : cette méthode de réglage est celle du réglage successif de tous les noeuds allers en remontant vers l'organe moteur de 20 l'écoulement . Supposons que j'ai réglé les débits Q' et Q2 en jouant sur l'organe de réglage VA, pour obtenir la bonne répartition en % des débits Q2 = @' @".e ( qe je me réfère encore à la figure 3 ) . Agissons c@2ord maintenant sur l'organe de réglage Va,e1 pour obtenir la bonne répartition en % des débits #3 = #3 # t é . L'action sur la @@deéi@é -4-q2 deâ q-é 25 vanne VBg- a fait varier le débit Q3, mais aussi le débit Q qui est devenu Q' , donc les débits Qr et Q2, qui provenaient de Q = Ql+ Qz et de la répartition Z = â' en fonction de la perte de charge PdC = a Q#2 = a. Q , ont aussi varié et sont devenus Q' et QZ tels que Q' + Q2 - Q' sous conditions de pertes de charge PdC' = a' #'2 = a 2 ' Q' 2 ; 2 on peut déduire la nouvelle répartition 2 = â ?? ; le seul organe sur lequel on a agit étant la vanne Ve, placée sur le tronçon 3 , les coefficients a' et a2 sont restés respectivement égaux à a et a ; ainsi , 1 -1 01 (P les rapports a2 et az étant égaux' , on obtient la relation t a@ qui signifie que le 'réglage du n#ud B pour obtenir une certaine répartition à ce noeud , et desservant le n#ud A , n'a pas fait varier la répartition à ce n#ud A. La seule et unique façon de procéder, pour que le réglage de la répartition d'un n#ud aller ne dérègle pas la répartition d'un seul autre n#ud , est de ne régler un n#ud aller que si et seulement si tous les noeuds allers qu'il dessert ont déjà été réglés . Deux tronçons en parallèle étant reliès à deux noeuds symétriques aller et retour, cette méthode est équivalente à : on ne peut régler un n#ud retour que si et seulement si tous les noeuds retours qui le desservent ont déjà été réglés ( méthode remontante de réglage des noeuds allers descendante des noeuds retours ) . principe de l'équirépartition en % , combiné avec les réglages successifs des noeuds allers en remontant vers l'organe moteur de l'écoulement, permet de régler la répartition en % des débits dans toute l'installation , donc n'assure pas les débits mais leur rapport entre II reste alors à régler le débit de l' organe moteur à la valeur égale à la somme de tous les débits désirés dans les tronçons terminaux , pour , la répartition en % étant conservée , obtenir dans chaque tronçon le dèbit désiré . L'appareil permettant de régler les débits des installations selon cette nouvelle méthode doit donc comporter deux instruments de mesure de débits , relié à un module permettant fonctions suivantes saisir les valeurs des deux débits des deux tronçons dont l'opérateur règle le noeud commun et en faire le rapport, saisir les valeurs des deux débits désirés dans les mêmes tronçons par l'opérateur et en faire le rapport dans le même ordre , calculer et afficher la division du premier rapport par le second, afin que l'opérateur sache quelle action tend à rapprocher la répartition des deux débits au noeud la répartition désirée. Pour diminuer le coût de cet appareil, seul instrument portable de mesure du débit peut être utilisé successivement pour les deux tronçons , au lieu de deux utilisés en même temps , et l'on peut même utiliser les débitmètres déjà installés à demeure sur les tronçons de l'installation . Pour donner une idée de l'erreur instantanée du réglage de la répartition , le module peut soustraire l'unité à la division des deux rapports ; ainsi l'opérateur tendra, par action sur l'organe de réglage , non pas à faire tendre l'affichage vers l'unité mais vers le zéro, et les chiffres des centièmes de la valeur affichée fournissent une estimation du pourcentage d'erreur du réglage . On remarquera que ces deux fonctions au résultat affiché par le module sont déduites l'une de l'autre : toutes les fonctions f{Q^;QP;Q,-;Q2} donnant une valeur remarquable facilement par l'opérateur lorsque n'a pp li q uent q ue la même méthode de ré p artition en %. @2 = CP2 d# @ré De même, comparer la répartition en % des débits de n'importe quel couple de canalisations faisant partie des trois canalisations partant ou arrivant à un noeud aller ou retour, constitue la même méthode si Q1, Q2-et Q sont les débits respectifs des tronçons Tj, T2et T tous reliés au noeud N , et si les deux débits Q, et Q2-vont vers le noeud N dans le sens opposé au débit Q , alors l'on a Q,+QQ et ( ' page 6 ligne 22 ) 1 ?g î _ CES. @2 a4@ CEe ainsi 14- La figure 1 représente une installation bouclée de chauffage réglée selon la méthode traditionnelle , une chaudière Ch délivrant la chaleur à un fluide caloporteur, une pompe P assurant la circulation du fluide vers les émetteurs de chaleur R à R6. placés sur deux colonnes . débits désirés étant voisins en valeurs , les vitesses admissibles aussi , les puissances thermiques des émetteurs de chaleur aussi , les différences de pertes de charge entre les trajets possibles proviennent différences de longueur des canalisations ; ainsi il est raisonnable supposer que le trajet le plus défavorisé sera le trajet (Pompe-R,,- Pompe), f l'émetteur R4 étant le plus éloigné de la pompe. Chaque tronçon terminal reçoit un organe de réglage V ( sauf le tronçon de émetteur R4 appartenant au trajet le plus défavorisé) , dont la perte de charge est égale à la différence entre la perte charge du trajet P-R4 P et la perte de charge du trajet dont elle fait partie . La figure 2 représente l'appareil permettant de régler installations selon l'invention : les deux débitmètres D et Dz appliqués respectivement aux tronçons T, et T,, partant du noeud N sont reliés au module M par l'intermédiaire de liaisons L et 4; ce module M calcule le rapport des deux débits mesurés , le rapport des deux débits désirés par l'opérateur, et la division d'un rapport par l'autre ; il comporte un clavier permettant la saisie et la validation des deux valeurs de débit désirés , un affichage permettant la vérification de la saisie des deux valeurs précédentes et l'information pour l'opérateur de la valeur du calcul de la division des deux rapports , un commutateur permettant de passer de la fonction de réglage de la répartition à un noeud à la fonction de réglage final du débit de l'organe moteur du débit, un bouton réinitialisateur permettant de passer du réglage de la répartition à noeud à son suivant. L'opérateur, après s'être assuré qu'il y a bien un écoulement dans les deux tronçons ( sinon il doit vérifier la mise en marche l'organe moteur et l'ouverture même partielle de tous les organes placés entre point d'aspiration du fluide , l'organe moteur, deux tronçons , et le point de refoulement du fluide ) , place les deux débitmètres sur les deux tronçons dont il veut régler la répartition en des débits au noeud commun, met le commutateur du module réglage d'un noeud ou nouveau noeud s'il est en train de passer du réglage noeud à celui de son suivant , choisit une unité débit, rentre au clavier et valide les valeurs des deux débits désirés , et agit sur l'organe réglage afin que la valeur affichée par le module se rapproche la valeur signifiant la juste répartition en % des débits ; lorsqu'il a atteint la valeur juste de répartition , il peut passer au noeud suivant en repétant la même procédure. L'exemple d'ordre de reglage des naeuds indiqué ci-après en utilisant la figure 3 . La figure 3 représente la même installation que celle de la figure 1, mais réglée selon l'invention . On remarque qu'il y a autant d'organe de réglage avec la méthode traditionnelle, mais qu'un est placé différemment : c'est celui réglant la répartition du noeud aller C vers les deux colonnes ; le concepteur de l'installation devra prévoir la position des organes de réglage en fonction de la méthode de réglage des débits qui sera employée . Le technicien chargé du réglage des débits devra connaître pour chaque noeud aller les deux débits qui en partent imposés par le cahier des charges , établir un ordre de réglage ces noeuds en respectant la méthode ne régler un noeud aller que si tous ceux qu'il dessert ont déjà été réglés : pour l'exemple de la figure 3 les ordres possibles sont ABDEC et DEABC . Puis le technicien repèrera sur plan ou sur site la position spatiale des noeuds , afin de pouvoir y avoir accès et y brancher les débitmètres aux deux tronçons dérivés . La simplicité du matériel nécessaire rendront l'invention facilement industrialisable par entreprise produisant des instruments de mesure , et les qualités de précision et de facilité d'utilisation la feront adopter par tous les maîtres d'oeuvre responsables du réglage des débits d'une grosse installation . Revendications l') Dispositif régler les débits dans les installations constituées de canalisations reliées en parallèle ou en série , caractérisé en ce qu'il comporte deux débitmètres portables ( D 1 et D2 ) placés sur les tronçons ( T 1 et T2 ) partant d'un n#ud aller commun (N), reliés par des liaisons ( L1 et ) à un module ('M) - module assure les fonctions suivantes : réiriitiàlisation àfin de passer du réglage d'un noeud au réglage dû noeud-suivant', saisie des valeurs dés deux débits-mesurés , saisie des valeurs des deux débits désirés -par -l'opérateur , calcul du rapport des deux débits mesurés-, calcul du rapport des deux débits -désirés-dans. même- ordre- correspondant aux mêmes-tronçons que-le rapport précédent., division. du. premier. rapport. par, le second., et information. de. l'opérateur du résultat de cette division. 2 ) Procédé mettant en #uvre le dispositif selon la revendication 1 pour régler les débits dans installations constituées de canalisations reliées en parallèle ou en série , caractérisé . en ce qu'elle consiste à étudier la répartition % du débit aux n#uds allers en suivant l'ordre respectant le principe suivant : on ne peut étudier la répartition en % du débit d'un n#ud aller que si tous noeuds allers qu'il dessert- ont déjà été étudiés ; après s'être assuré qu'il y a bien un écoulement dans tous les tronçons , et avoir établit l'ordre d'étude de -tous -les n#uds allers , l'opérateur mesure-les deux débits des deux tronçons- partant du premier noeud aller- étudié ,-et agit-sur l'-organe-de réglage jusqu'à- ce que le rapport. des . deux- débits .mesurés soit. égal. au. rapport. des . deux débits dés ïrés ; l'opérateur passe au noeud suivant en respectant la même procédure , puis , après le dernier noeud réglé , règle le débit de l'organe moteur de l'écoulement à la valeur égale à la somme de tous les débits désirés . 3 ) Dispositif selon la revendication 1 selon laquelle des couples de débitmètres, faisant partie intégrante de l'installation en étant à demeure fixés aux tronçons partant des noeuds , remplacent les deux débitmètres portables. 4 ) Dispositif selon la revendication 1 , selon laquelle un seul débitmètre portable et utilisé successivement sur les deux tronçons , remplace les débitmètres utilisés en même temps chacun sur un tronçon. 5 ) Dispositif selon la revendication 1 selon laquelle les deux débitmètres 1 et D2 ne sont pas placés sur les deux canalisations partant du n#ud aller, mais sur n'importe quel couple canalisations faisant partie des trois canalisations partant ou arrivant à n#ud aller. 6 ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que est ajouté au module M un commutateur permettant de passer de la fonction globale de réglage la répartition en % des débits à un n#ud , à la fonction globale de réglage final du débit de l'organe moteur de l'écoulement. 7 ) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'étude noeuds allers et le principe de n'étudier un n#ud aller que si tous les noeuds allers qu'il dessert ont déjà été étudiés , sont remplacés par l'étude des noeuds retours et le principe de n'étudier un n#ud retour que si tous les naeuds retours qui desservent ont déjà été étudiés .