Brevet FR2850757A1 — publié le 20040806

i Dispositif de contrôle et/ou de mesure des caractéristiques d'un circuit de fluide aqueux frigoporteur ou caloporteur La présente invention concerne un dispositif de contrôle et/ou de mesure des caractéristiques d'un fluide d'un 20 circuit de fluide aqueux frigoporteur ou caloporteur d'une installation de distribution de froid ou de chaleur, notamment par détermination de la température de solidification et/ou de la concentration en antigel du fluide formé d'une solution aqueuse d'antigel seul ou en 25 mélange avec de la glace, notamment en vue d'éviter tout endommagement du circuit de fluide lié au gel. Un nombre croissant de systèmes de production et de distribution de froid font appel à une boucle secondaire 30 dans laquelle circule un fluide frigoporteur, tel qu'un mélange eau/antigel. Cette architecture permet d'abaisser la charge totale en frigorigène de l'installation en la confinant et en réduisant ainsi au minimum le risque de fuites. Par ailleurs, de nombreux circuits de fluides 35 destinés cette fois-ci au transport de chaleur utilisent également comme fluide caloporteur un mélange d'eau et d'antigel. La présence d'antigel est utile pour prévenir la solidification du liquide pendant les phases d'arrêt du système lorsque celui-ci peut être soumis à des températures inférieures à 0C. Dans le cas de fluide frigoporteur ou caloporteur constitué d'un mélange eau/antigel, il est fondamental de contrôler avec précision le point de congélation de tels mélanges. 10 Ces contrôles ont pour objectif d'éviter le gel du fluide circulant dans le circuit de fluide de distribution de froid ou de chaleur, cette solidification étant susceptible d'entraîner un endommagement de l'ensemble de l'installation. Par ailleurs, le cot de l'antigel est 15 élevé si bien que dans les grosses installations, il est important de limiter au minimum les quantités introduites tout en prévenant l'apparition d'une solidification du fluide. Pour permettre un tel contrôle, les paramètres mesurés peuvent être constitués par la concentration en 20 antigel du mélange afin de maintenir cette concentration au-delà d'une valeur prédéterminée. Ces mesures peuvent être également constituées par le contrôle permanent du point de congélation du mélange correspondant à la température de solidification du mélange. 25 Des dispositifs de l'état de la technique ont d'ores et déjà tenté de mesurer notamment la concentration en antigel d'une solution aqueuse renfermant un antigel. Ainsi, le brevet allemand DE-A-4. 424.422 décrit un capteur qui mesure 30 la viscosité de la solution aqueuse renfermant un antigel. Ce capteur comporte deux chambres dont une est remplie avec un liquide de référence. Dans chacune de ces deux chambres se trouve un quartz qui génère des vibrations dans les échantillons. Ces vibrations sont captées par des 35 oscillateurs. Le signal obtenu dépend de la viscosité des fluides qui elle-même dépend de la concentration en antigel. Un tel capteur permet donc la mesure de la concentration en antigel. Toutefois, un tel capteur demeure complexe, nécessitant la présence de deux chambres, d'un 5 quartz, d'un oscillateur rendant l'ensemble onéreux et fragile. Le brevet US-A-5.284.056 décrit quant à lui un capteur qui mesure la densité d'une solution liquide au moyen d'un jeu 10 de balles à la masse volumique calibrée, ces balles étant maintenues dans un petit tube vertical. A nouveau, ces balles permettent de mesurer la densité du fluide qui ellemême dépend de la concentration en antigel. Cette mesure s'effectue visuellement par repérage des balles capables de 15 flotter à la surface du liquide. Une telle installation nécessite une maintenance permanente. En effet, du fait d'un contrôle visuel des balles flottant à la surface du liquide à l'intérieur d'une chambre de mesure, il est nécessaire de disposer de parois transparentes au niveau de 20 ladite chambre. Ces parois doivent être régulièrement nettoyées pour permettre cette détermination visuelle. Ainsi, aucun dispositif de l'état de la technique ne donne entière satisfaction et n'est capable de fonctionner de manière entièrement autonome. Un but de la présente invention est donc de proposer un dispositif de mesure et/ou contrôle du type précité dont la conception permet en un temps court, de l'ordre de la minute, voire inférieur à la minute, d'obtenir des 30 informations autorisant la détermination de la concentration en antigel et/ou de la température de solidification du fluide aqueux frigoporteur ou caloporteur du circuit de fluide de l'installation de distribution de froid ou de chaleur. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif de contrôle du type précité dont la conception permet la réalisation d'un dispositif à faible cot sans nuire à la fiabilité de l'ensemble, ce dispositif étant 5 apte à fonctionner de manière entièrement autonome, y compris avec des fluides opaques chargés en petites particules ou même pollués par d'autres composants sans nuire à la qualité du contrôle et de la mesure effectué. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de contrôle et/ou de mesure des caractéristiques d'un fluide d'un circuit de fluide aqueux frigoporteur ou caloporteur, notamment par détermination de la température de solidification et/ou de la concentration en antigel du 15 fluide formé d'une solution aqueuse d'antigel seul ou en mélange avec de la glace notamment en vue d'éviter tout endommagement dudit circuit lié au gel, dispositif caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit monté en dérivation sur le circuit principal de passage de fluide à 20 caractériser, ce circuit de dérivation alimentant une chambre de prélèvement d'échantillon de fluide du circuit principal, cette chambre étant équipée de moyens de refroidissement du fluide aptes à amener ledit échantillon à une température au moins égale à la température de 25 cristallisation de l'échantillon et de moyens autorisant en continu un relevé de température de l'échantillon pour déterminer notamment d'une part la température de début de cristallisation de l'échantillon, d'autre part la température maximale de cristallisation de l'échantillon 30 correspondant à la température la plus élevée atteinte ensuite au cours du processus de cristallisation. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en 35 référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure l représente une vue schématique d'ensemble d'un dispositif conforme à l'invention; la figure 2 représente une vue partielle en coupe de la chambre de prélèvement d'échantillon et la figure 3 représente, sous forme de courbes, l'évolution temporelle de la température d'un 10 échantillon aqueux soumis à une surfusion puis à une rupture de la surfusion. Comme mentionné ci-dessus, le dispositif, objet de l'invention, est plus particulièrement destiné au contrôle 15 et/ou à la mesure des caractéristiques d'un fluide d'un circuit 1 de fluide aqueux frigoporteur ou caloporteur d'une installation de distribution de froid ou de chaleur. Le fluide à contrôler peut être constitué d'une solution aqueuse d'antigel, seule ou en mélange avec de la glace. 20 Dans le cas d'une solution aqueuse d'antigel seule, on parle d'un fluide monophasique se présentant sous forme liquide alors que dans le cas d'un mélange solution aqueuse d'antigel/glace, on parle d'un fluide frigoporteur diphasique présentant une phase solide et une phase 25 liquide. L'objectif d'un tel dispositif de contrôle et/ou de mesure, en particulier dans le cas d'un fluide monophasique, est d'éviter un endommagement du circuit 1 principal de 30 circulation de fluide, endommagement qui peut intervenir lorsque la concentration en antigel est insuffisante. Il en résulte alors, si la température est trop faible, une solidification du fluide susceptible d'engendrer une destruction des canalisations. Le contrôle peut donc 35 s'opérer à partir de différents paramètres. Il peut notamment être constitué par la détermination de la concentration en antigel du fluide et/ou par la détermination de la température de solidification normale d'un tel fluide. Le dispositif, objet de l'invention, 5 permettra donc de déterminer indifféremment au moins un voire plusieurs de ces paramètres. A cet effet, le dispositif objet de l'invention est constitué d'un circuit 2 monté en dérivation sur le circuit 10 1 principal de passage de fluide à caractériser. Ce circuit 2 de dérivation alimente une chambre 4 de prélèvement d'échantillon de fluide du circuit 1 principal. Le dispositif fonctionne donc de façon discontinue par échantillonnage. Le temps nécessaire à un cycle de mesure 15 complet, à savoir évacuation d'un échantillon précédent remplacé par un nouvel échantillon et cycle de descente/montée de température, tel qu'il sera décrit ciaprès, est de l'ordre de la minute. Cette chambre 4 est équipée de moyens de refroidissement du fluide aptes à amener l'échantillon à une température au moins égale à la température de cristallisation Tc de l'échantillon. Elle est encore équipée de moyens autorisant en continu un relevé de température de l'échantillon pour 25 déterminer, à partir de moyens d'acquisition de traitement des données relatives à la température, d'une part la température de cristallisation Tc, d'autre part la température dite température maximale de cristallisation Tmc de l'échantillon correspondant à la température la plus 30 élevée atteinte par l'échantillon au cours du processus de cristallisation de l'échantillon. La détermination de ces deux températures permet, après traitement mathématique de ces données, connaissant la nature de l'antigel, de déterminer notamment la concentration en antigel de 35 l'échantillon et/ou la température normale de solidification de l'échantillon. De tels traitements mathématiques ne seront pas décrits plus en détail ciaprès. Ils sont en particulier décrits dans l'article "Propriétés thermodynamiques de quelques mélanges eau5 antigel sous forme de coulis de glace" établi dans le cadre du congrès français de thermique SFT 2000 Lyon 15-17 mai 2000 et écrit par Olivier LOTTIN et Christophe EPIARD du Laboratoire de Thermocinétique, UMR CNRS 6607, Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes, 44306 NANTES 10 FRANCE. Ce traitement mathématique est encore repris dans l'International Journal of Refrigeration 24 (2001) 455-467 "Dependance of the thermodynamic properties of ice slurries on the characteristics of marketed antifreezes" Olivier LOTTIN, Christophe EPIARD. L'ensemble de ces articles énonce un même principe de mesure. En effet, lorsque la température de l'échantillon liquide devient inférieure à la température de fin de fusion des cristaux de glace, le liquide est dans un état 20 surfondu. L'état surfondu signifie que l'échantillon se trouve dans l'état totalement liquide alors que les conditions de température et de pression correspondent normalement à la présence de glace. L'état de surfusion est un état transitoire que l'on rencontre systématiquement 25 lors du refroidissement rapide de faibles volumes de liquide. Si le refroidissement de l'échantillon est poursuivi, la température diminue toujours alors que l'état de surfusion devient de plus en plus instable et difficile à conserver. A une certaine température, impossible à 30 déterminer à l'avance car le phénomène est aléatoire, il se produit une rupture de la surfusion qui se traduit par une brusque remontée de la température de l'échantillon. Ce premier point caractéristique, facilement repérable dans un enregistrement, est appelé point de cristallisation. La 35 température en ce point est appelée température de cristallisation Tc. La montée en température de l'échantillon est liée à la transformation d'une partie de l'eau en glace. Cette transformation est accompagnée d'un dégagement de chaleur correspondant à la chaleur latente de 5 solidification de la quantité d'eau qui cristallise. L'augmentation de la température de l'échantillon cesse à une température appelée température maximale de cristallisation Tmc. Cette température est nécessairement inférieure ou égale à la température de fin de fusion de la 10 glace dans l'échantillon. Au-delà du point TmC le refroidissement de l'échantillon se poursuit et la température diminue de nouveau. La température Tmc est facilement détectable puisqu'elle correspond à une inversion de la pente. L'ensemble de l'évolution temporelle 15 de la température d'un échantillon du dispositif est décrit à la figure 3 qui représente l'évolution de la température de l'échantillon sous forme d'une courbe dont l'abscisse correspond au temps exprimé en secondes et l'ordonnée à la température exprimée en 0Celsius. Les points Tmç et Tc sont 20 mentionnés sur cette courbe. Le dispositif, objet de l'invention, est donc apte, par l'intermédiaire des moyens de relevé de température et des moyens de traitement de ces données, à détecter les points 25 Tc et Tmc puis, par un traitement mathématique approprié, connaissant la nature de l'antigel, à déduire notamment la concentration en antigel de l'échantillon ainsi que sa température normale de solidification, c'est-à-dire sa température de solidification en l'absence de surfusion. De 30 cette analyse mathématique, à partir des températures Tc, température de début de cristallisation, et Tmc, température maximale de cristallisation, on analyse l'amplitude de l'écart de température entre Tc et Tmc pour réaliser un bilan thermique. Les équations de ce bilan 35 permettent de déterminer la quantité de glace présente dans l'échantillon à la température Tmc ainsi que le titre en antigel de l'échantillon liquide. Le détail de ce traitement mathématique est, comme mentionné ci-dessus, fourni dans les articles précités. Les moyens 7 autorisant un relevé de température de l'échantillon, tels qu'un thermocouple 7, sont donc couplables à des moyens d'acquisition et de traitement des données (non représentés), ces moyens de traitement étant 10 aptes à calculer, de préférence en temps réel et en continu, à partir de la détermination de la température de cristallisation T, d'une part et de la température maximale de cristallisation Tmc d'autre part, la concentration en antigel de l'échantillon et/ou la température normale de 15 solidification dudit échantillon. Lorsque ces données sont en dessous d'une valeur prédéterminée ou en dehors d'une plage de valeurs prédéterminées, le dispositif peut comporter des moyens d'émission d'un signal sonore ou lumineux qui sont activés en fonction des informations 20 fournies par les moyens de traitement des données de température. Ainsi, l'opérateur peut être alerté lorsque, par exemple, la concentration en antigel devient insuffisante, pour éviter de manière certaine une solidification du fluide circulant à l'intérieur du circuit 25 principal. Pour permettre une mesure dans des conditions optimales, le dispositif comporte des moyens de refroidissement du fluide aptes à amener l'échantillon de fluide à une température au 30 moins égale à la température de cristallisation T0 de l'échantillon. Ces moyens de refroidissement de l'échantillon sont constitués d'au moins un module 5 thermoélectrique de production de froid ou réfrigérant du type à effet Peltier. Le principe du module de production 35 de froid à effet Peltier est bien connu à ceux versés dans o cet art. Ce module 5 à effet Peltier se présente généralement sous forme d'au moins une plaque présentant une face chaude et une face froide, la face froide correspondant à celle destinée à venir au contact des 5 parois de la chambre contenant l'échantillon de manière à refroidir l'échantillon, la face chaude correspondant à la face externe dudit module. Pour permettre une optimisation du fonctionnement de ces 10 modules 5 de production de froid à effet Peltier, de tels modules sont refroidis au moyen d'un circuit de refroidissement externe. A cet effet, les moyens de refroidissement de l'échantillon comprennent au moins un dispositif 6 de refroidissement alimenté en fluide par un 15 circuit 3 secondaire, luimême alimenté en fluide frigoporteur ou caloporteur à partir du circuit 1 principal. Ainsi, les dispositifs 6 de refroidissement sont constitués de blocs, de préférence métalliques, entourant la chambre 4, les modules 5 réfrigérants à effet Peltier 20 étant interposés entre dispositif 6 de refroidissement et paroi de chambre 4 de prélèvement d'échantillon. Les dispositifs 6 de refroidissement ont donc pour fonction de refroidir la face chaude du module 5 thermoélectrique de production de froid à effet Peltier. Ces dispositifs 6 de 25 refroidissement, qui se présentent généralement sous forme de blocs réalisés en un matériau métallique, par exemple du laiton, sont équipés de canalisations parcourues par un fluide issu du circuit 1 principal de fluide à caractériser et alimentés en un tel fluide au moyen d'un circuit 3 30 secondaire. Pour simplifier la construction du dispositif, de préférence, le circuit 2 de dérivation et le circuit 3 secondaire sont communs sur au moins une partie de leur 35 longueur en amont et en aval de la chambre 4 de prélèvement Il d'échantillon. Ainsi, seuls deux points de connexion du dispositif sur le circuit 1 principal sont nécessaires. Une fois le dispositif connecté sur le circuit principal, le circuit 2 de dérivation et le circuit 3 secondaire sont 5 alimentés en fluide à partir du circuit 1 principal. Le circuit 3 secondaire de refroidissement des dispositifs 6 de refroidissement est exempt de tout organe d'obturation de manière à autoriser une circulation permanente de fluide à l'intérieur du circuit 3 secondaire. A l'inverse, le 10 circuit 2 de dérivation est, sur sa portion, située en aval de la chambre 4, équipé d'un organe 8 d'obturation de préférence pilotable, tel qu'une électrovanne, en vue de permettre le maintien d'un échantillon dans la chambre 4 pendant le temps nécessaire au relevé de températures. Cet 15 organe 8 d'obturation de préférence pilotable est positionné sur la portion du circuit 3 de dérivation distincte de celle du circuit 3 secondaire. Ainsi, l'échantillon peut, à tout moment, parvenir dans ladite chambre 4, la partie en amont de ladite chambre n'étant pas 20 obturable. A l'inverse, cet échantillon est maintenu dans ladite chambre par l'organe 8 d'obturation situé en aval de la chambre. La chambre 4 de prélèvement d'échantillon est quant à elle 25 constituée, à partir d'un bloc 9, de préférence en métal, muni de deux perçages 9A, 9B, de préférence taraudés, débouchant dans une cavité formant ladite chambre 4. Cette cavité représente un volume faible de préférence inférieur à 1 cm3. Les perçages 9A, 9B servent à la réception, de préférence par vissage, de deux embouts lOA, lOB constituant l'un le conduit d'entrée en alimentation de fluide de la chambre 4, l'autre le conduit de sortie de fluide de la chambre 4. 35 L'un des embouts, de préférence l'embout amont lOA, est équipé de moyens de relevé de températures constitués par exemple d'un thermocouple 7. L'embout aval l0B est quant à lui raccordable au circuit principal par l'intermédiaire d'un connecteur multivoies assurant la jonction entre 5 circuit 2 de dérivation et circuit 3 secondaire. L'électrovanne 8 peut être positionnée dans cet embout. Comme l'illustre la description ci-dessus, un tel dispositif se caractérise par son faible cot du fait de 10 l'incorporation dans un tel dispositif d'éléments standards. Ce dispositif peut fonctionner de manière totalement autonome. Il est uniquement nécessaire, après installation sur le circuit concerné, de renseigner le type d'antigel présent dans le circuit. Ce dispositif peut 15 contrôler en temps réel et en continu la quantité d'antigel présent dans le circuit et ses variations dans le temps. Lorsque la valeur de cette concentration en antigel atteint une valeur critique, un signal sonore ou lumineux peut être émis alertant l'opérateur. Un tel dispositif permet d'effectuer des mesures en un temps court. En effet, la mesure s'effectue comme suit. L'échantillon est amené à l'intérieur de ladite chambre et est maintenu à l'intérieur de cette dernière par fermeture 25 de l'électrovanne 8. Les moyens 5, 6 de refroidissement sont activés pour amener l'échantillon à une température au moins égale à la température de cristallisation de l'échantillon. On assiste alors à une remontée rapide de température. Une fois que la température de l'échantillon a 30 atteint la température maximale de cristallisation et qu'un refroidissement de l'échantillon est de nouveau observé, il peut être considéré que la mesure est terminée. A ce moment, le fonctionnement des modules 5 de production de froid peut être arrêté tandis que parallèlement, les 35 dispositifs 6 de refroidissement jouxtant les modules 5 de production de froid à effet Peltier continuent à assurer un refroidissement des modules 5 de production de froid à effet Peltier. La température de l'échantillon remonte en une trentaine de secondes en raison du volume de 5 l'échantillon pour atteindre une température supérieure à la température de fusion de l'échantillon. L'électrovanne 8 est alors ouverte et l'échantillon est réintroduit dans le circuit 1 principal de fluide. Un nouveau prélèvement d'échantillon peut alors s'opérer. Ce prélèvement se 10 traduit simplement par une nouvelle fermeture de l'électrovanne 8 qui assure ainsi le maintien d'un échantillon dans la chambre. Une nouvelle mesure peut à nouveau s'effectuer. Généralement, une mesure complète nécessite environ une minute. Il peut être prévu, pour parfaire le dispositif, sur le circuit 2 de dérivation, en amont de la chambre 4, un dispositif de filtrage. Il peut également être prévu sur ce circuit de dérivation une pompe pour garantir une 20 alimentation en fluide de la chambre d'échantillonnage. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle et/ou de mesure des caractéristiques d'un fluide d'un circuit (1) de fluide 5 aqueux frigoporteur ou caloporteur, notamment par détermination de la température de solidification et/ou de la concentration en antigel du fluide formé d'une solution aqueuse d'antigel seul ou en mélange avec de la glace, notamment en vue d'éviter tout endommagement dudit circuit 10 lié au gel, dispositif caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit (2) monté en dérivation sur le circuit (1) principal de passage de fluide à caractériser, ce circuit (2) de dérivation alimentant une chambre (4) de prélèvement 15 d'échantillon de fluide du circuit (1) principal, cette chambre (4) étant équipée de moyens (5, 6) de refroidissement du fluide aptes à amener ledit échantillon à une température au moins égale à la température de cristallisation (Tc) de l'échantillon et de moyens (7) 20 autorisant en continu un relevé de température de l'échantillon pour déterminer notamment d'une part la température de début de cristallisation (Tc), d'autre part la température maximale de cristallisation (Tmc) de l'échantillon correspondant à la température la plus élevée 25 atteinte ensuite au cours du processus de cristallisation de l'échantillon. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (7) autorisant un relevé 30 de température de l'échantillon sont couplables à des moyens d'acquisition et de traitement des données aptes à calculer, de préférence en temps réel et en continu, à partir de la détermination de la température de cristallisation (Tc) d'une part et de la température 35 maximale de cristallisation (Tmc) d'autre part, la concentration en antigel de l'échantillon et/ou la température normale de solidification dudit échantillon. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement de l'échantillon sont constitués d'au moins un module (5) de production de froid du type à effet Peltier. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement de l'échantillon comprennent au moins un dispositif (6) de refroidissement refroidi par un circuit (3) secondaire alimenté en fluide frigoporteur ou caloporteur à partir du circuit (1) principal. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit (2) de dérivation et le circuit (3) secondaire sont communs sur au moins une partie de leur longueur en amont et en aval de la chambre (4) de 20 prélèvement d'échantillon. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le circuit (3) secondaire de refroidissement des dispositifs (6) de refroidissement est 25 exempt de tout organe d'obturation de manière à autoriser une circulation permanente de fluide à l'intérieur dudit circuit (3) secondaire. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit (2) de dérivation est, sur sa portion, située en aval de la chambre (4), équipé d'un organe (8) d'obturation de préférence pilotable, tel qu'une électrovanne, en vue de permettre le maintien d'un échantillon dans la chambre (4) pendant le temps nécessaire 35 au relevé de températures. 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les dispositifs (6) de refroidissement sont constitués de blocs, de préférence 5 métalliques, entourant la chambre (4), des modules (5) de production de froid à effet Peltier étant interposés entre dispositif (6) de refroidissement et paroi de chambre (4) de prélèvement d'échantillon. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la chambre (4) de prélèvement d'échantillon est constituée, à partir d'un bloc (9), de préférence en métal, muni de deux perçages (9A, 9B), de préférence taraudés, débouchant dans une cavité formant 15 ladite chambre (4), les perçages (9A, 9B) servant à la réception, de préférence par vissage, de deux embouts (1OA, lOB) constituant l'un le conduit d'entrée en alimentation du fluide de la chambre (4), l'autre le conduit de sortie de fluide de la chambre (4). 10. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'émission d'un signal sonore ou lumineux activés en fonction des informations fournies par les moyens de traitement des 25 données de température.