Brevet FR3012213A1 — publié le 20150424

PROCEDE D'OPTIMISATION D'UN ECHANGEUR DE CHALEUR La présente invention concerne un procédé d'optimisation d'un débit d'eau dans un échangeur de chaleur air/eau. Un véhicule automobile comprend de manière habituelle, un échangeur de chaleur couramment appelé radiateur (« heater core » en anglais) qui est traversé par un flux d'air froid venant de l'extérieur, de l'habitacle ou des deux. Le radiateur comprend un circuit d'eau chaude. De cette façon, le flux d'eau chaude cède de la chaleur au flux d'air froid, ce qui permet de le réchauffer pour qu'il puisse alimenter l'habitacle en air chaud. De manière connue, l'habitacle comprend un circuit de climatisation comprenant au moins un condenseur couplé au radiateur de chauffage de manière à chauffer l'eau du radiateur. Toutefois, en fonctionnement, l'échangeur de chaleur est toujours traversé par un débit d'eau maximum de sorte que dans certaines conditions de fonctionnement, l'eau sortant de l'échangeur de chaleur est à une température supérieure à celle nécessaire, ce qui conduit à une surconsommation d'énergie. L'invention apporte une solution simple, économique et efficace à ces problèmes. A cet effet, l'invention propose un procédé d'optimisation du débit d'eau dans un échangeur de chaleur air/eau pour un débit d'air donné traversant l'échangeur de chaleur, consistant à : a) estimer le débit d'air traversant l'échangeur de chaleur, b) déterminer les valeurs K1 et K2 qui sont fonction du débit d'air et qui permettent d'établir l'efficacité i de l'échangeur de chaleur en fonction du débit d'eau M traversant l'échangeur de chaleur selon la formule : 71 = Kl(Q air) X M K2(Q air) c) déterminer également le débit seuil d'eau M -seuil au travers de l'échangeur de chaleur à partir duquel l'efficacité de l'échangeur de chaleur reste constante, d) calculer un débit d'eau théorique Mthéorique au travers de l'échangeur de chaleur selon la formule suivante : -B - VB2 - 4AC Mthéorique = 2A où A =Qcir Ki2 - Ki 3,6 - 2K1K2Qair e) comparer la valeur Mthéorique obtenue à l'étape précédente à la valeur Mseuil, puis si Mthéorique est inférieure M à -seuil limiter le débit d'eau entrant dans l'échangeur de chaleur à la valeur M -théorique et si Mthéorique est supérieure M à -seuil limiter le débit d'eau entrant dans l'échangeur de chaleur à la valeur M -seuil. Ainsi, selon l'invention, le débit d'eau chaude traversant l'échangeur de chaleur air/eau est ajusté en fonction du débit d'air entrant dans l'échangeur de chaleur. Il est ainsi possible de réduire la consommation 15 d'énergie puisque l'eau n'est chauffée qu'au débit nécessaire pour chauffer le débit d'air entrant circulant au travers de l'échangeur. De plus, le procédé tient compte de l'efficacité seuil de transfert de chaleur de l'échangeur de chaleur en limitant la valeur de débit d'eau à la valeur seuil. Avantageusement, le débit d'air est estimé au moyen de capteurs 20 adaptés agencés au niveau de l'échangeur de chaleur. Les capteurs sont par exemple des capteurs de tension du pulseur, de vitesse du véhicule etc. B= 3,6 C - Qair x K22 3,6 Préférentiellement, l'échangeur de chaleur est un radiateur de chauffage dans un véhicule automobile et l'eau du radiateur est chauffée au moyen d'un condenseur d'un circuit de climatisation. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un échangeur de chaleur air/eau couplé à un condenseur d'un circuit de climatisation ; la figure 2 est un graphe représentant l'évolution de l'efficacité d'un échangeur de chaleur air/eau en fonction du débit d'eau ; la figure 3 est un organigramme montrant les différentes étapes du procédé selon l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un circuit d'eau 10 dans lequel est agencé un échangeur de chaleur 12, tel qu'un radiateur dans un véhicule automobile, destiné à être traversé par un flux d'air extérieur 16 destiné à se réchauffer au contact du circuit d'eau pour alimenter l'habitacle en air chaud. L'échangeur de chaleur 12 est couplé à un condenseur 18 d'une manière connue de l'homme du métier afin de chauffer l'eau alimentant l'échangeur de chaleur 12. Le condenseur 18 fait partie d'une boucle à pompe à chaleur comprenant également un évaporateur et un compresseur (non représentés) d'une manière bien connue de l'homme du métier. L'invention propose d'optimiser le débit d'eau traversant l'échangeur de chaleur 12 pour réchauffer le débit d'air donné circulant dans l'échangeur de chaleur 12. A cette fin, déterminer le débit d'eau optimal revient à minimiser la température de l'eau sortant de l'échangeur de chaleur 12 en conditions statiques. En effet, pour une puissance chaude donnée, si la température de l'eau à la sortie de l'échangeur de chaleur est basse, la pression de travail sur le condenseur est basse et donc la puissance de travail du compresseur est également basse. 3012 2 13 4 Pour cela on suppose que l'efficacité i de l'échangeur de chaleur 12 est définie selon la formule suivante : 71 = Kl(Qair)M K2(Qair) (1) où - Qair représente le débit d'air (Kg.h-1) entrant dans l'échangeur de 5 chaleur, - M représente le débit d'eau (L.h-1) à travers l'échangeur de chaleur, et - K1 et K2 sont des constantes sans unité qui dépendent du débit d'air circulant dans l'échangeur de chaleur. 10 Ainsi, sur la figure 2, plusieurs courbes 20, 22, 24 sont visibles et correspondent chacune à l'efficacité de l'échangeur de chaleur en fonction du débit pour un débit d'air donné au travers de l'échangeur de chaleur. Lorsque le débit d'eau est supérieur à une valeur Mseuil, l'efficacité de l'échangeur de chaleur 12 atteint un seuil Q m' 15 La température de l'eau Tsortie à la sortie de l'échangeur de chaleur air/eau 12 est donnée par : Pair Tsortie Tentree 11Q air CP air /3,6 où - Tsortie sortie représente la température (K) de l'eau sortant de l'échangeur de chaleur, (2) Peau M 20 - T - entrée représente la température (K) de l'eau entrant dans l'échangeur de chaleur, - Pat, est la puissance (W) de l'air circulant dans l'échangeur de chaleur, - Peau est la puissance (W) de l'eau circulant dans l'échangeur de 25 chaleur, - CPair est la capacité thermique massique de l'air (J. Kg-1.K-1), - Qair représente le débit d'air (Kg.h-1) entrant dans l'échangeur de chaleur, - M est une variable représentant le débit d'eau (L.11-1) à travers l'échangeur de chaleur, et - i représente l'efficacité donnée par l'équation (1). Ainsi, minimiser la température Tsortie revient à déterminer le minimum de l'équation 2 en déterminant les points de passage à zéro de la fonction dérivée. De plus, en faisant l'hypothèse habituelle que Pair =Peau =- eau et que Cpair = 1, on obtient : 1 1 dry 1 Qair/3,6 X 7 dM M2 De plus, l'équation (1) permet de calculer n2 etM, ce qui donne : 21(11(2(lair m +Qar K22 (Qair6 K12 Ki) m2 + 3,6 3,6 La solution de cette équation est M = -B-V132-4AC 2A avec : A =H'irQ K12 - KI) 3,6 B - 21(11(2Qair 3,6 C = K22 3,6 Ainsi, selon l'invention, le procédé consiste dans une première étape 26 à déterminer le débit d'air Qat, entrant dans l'échangeur de chaleur 12 air/eau puis en 28 à déterminer les constantes K1 et K2 pour le débit d'air calculé. Les constantes K1 et K2 sont déterminés selon les essais de banc ou à l'aide de la simulation. Dans une étape ultérieure 30, le procédé consiste à calculer la valeur M -théorique à l'aide de l'équation (5) puis à comparer cette valeur à la valeur 11/1 -seuil. (3) En 32, on effectue une comparaison entre m -théorique et Mseuil- Si la solution de l'équation m -théorique est inférieure Mseuil à le procédé consiste à - limiter le débit d'eau entrant dans l'échangeur de chaleur 12 à la valeur m -théorique et si Mthéorique est supérieure m à - -seuit, le procédé consiste à limiter le débit d'eau entrant dans l'échangeur de chaleur 12 à la valeur Mseuil- Dans une dernière étape 34, le débit d'eau traversant l'échangeur de chaleur 12 est ajusté de manière à minimiser la température de l'eau sortant de l'échangeur de chaleur, ce qui permet de réduire la 10 consommation d'énergie. En pratique, la commande du débit d'eau peut être effectuée par l'intermédiaire de la pompe à eau. Par exemple, une pompe à eau est commandée par signal en MID (Modulation d'Impulsions en Durée), la vitesse de la pompe variera selon le rapport cyclique du signal MID de telle 15 sorte que le débit d'eau variera également. REVENDICATIONS1. Procédé d'optimisation du débit d'eau dans un échangeur de chaleur (12) air/eau pour un débit d'air donné traversant l'échangeur de chaleur (12), consistant à : a) estimer le débit d'air traversant l'échangeur de chaleur (12), b) déterminer les valeurs K1 et K2 qui sont fonction du débit d'air et qui permettent d'établir l'efficacité i de l'échangeur de chaleur en fonction du débit d'eau M traversant l'échangeur de chaleur selon la formule : 71 = Kl(Qair) X M K2(Q air) c) déterminer également le débit seuil d'eau M -seuil au travers de l'échangeur de chaleur (12) à partir duquel l'efficacité de l'échangeur de chaleur (12) reste constante, d) calculer un débit d'eau théorique Mthéorique de chaleur (12) selon la formule suivante : -B -VB2 - 4AC Mthéorique = 2A où A = cirQ K12 - 3,61 B - 2K1K2Qair 3,6 Qair x K22 C = 3,6 e) comparer la valeur Mthéorique obtenue à l'étape précédente à la valeur Mseuil, puis si Mthéorique est inférieure m à -seuil limiter le débit d'eau entrant dans l'échangeur de chaleur 12 à la valeur Mthéorique et si au travers de l'échangeur Mthéorique est supérieure à M -seuil limiter le débit d'eau entrant dans l'échangeur de chaleur 12 à la valeur M -seuil. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le débit d'air est estimé au moyen de capteurs adaptés agencés au niveau de l'échangeur de chaleur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'échangeur de chaleur 12 est un radiateur de chauffage dans un véhicule automobile et en ce que l'eau du radiateur est chauffée au moyen d'un condenseur d'un circuit de climatisation.