Brevet FR3039260A1 — publié le 20170127

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de gestion d'une chaudière à condensation dont le corps de chauffe est alimenté en mélange combustible (air/gaz) par un ventilateur commandé en fonction de la demande de puissance par le circuit utilisateur, procédé selon lequel, après avoir établi pour la chaudière, la relation liant le débit de mélange combustible à fournir en fonction de la puissance que doit fournir le corps de chauffe, on enregistre cette relation dans le circuit de commande de la chaudière. lo L'invention concerne également une chaudière pour la mise en oeuvre de ce procédé. Etat de la technique Actuellement la puissance fournie par les chaudières à condensation se commande en fonction de la demande de puissance par le 15 ventilateur alimentant le brûleur avec le mélange combustible air/gaz. Le gaz est ajouté automatiquement à l'air en fonction du débit d'air. La relation liant le débit Q du ventilateur à sa vitesse de rotation VR est une relation linéaire (figure 2A) établie pour le seul ventilateur et enregistrée dans le circuit de commande de la chaudière. 20 Cette régulation de la vitesse de rotation ne tient pas compte des pertes de charge que rencontrent les fumées poussées par le ventilateur dans le conduit d'évacuation. Or, ces pertes de charge sont rarement fixes. Elles varient en fonction de l'utilisation ou de l'encombrement du conduit de fumées, surtout si le conduit de fumées est 25 commun à plusieurs utilisateurs. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé de gestion d'une chaudière à condensation pour optimiser son fonctionnement, c'est-à-dire la puissance qu'elle fournit de façon à répondre aussi 30 rapidement que possible à la demande, que cette chaudière soit installée individuellement sur un conduit de fumées ou fasse partie d'une installation collective branchée sur une même conduite. En particulier, l'invention a pour but de résoudre le problème du fonctionnement plus ou moins aléatoire des chaudières à con-35 densation branchées sur une même conduite de fumées dans une installation collective et en particulier une chaudière de rénovation. 3039260 2 Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'on commande le ventilateur en asservissant son débit réel mesuré sur le débit de consigne donné par la relation défi- 5 nie, liant le débit demandé par le corps de chauffe à la puissance qu'il doit fournir. Ce procédé permet de tenir efficacement compte des pertes de charge variables et de la contrepression (celle-ci est par convention englobée ici dans les pertes de charge variables) en sortie de chaudière pour adapter de manière précise le débit réel instantané de mélange combustible à fournir au brûleur et obtenir la puissance de chauffe demandée et cela quelles que soient les variations de la perte de charge imposée à la veine de mélange combustible dans le corps de chauffe et en aval de celui-ci, y compris dans le conduit de fumées et cela sans avoir à connaître les pertes de charge. Cette régulation précise de la puissance à fournir permet un fonctionnement encore plus économique de la chaudière à condensation. Suivant une caractéristique avantageuse, on mesure le débit de mélange combustible par la différence de pression fournie par deux capteurs de pression installés dans la veine de mélange de part et d'autre d'un obstacle. Cette mesure du débit de mélange combustible grâce aux capteurs de pression constitue une solution particulièrement économique puisque ces capteurs de pression peuvent, du moins l'un d'eux, déjà équiper la chaudière ou sont nécessaires à d'autres fonctions telles que des fonctions de sécurité imposées à la chaudière. En outre, le capteur installé en aval du clapet de retenue peut fournir également la pression antagoniste régnant dans la chaudière à l'arrêt, dans la partie en amont du clapet. Dans ces conditions et suivant une caractéristique avanta- geuse du procédé, au démarrage (redémarrage) de la chaudière, on mesure la pression antagoniste appliquée à la chaudière et on impose au ventilateur une vitesse de rotation fournissant le débit demandé et tenant compte de la pression antagoniste appliquée à la veine de mélange combustible et mesurée avant la mise en marche de la chaudière. Le démarrage de la chaudière avec une puissance corres- pondant pratiquement instantanément à la puissance à fournir permet d'avoir un temps de fonctionnement plus efficace de la chaudière pour répondre quasi immédiatement à la demande de puissance, en particulier si 3039260 3 l'eau chaude sanitaire est chauffée par le circuit de chauffe de la chaudière. Cette réponse très rapide de la chaudière au moment du démarrage réduit également la consommation ou inversement augmente le rendement de la chaudière. 5 Suivant une caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention est enregistré sous la forme d'un programme dans la mémoire du circuit de commande gérant le fonctionnement de la chaudière. L'invention a également pour objet une chaudière à condensation pour la mise en oeuvre de ce procédé. 10 Ainsi, l'invention se rapporte à une chaudière à condensa- tion composée d'un corps de chauffe fournissant la chaleur à un circuit utilisateur, par la combustion d'une veine de mélange combustible fournie par un ventilateur commandé recevant le mélange combustible d'un doseur assurant le mélange dosé du gaz combustible et de l'air comburant, 15 cette chaudière étant caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit de commande gérant le fonctionnement de la chaudière et sa mise en sécurité et relié à un dispositif de mesure de débit de la veine de mélange combustible fourni par le ventilateur au corps de chauffe pour asservir le moteur du ventilateur pour que le ventilateur fournisse le débit de mé- 20 lange combustible nécessaire au corps de chauffe. Cette chaudière se distingue par l'efficacité de son fonctionnement et de son rendement et par la possibilité d'installer de telles chaudières en rénovation, quelles que soient les caractéristiques de perte de charge variable des conduits de fumées en aval de la chaudière et sans 25 avoir à faire de réglages particuliers qui dépendraient du site d'installation. Suivant une caractéristique avantageuse, la chaudière comporte un dispositif de mesure de débit de la veine de mélange combustible constitué par deux capteurs de pression installés dans une chambre 30 de mélange recevant le mélange dosé de gaz et d'air comburant, et comportant un clapet de retenue s'ouvrant dans le sens de passage de la veine du mélange comburant en direction du ventilateur et se fermant pour la direction inverse, les deux capteurs de pression étant installés de part et d'autre du clapet pour mesurer une différence de pression permettant de 35 calculer le débit de la veine de mélange combustible. Cette réalisation de la chaudière est très simple puisqu'elle utilise seulement deux capteurs de pression dont au moins l'un est par ailleurs nécessaire pour le contrôle de sécurité de la chaudière. 3039260 4 Suivant une autre caractéristique avantageuse, la chaudière comporte un dispositif de mesure de débit de la veine de mélange combustible constitué par un débitmètre à film chaud installé dans le passage de la veine combustible, notamment en amont du ventilateur. 5 Cette réalisation a également l'avantage de la simplicité car les débitmètres massiques à film chaud sont largement disponibles sur le marché et ont en particulier été développés dans la technique automobile. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la chaudière comporte un capteur de pression mesurant la pression antagoniste 10 imposée à la chaudière à l'arrêt par le circuit de la veine de mélange combustible et des fumées. Le capteur de pression qui mesure la pression antagoniste est avantageusement l'un des deux capteurs de pression fournissant la différence de pression servant à calculer le débit de la veine de mélange 15 combustible. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation du procédé et de la chaudière mettant en oeuvre le procédé, représenté dans les dessins annexés dans 20 lesquels : la figure 1 est un schéma d'une installation de chauffage avec une chaudière à condensation selon l'invention, la figure 2A montre la relation entre le débit d'un ventilateur et sa vitesse de rotation, 25 la figure 2B montre un diagramme donnant la vitesse de rotation du ventilateur en fonction de la puissance demandée pour différentes pertes de charge variables imposées à la veine de mélange combustible dans la chaudière, la figure 2C est un diagramme analogue à celui de la figure 2B mais 30 appliqué au fonctionnement d'une chaudière selon l'état de la tech- nique. Description de modes de réalisation de l'invention Selon la figure 1, l'invention s'applique à une chaudière à condensation 100 représentée schématiquement pour ses parties princi- 35 pales. Cette chaudière est reliée à une alimentation en gaz AG et à une entrée d'air AA pour former le mélange combustible. En sortie, les fumées F arrivent dans un conduit de fumées CF. Ce conduit de fumées CF peut être réservé à la seule chaudière 100 ou être commun à plusieurs chau- 3039260 5 dières 100A. La chaudière 100 alimente un circuit utilisateur 200 qui est un circuit de chauffage, le cas échéant combiné à un circuit de préparation d'eau chaude sanitaire ou assurant seulement l'une des deux fonctions (chauffage/eau chaude sanitaire). 5 La chaudière 100 se compose en entrée d'un doseur 110 alimentant une chambre de mélange 120 recevant le gaz et l'air dosés de façon appropriée par le doseur, réglé de manière fixe dans les conditions d'utilisation de la chaudière. La chambre de mélange 120 est équipée d'un clapet anti-retour 121 qui ne s'ouvre que dans le sens de passage de la 10 veine formant le mélange (flèche VM). La chambre de mélange 120 alimente un ventilateur 130 entraîné par un moteur 131 qui fournit le débit de mélange combustible au corps de chauffe 140 constitué par un brûleur 141 chauffant un échangeur de chaleur 142 relié au circuit utilisateur 200. La sortie 143 du corps de chauffe est reliée par une conduite de sor- 15 tie 144 au conduit de fumées CF. La chambre de mélange 120 est subdivisée par le clapet 121 en une entrée ou partie amont 120A et une sortie ou partie aval 120B. La partie amont 120A est équipée d'un capteur de pression 122 et la partie aval, d'un autre capteur de pression 123. 20 Les capteurs de pression 122, 123 mesurant la différence de pression et ainsi le débit QR(t) du mélange combustible. Mais de façon générale, le débit QR(t) peut être obtenu par une mesure soit sur l'air, soit sur le mélange air-gaz car le débit de gaz est lié pneumatiquement ou électriquement à celui de l'air. 25 La chaudière 100 est gérée par un circuit de commande 150 relié à un bouton marche/arrêt 151 et commandant en plus des fonctions habituelles, telles que les fonctions de sécurité pour l'arrêt de l'alimentation en gaz ou autre, la vitesse de rotation du moteur 131 du ventilateur 130 en fonction de la puissance demandée en tenant compte 30 de la perte de charge (variable) imposée à la veine de mélange combustible. Le circuit de commande 150 reçoit en entrée différentes informations de sécurité non détaillées ainsi que la température de consigne T, et la température T du circuit utilisateur 200 qui permettent de calculer la puissance de chauffe P que doit fournir le corps de chauffe 140. Cette 35 température T peut en fait représenter différentes températures telles que la température du fluide caloporteur circulant dans le circuit utilisateur ou encore la température du liquide caloporteur servant à la préparation de l'eau chaude sanitaire. Le circuit de commande 150 reçoit également 3039260 6 une information de pression et de différence de pressions, fournie par deux capteurs 122, 123 installés par exemple dans la chambre de mélange 120 de part et d'autre d'un obstacle aéraulique constitué ici par le clapet anti-retour 121. Le clapet, ouvert par le passage de la veine com5 bustible, constitue un obstacle aéraulique placé dans la veine et qui permet par la mesure de la différence de pression entre les deux capteurs, de calculer le débit réel de mélange combustible QR(t) passant par le clapet, c'est-à-dire le débit de mélange combustible aspiré par le ventilateur 130 et fourni en sortie au brûleur 141. On peut alors mesurer une pression en 10 aval du clapet, l'autre pression peut être mesurée soit sur l'air, soit sur le mélange air-gaz. La puissance demandée à la chaudière dépend de la température de consigne T, sur laquelle est réglé le circuit utilisateur 200 et ainsi la différence entre la température mesurée T et la température de 15 consigne T. La puissance P (t) que fournit la chaudière est directement proportionnelle au débit du mélange combustible QR(t) alimentant le brûleur 141. Le débit fourni par le ventilateur 130 à perte de charge constante en aval du ventilateur est bien proportionnel à la vitesse de rotation du ventilateur. Mais en réalité, la perte de charge PCH en aval du ventila- 20 teur 130, notamment dans la conduite de sortie 144 du corps de chauffe 140 et dans le conduit de fumées CF (englobant par convention la pression antagoniste ou contrepression) est une perte de charge variable PCH(t) car la géométrie du conduit de fumées est fixe mais les débits de fumées dans le conduit CF sont variables dans le temps(t) et ils dépendent 25 de la mise en marche et des conditions de fonctionnement des autres utilisateurs 100A du conduit de fumées CF. Selon l'invention, on établit la courbe de conversion entre la puissance fournie par le corps de chauffe et le débit de mélange combustible nécessaire P(t) qui lui est demandé à l'instant (t) pour ensuite asser- 30 vir le débit réel QR(t) que fournit le ventilateur 100 de la chaudière lorsque la chaudière est installée sur son site, en fonction du débit de consigne Qc(t). Cet asservissement est fondé sur la différence ÔQ = Qc(t) - QR(t). 35 Le débit réel QR(t) dépend de la vitesse de rotation VR du ventilateur 130 qui sera accéléré ou décéléré pour annuler la différence entre le débit réel et le débit de consigne, c'est-à-dire obtenir ÔQ = 0. 3039260 7 Cet asservissement peut s'illustrer par le diagramme de la figure 2A pour permettre de comparer le procédé de l'invention au fonctionnement connu représenté par la courbe de la figure 2C. Comme représenté à la figure 2A, le débit normal QN d'un 5 ventilateur 100 est celui avec une sortie libre et il est globalement proportionnel à la vitesse de rotation VR, ce qui est représenté par la droite CN à la figure 2A. Mais lorsque le ventilateur alimente une installation en aval, c'est-à-dire lorsque sa sortie n'est pas libre, le débit est soumis à des pertes de charge, y compris une pression antagoniste ou contrepression 10 dans la conduite en aval du ventilateur ; le débit réel QR(t) dépend toujours de la vitesse de rotation du ventilateur mais suivant une courbe différente C(PCH) de la courbe normale CN. En fait, il y a un faisceau de courbes Ci(PCH) différentes selon les pertes de charge PCH auxquelles est soumis le ventilateur dans les conditions de fonctionnement réelles. Les 15 courbes C 1...C2 sont des courbes théoriques pour une perte de charge restant constante alors que la puissance demandée varie. Selon l'invention, pour la chaudière 100, on utilise la relation liant les caractéristiques aérauliques des différents composants du circuit emprunté par la veine de mélange combustible VM et les pertes de 20 charge variables PCH(t) imposées aux fumées F en sortie 144 du corps de chauffe 140, et aussi la contrepression rencontrée par les fumées dans le conduit de fumées CF. Cette relation donne le débit de mélange combustible Q en fonction de la vitesse de rotation VR du ventilateur 130 pour différentes pertes de charge PCH imposées à la veine de mélange combus- 25 tible VM fournie par le ventilateur 130. Il s'agit en principe d'une fonction à trois variables f(Q, VR, PCH) = 0 représentée par une surface dans un repère à trois axes. Mais en pratique, cette fonction peut se représenter dans un plan avec pour variables, le débit Q et la vitesse de rotation VR et pour paramètre, une perte de charge PCH, ce qui donne le faisceau de 30 courbes dans le système de coordonnées ayant des axes représentant Q et VR comme le montre le diagramme de la figure 2B, en fonction d'exemples de différentes pertes de charge PCHi (i = 1, 2, 3,...) en aval du ventilateur 130. Sur ce diagramme, l'axe horizontal représente indifférem35 ment la puissance demandée P ou le débit de consigne Qc puisque ces deux grandeurs sont liées car associées directement au fonctionnement de la chaudière. 3039260 8 Pour une puissance (débit) P(Q1) demandée, en fonction de la perte de charge PCH1, PCH2..., on aura un point de fonctionnement PF1...PF4 différent, c'est-à-dire une vitesse de rotation VR11...VR14 différente du ventilateur 130 puisque selon l'invention, la vitesse de rotation 5 du ventilateur VR est commandée par l'asservissement de son débit réel QR(t) sur le débit de consigne Qc(t) qui est celui pour lequel la chaudière fournit la puissance demandée appelée puissance P(t). A titre d'exemple et en supposant connues les courbes du diagramme de la figure 2B, si sur une période de fonctionnement, la puis- 10 sance demandée varie (de façon quelconque) entre les puissances P1(Qc1) et P2(Qc2) et si, sur la même période, la perte de charge PCH varie entre les valeurs PCH1 et PCH2, alors le point de fonctionnement PF du ventilateur (et sa vitesse de rotation) se déplacera dans le quadrilatère PF11, PF21, PF22, PF12 délimité par les courbes de débit Cl, C2 et les droites 15 d'abscisse Pi /Q1 et Pi /Q2 parallèles à l'axe Oy. Cette présentation doit permettre de faire la différence entre ce procédé de gestion de la chaudière selon l'invention et le procédé connu selon le diagramme de la figure 2C. Le procédé de commande, connu, associe en application de la courbe de fonctionnement CN (figure 2A) une vitesse de rotation de consigne VRC à un 20 débit demandé. Mais le ventilateur fonctionne en réalité selon les courbes C 1...C4 liant son débit Qx à sa vitesse de rotation Vix en tenant compte des pertes de charge rencontrées. En pratique, cela signifie, selon l'état de la technique, pour avoir un débit on fixe pour le ventilateur une vitesse de rotation VRC et se-25 lon la perte de charge rencontrée (figure 2C), cette vitesse de rotation produit un débit Q11... Q14... Ainsi selon l'exemple représenté, la vitesse de rotation reste constante mais le débit varie entre le débit Q11...Q14 de sorte que la chaudière fournira chaque fois une puissance correspondant à ses débits 30 réels Q1 1...Q14. Mais ces débits réels et les puissances ainsi fournies ne seront pas celles demandées. En d'autres termes, selon l'état de la technique, on asservit le ventilateur sur une vitesse de rotation alors que selon l'invention (figure 2B), on asservit le ventilateur sur un débit de consigne. 35 Comme cela a été expliqué ci-dessus, la vitesse de rotation de consigne VRC selon l'état de la technique peut varier en fonction de la puissance demandée ; il en est de même de la puissance de consigne Qc selon l'invention mais cela ne fait que souligner la différence fondamentale 3039260 9 entre les deux procédés puisque dans le cas du procédé de l'état de la technique, on ne tient pas compte des pertes de charge et pressions antagonistes et on aboutit à des débits réels faux alors que selon l'invention, on tient compte des pertes de charge et des pressions antagonistes sans 5 avoir à les calculer mais on obtient toujours le débit voulu puisque le débit du ventilateur est asservi sur ce débit voulu (débit de consigne Qc(t). Le procédé selon l'invention mis en oeuvre par la chaudière 100 fonctionne dans les conditions suivantes : La différence de pression mesurée par les capteurs 122, 123 10 permet de calculer le débit réel instantané QR(t). Suivant la puissance P(t) demandée par le circuit utilisateur 200, qui est par exemple liée à la température de consigne Tc et à la température T mesurée par le capteur de température 201 du circuit utilisateur, le circuit de commande 150 calcule le débit Q(t) nécessaire au corps de chauffe 140 qui est le débit de 15 consigne sur lequel est asservi le moteur 131 du ventilateur 130 pour que le corps de chauffe reçoive dans ces conditions, le débit réel Q(t) qui correspond au débit de consigne Qc(t), c'est-à-dire la puissance demandée à la chaudière. Pour réduire le temps de réponse de la chaudière au démar- 20 rage et accélérer autant que possible la montée en puissance, on tient compte de la pression antagoniste imposée par le conduit de fumées CF et qui règne dans la chambre de mélange 120 en aval du clapet 121 (partie 120B), on fait démarrer le ventilateur 130 immédiatement à la vitesse de consigne correspondant à cette contrepression pour que le débit Q soit 25 pratiquement dès ce moment, le débit nécessaire au corps de chauffe 140 et tenant compte dès ce moment de la contrepression des fumées F arrivant dans le conduit de fumées CF. Le procédé selon l'invention peut être réalisé sous la forme d'un programme enregistré dans la mémoire 152 du circuit de commande 30 150. Suivant une variante non représentée, le débit de la veine combustible est mesuré à l'aide d'un débitmètre, notamment d'un débitmètre à film chaud installé de préférence en amont du ventilateur 130. 35 3039260 10 NOMENCLATURE 100 Chaudière 100A Autre chaudière branchée sur le conduit de fumées 5 110 Doseur du mélange combustible 120 Chambre de mélange 120A Entrée de la chambre de mélange / partie amont 120B Sortie de la chambre de mélange / partie aval 121 Clapet de retenue 10 122 Capteur de pression 123 Capteur de pression 130 Ventilateur 131 Moteur 140 Corps de chauffe 15 141 Brûleur 142 Echangeur de chaleur 143 Sortie du corps de chauffe 144 Conduite de sortie 150 Circuit de commande 20 151 Bouton marche/arrêt 152 Mémoire du circuit de commande T° Température mesurée T, Température de consigne 25 VM Veine de mélange combustible Q(t) Débit de consigne de mélange combustible QR(t) Débit réel de mélange de consigne A, G Alimentation en gaz AA Alimentation en air comburant 30 CF Conduit de fumées VR Vitesse de rotation du ventilateur PF Point de fonctionnement du ventilateur 35