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Collecteur hydraulique pour cascade d'appareils de chauffage de fluide caloporteur
La présente invention est relative à un collecteur hydraulique pour cascade d'appareils de chauffage de fluide caloporteur.
On connaît déjà l'agencement d'un collecteur dans un circuit primaire de chauffe à fluide caloporteur. A ce collecteur sont raccordées les entrées et les sorties de circuits secondaires de générateurs ou de récupérateurs de chaleur groupés en cascade le long du collecteur. En fonction des besoins du circuit de chauffe, un ou plusieurs circuits de générateurs ou récupérateurs de chaleur sont mis en fonctionnement. Un circulateur général veille à une bonne irrigation du circuit de chauffe, tandis que des circulateurs particuliers, correspondant à chaque circuit secondaire, sont mis en ou hors service, en fonction de la demande de chaleur. On peut ainsi faire fonctionner à sa puissance nominale une, deux, trois.... n unités de chauffe et réguler sur l'unité n + 1, ce qui assure le rendement maximum de l'installation complète.
Il faut toutefois noter que, à l'entrée du collecteur qui est un conduit tubulaire plus ou moins horizontal, le fluide caloporteur arrive à l'état refroidi. Sur la section transversale du conduit il présente alors une température basse relativement homogène.
Dans le principe actuel, le fonctionnement en cascade des unités de chauffe mitige par progression la température des sorties des chaudières successives, ce
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qui influence défavorablement le différentiel thermique entre le départ vers ces chaudières et leur retour dans le collecteur. Il y a en fait un important recyclage entre le départ et le retour des unités de chauffe successives, à l'intérieur du collecteur, et le régime de rendement optimal n'est pas atteint car l'écart de température entre le départ et celle du retour est trop faible.
La présente invention a pour but de porter remède à ces inconvénients, en particulier de prévoir un collecteur hydraulique tel que cité au début, qui permette une amélioration dans le rendement global de l'installation de chauffe. Avantageusement ce collecteur sera d'un coût peu important, très aisé à réaliser et très simple à intégrer dans des installations existantes.
Pour résoudre ces problèmes, on a prévu suivant l'invention un collecteur hydraulique pour cascade d'appareils de chauffage de fluide caloporteur, comprenant - un conduit tubulaire disposé approximativement horizontalement, - une entrée de fluide caloporteur froid, située à une première extrémité du conduit tubulaire, - une sortie de fluide caloporteur chaud, située à une deuxième extrémité, opposée à la première, du conduit tubulaire, - des moyens pour faire circuler le fluide caloporteur entre l'entrée et la sortie du conduit tubulaire, - pour chaque appareil de chauffage susdit, une ouverture de départ reliée à l'appareil de chauffage pour l'alimenter en fluide caloporteur à chauffer, et une ouverture de retour également reliée à l'appareil de
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chauffage pour en recevoir le fluide caloporteur chauffé,
et - une cloison ajourée qui s'étend longitudinalement à l'intérieur du conduit tubulaire sur au moins une partie de sa longueur, au moins certaines des ouvertures de retour susdites étant aménagées au-dessus de la cloison et les ouvertures de départ susdites en dessous de celle-ci.
La cloison ajourée établit ainsi à l'intérieur du collecteur suivant l'invention une ligne de partage entre le fluide chaud plus léger et le fluide froid. De préférence, cette cloison va suivre la ligne de partage naturelle entre fluide chaud et fluide froid, c'est-àdire ce que l'on appelle la ligne thermocline. Elle sera donc de préférence inclinée vers le bas en direction de la sortie de fluide caloporteur chaud du conduit tubulaire.
Cet agencement permet d'obtenir de manière optimale le différentiel thermique requis de la part des appareils de chauffage en cascade. Le fluide chauffé sortant du retour d'appareil ne vient perturber ni la température du fluide entrant dans cet appareil, ni celle du fluide entrant dans l'appareil de chauffage voisin, situé en aval. Les appareils de chauffage peuvent alors fonctionner dans des conditions de rendement optimales, par exemple avec un AT de 200C entre départ et retour, ce qui rend ainsi dans sa totalité la puissance installée.
D'autres formes de réalisation de collecteur suivant l'invention sont indiquées ci-après dans les revendications 2 à 11.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après à titre non limitatif et avec référence aux dessins annexés.
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La figure 1 représente une vue latérale schématique d'un collecteur suivant l'invention.
La figure 2 représente une vue latérale schématique d'une variante de réalisation de collecteur suivant l'invention.
La figure 3 représente une vue latérale schématique d'encore une autre forme de réalisation de collecteur suivant l'invention.
La figure 4 représente une vue en coupe, suivant la ligne IV-IV, de la figure 1.
La figure 5 représente un détail d'une cloison ajourée de collecteur suivant l'invention.
Sur les différents dessins, les éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes références.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, on peut voir un collecteur hydraulique 1 sur lequel sont montés une cascade d'appareils de chauffage de fluide caloporteur 2,3, 4. Ceux-ci sont représentés de manière schématique et ils peuvent représenter aussi bien un générateur de chaleur, tel qu'une chaudière, qu'un récupérateur ou échangeur de chaleur.
Le collecteur hydraulique 1 comprend un conduit tubulaire 5 disposé approximativement horizontalement, une entrée 6 de fluide caloporteur froid, située à une première extrémité du conduit tubulaire 5, et une sortie 7 de fluide caloporteur chaud, située à une deuxième extrémité, opposée à la première, du conduit tubulaire 5. Cette entrée 6 et cette sortie 7 peuvent par exemple être raccordées sans problème à un circuit de chauffe primaire courant.
Un circulateur est bien entendu prévu dans ce circuit de chauffe, ou éventuellement dans le conduit tubulaire 5 lui-même, pour faire circuler le fluide
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caloporteur entre l'entrée 6 et la sortie 7 du conduit tubulaire 5.
Un circuit de chauffage secondaire est prévu pour chaque appareil de chauffage 2,3, 4 disposé en cascade. Ce circuit comprend une ouverture de départ 8 prévue dans le conduit tubulaire 5 à laquelle est raccordée un conduit d'alimentation 9 en fluide caloporteur à chauffer. Ce conduit 9 alimente l'appareil de chauffage 2,3 ou respectivement 4 et le fluide chauffé est retourné au collecteur 1 en passant par un conduit de retour 10 et une ouverture de retour 11 prévue dans le conduit tubulaire. Dans l'exemple illustré, chaque circuit de chauffage comprend en outre un circulateur propre 12.
Le collecteur suivant l'invention, illustré sur la figure 1, comprend en outre une cloison ajourée 13 qui s'étend longitudinalement à l'intérieur du conduit tubulaire 5, sur la totalité de sa longueur.
Ainsi qu'il ressort de la figure 4, dans cet exemple de réalisation, le conduit tubulaire 5 présente une section transversale quadrangulaire, en particulier rectangulaire. Il est formé de deux profilés en U 14 et 15 qui sont mutuellement reliés entre eux par leurs ailes respectives, qui enserrent entre elles une tôle perforée formant ladite cloison ajourée 13.
Suivant l'invention, dans l'exemple illustré sur la figure 1, les ouvertures de départ 8 des circuits de chauffage disposés en cascade sont toutes disposées en dessous de la cloison ajourée 13 et donc reçoivent préférentiellement l'eau froide circulant dans le collecteur 1. Par contre, les ouvertures de retour 11 de ces circuits de chauffage sont toutes disposées audessus de cette cloison ajourée 13. Il en résulte que le fluide chaud sortant d'un de ces circuits de chauffage ne va plus pouvoir perturber, ou uniquement de manière
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extrêmement réduite, la température de l'eau entrant dans ce circuit de chauffage ou dans le circuit de chauffage voisin, situé en aval.
Avantageusement, la surface totale des passages ou trous aménagés dans la tôle perforée 13 est d'un ordre de grandeur égal à la section totale des ouvertures de départ 8 vers les appareils de chauffage 2,3, 4.
Au lieu d'une tôle perforée, on pourrait prévoir, comme cloison ajourée 13, d'autres formes de réalisation, par exemple une cloison avec des trous de guidage 17 comme représenté en perspective sur la figure 5. Du côté amont, le trou est bordé d'un rebord de protection 16 qui oriente le fluide chaud, vers la sortie 7 en entravant en particulier un passage vers le bas du fluide caloporteur chaud situé au-dessus de la cloison 13 à travers ces trous 17.
Le collecteur suivant l'invention, représenté sur la figure 2, se différencie de celui représenté sur les figures 1 et 4, par le fait que la cloison ajourée 13 s'étend depuis l'entrée 6 de fluide caloporteur jusqu'à un endroit situé entre l'ouverture départ 8 du circuit de l'appareil de chauffage 2, situé le plus en aval, et son ouverture de retour 11.
De plus, la cloison ajourée 13 est inclinée de haut en bas dans le conduit tubulaire 5, entre l'entrée 6 et la sortie 7 de celui-ci. Son inclinaison est choisie de façon qu'elle suive ainsi au maximum la ligne de partage effective entre fluide chaud et fluide froid dans le collecteur, c'est-à-dire ce que l'on appelle la ligne thermocline.
Lorsqu'on examine un collecteur courant, connu dans la technique, c'est-à-dire sans cloison ajourée suivant l'invention, dans les conditions optimales on obtient, pour une seule chaudière en fonctionnement, un AT entre le départ du collecteur vers la chaudière et le
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retour de la chaudière au collecteur qui est sensiblement égal à la valeur optimale recherchée pour AT, c'est-à-dire par exemple 200C.
Lorsque, dans ce cas, on met en service deux chaudières en cascade, puis trois, puis n.... on remarque que la chaudière située le plus en amont tend toujours vers cette valeur optimale de AT, mais que les chaudières suivantes ont un AT qui tend de plus en plus vers zéro, ce qui donne les équations suivantes : 1 chaudière en fonctionnement : AT = TD-TR où TD = température départ et TR = température retour.
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2 chaudières : AT = TD-TR 2 n chaudières : AT = TD-TR n
Si l'on fait des observations identiques sur un collecteur suivant l'invention, tel qu'illustré sur la figure 1, on obtient pour : 1 chaudière : AT = TD-TR 2 chaudières : AT = 0, 9 (TD-TR) n chaudières : AT = 0, 9 (n-1) (TD-TR).
Sur un collecteur suivant l'invention, tel qu'illustré sur la figure 2, on obtient même pour n chaudières : AT = + 0, 95 (n-l) (TD-TR).
Le gros avantage de la cloison ajourée de séparation réside dans la puissance totale disponible. En effet, la puissance de chauffe d'une chaudière est fonction du AT. En pratique, le AT optimal est de 200C.
Dans un circulateur selon l'état connu de la technique, on trouve donc une cascade de chaudières fonctionnant sur AT faible, ce qui limite leur nombre. La 3ème chaudière n'est déjà plus à sa puissance nominale.
Avec un collecteur suivant l'invention, le nombre de chaudières est presque illustré.
Le collecteur suivant l'invention, représenté sur la figure 3, se différencie de ceux décrits précé-
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demment par le fait qu'il comporte une cloison ajourée supplémentaire 18 qui s'étend parallèlement à la cloison ajourée 13. Ici, seules les ouvertures de retour 11 des circuits des deux appareils de chauffage 20,21 situés le plus en aval débouchent au-dessus de la cloison 13. Les ouvertures de retour 19 des circuits des deux appareils de chauffage 22,23 situés le plus en amont débouchent entre les deux cloisons ajourées 13 et 18.
Cette forme de réalisation permet l'exploitation de générateurs de chaleur 22,23 à coût de production calorifique très bas, mais dont la commande n'est pas à la disposition du gestionnaire de la chauffe. Il s'agit de générateurs dépendant par exemple des conditions climatiques dans le cas d'un chauffage solaire ou de générateurs dépendant d'une gestion indépendante, par exemple dans le cas de récupération de chaleur sur un système de cogénération d'électricité et de chaleur piloté par des consignes purement électriques. Le gestionnaire de chauffe est alors obligé de prendre en priorité la chaleur de ces générateurs bon marché et de les remplacer en cas d'insuffisance ou d'absence par un des générateurs de chaleur 20,21 pilotés par le gestionnaire de chauffe.
Au lieu d'un montage onéreux série/parallèle composé d'un appareil électronique pilotant des vannes à 3 voies, on résout ici le problème en plaçant deux ou plusieurs cloisons ajourées qui stabilisent dans le collecteur plusieurs écoulements à températures différentes, sans influences mutuelles entre les différents générateurs.
Il doit être entendu que les formes de réalisation décrites et représentées ci-dessus sont données uniquement à titre d'exemples non limitatifs et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir
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du cadre de l'invention indiquée dans les revendications ci-après.
On pourrait naturellement imaginer par exemple des conduits tubulaires présentant une section transversale autre que quadrangulaire, par exemple circulaire.