EP0884532B1 - Procédé et dispositif associé de régulation de la température d'un fluide chauffé par un brûleur - Google Patents

Procédé et dispositif associé de régulation de la température d'un fluide chauffé par un brûleur Download PDF

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EP0884532B1
EP0884532B1 EP98400940A EP98400940A EP0884532B1 EP 0884532 B1 EP0884532 B1 EP 0884532B1 EP 98400940 A EP98400940 A EP 98400940A EP 98400940 A EP98400940 A EP 98400940A EP 0884532 B1 EP0884532 B1 EP 0884532B1
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EP
European Patent Office
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power
burner
temperature
rate
pmin
Prior art date
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EP98400940A
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EP0884532A1 (fr
Inventor
Philippe Pontiggia
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Engie SA
Original Assignee
Gaz de France SA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/08—Regulating fuel supply conjointly with another medium, e.g. boiler water
    • F23N1/082—Regulating fuel supply conjointly with another medium, e.g. boiler water using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2225/00—Measuring
    • F23N2225/08—Measuring temperature
    • F23N2225/18—Measuring temperature feedwater temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2225/00—Measuring
    • F23N2225/08—Measuring temperature
    • F23N2225/19—Measuring temperature outlet temperature water heat-exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/10—Sequential burner running
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/04—Heating water

Definitions

  • the present invention relates to a method and its associated device for regulation of the temperature of a fluid heated by a burner.
  • the present invention relates to a method and its device associated to regulate the temperature of the water heated in an enclosure (or called "exchanger") of a water heater or a boiler by a mixture burner gas which can be at rest with zero power P, or which can operate at a power P between a non-zero minimum power Pmin and a power maximum Pmax greater than said minimum power.
  • EP-A-0 222 972 proposes a method of regulation of the temperature leaving an enclosure of a fluid which has entered it at an inlet temperature less than or equal to said outlet temperature, so that this outlet temperature is adapted to it via a burner suitable for in a state of rest at zero power or in a state on in which its power is between a non-zero minimum power and a power maximum greater than said minimum power, said fluid leaving the enclosure with a non-zero draw-off rate as a function of which the power of the burner is varied, the burner operating either in continuous mode or in chopped mode depending on said flow rate.
  • the invention proposes that the drawing flow be determined by calculation as a function of a reference temperature, such as the inlet temperature, at least one measured temperature, such as the output, and operating data specific to the burner, such as gas flow sent to this one.
  • the process uses internal data calculated (operation of the "flow observer” type) or obtained directly using a sensor, to determine the data (the drawing flow in this case) which will serve as the basis for the passage of the operation of the burner either in continuous mode or in chopped mode, the burner power then being adapted as a function of this draw-off rate.
  • This formula makes it possible to constantly adapt to the conditions of drawing, because the determination of this flow is said to be “dynamic". Indeed, it takes into not only counts the temperature variation of the fluid between the inlet and the outlet of the enclosure, but also the rate of change of the outlet temperature of the enclosure, that is to say the oscillations of this outlet temperature. In this way, the calculation allows a flow closer to reality, which obviously allows calculate as accurately as possible the power required from the burner corresponding to this flow of drawing. This solution also eliminates costly measuring devices because it uses knowledge of the behavior of the device and the burner in particular to deduce the value of the drawing flow.
  • the burner will preferably change from an operating mode to the other by comparison between the drawing flow and a threshold flow to which the minimum burner power.
  • the burner is operated in chopped mode with varying burner output alternately between said zero power and a power greater than or equal to the minimum power of it, so that over this time, we get a resulting average power lower than the minimum power of the burner and substantially equal to the power requested.
  • the burner will be operated in continuous mode, with a power which will preferably be greater than or equal to the minimum power and which will preferably vary gradually and continuously in time as a function of said drawing flow.
  • This mode of operation called “continuous mode”
  • the burner output can be regulated in the time as a function of the variation in the flow rate, which in this case will always remain greater than or equal to the threshold flow.
  • the power of the burner will be always adapted to the flow of this fluid, whether it is low and below the threshold flow (switch to chopped mode) or high and higher than the threshold flow (switch to mode continued).
  • This process can therefore be used in all types of configuration possible in relation in particular with a water heater or a boiler.
  • the invention also relates to a device for regulating the temperature of out of an enclosure of a fluid which entered it at an inlet temperature less than or equal to said outlet temperature so that this outlet temperature is adapted to it by means of a burner capable of being in a state of rest at zero power or in an on state in which its power is between a non-zero minimum power and a maximum power greater than said power minimum, said fluid leaving the enclosure with a drawing flow determined in function of which the burner output varies, characterized in that it includes a burner operating device controlled by a regulating means allowing to regulate the power P of the burner as a function of the draw-off flow, either in chopped with almost instantaneous variation in power over time, either in continuous with gradual and continuous variation in power over time.
  • the regulating means preferably also include a computer allowing, on the one hand to determine by calculation the value of the drawing flow, and on the other hand to compare this flow rate Q calculated with a threshold flow rate Qs fixed so that the burner passes from chopped operating mode to continuous operating mode by comparison between the value of the calculated flow rate Q and the threshold flow rate Qs.
  • the computer will preferably be initialized on ignition with a positive or zero flow and saturated at a maximum flow value, for example fixed at construction at around 20 liters / minute.
  • a maximum flow value for example fixed at construction at around 20 liters / minute.
  • the fluid considered will be water, preferably potable, usable in particular for sanitary use (washing, rinsing).
  • Figure 1 illustrates the problem posed which the present invention.
  • a curve C having for abscissa the flow of Q drawing of the fluid (typically domestic hot water) in liters / minute, and for ordered the outlet temperature Ts of said fluid from the enclosure of a water heater, typically the temperature of the water at the outlet of a tap (we disregard the temperature difference due to the passage of water in the various pipes connecting the place of the enclosure where the water is heated and the outlet of the tap where it comes out to be used).
  • This first order mathematical equation determined using a computer integrated into the regulation means, has the advantage of taking into account the variation of the outlet temperature over time, in addition to the variation of the outlet temperature relative to the inlet temperature, which allows to refine the measure and have an optimized device behavior model in addition to get rid of the use of expensive and fragile mechanical parts of the type flowmeter replaced by simple temperature sensors and a computer.
  • the calculator of the means of regulation which could be, without being exhaustive, an electronic circuit of the type microprocessor, DSP or microcontroller, will be initialized on ignition with a value positive or zero flow, and will be saturated at a compatible maximum flow value with the capacities of the device, ie approximately 20 liters / minute.
  • the device of FIG. 2 can operate in two different modes depending on this bit rate, called “mode chopped “and” continuous mode ", as shown in the flowchart in the figure 3 and in FIGS. 4 to 6.
  • the transition between the two modes can be carried out using of a known type hysteresis bistable relay integrated into regulation means 10.
  • threshold flow For a certain flow called “threshold flow” and noted Qs, corresponds a power called “minimum power” and noted Pmin.
  • the flow Q is greater than or equal to the threshold flow Qs (determined by measures and fixed to the construction), i.e. if the requested power Pdem, deducted of the domestic hot water drawing rate Q, is greater than or equal to the power minimum Pmin of burner 5, then it works normally, i.e. in "continuous mode" over time and progressive ( Figure 4) to supply water to a temperature Ts substantially equal to the set temperature Tcons.
  • this operates in continuous mode with slaving and varies the burner power P gradually and continuously over time (preferably without bearing) between Pmin and Pmax according to the flow rate of drawing Q.
  • the figure 4 illustrates well this mode of operation.
  • a curve D representing the variation of the power P as a function of the drawing flow Q is shown. This shows that as long as the drawing flow Q is substantially equal to the threshold flow Qs, the power P is approximately equal to the minimum power Pmin of the burner. Once the threshold flow Qs exceeded, the power P varies continuously and gradually over time along curve D.
  • the other mode of operation is the so-called "chopped" mode.
  • This mode is triggered by the control means 10 when the flow Q is lower than the threshold flow Qs, that is to say when the power Pdem is less than the minimum power Pmin of the burner.
  • the regulating means 10 comprising a known type of chopper, which controls the operating member 9 so that it alternately opens and closes the supply of gas mixture from burner 5, and therefore let it pass alternately from one zero power at a power P greater than or equal to the minimum power Pmin of the burner 5, and preferably equal to Pmin.
  • This operation thus allows, over the entire duration during which the drawing flow Q is less than the threshold flow Qs, to obtain an average power Pmoy (power calculated by summing the integrals double the hatched areas of the curve in Figures 5 or 6) less than the minimum power Pmin of the burner and substantially equal to the required power Pdem. This therefore generates a lower heating for any drawing flow Q lower than the threshold flow Qs.
  • Pmoy power calculated by summing the integrals double the hatched areas of the curve in Figures 5 or 6
  • FIG. 5 represents the variation of the power P of the burner as a function of time, for a flow rate Q (variable or not over time) always lower than the threshold flow Qs.
  • the power P varies so stepped or chopped between zero power and power greater than or equal to the minimum power Pmin of the burner (dotted lines).
  • the value of this power P greater than or equal to the minimum power Pmin can be variable or not during all the time during which the flow Q does not vary (while remaining below the flow threshold).
  • this power P greater than or equal to the minimum power Pmin is identical throughout the period during which the drawing flow is constant, and increases or decreases appreciably with the variation of the drawing flow Q.
  • another solution is possible.
  • the resulting average power Pmoy calculated using the sum of the double integrals of the hatched areas of figure 5 is always less than the minimum power Pmin and is substantially equal to the Pdem power requested from the burner for the draw-off rate Q considered.
  • Figure 6 is a variant of Figure 5 showing the variation of the power P as a function of time, always for a drawing flow Q (variable or constant) lower than the threshold flow Qs.
  • the temperature of the pulsed fluid varies too much around the set temperature because this creates a certain discomfort already encountered in the devices of the prior art (significant oscillation of the water temperature due to poor regulation).
  • Gold if the burner power is varied between zero power and a power greater than or equal to the minimum power too high, there is a risk of heating too strong the fluid during certain durations. It is therefore necessary to reduce the power difference P between zero power and power greater than or equal to the minimum power of so as to reduce the differences in fluid outlet temperature.
  • the regulating means 10 manages, as a function of the oscillations of the outlet temperature compared to the set temperature, the frequency of transition from zero power to power greater than or equal to the minimum power as well as the durations during which the burner remains at each of these powers, using an integrated chopper. This management allows, as this is specified above, to adapt to variations in the flow rate of draw-off Q in the time.
  • the set temperature Tcons is almost reached within a few degrees (3 ° C maximum) over the entire period of the oscillations (roughly equivalent to the duration of the drawing), even for very low flow rates drawing Q.
  • the temperature oscillations remain moderate (5 to 7 ° C) and are strongly attenuated by the pipeline, given their high frequency, which significantly improves the comfort of use, while avoiding having an expensive device such as a mixer, the cost of components (chopper, sensors, bistable relay or circuit PID) being very small because these are very common.
  • the power variation between zero power and a power greater than or equal to the minimum power can also be done by passage through several levels (therefore without “jump” but rather in an evolutionary way continuous) for powers greater than the minimum power when the average power remains below the minimum power.
  • the device may in particular comprise a circuit primary in which circulates a first fluid heated by the burner, and a circuit secondary in which a second fluid to be heated circulates, a heat exchanger allowing the second fluid to be heated using the first.
  • the fluid drawn (the second fluid) is heated indirectly by the burner, but the process remains identical, i.e. the power of the burner varies according to the flow rate of the second fluid, and in particular, the regulator will operate the burner in chopped or in continuous mode depending on the value of the flow compared to a flow threshold to which the minimum power of the burner corresponds.
  • the burner could work with another type of mixture fuel / oxidizer, such as an oil / air mixture.

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Description

La présente invention concerne un procédé et son dispositif associé de régulation de la température d'un fluide chauffé par un brûleur.
En particulier, la présente invention concerne un procédé et son dispositif associé pour réguler la température de l'eau chauffée dans une enceinte (ou encore appelée "échangeur") d'un chauffe-eau ou d'une chaudière par un brûleur à mélange de gaz pouvant être au repos avec une puissance P nulle, ou pouvant fonctionner à une puissance P comprise entre une puissance minimale Pmin non nulle et une puissance maximum Pmax supérieure à ladite puissance minimale.
Dans les dispositifs de l'art antérieur, un problème souvent rencontré dans la production instantanée d'eau chaude sanitaire (ECS) est l'impossibilité, pour le brûleur du chauffe-eau ou de la chaudière, de chauffer correctement pour obtenir de petits débits d'eau chaude (typiquement inférieurs à environ 5 à 7 litres par minute). Cela est en partie dû à la valeur élevée de la puissance minimum Pmin que peut fournir le brûleur. Il résulte de ceci que ce type de brûleur suit deux modes de fonctionnement pour les petits débits de puisage :
  • soit il s'allume et se met en puissance minimale Pmin. On travaille alors à puissance fixe, et la température de sortie du fluide augmentera d'autant plus que le débit de puisage sera faible. La température de sortie de l'eau peut alors monter à des niveaux très élevés (supérieurs à 90°C) et occasionner des brûlures.
  • soit il ne s'allume pas (il reste au plus la flamme pilote quand elle existe) pour éviter toute surchauffe de l'eau chaude sanitaire traversant l'enceinte. Mais alors on n'obtient pas d'eau chaude en dessous d'un certain débit de puisage, appelé débit seuil du chauffe-eau et correspondant à une puissance du brûleur sensiblement égale à sa puissance minimale.
Pour remédier à ce problème, EP-A-0 222 972 propose un procédé de régulation de la température de sortie hors d'une enceinte d'un fluide qui y est entré à une température d'entrée inférieure ou égale à ladite température de sortie, pour que cette température de sortie y soit adaptée par l'intermédiaire d'un brûleur propre à être dans un état de repos à puissance nulle ou dans un état allumé dans lequel sa puissance est comprise entre une puissance minimum non nulle et une puissance maximum supérieure à ladite puissance minimale, ledit fluide sortant de l'enceinte avec un débit de puisage non nul en fonction duquel on fait varier la puissance du brûleur, le brûleur fonctionnant soit en mode continu, soit en mode haché en fonction dudit débit de puisage.
D'autre part, JP-A-07 071820 décrit un procédé pour déterminer le degré de dégradation de chaque partie d'un chauffe-eau en comparant le rendement de chaque partie à une valeur de référence du rendement, ledit rendement n étant déterminé par la formule : n=Qw.(Th-Tw)/Qg.K, où
  • Qw est le débit d'eau,
  • Th est la température de sortie,
  • Tw est la température d'entrée,
  • Qg est le débit de gaz,
  • K est le pouvoir calorifique par unité de volume.
Afin de réduire le coût et la fragilité des dispositifs de l'art antérieur, tels que celui décrit dans EP-A-0 222 972, l'invention propose que le débit de puisage soit déterminé par calcul en fonction d'une température de référence, telle que la température d'entrée, d'au moins une température mesurée, telle que la température de sortie, et d'une donnée de fonctionnement propre au brûleur, telle que le débit de gaz envoyé à celui-ci.
Ceci permet de s'exonérer de l'utilisation d'un dispositif mécanique de détermination du débit de puisage coûteux et fragile, tel qu'un débitmètre à hélice ou à turbine.
Le procédé utilise des données internes calculées (fonctionnement du type "observateur de débit") ou obtenues directement à l'aide de capteur, pour déterminer la donnée (le débit de puisage en l'occurrence) qui servira de base au passage du fonctionnement du brûleur soit en mode continu, soit en mode haché, la puissance du brûleur étant alors adaptée en fonction de ce débit de puisage. Il est entendu que le débit de gaz du brûleur peut être remplacé par toute autre donnée de fonctionnement intrinsèque au brûleur et dépendant de ce débit, telle par exemple que la puissance du gaz envoyée au brûleur (avec Pgaz = Pci * Qgaz, où Pci est le pouvoir calorifique inférieur du gaz et Qgaz le débit de gaz), l'ouverture de la vanne d'alimentation en gaz, la pression du gaz en amont ou en aval de la vanne, ou encore le coefficient de perte de charge de cette vanne.
Selon une considération complémentaire, et dans le but d'obtenir un calcul de débit fiable et précis, celui-ci sera défini de façon dynamique par l'intermédiaire de la relation suivante: Q = [(n * Pci * Qgaz) - (Méqu * Cp * (dTs/dt))] / [Cp *(Ts - Tef)]
  • avec n le rendement du brûleur,
  • Pci le pouvoir calorifique inférieur du gaz en W.h/m3,
  • Qgaz est le débit de gaz en m3/h,
  • Méqu est le coefficient représentant l'inertie de l'enceinte,
  • Cp est la capacité calorifique du fluide en J/kg/°K (4180 pour de l'eau),
  • dTs/dt est le taux de variation (dérivée) de la température de sortie Ts du fluide en sortie de l'enceinte, et
  • Tef est la température d'entrée du fluide dans l'enceinte.
    • Cette formule permet de s'adapter en permanence aux conditions de puisage, car la détermination de ce débit est dite " dynamique". En effet, elle prend en compte non seulement la variation de température du fluide entre l'entrée et la sortie de l'enceinte, mais aussi le taux de variation de la température de sortie de l'enceinte, c'est-à-dire les oscillations de cette température de sortie. De cette façon, le calcul permet d'obtenir un débit plus proche de la réalité, ce qui permet évidemment de calculer au plus juste la puissance demandée au brûleur correspondante à ce débit de puisage. Cette solution permet aussi de s'affranchir de dispositifs coûteux de mesure de débit car elle utilise la connaissance du comportement du dispositif et du brûleur en particulier pour en déduire la valeur du débit de puisage.
    En outre, le brûleur passera de préférence d'un mode de fonctionnement à l'autre par comparaison entre le débit de puisage et un débit seuil auquel correspond la puissance minimale du brûleur.
    Ainsi, il existera une frontière bien établie entre les deux modes de fonctionnement du brûleur, cette frontière correspondant à des conditions fixées au départ en relation avec des impératifs purement techniques liés au brûleur qui possède intrinsèquement une puissance minimale et avec les conditions réelles d'utilisation (valeur du débit de puisage par rapport au débit seuil).
    Selon une autre considération, pendant toute la durée au cours de laquelle le débit de puisage, auquel correspond une certaine puissance demandée au brûleur, est inférieur à un débit seuil, auquel correspond sensiblement la puissance minimale, on fait fonctionner le brûleur en mode haché avec une puissance du brûleur qui varie alternativement entre ladite puissance nulle et une puissance supérieure ou égale à la puissance minimale de celui-ci, de telle sorte que sur cette durée, on obtienne une puissance moyenne résultante inférieure à la puissance minimale du brûleur et sensiblement égale à la puissance demandée.
    Cette solution permet d'optimiser la régulation de température du fluide lors de petits débits de puisage, c'est-à-dire pour un débit inférieur au débit seuil. En effet, on a vu que la puissance minimale est souvent trop élevée dans les dispositifs de l'art antérieur pour un débit de puisage inférieur au débit seuil. Avec cette solution, la puissance fournie par le brûleur sera toujours adaptée au débit de puisage car elle sera sensiblement égale à la puissance demandée (laquelle correspond audit débit de puisage). Ainsi, lorsque de petits débits de puisage seront désirés, la température du fluide sera régulée de façon à ne pas être trop éloignée de la température de consigne, ce qui évite d'avoir de l'eau trop chaude ou froide. Le fonctionnement alternatif entre une puissance nulle et une puissance supérieure ou égale à la puissance minimale permet, en adaptant correctement les durées pendant lesquelles le brûleur est éteint puis allumé, d'obtenir une puissance résultante parfaitement adaptée au débit de puisage. De plus, ce mode dit "haché" ou en "marche séquentielle" est facilement adaptable à tout type de brûleur à mélange de gaz.
    Selon un aspect complémentaire, pendant ladite durée, on limitera de préférence la variation de la puissance du brûleur entre sa puissance nulle et sa puissance minimale. Ainsi, sur toute la durée pendant laquelle le débit de puisage sera inférieur au débit seuil (lequel correspond à ladite puissance minimale), la puissance moyenne résultante sera parfaitement adaptée à ce débit de puisage. De plus, on évitera de faire fonctionner le brûleur à une puissance trop élevée, forte consommatrice en gaz et provoquant une montée trop brusque en température du fluide. Cette solution permet donc de minimiser les écarts de température du fluide par rapport à la température de consigne, tout en réduisant la consommation en gaz du brûleur. Les oscillations de la puissance du brûleur seront donc les plus faibles possibles pour répondre de la meilleure façon aux conditions de débit de puisage considérées.
    Selon un autre aspect, tant que le débit de puisage, auquel correspond une certaine puissance demandée au brûleur, est supérieur ou égal à un débit seuil, auquel correspond sensiblement la puissance minimale, on fera fonctionner le brûleur en mode continu, avec une puissance qui sera de préférence supérieure ou égale à la puissance minimale et qui variera de préférence de façon progressive et continue dans le temps en fonction dudit débit de puisage. Ce mode de fonctionnement, appelé "mode continu", sera donc particulièrement bien adapté pour tout débit de puisage supérieur ou égal au débit seuil, et la puissance du brûleur pourra être régulée dans le temps en fonction de la variation du débit, lequel restera dans ce cas toujours supérieur ou égal au débit seuil.
    Ainsi, dès que le fluide commencera à couler, la puissance du brûleur sera toujours adaptée au débit de ce fluide, qu'il soit faible et inférieur au débit seuil (passage en mode haché) ou élevé et supérieur au débit seuil (passage en mode continu). Ce procédé est donc utilisable dans tous les types de configuration envisageables en relation en particulier avec un chauffe-eau ou une chaudière.
    L'invention concerne aussi un dispositif de régulation de la température de sortie hors d'une enceinte d'un fluide qui y est entré à une température d'entrée inférieure ou égale à ladite température de sortie pour que cette température de sortie y soit adaptée par l'intermédiaire d'un brûleur propre à être dans un état de repos à puissance nulle ou dans un état allumé dans lequel sa puissance est comprise entre une puissance minimum non nulle et une puissance maximum supérieure à ladite puissance minimale, ledit fluide sortant de l'enceinte avec un débit de puisage déterminé en fonction duquel la puissance du brûleur varie, caractérisé en ce qu'il comprend un organe de manoeuvre du brûleur commandé par un moyen de régulation permettant de réguler la puissance P du brûleur en fonction du débit de puisage, soit en mode haché avec variation quasi instantanée dans le temps de la puissance, soit en mode continu avec variation progressive et continue dans le temps de la puissance.
    De cette façon, deux modes de fonctionnement sont proposés, chacun étant particulièrement adapté aux conditions de débit présentes dans le dispositif.
    De façon à s'affranchir de moyens mécaniques coûteux et fragiles de mesure du débit, tels que des débitmètres à hélice ou à turbine, le moyen de régulation comprendra de préférence en outre un calculateur permettant, d'une part de déterminer par calcul la valeur du débit de puisage, et d'autre part de comparer ce débit de puisage Q calculé avec un débit seuil Qs fixé pour que le brûleur passe du mode de fonctionnement haché au mode de fonctionnement en continu par comparaison entre la valeur du débit de puisage Q calculé et le débit seuil Qs.
    De façon à éviter que, suite au calcul du débit, le résultat aboutisse soit à une valeur incohérente (débit négatif), soit une valeur incompatible avec un bon fonctionnement du dispositif (débit supérieur à la capacité du dispositif), le calculateur sera de préférence initialisé à l'allumage avec un débit positif ou nul et saturé à une valeur de débit maximum, par exemple fixée à la construction à environ 20 litres/minute. De cette façon, même si le calcul du débit, pour des raisons liées aux conditions réelles d'utilisation, donne un résultat inexploitable, le moyen de régulation pourra quand même fonctionner à l'aide de ses propres références (débit d'initialisation et débit maximum), et adapter la puissance du brûleur en fonction du débit de puisage dans les meilleures conditions.
    La description qui suit est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est un diagramme représentant l'évolution de la température de sortie en fonction du débit de puisage dans un dispositif de l'art antérieur dans lequel le brûleur s'allume et bute sur sa puissance minimale,
    • la figure 2 représente un dispositif conforme à l'invention,
    • la figure 3 est un organigramme de l'algorithme de régulation selon l'invention,
    • la figure 4 représente la variation de la puissance en régime stabilisé du brûleur en fonction du débit de puisage pour un débit de puisage supérieur ou égal à un débit seuil,
    • les figures 5 et 6 représentent chacune la variation de la puissance du brûleur en fonction du temps pour un débit de puisage inférieur au même débit seuil.
    Dans toute la description, le fluide considéré sera de l'eau, de préférence potable, utilisable en particulier pour un usage sanitaire (lavage, rinçage).
    La figure 1 illustre bien le problème posé que se propose de résoudre la présente invention. On peut voir une courbe C ayant pour abscisses le débit de puisage Q du fluide (typiquement de l'eau chaude sanitaire) en litres/minute, et pour ordonnées la température Ts de sortie dudit fluide de l'enceinte d'un chauffe-eau, typiquement la température de l'eau à la sortie d'un robinet (on fait abstraction de l'écart de température dû au passage de l'eau dans les différentes conduites reliant l'endroit de l'enceinte où l'eau est chauffée et la sortie du robinet où elle sort pour être utilisée).
    Comme on peut le voir, pour des petits débits de puisage Q (compris entre environ un et environ cinq à sept litres par minute), plus ce débit de puisage est faible, plus la température Ts de sortie du fluide est élevée. Or celle-ci peut atteindre 120°C pour un débit de puisage Q sensiblement égal à un litre par minute, ce qui est extrêmement élevé pour un usage sanitaire normal (lavage de main, rasage). On sait que l'homme supporte en moyenne, sur certaines parties du corps telles que les mains, une température d'eau comprise entre environ 35 et 50°C. Or, on peut noter qu'il faut atteindre un débit de puisage Q d'environ trois litres par minute pour être en dessous de la température maximale citée. Ce débit est peu compatible avec un usage bref et/ou nécessitant peu d'eau (mouiller une éponge, rincer un verre ou un rasoir). Si l'utilisateur doit ouvrir son robinet un peu plus pour augmenter le débit afin de voir la température de l'eau diminuer, alors il consommera beaucoup plus d'eau qu'il n'en a réellement besoin, ce qui est coûteux, inutile et peu agréable à l'usage. On voit ainsi toute l'utilité de l'invention qui va être décrite maintenant et qui permet d'obtenir une température de sortie Ts proche d'une température consigne Tcons (température de l'eau que l'utilisateur désire obtenir), en particulier pour de faibles débits de puisage.
    La figure 2 montre un dispositif 1 de chauffage d'un fluide représenté de façon schématique. Ce dispositif 1, qui peut par exemple être un chauffe-eau ou une chaudière, comprend une enceinte 3 dans laquelle un fluide à chauffer circule ou stagne suivant la valeur du débit de puisage (positif ou nul). Cette enceinte 3 est chauffée par un brûleur 5, de préférence à mélange de gaz mais qui peut aussi être à fioul ou être alimenté par un autre mélange combustible/comburant. Ce brûleur émet au moins une flamme 7 venant, soit directement au contact de l'enceinte 3, soit légèrement en dessous. Un organe de manoeuvre 9 (de type vanne) commande l'ouverture et la fermeture de l'alimentation en mélange de gaz du brûleur 5, et permet de faire varier la puissance demandée Pdem de celui-ci en fonction en particulier du débit de puisage Q, sachant que cette puissance Pdem correspond à la puissance nécessaire pour chauffer Q litres d'eau par minute depuis la température d'eau froide Tef vers la température de consigne demandée Tcons. En pratique, on pourra déterminer Pdem de la façon suivante : Pdem = Q/60 * Cp * (Tcons - Tef)
  • avec Q le débit du fluide en litres/minute,
  • Cp la capacité calorifique du fluide, soit environ 4180 J/Kg/°K pour de l'eau, et
  • Tcons, la température de consigne (ou température désirée) en °K,
  • Tef, la température d'entrée du fluide dans l'enceinte en °K.
    • L'organe de manoeuvre 9 est commandé par un moyen de régulation 10 qui est relié en 11 et en 12 à deux capteurs de température de type connu (à mercure, à thermocouple, à lamelle ou à thermistance) mesurant la température d'entrée Tef du fluide (eau froide) dans l'enceinte 3 (laquelle peut être considérée dans certains cas comme une température de référence si l'on considère que l'eau fournie par le réseau est à température sensiblement constante auquel cas la sonde 11 n'est pas nécessaire) et la température de sortie Ts du même fluide après passage dans l'enceinte 3 chauffée. Dans le cas de l'utilisation de capteurs de températures pour déduire le débit de puisage Q (en litres/minute), celui-ci pourra être déterminé en particulier par la relation suivante à l'aide d'un calculateur intégré au moyen de régulation : Q = k * Qgaz/(Ts - Tef)
  • avec k = n * Pci/Cp,
  • où n est le rendement du dispositif,
  • Pci est le pouvoir calorifique inférieur du gaz en W.h/m3,
  • Qgaz est le débit de gaz arrivant au brûleur en m3/h,
  • Cp est la capacité calorifique de l'eau soit 4180 J/kg/°K, et
  • Ts et Tef sont les températures du fluide en sortie et entrée de l'enceinte, exprimées en °K.
    • Il est entendu que le débit Qgaz de gaz du brûleur peut être remplacé par toute autre donnée de fonctionnement intrinsèque au brûleur et dépendant de ce débit, telle par exemple que la puissance gaz envoyée au brûleur (avec Pgaz = Pci * Qgaz, où Pci est le pouvoir calorifique inférieur du gaz), l'ouverture de la vanne d'alimentation en gaz, la pression du gaz en amont ou en aval de la vanne, ou encore la perte de charge au travers de cette vanne.
    Néanmoins, dans le but d'affiner la mesure de ce débit, tout en utilisant toujours les données disponibles (mesurées ou calculées), il sera préférable d'utiliser la formule de calcul dynamique suivante : Q = [(n * Pci * Qgaz) - (Méqu * Cp * (dTs/dt))] / [Cp *(Ts - Tef)]
  • avec n le rendement du brûleur,
  • Pci le pouvoir calorifique inférieur du gaz en W.h/m3,
  • Qgaz est le débit de gaz en m3/h,
  • Méqu est le coefficient représentant l'inertie de l'enceinte,
  • Cp est la capacité calorifique du fluide en J/kg/°K (4180 pour de l'eau), et
  • dTs/dt est le taux de variation (dérivée) de la température du fluide en sortie de l'enceinte.
    • Cette équation mathématique du premier ordre, déterminée à l'aide d'un calculateur intégré au moyen de régulation, a l'avantage de prendre en compte la variation de la température de sortie dans le temps, en plus de la variation de la température de sortie par rapport à la température d'entrée, ce qui permet d'affiner la mesure et d'avoir un modèle de comportement du dispositif optimisé, en plus de s'affranchir de l'utilisation de pièces mécaniques coûteuses et fragiles du type débitmètre remplacées par de simples capteurs de températures et d'un calculateur.
    Pour éviter que le résultat de ce calcul soit incohérent (débit négatif ou supérieur aux capacités théoriques de débit du dispositif), le calculateur du moyen de régulation, qui pourra être, sans être exhaustif, un circuit électronique de type microprocesseur, DSP ou micro-contrôleur, sera initialisé à l'allumage avec une valeur de débit positive ou nulle, et sera saturé à une valeur de débit maximum compatible avec les capacités du dispositif, soit environ 20 litres/minute.
    Ainsi, une fois le débit de puisage Q déterminé, le dispositif de la figure 2 peut fonctionner selon deux modes différents en fonction de ce débit, appelés "mode haché" et "mode continu", comme cela est représenté sur l'organigramme de la figure 3 et sur les figures 4 à 6. Le passage entre les deux modes peut être réalisé à l'aide d'un relais bistable à hystérésis de type connu intégré au moyen de régulation 10.
    Afin d'expliquer les figures 4 à 7, il convient d'établir quelques relations entre les différentes variables présentes.
    Tout d'abord, à chaque débit Q correspond une puissance demandée au brûleur, notée Pdem, déterminée par exemple par la formule citée précédemment : Pdem = Q/60 * Cp * (Tcons - Tef)
    Pour un certain débit appelé "débit seuil" et noté Qs, correspond une puissance appelée "puissance minimale" et notée Pmin.
    Si le débit Q est supérieur ou égal au débit seuil Qs (déterminé par mesures et fixé à la construction), c'est-à-dire si la puissance demandée Pdem, déduite du débit de puisage Q d'eau chaude sanitaire, est supérieure ou égale à la puissance minimale Pmin du brûleur 5, alors celui-ci fonctionne normalement, c'est-à-dire en "mode continu" dans le temps et progressif (figure 4) pour fournir de l'eau à une température Ts sensiblement égale à la température de consigne Tcons. A l'aide d'un circuit du type Proportionnel Intégrale Dérivé connu et intégré au moyen de régulation 10, celui-ci fonctionne en mode continu avec asservissement et fait varier la puissance P du brûleur de façon progressive et continue dans le temps (de préférence sans palier) entre Pmin et Pmax en fonction du débit de puisage Q. La figure 4 illustre bien ce mode de fonctionnement. Une courbe D représentant la variation de la puissance P en fonction du débit de puisage Q est représentée. Celle-ci montre que tant que le débit de puisage Q est sensiblement égal au débit seuil Qs, la puissance P est sensiblement égale à la puissance minimale Pmin du brûleur. Une fois le débit seuil Qs dépassé, la puissance P varie de façon continue et progressive dans le temps suivant la courbe D.
    L'autre mode de fonctionnement, le plus intéressant en ce qui concerne l'invention, est le mode dit "haché". Ce mode est déclenché par le moyen de régulation 10 lorsque le débit Q est inférieur au débit seuil Qs, c'est-à-dire lorsque la puissance demandée Pdem est inférieure à la puissance minimale Pmin du brûleur. Dans ce cas, le moyen de régulation 10 comprenant un hacheur de type connu, celui-ci commande l'organe de manoeuvre 9 afin qu'il ouvre et ferme alternativement l'alimentation en mélange de gaz du brûleur 5, et donc qu'il fasse passer celui-ci alternativement d'une puissance nulle à une puissance P supérieure ou égale à la puissance minimale Pmin du brûleur 5, et de préférence égale à Pmin. Ce fonctionnement permet ainsi, sur toute la durée pendant laquelle le débit de puisage Q est inférieur au débit seuil Qs, d'obtenir une puissance moyenne Pmoy (puissance calculée en faisant la somme des intégrales doubles des surfaces hachurées de la courbe des figures 5 ou 6) inférieure à la puissance minimale Pmin du brûleur et sensiblement égale à la puissance demandée Pdem. Cela engendre donc un chauffage plus faible pour tout débit de puisage Q inférieur au débit seuil Qs.
    La figure 5 représente la variation de la puissance P du brûleur en fonction du temps, pour un débit de puisage Q (variable ou non dans le temps) toujours inférieur au débit seuil Qs. Comme on peut le voir, la puissance P varie de façon étagée ou hachée entre une puissance nulle et une puissance supérieure ou égale à la puissance minimale Pmin du brûleur (traits pointillés). La valeur de cette puissance P supérieure ou égale à la puissance minimale Pmin peut être variable ou non durant toute la durée pendant laquelle le débit Q ne varie pas (tout en restant sous le débit seuil). De préférence, cette puissance P supérieure ou égale à la puissance minimale Pmin est identique durant toute la durée pendant laquelle le débit de puisage est constant, et augmente ou diminue sensiblement avec la variation du débit de puisage Q. Néanmoins une autre solution est envisageable. Par exemple, il est possible de fixer la puissance P supérieure ou égale à la puissance minimale à une certaine valeur quel que soit le débit Q (toujours inférieur à Qs), et de faire varier les durées pendant lesquelles le brûleur fonctionnera à cette puissance, en fonction de la variation du débit de puisage Q (voir cas particulier de la figure 6). Néanmoins, quel que soit le mode de fonctionnement retenu, durant toute la durée au cours de laquelle le débit de puisage Q est inférieur au débit seuil Qs, la puissance moyenne Pmoy résultante calculée à l'aide de la somme des intégrales doubles des zones hachurées de la figure 5 est toujours inférieure à la puissance minimale Pmin et est sensiblement égale à la puissance Pdem demandée au brûleur pour le débit de puisage Q considéré. En adaptant de façon optimale la commande du brûleur au débit de puisage Q, il est possible, toujours pendant la durée au cours de laquelle le fluide est puisé à un débit Q inférieur au débit seuil Qs, d'obtenir une puissance moyenne Pmoy nettement inférieure à la puissance minimale. En effet, il suffit de fermer longtemps l'alimentation du brûleur 5 et de l'ouvrir à une puissance P supérieure ou égale à la puissance minimale Pmin pendant un très court instant pour obtenir ladite puissance moyenne. Sans qu'il soit besoin de donner de valeur, on comprend bien tout l'intérêt de l'invention qui permet d'obtenir une puissance inférieure à une puissance minimale alors que le brûleur ne peut théoriquement pas fournir une telle puissance en raison d'impératifs liés à la qualité et à la stabilité de la flamme (inter-allumage), ou à la pollution.
    La figure 6 est une variante de la figure 5 représentant la variation de la puissance P en fonction du temps, toujours pour un débit de puisage Q (variable ou constant) inférieur au débit seuil Qs. On sait qu'il ne faut pas que la température du fluide puisé varie de façon trop importante autour de la température de consigne car cela crée un certain inconfort déjà rencontré dans les dispositifs de l'art antérieur (oscillation importante de la température de l'eau due à une mauvaise régulation). Or, si l'on fait varier la puissance du brûleur entre une puissance nulle et une puissance supérieure ou égale à la puissance minimale trop importante, on risque de chauffer trop fort le fluide pendant certaines durées. Il faut donc réduire l'écart de puissance P entre la puissance nulle et la puissance supérieure ou égale à la puissance minimale de façon à réduire les écarts de température de sortie du fluide. Ainsi, on choisira de faire varier la puissance du brûleur uniquement entre une puissance nulle et sa puissance minimale Pmin, et ce que le débit Q varie ou non (tout en restant inférieur à Qs). Si le débit Q augmente, il suffit d'augmenter les durées pendant lesquelles le brûleur est allumé à sa puissance minimale (ou réduire les durées pendant lesquelles le brûleur est éteint), et vice versa dans le cas où le débit de puisage Q diminue. A l'aide du même calcul intégral que précédemment, on obtient aussi une puissance moyenne Pmoy résultante inférieure à la puissance minimale Pmin, et sensiblement égale à la puissance demandée Pdem. L'avantage d'une telle solution est qu'elle évite de chauffer inutilement le fluide à trop haute température, ce qui engendre une perte d'énergie et nuit au fonctionnement du brûleur (fiabilité dans le temps, bruit plus gênant dû à une alimentation en mélange de gaz plus importante).
    Dans les deux cas, le moyen de régulation 10 gère, en fonction des oscillations de la température de sortie par rapport à la température de consigne, la fréquence de passage de la puissance nulle à la puissance supérieure ou égale à la puissance minimale ainsi que les durées pendant lesquelles le brûleur reste à chacune de ces puissances, et ce à l'aide d'un hacheur intégré. Cette gestion permet, comme cela est précisé ci-avant, de s'adapter aux variations du débit de puisage Q dans le temps.
    Le tableau ci-dessous illustre bien les résultats intéressants que l'on peut obtenir à l'aide du procédé de la présente invention pour de faibles débits de puisage Q.
    Consigne Tcons Débit de puisage Q T° médiane Amplitude des oscillations Période des oscillations
    55°C 1 l/mn 56,5°C 7°C 36s
    2 l/mn 55°C 6°C 33s
    3 l/mn 52,5°C 7°C 60s
    40°C 1 l/mn 43°C 6,5°C 45s
    3 l/mn 40°C 5°C 32s
    5 l/mn 38°C 5°C 55s
    Comme on peut le voir, la température de consigne Tcons est quasiment atteinte à quelques degrés près (3°C au maximum) sur toute la période des oscillations (sensiblement équivalente à la durée du puisage), même pour de très faibles débits de puisage Q. Les oscillations de température restent modérées (5 à 7°C) et sont atténuées fortement par la canalisation, étant donné leur fréquence élevée, ce qui améliore nettement le confort d'utilisation, tout en évitant d'avoir un dispositif coûteux tel qu'un mitigeur, le coût des composants (hacheur, capteurs, relais bistable ou circuit PID) étant très réduit car ceux-ci sont très répandus.
    Dans le mode haché, la variation de puissance entre une puissance nulle et une puissance supérieure ou égale à la puissance minimale pourra aussi se faire par passage par plusieurs paliers (donc sans "saut" mais plutôt de façon évolutive continue) pour les puissances supérieures à la puissance minimale dès lors que la puissance moyenne reste inférieure à la puissance minimale.
    En variante, le dispositif peut en particulier comprendre un circuit primaire dans lequel circule un premier fluide chauffé par le brûleur, et un circuit secondaire dans lequel circule un second fluide à chauffer, un échangeur thermique permettant de chauffer le second fluide à l'aide du premier. Dans ce cas, le fluide puisé (le second fluide) est chauffé indirectement par le brûleur, mais le procédé reste identique, c'est-à-dire que la puissance du brûleur varie en fonction du débit du second fluide, et en particulier, l'organe de régulation fera fonctionner le brûleur en mode haché ou en mode continu en fonction de la valeur du débit par rapport à un débit seuil auquel correspond la puissance minimum du brûleur.
    Le brûleur pourrait fonctionner avec un autre type de mélange combustible/comburant, tel qu'un mélange fioul/air.

    Claims (9)

    1. Procédé de régulation de la température (Ts) de sortie hors d'une enceinte (3) d'un fluide qui y est entré à une température d'entrée (Tef) inférieure ou égale à ladite température (Ts) de sortie, pour que cette température (Ts) de sortie y soit adaptée par l'intermédiaire d'un brûleur (5) propre à être dans un état de repos à puissance (P) nulle ou dans un état allumé dans lequel sa puissance (P) est comprise entre une puissance minimum (Pmin) non nulle et une puissance maximum (Pmax) supérieure à ladite puissance minimale (Pmin), ledit fluide sortant de l'enceinte (3) avec un débit de puisage (Q) non nul en fonction duquel on fait varier la puissance (P) du brûleur, le brûleur fonctionnant soit en mode continu, soit en mode haché en fonction dudit débit de puisage (Q), caractérisé en ce que le débit de puisage (Q) est déterminé par calcul en fonction d'une température de référence, telle que la température d'entrée (Tef), d'au moins une température mesurée, telle que la température de sortie (Ts), et d'une donnée de fonctionnement propre au brûleur, telle que le débit de gaz (Qgaz) envoyé à celui-ci.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de puisage est défini de façon dynamique par l'intermédiaire de la relation suivante : Q = [(n * Pci * Qgaz) - (Méqu * Cp * (dTs/dt))] [Cp *(Ts - Tef)]
      avec n, le rendement du brûleur,
      Pci, le pouvoir calorifique inférieur du gaz en W.h/m3,
      Qgaz, est le débit de gaz envoyé au brûleur en m3/h,
      Méqu, le coefficient représentant l'inertie thermique de l'enceinte,
      Cp, la capacité calorifique du fluide en J/kg/°K (4180 pour de l'eau),
      dTs/dt, la variation dans le temps (dérivée) de la température du fluide en sortie de l'enceinte, et
      Tef est la température d'entrée du fluide dans l'enceinte.
    3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brûleur (5) passe d'un mode de fonctionnement à l'autre par comparaison entre le débit de puisage (Q) et un débit seuil (Qs) auquel correspond sensiblement la puissance minimale (Pmin) du brûleur.
    4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pendant toute la durée au cours de laquelle le débit de puisage (Q), auquel correspond une certaine puissance (Pdem) demandée au brûleur (5), est inférieur à un débit seuil (Qs), auquel correspond sensiblement la puissance minimale (Pmin), on fait fonctionner le brûleur (5) en mode haché, avec une puissance (P) qui varie alternativement entre ladite puissance nulle et une puissance supérieure ou égale à la puissance minimale (Pmin) de celui-ci, de telle sorte que, sur cette durée, on obtienne une puissance moyenne (Pmoy) résultante inférieure à la puissance minimale (Pmin) du brûleur (5) et sensiblement égale à la puissance demandée (Pdem).
    5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pendant ladite durée, on limite la variation de la puissance (P) du brûleur (5) entre sa puissance nulle et sa puissance minimale (Pmin).
    6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, tant que le débit de puisage (Q), auquel correspond une certaine puissance (Pdem) demandée au brûleur (5), est supérieur ou égal à un débit seuil (Qs), auquel correspond sensiblement la puissance minimale (Pmin) du brûleur, on fait fonctionner ce dernier en mode continu, avec une puissance (P) qui est supérieure ou égale à ladite puissance minimale (Pmin) et qui varie de façon continue et progressive dans le temps en fonction dudit débit de puisage (Q).
    7. Dispositif (1) de régulation de la température (Ts) de sortie hors d'une enceinte (3) d'un fluide qui y est entré à une température d'entrée (Tef) inférieure ou égale à ladite température (Ts) de sortie pour que cette température (Ts) de sortie y soit adaptée par l'intermédiaire d'un brûleur (5) propre à être dans un état de repos à puissance (P) nulle ou dans un état allumé dans lequel sa puissance (P) est comprise entre une puissance minimum (Pmin) non nulle et une puissance maximum (Pmax) supérieure à ladite puissance minimale (Pmin), ledit fluide sortant de l'enceinte (3) avec un débit de puisage (Q) non nul en fonction duquel on fait varier la puissance du brûleur, ledit dispositif comprenant pour cela un organe de manoeuvre (9) du brûleur (5) commandé par un moyen de régulation (10) pour adapter la puissance (P) du brûleur (5) en fonction du débit de puisage (Q), soit en mode hacheur avec variation quasi instantanée dans le temps de la puissance (P), soit en mode continu avec variation progressive et continue dans le temps de ladite puissance (P), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour calculer ledit débit (Q) en fonction d'une température de référence, telle que la température d'entrée (Tef), d'au moins une température mesurée, telle que la température de sortie (Ts), et d'une donnée de fonctionnement propre au brûleur, telle que le débit de gaz envoyé à celui-ci.
    8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent en outre un calculateur permettant de comparer le débit de puisage (Q) calculé avec un débit seuil (Qs) fixé pour que ledit organe de régulation (10) adapte la puissance (P) du brûleur (5) en fonction de la valeur du débit de puisage (Q) calculé par rapport au débit seuil (Qs).
    9. Dispositif (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le calculateur est initialisé à l'allumage à l'aide d'une valeur de débit (Q) supérieur ou égal à zéro, et est saturé à une valeur de débit de puisage (Q) maximum, par exemple d'environ 20 litres/minute.
    EP98400940A 1997-06-11 1998-04-16 Procédé et dispositif associé de régulation de la température d'un fluide chauffé par un brûleur Expired - Lifetime EP0884532B1 (fr)

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