FR2634873A1 - Dispositif et procede en vue de la regulation d'echanges thermiques - Google Patents

Abstract

Dispositif pour le transfert de calories entre une source principale 1 de liquide caloporteur devant être maintenu à une température sensiblement constante, et une pluralité d'échangeurs 10, 10', chacun desservant une unité de travail, du type dans lequel le liquide caloporteur est véhiculé depuis la source vers les divers échangeurs et il est recyclé vers ladite source avec interposition d'un bac tampon 3 constitué d'une enceinte 3 close de laquelle partent et à laquelle aboutissent les circuits 9, 9' desservant chacun un échangeur secondaire, de sorte que le recyclage interne à chaque circuit 9, 9' d'échangeurs individuels 10, 10', entraînant une diminution du débit d'entrée et de sortie de ce circuit par rapport à ladite enceinte close 3, entraîne en conséquent un recyclage d'importance correspondante entre le liquide caloporteur entrant dans ladite enceinte close et le liquide retournant de l'enceinte close vers la source de fluide caloporteur 1.

Description

La présente invention concerne un dispositif et un procédé mettant en oeuvre ledit dispositif, en vue d'optimiser les conditions d'échange thermique entre une source principale de liquide caloporteur, maintenue à une température sensiblement constante, et une pluralité d'échangeurs de travail dont chacun est susceptible d'être alimenté avec un liquide caloporteur à température spécifique, indépendante de la température des autres échangeurs et variables dans le temps.

Le problème auquel s'applique le dispositif selon l'invention concerne donc un ensemble, qui peut être un atelier voire une usine entière, comportant une source de chaud ou de froid, débitant un liquide caloporteur destiné å échanger des calories (activement ou passivement), avec des unités de travail disséminées et dont chacune peut avoir une température de travail et donc des besoins d'échanges caloriques variables dans le temps et indépendants des besoins des autres unités.

On comprend qu'il peut être difficile dans un tel cas de réguler l'ensemble ainsi formé à partir d'un liquide caloporteur unique appelé à circuler dans les divers échangeurs, chacun desservant une unité de travail.

On comprend en effet que si chaque unité de travail répond à des besoins d'échange thermique spécifiques, et si le liquide caloporteur circule indifféremment dans l'ensemble des échangeurs, il se trouvera nécessairement influencé par les différentes conditions d'échange, de sorte que le liquide caloporteur quittant une unité et un échangeur amont, abordera l'échangeur et l'unité de travail aval dans des conditions (température, débit), qui ne correspondront pas nécessairement aux conditions optimales de travail de l'unité ainsi desservie en second.

Il se peut notamment que le dernier échangeur, dans un ensemble monté en série, reçoive un liquide qui, ayant échangé ses calories avec les échangeurs antérieurs, se présente à une température qui soit totalement inadaptée aux besoins de ce dernier échangeur.

Si par ailleurs on monte les divers échangeurs non plus en série mais en dérivation, il reste que chaque échangeur sera desservi par un fluide caloporteur unique donc à température identique pour tous les échangeurs, sans que les caractéristiques notamment la température du fluide caloporteur correspondent aux besoins et aux données spécifiques de l'unité de travail desservie.

enfin la source de froid (ou de chaud) qui débite le liquide caloporteur subira les a-coups des variations dans les besoins d'échanges thermiques des diverses unités de travail, de sorte que le fonctionnement du générateur de calories ou de frigories variera dans le temps en fonction des besoins de l'installation desservie, sans que l'on puisse orienter cette production de calories ou de frigories, à un niveau de température correspondant au niveau optimum du générateur, lequel travaillera par conséquent le plus souvent en dehors de sa gamme de rendement maximal.

On connait par le certificat d'utilité français nO 83 06688 une installation permettant de desservir chaque échangeur secondaire (lui-même associé à une unité de travail indépendant) par un circuit autonome alimenté depuis un bac intermédiaire lui-même alimenté par la source de fluide caloporteur ; chaque circuit secondaire prélevant le liquide caloporteur dans un bac tampon, restitue ce liquide après passage dans un échangeur; le circuit ainsi formé depuis et vers le bac tampon étant. ainsi indépendant des circuits des autres échangeurs desservant une autre unité de travail.

Et chaque circuit secondaire, indépendant des autres, comporte une pompe autonome qui permet ainsi de régler le débit de fluide caloporteur parcourant ce circuit, et en outre une dérivation sur la colonne de retour permettant, grâce au jeu d'une vanne à trois voies, un recyclage compris entre 0 et 100% du fluide caloporteur sortant de l'échangeur secondaire.

On comprend qu'en utilisant ce dispositif chaque circuit secondaire peut être adapté auX besoins de chaque unité de travail en ajustant le recyclage du fluide caloporteur sortant de ltéchangeur.

Dans le cas d'un échange positif avec apport de calories à l'unité de travail, correspond à une réaction endothermique, la température du fluide caloporteur arrivant à l'échangeur peut être ajustée par recyclage du fluide refroidi sortant de l'échangeur ; ce fluide refroidi, réincorporé dans le fluide caloporteur d'alimentation, prélevé depuis le bac tampon, est ainsi amené à la température souhaitée et appropriée en fonction de l'unité de travail déterminée.

Le fonctionnement est rigoureusement identique en sens inverse lorsqu'il s'agit de refroidir une unité de travail impliquant une réaction exothermique, nécessitant par conséquent un dégagement et un prélèvement des calories évacuées par alimentation de l'échangeur à partir d'un liquide caloporteur à basse température.

Si l'on veut élever la température de l'unité de travail en diminuant par conséquent le refroidissement au niveau de l'échangeur, il suffit de réincorporer dans le fluide d'alimentation une partie plus ou moins importante de liquide caloporteur sortant de l'échangeur ce qui élève par conséquent la température du fluide d'échange et limite l'évacuation des calories avec par conséquent élévation de la température au niveau de l'unité de travail ; celle-ci peut être amenée, selon un cycle voulu, à la température qui est constamment adaptée aux besoins.

Le fonctionnement de ce dispositif ainsi décrit si il permet d'ajuster les conditions d'échanges thermiques au niveau des échangeurs secondaires, reste cependant mal adapté au fonctionnement de l'appareil générateur de liquide caloporteur (vecteur de calories ou de frigories).

Et cet aprar-il reste tributaire dans les conditions de son fonctionnement, des variations dans les besoins de calories ou de frigories des unités de travail desservies par les échangeurs secondaires.

La présente invention vise à apporter des améliorations au dispositif ainsi spécifié en permettant au générateur de liquide caloporteur, de fonctionner à température sensiblement constante par conséquent à un niveau adapté à son rendement maximum.

A cet effet l'invention concerne un dispositif pour le transfert de calories entre une source principale de liquide caloporteur devant être maintenu à une température sensiblement constante, et une pluralité d'échangeurs, chacun desservant une unité de travail, susceptibles d'être maintenus à des températures diverses entre elles et variables dans le temps, du type dans lequel le liquide caloporteur est véhiculé depuis la source vers les divers échangeurs et il est recyclé vers ladite source avec interposition d'un bac tampon auquel sont raccordées en dérivation chaque échangeur secondaire desservant chacun une unité de travail, chaque échangeur secondaire étant desservi par un circuit indépendant alimenté depuis le bac tampon et y retournant et chaque circuit individuel indépendant, d.esservant un échangeur secondaire, comporte une dérivation de recyclage desservie par une vanne à trois voies permettant de recycler une partie du fluide sortant de cet échangeur pour réguler individuellement la température de travail de l'unité desservie, et le dispositif est caractérisé en ce que le bac tampon est constitué d'une enceinte close de laquelle partent et à laquelle aboutissent les circuits desservant chacun un échangeur secondaire, de sorte que le recyclage interne à chaque circuit d'échangeurs individuels, entrainant une dminution du débit d'entrée et de sortie de ce circuit par rapport à ladite enceinte close, entraine en conséquent un recyclage d'importance correspondante entre le liquide caloporteur entrant dans ladite enceinte close et le liquide retournant de 11 enceinte close vers la source de fluide caloporteur.

De préférence ladite capacité close est reliée à la source de fluide caloporteur par un circuit primaire d'aller et de retour entre ladite source et l'enceinte close, ce circuit primaire comportant des moyens de régulation du débit tels qu'une pompe et une vanne de réglage, et chaque échangeur de travail est relié à l'enceinte close par un circuit secondaire comportant une pompe secondaire et une vanne à trois voies de recyclage.

Selon une autre caractéristique de l'invention le débit du circuit primaire est fixé à partir des moyens de régulation du débit et il est réglé de telle façon que ce débit sur le circuit primaire est égal à la somme des débits sur les circuits secondaires branchés sur ladite enceinte fermée, en l'absence de tout recyclage interne audit circuit secondaire, de sorte que la mise en oeuvre de tout recyclage sur un circuit secondaire entraîne une baisse du débit à I'entréeet à la sortie de ce circuit secondaire.et engendre en conséquence un recyclage d'importance correspondante de liquide retournant de l'enceinte close vers la source de fluide caloporteur sans avoir parcouru les échangeurs secondaires.

Selon une autre caractéristique chaque circuit secondaire comporte un dispositif de régulation permettant, à partir d'une température fixée comme consigne à l'unité de travail, d'asservir le recyclage au niveau de la vanne à trois voies à la tempéra'ure instantanée de ceste unité de travail de facon à ajuster constamment la quantité de liquide caloporteur recyclée au sein de chaque circuit secondaire en fonction des besoins d'échange, actif ou passif, de chaque unité de travail.

L'invention concerne également un procédé en vue de réguler dans des conditions optimales les échanges thermiques à partir d'un fluide caloporteur provenant d'une source de fluide (chaud ou froid) et parcourant un circuit primaire depuis ladite source vers une enceinte close avec recyclage de cette enceinte vers ladite source, l'enceinte desservant une pluralité de circuits secondaires, desservant un échangeur secondaire, chaque circuit secondaire prélevant le fluide depuis ladite enceinte pour restituer ce fluide après passage dans l'échangeur secondaire avec recyclage éventuel du liquide au sein du circuit secondaire, et le procédé est caractérisé en ce que l'on ajuste au départ le débit de fluide caloporteur dont le circuit principal entre la source de fluide et l'enceinte c'ose a une valeur déterminée correspondant à la somme des débits des circuits secondaires en l'absence de tout recyclage interne audit circuit, et on ajuste la température des échangeurs secondaires en fonction dès besoins de chaque unité de travail desservie par cet échangeur secondaire, par recyclage interne à chaque circuit secondaire au moyen de ladite vanne à trois voies, le recyclage induit au niveau de l'enceinte fermée assurant le maintien des conditions de température dans le circuit primaire à une valeur sensiblement constante et optimale.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit et qui est donnée en rapport avec une forme de réalisation présentée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexes.

La figure 1 représente un schéma de principe de fonctionnement d'un circuit d'échanges thermiques selon l'invention.

Selon la figure 1 on voit que le circuit global se compose d'une source de fluide caloporteur 1 parcourant le circuit primaire 2 lequel alimente une enceinte intermédiaire 3 à partir de la canalisation d'aller 4, le fluide caloporteur retournant à la source 1 par la canalisation de retour 4'.

La circulation est forcée par la pompe 5 tandis que le débit parcourant le circuit primaire 2 est régulé aux moyens de la vanne 6.

De sorte que à toute quantité de liquide parcourant le circuit primaire 2 et entrant dans l'enceinte fermée 3, correspond une quantité et un débit identique quittant l'enceinte 3 pour retourner vers la source 1.

L'enceinte fermée 3 comporte en position haute un purgeur 7 et en position basse une évacuation 8 pour la sortie des boues résiduelles.

Sur l'enceinte 3 sont branchés en dérivation les deux circuits secondaires respectivement 9 et 9' desservant chacun un échangeur secondaire 10,10'.

On considèrera principalement le circuit secondaire 9, lequel comporte une conduite d'alimentation 11 conduisant le fluide caloporteur prélevé depuis l'enceinte fermée 3 vers l'échangeur 10, la circulation sur ce circuit secondaire 9 étant assurée par la pompe 12.

Le circuit de retour 13 aboutit à l'enceinte fermée 3 à laquelle il restitue le fluide caloporteur après passage dans l'échangeur 10.

une dérvation 14 permet un recyclage du fluide caloporteur partiellement épuisé et quittant l'échangeur 10 vers le circuit d'alimentation 11, l'importance de ce recyclage étant ajustée par la vanne à trois voies 15.

Le fonctionnement de la vanne à trois voies 15 est asservi par le circuit de commande 16 à la température instantanée constatée au niveau de l'échangeur 10 (ou de l'unité de travail, non représentée), que cet échangeur dessert.

On peut ainsi programmer la température souhaitée au niveau de l'unité de travail et les échanges sont en permanence ajustés de façon à obtenir cette température de consigne par manoeuvre de la vanne à trois voies 15 laquelle réintroduit dans le circuit d'alimentation secondaire 11 plus ou moins de liquide caloporteur provenant de l'échangeur, de façon à ajuster la température du liquide caloporteur entrant dans l'échangeur, rigoureusement aux besoins instantanés de l'appareil.

Selon l'invention le débit de la pompe 5 d'une part et le réglage de la vanne 6 d'autre part sont définis de façon à obtenir un débit dans le circuit principal 2 correspondant à la somme des débits des deux circuits secondaires 9 et 9', pour une valeur de recyclage égale à zéro.

De sorte que le débit de liquide caloporteur entrant et sortant de l'enceinte fermée 3 est égal rigoureusement au débit parcourant les circuits secondaires 9 et 9' en l'absence de tout recyclage.

-On comprend dans ces conditions que tout le liquide qui entre dans l'enceinte fermée 3 en ressort après avoir parcouru les deux circuits secondaires 9 et 9'.

Pour éviter un recyclage interne parasite au sein de l'enceinte 3 dans de telles conditions, on peut introduire un cloisonnement partiel, ou un jeu de chicane qui limite par conséquent et handicape matériellement le recyclage du liquide caloporteur de retour des circuits secondaires vers l'entrée de ces circuits, correspondant à un recyclage parasite du liquide caloporteur depuis l'arrivée 4 vers la sortie 4'.

Dans de telles conditions le débit D du circuit primaire 2 est égal à la somme des débits dl et d2 correspondant au débit maximum des deux circuits secondaires 9 et 9' (en l'absence de tout recyclage par la dérivation lit. On précisera que les vannes 16 et 16' permettent l'équilibrage et le réglage des débits entre les circuits 9 et 9'.

Lorsque l'appareil est en fonctionnement, la température des échangeurs 10 et 10' est ajustée à partir des vannes à trois voies 15 et 15', les débits d7 et d2 sont diminués de la valeur du débit de recyclage.

Et le débit réel (et constant) d'l et d'2 de chaque circuit secondaire 9 ou 9', commandé par la pompe 12,12', est alors supérieur au débit d7 et d2 respectivement prélevé sur, et restitué à l'enceinte fermée 3.

Dans le cas ici considéré d'une unité de travail à réaction exothermique, correspondant par conséquent à un apport de liquide caloporteur froid et à un retour du fluide chaud après passage dans les échangeurs 10 et 10', le recyclage par les dérivations îit,1it' entraine une élévation de température du liquide de refroidissement et par conséquent une élévation de la température de travail des unités jusqu'à ce que la température optimale scit obtenue, température optimale qui est maintenue par les circuits d'asservissement 16,1o'.

Dans ces conditions le retour des circuits secondaires 9 et 9', si il est réduit en débit, est plus élevé en tempéra- t ure.

Cependant le débit D du circuit primaire 2 n'est pas modifié malgré l'abaissement des prélèvements et retour des circuits secondaires.

Or quand on met le système en marche, on a d1 < d'1 et d2 < d'2 et la température du retour augmente comme expliqué précédemment. Il apparaît alors un débit d3 dans l'enceinte tel que nous avons D = d1 + d2 + d3 le retour dl, d2 est plus chaud mais le débit d3 est froid (à la température d'entrée). Dans le cadre de l'invention la température de la sortie de l'enceinte close 3 est refroidie par le débit d3 ce qui nous donne en sortie une température constante quel que soit le réglage des températures sur les appareils de travail pour une puissance installé constante. Nous voyons donc qu'une fois que la production de froid a été déterminée pour un puissance donnée, nous pouvons ajuster les températures T1 et T2 (qui sont réglées de manière à avoir la meilleure production des unités de travail desservies par les échangeurs 10 et 10' sans que la température en retour sur la production de froid soit changée. Ceci permet donc un AT constant quelque soit le réglage de T1 et T2. La production de froid ou de chaud peut ainsi travailler à débit constant A et à AT constant ce qui permet de faie marcher la machine de production de froid ou de chaud dans les meilleures conditions et avec le meilleur rendement.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1 - Dispositif pour le transfert de calories entre une source principale (1) de liquide caloporteur devant être maintenu à une température sensiblement constante, et une pluralité d'échangeurs (10,10'), chacun desservant une unité de travail, susceptibles d'être maintenus à des températures diverses entre elles et variables dans le temps, du type dans lequel le liquide caloporteur est véhiculé depuis la source vers les divers échangeurs et il est recyclé vers ladite source avec -nterpos~tion d'un bac tampon (~) auquel sont raccordées en dérivation chaque échangeur secondaire desservant chacun une unité de travail, chaque échangeur secondaire étant desservi par un circuit indépendant (9,9') alimenté depuis le bac tarton et y retournant et chaque circuit individuel indépendant, desservant un échangeur secondaire, comporte une dérivation (1k,14t) de recyclage desservie par une vanne à trois voies permettant de recycler une partie du fluide sortant ce cet échangeur pour réguler individuellement la température de travail de l'unité desservie, caractérisé en ce que le bac tampon est constitué d'une enceinte (3) close de laquelle partent et à laquelle aboutissent les circuits (9,9') desservant chacun un échangeur secondaire, de sorte que le recyclage interne å chaque circuit (9,9') d'échangeurs individuels (10,1O'), entrainant une diminution du débit d'entrée et de sortie de ce circuit par rapport à ladite enceinte close (3), entraine en conséquent un recyclage d'importance correspon datte entre le liquide caloporteur entrant dans ladite enceinte close et le liquide retournant de l'enceinte close vers la source de fluide caloporteur (1).

2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite capacité close (3) est reliée à la source de fluide caloporteur (1) par un circuit primaire (2) d'aller (4) et de retour (4') entre ladite source et l'enceinte close, ce circuit primaire comportant des moyens de régulation du débit tels qu'une pompe (5) et une vanne de réglage (6), et chaque échangeur de travail (10,10') est relié à l'enceinte (3) close par un circuit secondaire (9;9') comportant une pompe secondaire (12,12') et une vanne à trois voies (15,15') de recyclage.

3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le débit du circuit primaire (2) est fixé à partir des moyens de régulation du débit et il est réglé de telle façon que ce débit sur le circuit primaire (2) est égal à la somme des débits sur les circuits secondaires (9,9') branchés sur ladite enceinte fermée, en l'absence de tout recyclage interne audit circuit secondaire, de sorte que la mise en oeuvre de tout recyclage sur un circuit secondaire (9,9') entraine une baisse du débit à l'entrée et à la sortie de ce circuit secondaire et engendre en conséquence un recyclage d'importance correspondante de liquide retournant de l'enceinte close (3) vers la source de fluide caloporteur (1) sans avoir parcouru les échangeurs secondaires.

4 - Dispositif selon l'une des revendications 1,2 ou 3, caractérisé en ce que chaque circuit secondaire (9,9') comporte un dispositif de régulation (16,16') permettant, à partir d'une température fixée comme consigne à l'unité de travail, d'asservir le recyclage au niveau de la vanne à trois voies à la température instantanée de cette unité de travail de façon à ajuster constamment la quantité de liquide caloporteur recyclée au sein de chaque circuit secondaire en fonction des besoins d'échange, actif ou passif, de chaque unité de travail.

5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu il comporte une sonde thermique située sur l'échangeur secondaire ou son unité de travail et un circuit de commande (16,16') propre à asservir l'ouverture de la vanne à trois voies ou sa fermeture et portant le taux de recyclage en fonction de la distorsion constatée entre la température effective et la température de consigne.

6 - Procédé de mise en oeuvre du dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 ci-dessus en vue de réguler dans des conditions optimales les échanges thermiques à partir d'un fluide caloporteur provenant d'une source de fluide (1) (chaud ou froid) et parcourant un circuit primaire (2) depuis ladite source (1) vers une ence-n e close (4) avec recyclage de cette enceinte vers ladite source, l'enceinte communiquant avec une pluralité de circuits secondaires (9,9'), desservant chacun un échangeur secondaire, chaque circuit secondaire prélevant le fluide depuis ladite enceinte (3) pour restituer ce fluide après passage dans chaque échangeur secondaire avec recyclage éventuel du liquide au sein du circuit secondaire, et le procédé est caractérisé en ce que l'on ajuste au départ le débit de fluide caloporteur dont le circuit principal entre la source de fluide et l'enceinte close a une valeur déterminée correspondant à la somme des débits des circuits secondaires en l'absence de tout recyclage interne audit circuit, et on ajuste la température des échangeurs secondaires en fonction des besoins de chaque unité de travail desservie par cet échangeur secondaire, par recyclage interne au sein de chaque circuit secondaire au moyen d'une vanne à trois voies (15,15'), le recyclage induit au niveau de l'enceinte fermée assurant le maintien des conditions de température dans le circuit primaire à une valeur sensiblement constante et optimale.