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GENERATEUR DE FLUIDE CHAUD A THERMO-INDUCTION.
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La presente invention concerne un générateur inductif de fluides chauds dans lequel de l'energie électrique est consommée pour produire le chauffage d'un fluide caloporteur quelconque, tel que de l'eau ou de l'air, par exemple.
Les générateurs ä considerer ici sont du type "transformateur électrique" comportant un enroulement pro¯ maire alimenté en courant électrique par le reseau et couple par un circuit magnétique à un enroulement secondaire qui a la double particularite d'etre tubulaire et en court-circuit
L'enroulement secondaire est parcouru interieurement par. un flujde caloporteur, qui s'échauffe au contact de la paroi du tube, lui meine étant porte en temperature par les courants induits qu'y développe le flux magnetique variable produit dans le circuit magnétique par le courant électrique de l'enroulement primaire.
Des générateurs inductifs connus de ce type sont
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decrits par exemple dans les documents FR-B-527697 ou EP-A- 0193U43.
En comparaison avec les autres appareils de chauffage electrique connus, ces generateurs à thermo-induction pré- presentent, notamment au plan de la sécurité pour l'usager, l'avantage de dissocier totalement le circuit électrique proprement-dit (l'enroulement primaire) du circuit de chauf fage représente par l'enroulement secondaire.
Par ailleurs, le rapport de transformation, propre auxtransformateurs electriques, peut etre mis ä Profit pour laisser l'enroulement secondaire la basse tension tout en assurant une puissance élevée transmise par le primaire, si on le souhaite.
Un aspect essentiel, non encore parfaitement résolu semble-t'il, reste cependant la régulation qui doit permettre de doser le chauffage du fluide selon les besoins.
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Le premier document cité ci-avant (FR-A-527697) suggere, a cette fin, de se servir d'un rhéostat placé en série avec l'enroulement secondaire.
Le second document mentionne (EP-A-0193843) propose une solution p3us souuieuse du rendement energetique de l'appareil consistant ä doter l'enroulement secondaire de thyristors en cascade permettant de faire varier le nombre de spires en court-circuit. Un thyristor par spire agit comme une vanne en "tout ou rien" à l'égard de cette spire.
L'ensemble relativement complexe ainsi constitué s'apparente done a une multitude d'interrupteurs commandés éleotronique¯ ment, qui n'autorisent qu'une regulation discrète (non-con" tinue) du chauffage par sauts élémentaires correspondant à la puissance de chauffe d'une spire de l'enroulement secondaire.
Dans ce document, il est egalement fait référence ä un appareil analogue, connu par le document GB-A-2105159, dans lequel la régulation s'opère au moyen de thyristors placés au primaire. Une telle réalisation impose que la tension au primaire soit suffisamment faible pour etre compatible avec la charge acceptable par les. thyristors, ce qui limite la puissance de ces appareils.
Le but de la présente invention est de proposer une solution simple et fiable pour une regulation continue du chauffage ne presentant pas les inconvénients des solutions connues évoquées ci-avant.
A cet effet, l'invention a pour objet un générateur de fluide chaud ä thermo-induction du type 'transformateur électrique"comportantunenroulementprimairedestinéàetre relié au réseau et couple, par un circuit magnetique, a un enroulement secondaire constitué par un serpentin tubulaire en court-circuit dans lequel circule un fluide caloporteur ä chauffer, générateur caractérisé en ce que des moyens de regulation continue de la puissance de chauffage sont prevus
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au primaire qui sont constitueR. par une inductance saturable montee en aerie avec l'enroulement primaire et pur un genet rateur de courant electriqüc continu-ou redresse-piJotant ladite inductance de maniere ä modifier l'état de son circuit magnetique.
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Avantageusement, le circuit magnétique saturable est fermé. Avantageusementencore,l'inductancesaturablecomporte un circuit magnetique comprenant trois jambes, les jambes exterieures étant pourvues chacune d'un enroulement de puissance, ces deux enroulements sont montes en parallèle entre-eux dans le circuit primaire et la jambe mediane est pourvue d'un enroulement de commande relie au générateur de courant continu. Les enroulements de puissance sont bobinés en sens oppose de facon b creer dans la jambe mEdians des forces magnétomotrices symétriques qui s'opposent ä chaque instant.
Ainsi qu'on l'aura compris, la regulation selon l'invention est basee sur le principe suivant : pour une tension donnée aux bornes du serpentin de chauffe, le courant du secondaire est fonction de la tension de court-circuit de l'appareil. Or, la puissance instantanee de chauffage est directement liee l'intensité du courant dans le secondaire Si l'on fait varier la tension aux bornes de l'enroulement primaire, on fait varier en rapport le courant dans le secondaire et, par voie de consequence, la puissance de chauffe également.
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Pour cela une on cree dans] e circuit priinaireforce dleetromotrice induite par celle de la source d'ali- mentation elle-meme, qui s'oppose ä cette dernière et qui soit variable de sorte que, pour une tension d'alimentation constante, la tension aux bornes de l'enroulement primaire varie correlativement.
Cette force contre-électromotrice variable est produite par une inductance saturable, dont la perméabilité magnetique du noyau"ä vide" (c'est-ä-dire en l'absence de courant au primaire) dépend d'un champ magnetique applique, cree à cet effet par un courant continu-ou redresse-dont on règle l'intensité.
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Ainsi, le réglage de la puissance de chauffage s'opere entièrement en statique, c'est-à-dire sans qu'aucune pièce de l'appareil ne soit mis en mouvement. En outre, l'intensite du courant continu (ou redressé) destine à piloter l'induo¯ tance saturable peut avantageusement être asservie ä un paramètre de reglage du chauffage, par exemple la tcmpdrature de l'eau après chauffage, ou celle du local ä chauffer, grace a un régulateur auquel une valeur de consigne est donnée.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparattront plus clairement au vu de la description qui suit d'un mode de réalisation en référence aux planches de dessins annexées, sur lesquels : - la figure 1 est une representation schematique d'un générateur conforme zo l'invention ; - la figure 2. est une vue aggrandie montrant en détails la partie de la figure 1 représentant les moyens de régulation du chauffage ; - la figure 3 est un schema illustrant le regrou- pement de trois générateurs selon la figure 1 en un appareil unique alimenté en courant triphasé.
On reconnait sur la figure 1 une structurè classique de transformateur électrique comprenant un enroulement primaire 1 couple à un enroulement secondaire 2 par un circuit magnetique 3 sur lequel ils sont tous deux bobines.
L'enroulement primaire 1, en ouivre (ou en aluminium) est noye dans une masse de resine epoxydigue 4, selon une disposition non obligatoire ici, mais typique des transformateurs, dits "sees", dont les moyens de refroidissement par circulation d'air n'ont pas été representes pour ne pas surcharger inutilement la figure.
L'enroulement secondaire 2 est forme par un tube, metallique de préférence, puisqu'on desire lui conferer de bonnes propriétés electro-et thermo-conductrices. Ce tube 2 est relie par ses extrémités à un circuit de chauffage (ou plus généralement à un circuit d'utilisation) parcouru par un fluide caloporteur, que l'on admettra être de l'eau.
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L tube 2 est mis en court-circuit sur lui-meme par la liaison électrique 5 qui relie ses deux extrémités. Une
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mise ä la terre 6 du circuit secondaire est prévue au delä du pontage 5 pour des raisous de sécurité.
L'onroulement aux bornes sous tension d'une tive 7 pouvant avantadeusement etre celle du rseau.
Comme on le voit, une inductance saturable 8, piloteo par un générateur 9 ä courapt continu Ic,est montée en se-rie avec l'enroulement 1 entre les points A'et B du circuit pri- maire ainsi réalisé. Une capacité 19 a été avantageusement prevue en parallble avec l'inductance 8 et l'enroulement
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primaire 1 pour amdliorer le cos. < $ de l'installation. Un interrupteur 10 est également prévu pour permettre l'ouver¯ ture rapide de ce circuit en cas de besoin.
Un exemple de réalisation de l'inductance saturable 8 est montré en détails sur la figure 2, ä laquelle on se reporte present.
Cette inductance comprend un circuit magnétique fermé 11. forme de trois jambes parallèles 12a, 12b, 12c, reliees entre-elles ä leurs extremities par deux culasses rectilignes, respectivement supérieure 13a et inférieure 13b.
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Les jambes exterieures 12a et 12b servent de sup- port à des enroulements électriques de puissance 14a et 14b constituant deux branches en parallèle placÅaes entre les puints A et B du circuit primaire.
Ces enroulements ont un neme nombre de spires et sont sobinés en sens opposées de sorte que les forces magnétomotrices qu'ils creent ciacun dans leur jambe respective soient, au meme instant, d'intensit6 égale, mais orientées en sens contraire afin que leur somme soit nulle dans la jambe mediane pour des raisons de symetrie.
La jambe médiane 12c comporte, elle, un enroulement de commande 15 relié au générateur 9 ä courant continu Io. Elle est pourvue egalement de quelques spires en courtcircuit 16. Ces spires permettent, par un effet de self pore, d'éviter le retour vers le générateur ä courant continu 9 du flux magoétique alternatif résiduel resultant de la dissymétrie des forces magnétomotrices alternatives opposees dans la jambe médiane quand Ic n'est pas nul.
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L'enroulement à courant continu 15 sur la jambe médiane permet de creer un champ magnétique stationnaire qui modifie l'état magnétique des jambes extérieures 12a et 12b et, partant, rend le courant de puissance plus rapidement saturant dans l'une des jambes dans une alternance et plus rapidement saturant, de facon symetrique, dans l'autre jambe ä l'alternance suivante. Pour ne pas nuire ä cette plus grande rapidité d'atteinte du seuil de saturation du circuit magnétique 11, ce dernier est de structure de type "fermé".
De la sorte, lorsqu'aucun courant continu circule (lc=O), l'effet de self de l'inductance 8 est maximum ("self b fer") et, donc, la tension efficace aux bornes de l'enroulement primaire 1 est minimale. Par contre, lorsque l'intensite du courant continu Ic est suffisamment. élavée pour
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saturer à seule le circuit magnetique, l'effet de self elledevient minimum ("self dans l'air"), et la tension efficace aux bornes de l'enroulement primaire 1 devient donc maximale Entre ces deux points limites de fonctionnement, le choix de l'intensite du courant continu Ic permet un réglage fin de l'intensité du courant dans le circuit primaire et done de l'amplitude de latension alternative aux bornes de l'enrou- lement primaire l.
On se reporte a present a nouveau ä la figure 1 pour completer la description du principe de fonctionnement du générateur thermo-inductif selon l'invention.
Du fait que le serpentin 2 du circuit secondaire est en court-circuit par construction, un courant électrique alternatif y circule et provoque un dégagement de'chaleur par effet Joule qui, pour l'essentiel, est évacué par le fluide caloporteur, lors de son passage au contact de la paroi interne du serpentin. Ce dégagement de chaleur depcnd directement de l'intensité efficace du courant dans le secondaire (du carré de cette intensite exactement).
Or, cette intensité est déterminée par la tension induite aux bornes du serpentin 2, laquelle dépend de la tension entretenue aux bornes de l'enroulement primaire 1 et
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dont on vient de voir comment on peut la regulier par le cou* rant continu Ic. Ainsi, la regulation en puissance de l'appareil est obtenue par la modification da la tension aux bornes de l'enroulement primaire 1 à l'aide de l'inductance saturable 8 commandé par le générateur à courant continu 9.
La regulation peut être aisément automatisée, si on le souhaite, par exemple ä l'aide d'un regulateur 18 pilotant le générateur 9 de manière ä garder en deçà d'un certain seuil voulu l'écart de temperature entre une valeur de consigne Vc et celle qu'il reçoit d'un capteur 17 reperdant la température de l'eau ä la sortie de l'enroulement secondaire
Bien entendu, la tension induite aux bornes de l'enroulement secondaire 2 dépend du rapport. de transformation, ä savoir le rapport entre les nombres des spires constitutives du serpentin de chauffe 2 et de l'enroulement inductif 1 respectivement.
On aura donc avantage, pour obtenir des puissances de chauffage élevées, de faire travailler l'appareil en abaisseur de tension en prévoyant. un nombre de spires superieur au primaire 1 et en connectant ce dernier ä une source d'alimentation 7 ä haute ou moyenne tension.
On peut ainsi réaliser des générateurs de chauffage dans une gamme tres large de puissances, allant de 100 Kw ä
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10 Mw environ ä partir d'une alimentation triphasée du rét seau moyenne tension, cbaque phase alimentant. une unité de chauffage, telle que l'appareil illustré par la figure 1.
La regulation selon l'invention est possible entre 100 % da la puissance nominale de l'appareil et environ 10 % de cette puissance. En fonction du point de régulation, le
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< & evolue entre 0. 85"avant"et 0. 85"arriere"grace älapresenco des capacités 19.
Le métal dont est forme l'enroulement secondaire 2 peut avantageusement être de l'acier inoxydable, ou tout autre métal ayant une résistivité élevée ; ce qui permet de travailler avec une densité de courant faible (de l'ordre de 6 A/mm2). En outre, dans le cas de l'inox. la tenue contre la corrosion ä chaud est tout-à-fait satisfaisante. Les dispo- sitions habituelles sont également avantageusement prises
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pour améliorer le rendement de chauffage, tel que le caloric fugeage du serpentin 2 notamment.
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Quant ä l'inductance saturable 8, de nombreuses variantes de réalisation, autres que celle décrite en riference à la figure 2, peuvent eire retenues. Toutefois, quelle que soit la structure retenue pour le circuit magnetique saturable 11, il importe qu'il puisse etre saturé par le champ statique cree par le courant continu Ic, lorsque celui
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çi est reglé ä sa valeur maximale. On prévoira ä cet effet un nombre da spires suffisant pour l'enroulement 15, de manière ä ne pas devoir faire appel a des intensités trop élevées, par exemple supérieures à 10 A.
De meme, en raison du fait que le courant continu de reglage 1c a pour effet de modifier, sur la courbe d'aiman- tntion donnant l'induction magnetique en fonction du champ, la position en hauteur du palier de saturation ainsi que l'emplacement du début de ce palier sur l'axe des abscisses, on pourra trouver avantage ä dimensionner le circuit magnétique 11 de façon que, pour une puissance nominale donnée disponible au primaire, on se situe déjà au voisinage du
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debut du palier quand le = 0.
Au delà, le circuit serait sous-dimensionne. une fraction du champ , p obines 14a et 14b se propagerait dans 1'air et on perdrait alors de la largeur de la plage de regulation de la puissance transmise au secondaire, plage qui peut aller (comme déjà indiqué) de 10% ä 100% de la puissance nominale de l'appareil. En decà carle circuit serait sur-dimensionné, ce qui, en soi, serait un facteur de surcoût qui, en outre, contribue b ressérer cette fois la plage 10-100%, et impose de ce fait un réglage precis
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plus difficile de la puissance dans cette Ön bien entendu, parvenir ä un résultat analogue en adaptant à un circuit 11 de taille donnée le nombre d'ampere-tours du, ou des enroulements 12a, 12b.
L'invention est tout utilisable avec une alimentation triphasee habituelle du réseau moyenne ou haute tensions de distribution de l'éleetricité. Dans ce cas, l'appareil représente sur la figure 1 devient une unité d'un cnsemb] e plus complexe qui en contient trois.
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Un tel ensemble est schématisé électriquement par la figure 3. Chaque phase, notée U, V, H, du réseau moyenne tension ä 20 000 volts entre phases, alimente, via une inductance saturaable 8, 8',8", un enroulement primaire l, l', l".
Ces trois enroulements sont montés ici en etoile et chacun d'entre-eux induit, par l'intermediaire d'un circuit magnétique non représenté, dans un enroulement secondaire en court-circuit constitue par le serpentin 2, 2', 2". Chaque serpentin est monte sur une branche d'un circuit hydraulique de chauffage qui en contient trois en parallble. Plus gene** ralement, ce type d'appareil peut etre polyphasé et comporter, par conséquent, un nombre d'unités élémentaires de chauffage, conformes au générateur thermo-inductif decrit, égal au nombre de phases de l'alimentation.
Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples de réalisation qui viennent d'eire décrits, mais s'étend ä de multiples variantes ou équivalents, dans la mesure ou sont respectées les caractristiques énoncées dans les revendications ci-aprbs.
On noten8 que le domaine d'application de l'inven¯ tion englobe la fabrication d'eau chaude pour le chauffage d'immeubles, ou l'intégration ä des processus industriels. De meine, l'invention s'applique au chauffage de fluides caloporteurs autres que de l'eau, par exemple de l'huile ou meme du souffre ou du sodium liquides, destines à etre utilisds tels quels, ou ä générer de la vapeur haute temperature dans des échangeurs.''