CA1298881C - Generateur de fluide chaud a thermo-induction - Google Patents

Abstract

GENERATEUR DE FLUIDE CHAUD A THERMO-INDUCTION. Ce générateur de fluide chaud par thermo-induction est du type "transformateur électrique" dont l'enroulement secondaire 2 est en court-circuit et formé par un serpentin tubulaire dans lequel circule le fluide à chauffer. La régulation de la puissance est assurée au primaire par une inductance variable 8 à circuit magnétique 11 saturable par un courant électrique continu, fourni par un générateur 9, et dont l'intensité réglable Ic permet, en modifiant l'état magnétique du circuit 11, de modifier en conséquence le coefficient de self-induction et donc également la tension aux bornes du primaire 1 qui détermine celle aux bornes du serpentin de chauffe 2. Ce générateur peut constituer avantageusement une unité élémentaire d'un appareil polyphasé formé d'autant d'unités que de phases de l'alimentation.

Description

-. ~2~38~1 , --1 GENERATEUR DE FLUIDE CHAUD A T~ERMO-INDUCTION

La presente invention concerne un génerateur inductif de fluides chauds dans lequel de l'energie electrique est consommée pour produire le chauffage d'un fluide caloporteur quelconque, tel que de l'eau ou de l'air, par exemple.

Les générateurs à considérer ici sont du type "transformateur électrique" comportant un enroulement primaire alimenté en courant électrique par le réseau et couplé par un circuit magnétique à
un enroulement secondaire qui a la double particularité d'être tubulaire et en court-circuit.
L'enroulement secondaire est parcouru intérieurement par un fluide caloporteur, qui s'échauffe au contact de la paroi du tube, lui même étant porté en température par les courants induits qu'y développe le flux magnétique variable produit dans le circuit magnétique par le courant électrique de l'enroulement rimaire.

Des générateurs inductifs connus de ce type sont décrits par exemple dans les documents FR-B-527697 publié le 28 octobre 1921 (NOEL) ou EP-A-0193843, publié le 10 septembre 1986 (ALSTHOM).
En comparaison avec les autres appareils de : chauffage electrique connus, ces générateurs à
thermo-induction présentent, notamment au plan de la sécurité pour l'usager, llavantage de dissocier totalement le circuit électrique proprement-dit (l'enroulement primaire) du circuit de chauffage représenté par l'enroulement secondaire.

., : , , - ~ , , . :;

~:
': ' :

~2g~

-2-. .
Par ailleurs, le rapport de transformation, propre aux transformateurs électriques, peut être mis à profit pour laisser l'enroulement secondaire à
la basse tension tout en assurant une puissance élevée transmise par le primaire, si on le souhaite.
Un aspect essentiel, non encore parfiatment résolu semble-t'il, reste cependant la régulation qui doit permettre de doser le chauffage du fluide selon les besoins.

Le premier document cité ci-avant (FR-A-527697) suggère, à cette fin, de se servir d'un rhéostat placé en série avec l'enroulement secondaire.
, Le second document mentionnë (EP-A-0193843) propose une solution plus soucieuse du rendement énergetique de l'appareil consistant à doter ! l'~enroulement secondiare de thyristors en cascade permettant de faire varier le nombre de spires en court-circui.t. Un Thyristor par spire agit comme une vanne en "tout ou rine" à l'égard de cette spire. L'ensemble relativement complexe ainsi ; constitué s'apparente donc a une multitude ` d'interrupteurs commandés électroniquement, qui (~ n'autorisent qu'une régulation discrète -; 25 (non-continue) du chauffage par sauts élémentaires correspondant à la puissance de chauffe d'une spire de l'enroulement secondaire. -~
Dans ce document, il est également fait référence à un appareil analogue, connu par le 30 document GB-A-2105159, publié le 16 mars 1983 (CHELTENHAM INDUCTIVE HEATING) dans lequel la régulation s'opère au moyen de thyristors placés au primaire. Une telle realisation impose que la tension au primaire soit suffisamment faible pour .. . , ., ~. . .. .
., . , ~ .. ~ . . -:

.
' ~298~
-2a-être 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 régulation continue du chauffage no présentant pas les inconvénients des solutions connues évoquées ci-avant.
A cet effet, l'invention a pour objet un générateur de fluide chaud à thermo-induction du type "transformateur électrique" comportant un enroulement primaire destiné à etre relie au reseau et couple, par un circuit magnetique, à un enroulement secondaire constitué par un serpentin tubulaire en court-circuit dans lequel circule un fluide caloporteur à chauffer, génerateur caractérisé en ce que des moyens de régulation continue de la puissance de chauffage sont prévus au primaire qui sont constitués par une -inductance saturable montée en série avec l'enroulement primaire et par un générateur de courant électrique continu -ou redressé- pilotant ladite inductance de manière à modifi-r l'état de son circuit magnétique.
.

: :
.
, 1~988~3~

Ava~tageusement, le circuit magnétigue saturable est ferme.Avantageusement encore,l'inductance saturable comporte un circuit ma~netique comprenant trois jambes, les jambes extérieures etant pourvues chacune d'un enroulement de puissance, ces deux enroulements sont montés en parallèle entre-eux dans le circuit primaire et la jambe mediane est pourvue d'un enroulement de commande relie au ~énérateur de courant continu. Les enroulements de puissance sont ~obinés en sens opposé de fa~on à creer dans la iambe mediane des forces ma~nétomotrices symétriques qui s'opposent à chaque instant.

~ insi qu'on l'aura compris, la régulation selon l'invention est basée sur le principe suivant: pour une ten~
sion donnée ~ux bornes du serpentin de chauffe,le courant du secondaire est fonction de la tension de court-circuit de l'appareil. Or, la puissance instant~née de chau~age est directement liée à l'intensité du courant dans le secondaire Si l'on fait varier la teDsion aux bornes de l'enroulement primaire,on ~ait varier en rapport le courant dans le secon~
daire et, par voie de conséquence, la puissance de chauffe également.
Pour celà, on crée dans le circuit primaire une force électromotrice induite par celle de la source d'ali~
mentation elle-m~me, gui s'oppose ~ cette derniere et gui soit variable de sorte que, pour une tension d'alimentation constante, la tension aux bornes de l'enroulement primaire varie corrélativement.
Cette force contre-électromotrice ~ariable est pro~
duite par une inductance saturable, dont la perméabilité
magnétigue du noyau "à vide" (c'est-à-dire en l'absence de courant au primaire~ dépend d'un champ magnétigue ~ppliqué, créé a cet effet par un courant continu -ou redressé- dont on règ~e l'intensi-te.

.

, . . . . . . . .
, , ~2~888~

Ainsi,le réglage de la puissance de chauffage s'opère entiarement en statigue, c'est-à-dire sans gu'aucune pièce de l'appareil ne soit mis en mouve~ent. ~'n outre,l'in-tensité
du courant continu (ou redressé) destiné à piloter l'induc~
5 tance saturable peut avan-ta~eusement être asservie à un paramètre de règlage du chauffage,par exemple la température de l'eau apres chauf~age, ou celle du local à chauffer,grace à un régulateur auquel une valeur de consigne est donnée.

L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages appara~tront plus clairement au ~u de la des~
cription gui suit d'un mode de réalisation en référence aux planches de dessins anne~ée~, sur lesquels:
- la figure 1 est une représentation schematique 15 d'lin genérateur conforme a 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 schéma illustrant ]e regrou~
20 pement de trois générateurs selon la figure 1 en un appareil unique alimenté en courant triphasé.

On reconnait sur la figure 1 une structure classique de transformateur électrique comprenant un enroulement Pri~
- 25 maire 1 couplé à un enroulement secondaire 2 par un circuit - magnétlque 3 sur lequel ils sont tous de~x bobinés.
L'enroulement primaire 1, en cuiYre(ou en aluminium~
est noyé da~s une masse de résine époxydique 4, selon une disposikion non obligatoire ici, mais typique des transfor~
30 mateurs, dits "secs", dont les moyens de refroidisse~ent par circulation d'air n'ont pas ét~ représentés pour ne pas sur~
char~er inutilement la -fi~ure.
L'enroulement secondaire 2 es-t formé par un tube, métallique de preférence, puisgu'on d&sire lui con~érer de 35 bonnes proprié-tés électro- et thermo-conductrices. Ce tube 2 est relié par ses extrémités à un circuit de chauffage (ou plus gc~erale~ent à un cireui-t d'utilisat;ion) parcouru par un fluide c~loport,eur, que l'on adme~tra @tre de l'eau.

, ' ~ . , ,, ,- .

.. .

~88~

Le tube Z est mis e~ court-circuit sur lui-meme par la liaison électrique 5 qui relie ses deux extrémites. Une mise à la terre 6 du circuit secondaire est prévue au delà
du pontage 5 pour des raisons de securité
]~'enroulement primaire l,est, quant à lui,relié aux bornes SOU5 tension d'une alimentation elec-trique alterna~
tive 7 pouvant avan-tageusement ~tre celle du réseau.
Comme on le voit,une inductance saturable 8,pilo~ée par un génerateur 9 à courant continu Ic,est montee en serie avec l'enroulement l entre les points A et B du oircuit pri~
maire ainsi réalisé. Une capacité l~ a été avantageusement prévue en parallèle avec l'inductance B et l'enroulement primaire l pour améliorer le cos. ~ de 1'installation. Un interrupteur 10 est également prévu pour permettre l'ouver~
ture rapide de ce circuit en cas de besoi~.
Un exemple de réalisation de l'inductance saturable 8 est montré en détails sur la fi~ure 2, à la~uelle on se reporte à present Cette inductance comprend un circuit ma~netique fermé ll, formé de trois jambes parallèles lZa, 12b, l~c, reliées entre-elles à leurs extrémités par deux culasses rectilignes,respective~ent supérieure 13a et inférieure 13b Les jambes e~terieures lZa et 12b servent de sup~
port à des enroulements electriques de puissance 14a et l4b co~stitu~nt deu-x branches en parall~lo placées entre les points A et B du circuit primaire. Ces enroulements ont un meme nombre de spires et sont bobines e~ sens oPpos~s de sorte que les forces magnetomotrices qu'ils creent chacun dans leur jambe respective soient, au même insta~t, d'inten~
site egale, mais orientées en sens contraire afin que leur somme soit nulle dans la jambe mediane pour des raisons de symetrie ~ - La jambe mediane l2c comporte, e~le, un enroulement de commande 15 relié au généra-teur 9 à courant continu Ic.
Elle est pourvue egalemen-t de guelgues spires en cOu~t -circuit l~. Ces spires permettent,par un effet de self P~re, d'éviter le retour vers le ger~érateur à courant continu 9 du flux magnetigue alternatif résiduel resultarlt de la dissy~
metrie des forces magnétomotrices alternatives opposees dans la jam~e roe(3iane guar~(~ ]c n'est pas nul ' :

, :: ~29~

L'enroule~nent a courant continu 15 sur la jambe ; médiane permet de créer un champ magnétique stationnaire qui modifie l'état ma~nétique 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 rapidemen-t saturant, de facon symétrique, dans l'autre jambe ; à l'alternance suivant,e. Pour ne pas nuire à cet-te plus grande rapidité d'atteinte du seuil de satura$ion du circuit magnéti~ue 11, ce dernier est de structure de type "fermé".
De la sorte, lorsqu'aucun courant continu circule ~Ic=O), l'effet de self de l'induct,ance 8 est maxîmum ("self à fer") et, donc, la tension efficace aux bornes de l'enrou~
lement primaire 1 est minimale. Par contre, lorsque l'inten~
sité du courant continu lc est su~fisamment élevée pour saturer à elle seule le circuit ma~netique, l'effet de self devient 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'in~ensité du courant continu Ic permet un régla~e ~in de l J intensité du courant dans le circu-.t primaire et donc de l'amplitude de latension alternative aux bornes de l'enrou~
. lement primaire 1.

On se reporte à present à nouveau à la figure 1 pour complèter la description du principe de fonctionne~ent du générateur thermo-inducti~ selon l'invention.
Du fait que le serpen-tin 2 du circuit secondaire est en court-circuit, par construction, un courant electrique alternatif ~ circule et provogue un dégagement de' chaleur par effet Joule qui, pour l'essentiel, est évacué par le fluide cal~porteur, lors ds son passage au contact de la paroi interne du serpentin. Ce degagement de chaleur depend directement de l'intensité e~ficace du courant dans le secon~aire ~du carré de cette intensité exactement).
Or, cette intensité est déterl~inée par la tension in~uite aux ~ornes du ~erpentin 2, laquell~ depend ~e la te~sion entrctenue aux bornes de l'enroulemen-t primaire 1 et , . . ~ . . , : , , 1~9~

dont on vient de voir comment on peut la réguler par le cou~
rant con-tinu Ic~ Ainsi, la régulation en puissance de l'ap~
pareil est obtenue par la modification de la tension aux f bornes de l'enroulement primaire 1 à l'aide dc l'inductance 5 satura~le 8 commar~dee par le générateur à courant continu 9.
La regulation peut ~tre aisément atltomat,iSée, si on le soùhaite,par e~emple à l'aide d'un régulateur 18 pilotant I le génér~teur 9 de manière à garder en de~à d'un certain seuil voulu l'écart de température entre une ~aleur de con~
l0 signe Vc et celle qu'il reçoit d'un capteur 17 repérant la température de l'eau à la sortie de l'enroulement secondaire Bien entendu, la tension induite au~ bornes de l'enroulement secondaire 2 dépend du rapport de transforma~
tion, à savoir le rapport entre les nombres des spires cons~
15 titutives du serpentin de chauffe 2 et de l'enroulement in~
ductif 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 supérieur au primaire 1 et en connectant ce dernier à
20 une source d'alimentation 7 à hau-te ou moyenne tension.
On peut ainsi réaliser des générateurs de chauffage da~s une gamme très large de puissances, allant de lOO Kw à
10 Mw environ à partir d'une alimenta~ion triphasée du ré~
seau moyenne tension, chaque phase alimentant une unitë de 25 chauffage, telle que l'ap~areil illustré par la figure 1.
La régulation selon l'invention est possible entre 100 % de la puissance nominale de l'appareil et enYiron 10 % ¦~
de cette puissance. En fonction du point de régulation~ le eos. ~ évoluè entre 0.85 'avant" et 0.85 "arrière" grace a 30 la présencc des capacités 19.
Le métal dont est formé l'enroulement secondaire 2 peut a~antageusement ~tre de l'acier inoxydable, ou tout autre métal ay~nt une résistivité élevée, ce qui permet de travailler avec une densité de courant faible (de l'ordre de 35 ~ A/mm2~. En outre, dans le cas de l'inox.la tenue contre la corrosion à chaud est tout-à-fait satisfaisante. Les dispo~
sitions habitue]]es sont également avantageusement prises pour améliorer le rendement de chauf~age, tel que le calori~
fuBeage du serpentin Z notamment.

.

.

~29~3~38~

~ uant à l'inductance saturable ~, de nombreuse.s variantes de réalisation, autres que celle décrite en réfe~
rence à la ~igure 2, peuvent etre retenues. T~utefois.quelle que soit la structure retenue pour le circuit ma~nétigue saturable 11, il importe gu'il puisse être saturé p~r le champ statique crée par le courant continu Ic, lorsque celui çi est règlé à sa valeur maximale. On prévoira à cet e~fet un nombre de spires suffisant pour l'enroulement 1~, de manière à ne pas devoir faire appel à des intensités t,rop élevées, par exemPle supérieures à 10 A
De meme~en raison du ~ai-t que le courant continu de réglage Ic a pour ef~'e~ de modi~ier, sur la courbe d'aiman~
tation donnant l'induction magnétiyue 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 absci~ses, OD pourra trouver avanta~e à dimensionner le circuit magné~
tique 11 de façon queJ pour une puissance nominale donnée disponible au primaire, on se situe déja au voisinage du début du palier quand Ic - O.
Au delaJ le circuit serai-t sous-dimensiomlé,car une ~raction du champ magnétique`alternatif créé par les bobi~es 14a et 14b se propagerait dans l J air et on perdrait alors de la largeur de la pla~e de régulation de la puissance trans~
mise au secondaireJ plage qui peut aller (comme déià indiqué~
de 10% a 100% de la puissance nominale de l J appareil.En deça le circuit serait sur-dimensionDé, ce quiJ en soi, ser~it un facteur de surco~t quiJ en outre, ~on-tri~ue ~ re5s~rer cettie fois la plage 10-100%,et impose de ce fait un reglage precis plus dif~'icile de la puissance dans cette pla~e.
On pourraitJ bien entendu, parvenir à un resul$at analogue en adaptant à un cireuit 11 de taille donnée le nombre d'ampere-tours du, ou des enroulements lZa, 12bA
L'invention est tout-a-fait utilisable avec une alimentation triphasée habituelle du réseau moyenne ou haute tensions de distribution ~e ]'electricité. Daus ce cas,l'ap~
pareil represent;é sur la figure 1 devient une uni-te d'un eDsemb~e ~us complexe qui en contient trois.

~ , ~

, ~ ~

~9~3~1 ~ 9 Un tel ensemble est schématisé électriquement par la figure 3. Chaque phase, notee U, V, W, du rêseau mOyeDne tension a 20 000 volts entre phases,alimente, via une induc~
tance saturaable 8, 8',8", un enroulement primaire l, l',l".
~es trois enroulements sont montés igi en étoile et chacun d'entre-eux induit, par l'intermediaire d'un circuit magnétique non représe~té, dans un enroulement secondaire en court circuit constitué par le serpentin Z, 2', 2" Chague serpeDtin est monté sur une branche d'un circuit hydraulique da chauffage gui en contient trois en parallèle. Plus géné~
ralement, ce type d'appareil peut ~tre polyphasé et comporter,par conséquent, un nombre d'unités élémentaires de chauf~age, conformes au ~énérateur thermo-inductif décrit, égal au nombre de phases de l'alimentation.

Il va de soi ~ue l'iDvention ne saurait se limi-ter aux exemples de réalisation ~ui viennent d'~tre décrits,mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents, dans la mesure où sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications ci-après.
On notera gue le domaine d'application de l'inven~
tion en~lobe la fabrication d'eau chaude pour le chauffage d'immeub]es. ou l'intégration à des prooessus industriels.De emeJ l'invention s~applique au ~h~uf~age de ~'luides calu~
porteurs ~utres que de l'eau, par exemple de l'huile ou meme du sou~fre ou du sodium liquides, destinés a ~tre utilis~s tels quels, ou à générer de la vapeur haute température dans des échangeurs.

' .
..
.
, .

Claims (7)

1. Générateur de fluide chaud à thermo-induction du type "transformateur électrique", comportant un enroulement primaire destiné à être relié au réseau de distribution de l'électricité et étant couplé, par un circuit magnétique, à un enroulement secondaire constitué par un serpentin tubulaire en court-circuit, dans lequel circule un fluide caloporteur à chauffer, générateur comprenant des moyens de régulation de la puissance de chauffage au primaire caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation sont constitués par une inductance montée en série avec l'enroulement pri-maire et pourvue d'un circuit magnétique fermé saturable et par un générateur de courant continu -ou redressé-pilotant ladite inductance de manière à modifier l'état magnétique de son circuit magnétique saturable.

2. Générateur de fluide chaud selon la revendica-tion 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique fermé saturable comprend trois jambes, dont deux jambes extérieures et une jambe médiane, en ce que les jambes extérieures comportent chacune un enroulement de puissance, ces enroulements étant montés en parallèle dans un circuit électrique reliant l'enroulement pri-maire au réseau, en ce que la jambe médiane comporte un enroulement de commande relié au générateur de courant continu -ou redressé-, et en ce que lesdits enroulements de puissance sont bobinés en sens opposés de façon à créer des flux magnétiques alternatifs dans le circuit magnétique saturable qui s'opposent à chaque instant dans la jambe médiane.

3. Générateur de fluide chaud selon la revendication 2, caractérisé en ce que la jambe médiane comporte également des spires en court-circuit.

4. Générateur de fluide chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est équipé
de moyens de régulation automatique de la puissance de chauffage.

5. Générateur de fluide chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin tubulaire est en acier inoxydable.

6. Générateur de fluide chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une capacité
est montée en parallèle sur le circuit primaire.

7. Appareil de chauffage électrique polyphasé
constitué par autant d'unités élémentaires de chauffage que de phases de l'alimentation électrique à laquelle il est destiné à être relié, chaque unité
élémentaire de chauffage étant conforme au générateur de fluide chaud à thermo-induction selon la revendication 1.