FR2539238A1 - Control method and device for an apparatus used to heat a fluid and keep it at a predetermined temperature - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet une méthode et un dispositif de commande pour appareil utilisé potir porter et maintenir un -fluide à une température prédéterminée. Elle est applicable, notamment, dans les chauffeeau électriques à accumulation. The present invention relates to a method and a control device for apparatus used to carry and maintain a fluid at a predetermined temperature. It is applicable, in particular, in electric storage heaters.
Les chauffe-eau électriques à accumulation du type courant se présentent, comme illustré sur le schéma de la figure 1 annexe, sous la forme d'un réservoir 1, en général cylindrique, pourvu d'une enveloppe 2 d'isolation thermique. A la partie inférieure de ce réservoir sont prévus un orifice 3 d'arrivée de l'eau froide et un orifice 4 de départ de l'eau chaude. Dans le réservoir 1, en contact direct ou non avec l'eau, on dispose un élément résistif de chauffage 5 et une sonde de température 6. L'élément résistif 5 et la sonde 6 sont connectés à un dispositif de commutation thermostatigue extérieur 7 lui-même connecté, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un dispositif 8 de commande d'alimentation et/ou de protection.Ce dispositif est connecté à l'alimentation réseau et il est commuté, soit manuellement, soit automatiquement par les impulsions transmises par le réseau lors des changements de périodes de tarification. The current-type electric storage water heaters are, as illustrated in the diagram of Figure 1 annex, in the form of a tank 1, generally cylindrical, provided with a casing 2 of thermal insulation. At the bottom of this reservoir are provided a port 3 for the arrival of cold water and a 4 opening port of hot water. In the tank 1, in direct contact or not with the water, there is a resistive heating element 5 and a temperature sensor 6. The resistive element 5 and the probe 6 are connected to an external thermostatic switching device 7 him -Even connected, either directly or via a device 8 for power control and / or protection.This device is connected to the network supply and is switched, either manually or automatically by the pulses transmitted by the network during changes in pricing periods.
Gracie à ce dispositif, on peut donc ne commander la mise sous tension de l'élément résistif 5 que lors des périodes à tarification réduite, ctest-à-dire, d'une façon générale: pendant la nuit, de 23 heures à 7 heures, par exemple. Durant cette période, lorsque la température de l'eau contenue dans le réservoir 1 devient inférieure à la température désirée et affichée sur le dispositif de commutation thermostatique 7 diminuée d'une quantité tt, le signal transmis par la sonde 6 commande le passage de ce dispositif de commutation 7 à l'état passant. L'élément résistif 5 est alors mis sous tension et assure le réchauffage de l'eau contenu dans le réservoir 1.Lorsque la température de cette eau devient égale à la température désirée, le signal transmis par la sonde 6 commande le basculement du dispositif de commutation 7 et l'élément résistif 5 n'est plus alimenté. Thanks to this device, it is therefore possible to control the powering up of the resistive element 5 only during periods with reduced tariffs, that is to say, generally: during the night, from 11 pm to 7 am , for example. During this period, when the temperature of the water contained in the tank 1 becomes lower than the desired temperature and displayed on the thermostatic switching device 7 minus a quantity tt, the signal transmitted by the probe 6 controls the passage of this switching device 7 in the on state. The resistive element 5 is then energized and ensures the heating of the water contained in the tank 1.When the temperature of this water becomes equal to the desired temperature, the signal transmitted by the probe 6 controls the tilting of the device. switching 7 and the resistive element 5 is no longer powered.
A la fin de la période de tarification réduite, des impulsions transmises par le réseau commandent le dispositif d'alimentation 8 qui interrompt alors toute liaison électrique entre le dispositif de la figure 1 et le réseau. At the end of the reduced charging period, pulses transmitted by the network control the supply device 8 which then interrupts any electrical connection between the device of Figure 1 and the network.
Il est alors bien évident que la température de l'eau contenue dans le réservoir va décroître plus ou moins lentement en fonction, notamment, de l'utilisation (tout volume d'eau chaude prélevée est immédiatement remplacé par un volume identique d'eau froide), des qualités d'isolation thermique de l'enveloppe 2, et de l'importance des pertes de chaleur par conduction au niveau des canalisations. Cette décroissance va se poursuivre au moins Jusqu'au débout de la prochaine période de tarification réduite. It is then very obvious that the temperature of the water contained in the reservoir will decrease more or less slowly depending, in particular, on the use (any volume of hot water taken is immediately replaced by an identical volume of cold water ), thermal insulation qualities of the casing 2, and the importance of heat loss by conduction at the pipe. This decline will continue at least until the start of the next reduced pricing period.
Une telle installation présente de nombreux inconvénients. Ainsi, le dispositif de commutation thermostatique 7 présente à la fois une certaine inertie et de l'hystérésis : on a vu précédemment que l'élément résistif de chauffage 5 n'est plus alimenté lorsque l'eau du réservoir atteint la température désirée, ou température de crête, et qu'il est remis sous tension lorsque la température de l'eau du réservoir devient inférieure à cette température de crête diminuée d'une quantité Qt. Cet écart de température tt peut être supérieur à 10 ou même 150 I1 peut arriver que cette température provoquant la remise sous tension de l'élément résistif 5 soit atteinte très peu de temps avant la fin de la période à tarification réduite.La durée de cette mise sous tension est alors insuffisante pour que la température de l'eau du réservoir atteigne une valeur satisfaisante. I1 s'ensuit une gêne pour l'utilisateur qui, le plus souvent, a besoin de l'eau à 12 température prédéterminée dans l'heure qui suit la fin de la période à tarification réduite. Such an installation has many disadvantages. Thus, the thermostatic switching device 7 has both a certain inertia and hysteresis: it has been seen previously that the resistive heating element 5 is no longer supplied when the water of the tank reaches the desired temperature, or peak temperature, and that it is energized when the water temperature of the tank falls below this peak temperature minus a quantity Qt. This temperature difference tt may be greater than 10 or even 150 I1 can It happens that this temperature causing the resistive element 5 to be energized again is reached very shortly before the end of the period with a reduced tariff. The duration of this power up is then insufficient for the temperature of the water of the tank reaches a satisfactory value. This results in inconvenience to the user who, in most cases, needs water at a predetermined temperature within one hour of the end of the reduced pricing period.
Cette gêne est d'autant plus ressentie que l'utilisateur sait que, quelques heures auparavant,l'eau était,inutilement, à la température désirée. This discomfort is all the more felt as the user knows that a few hours ago, the water was, unnecessarily, at the desired temperature.
Pour s'affranchir en partie de cet inconvénient, l'utilisateur est amené à afficher sur le dispositif de commutation thermostatique 7, une température de crête supérieure à la température désirée. Il en résulte une surconsomma- tion d'énergie électrique pour obtenir finalement un résultat bien aléatoire.To overcome this disadvantage, the user is required to display on the thermostatic switching device 7, a peak temperature greater than the desired temperature. This results in overconsumption of electrical energy to finally obtain a very random result.
En effet, les pertes de chaleur augmentent avec la température de l'eau dans le réservoir. En outre, la température de cette eau en fin de période à tarification réduite dépend beaucoup trop de la température de l'eau au début de cette période, toutes choses égales par ailleurs, pour être assuré que la température de l'eau en fin de période à tarification réduite ait une valeur bien déterminée. De plus, on sait que le vieillissement de l'installation due en grande partie à l'entartrage augmente de façon prohibitive avec la tempé- rature de crête choisie.Indeed, the heat losses increase with the temperature of the water in the tank. In addition, the temperature of this water at the end of the reduced tariff period depends too much on the temperature of the water at the beginning of this period, all other things being equal, to be sure that the water temperature at the end of period with reduced pricing has a well-defined value. In addition, it is known that the aging of the plant due in large part to scaling increases prohibitively with the chosen peak temperature.
La présente invention a donc pour objet une méthode et un dispositif de commande qui permet de pallier ces inconvénients. The present invention therefore relates to a method and a control device that overcomes these disadvantages.
La méthode de commande de l'invention est caractérisée en ce qu'elle consiste à calculer à chaque instant la température qu'atteindrait le fluide considéré à la fin d'une période déterminée si l'appareil utilisé pour obtenir cette température était mis sous tension à cet instant et à commander cette mise sous tension uniquement lorsque cette température est égale à une température prédéterminée. The control method of the invention is characterized in that it consists in calculating at each instant the temperature that would reach the fluid considered at the end of a given period if the apparatus used to obtain this temperature was energized. at this time and to control this power up only when this temperature is equal to a predetermined temperature.
Le dispositif de commande de l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend, notamment, un microprocesseur qui reçoit un signal fourni par une sonde de température et identifiant la température actuelle du fluide, une mémoire morte dans laquelle on emmagasine les caractéristiques de l'appareil utilisé, et un circuit de réglage et d'affichage de la température prédéterminée. The control device of the invention is characterized in that it comprises, in particular, a microprocessor which receives a signal supplied by a temperature probe and which identifies the current temperature of the fluid, a read-only memory in which the characteristics of the device are stored. the apparatus used, and a circuit for setting and displaying the predetermined temperature.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant exposés de façon plus détaillée dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent
- la figure 1, déjà citée, le schéma de principe du fonctionnement d'un chauffe-eau du type connu
- la figure 2, le schéma de principe d'un exemple de réalisation d'un dispositif de commande conçu conformément à la présente invention utilisé en relation avec le chauffe-eau de la figure 1 ;
- - la figure 3, des chronogrammes illustrant la variation dans le temps de la température de l'eau dans le réservoir du chauffe-eau de la figure 1 et dans le réservoir du chauffe-eau de la figure 2.The various objects and features of the invention will now be described in more detail in the description which follows, given by way of non-limiting example, with reference to the appended figures which represent
- Figure 1, already mentioned, the schematic diagram of the operation of a water heater of the known type
- Figure 2, the block diagram of an exemplary embodiment of a control device designed according to the present invention used in connection with the water heater of Figure 1;
FIG. 3, timing diagrams illustrating the variation over time of the temperature of the water in the tank of the water heater of FIG. 1 and in the tank of the water heater of FIG. 2.
On décrira d'abord, en se reportant à la figure 2 un exemple de réalisation d'un dispositif de commande de chauffe-eau conçu conformément à la présente invention. An exemplary embodiment of a water heater control apparatus designed in accordance with the present invention will be described first with reference to FIG.
On retrouve dans le schéma de la figure 2, le réservoir 1 et l'enveloppe 2 du chauffe-eau de la figure 1, ainsi que les canalisations d'arrivée (3) et de départ (4) de l'eau, l'élément résistif de chauffage 5, la sonde de température 6 et le dispositif de commande d'alimentation et de protection 8 précédemment décrits. In the diagram of FIG. 2, there is the tank 1 and the casing 2 of the water heater of FIG. 1, as well as the inlet (3) and outlet (4) lines of the water. resistive heating element 5, the temperature sensor 6 and the feed and protection control device 8 previously described.
Le dispositif de commande de l'invention comprend une unité de eommande centrale UC qui peut être réalisée sous la forme d'un microprocesseur de type connu ou sous la forme d'une unité logique câblée. A ce microprocesseur sont associées une unité de stockage de données MM qui peut être une mémoire morte du type ROM,EPROM ou anaUgue,et une horloge HG dans le cas où le type de microprocesseur choisi ne comprend pas déjà cette fonction. Le dispositif de la figure 2 comprend également un relais RS, de préférence un relais statique, un circuit TC de réglage et d'affichage de la température de crête de l'eau contenue dans le réservoir 1 et un circuit AL d'alimentation. The control device of the invention comprises a central control unit UC which can be embodied in the form of a microprocessor of known type or in the form of a wired logic unit. To this microprocessor are associated a data storage unit MM which can be a read-only memory of the ROM, EPROM or analog type, and a clock HG in the case where the type of microprocessor chosen does not already include this function. The device of FIG. 2 also comprises a relay RS, preferably a static relay, a circuit TC for setting and displaying the peak water temperature contained in the tank 1 and a supply circuit AL.
Dans la mémoire MM sont enregistrés ie programme du microprocesseur
UC ainsi que les différents paramètres caractérisant le chauffe-eau, c'est-àdire sa puissance électrique et le volume du réservoir.In memory MM are recorded the microprocessor program
UC as well as the various parameters characterizing the water heater, ie its electric power and the volume of the tank.
La sonde de température 6 est connectée directement à une entrée non référencée du microprocesseur UC. Ce dernier reçoit donc un signal transmis par cette sonde et identifiant la température actuelle de l'eau du réservoir. The temperature probe 6 is connected directly to an unreferenced input of the microprocessor UC. The latter therefore receives a signal transmitted by this probe and identifying the current temperature of the water tank.
En pratique, le signal fourni par la sonde 6 est un signal analogique de niveau faible. I1 est alors amplifié et converti en un signal numérique d'amplitude suffisante par un circuit d'adaptation et de conversion intercalé entre la sonde 6 et le microprocesseur UC. Un tel circuit est connu et n'entre pas dans le cadre de l'invention. Pour simplifier, on supposera donc que le signal fourni par la sonde 6 est directement exploitable par le microprocesseur UC. In practice, the signal provided by the probe 6 is a low level analog signal. I1 is then amplified and converted into a digital signal of sufficient amplitude by an adaptation and conversion circuit inserted between the probe 6 and the microprocessor UC. Such a circuit is known and does not fall within the scope of the invention. For simplicity, it will be assumed that the signal provided by the probe 6 is directly usable by the microprocessor UC.
L'élément résistif de chauffage 5 est alimenté par le réseau via le relais statique RS et le dispositif de commande d'alimentation et de protection 8. The resistive heating element 5 is supplied by the network via the static relay RS and the power and protection control device 8.
Le relais statique RS est commandé par le microprocesseur UC et le dispositif de commande et de protection 8 peut être commuté, comme on l'a vu précédemment, soit manuellement, soit automatiquement par les impulsions transmises par le réseau lors des changements de périodes de tarification. The static relay RS is controlled by the microprocessor UC and the control and protection device 8 can be switched, as has been seen previously, either manually or automatically by the pulses transmitted by the network during the change of charging periods. .
Le circuit d'alimentation AL est un circuit de type connu dont les entrées non référencées sont connectées au réseau et qui fournit une tension continue convenant à l'alimentation du microprocesseur UC. Pour simplifier le schéma de la figure 2, on n'a pas représenté les différentes liaisons entre le circuit A et 7es autres circuits dont le fonctionnement nécessite une tension d'alimentation qui leur est fournie par ce circuit AL. The supply circuit AL is a known type of circuit whose unreferenced inputs are connected to the network and which provides a DC voltage suitable for supplying the microprocessor UC. To simplify the diagram of FIG. 2, the various connections between the circuit A and the other circuits whose operation requires a supply voltage supplied to them by this circuit AL are not shown.
Ainsi, dans l'exemple considéré, dès la début de la période à tarification réduite le microprocesseur qui connaît la température actuelle ta de l'eau du réservoir, information fournie par la sonde-6, l'heure actuelle TD, l'heure TF de fin de la période à tarification réduite et la température de crête tm de l'eau du réservoir fournie par l'utilisateur a ide du circuit de réglage TC calcule la température th à laquelle sera portée l'eau du réseau voir à l'heurs TF si l'élément résistif de chauffage 5 était alimenté dès cet instant actuel, c'est-à-dire à l'heure TD.Pour cela il effectue le calcul d'une formule de la forme th = (TF'- TD). 1 < K + ta dans laquelle K est un coefficient qui, tenant compte de la puissance Slec trique du chauffe-eau et du volume du réservoir, donne en degrés par heure l'augmentation de la température de l'eau du réservoir en période de chauffage. Thus, in the example considered, from the beginning of the reduced-pricing period, the microprocessor which knows the current temperature ta of the water of the tank, information provided by the probe-6, the current time TD, the time TF end of the period with reduced tariff and the peak temperature tm of the reservoir water supplied by the user, the TC control circuit calculates the temperature t at which the water of the network will be carried out see to the hours TF if the resistive heating element 5 was fed from this current moment, that is to say at TD time. For this it performs the calculation of a formula of the form th = (TF'-TD) . 1 <K + ta where K is a coefficient which, taking into account the heat capacity of the water heater and the volume of the tank, gives in degrees per hour the increase in the temperature of the water of the reservoir during the heating period. heating.
Le microprocesseur effectue à chaque instant la comparaison de la température finale th et de la température de crête tm. Dès que ces deux valeurs sont identiques ou, dans le cas exceptionnel où la valeur th précédemment calculée est inférieure à la température tm,-il transmet un ordre de commande au relais statique RS qui commute et devient alors passant : l'élément résistif 5 est donc normalement alimenté dès cet instant et assure le chauffage de l'eau du réservoir. De cette façon, à la fin de la période à tarification réduite, la température de l'eau du réservoir est égale à la température de crête tm. The microprocessor constantly compares the final temperature th and the peak temperature tm. As soon as these two values are identical or, in the exceptional case where the previously calculated th value is lower than the temperature tm, it transmits a control command to the static relay RS which switches on and then becomes on: the resistive element 5 is therefore normally fed from this moment and ensures the heating of the water tank. In this way, at the end of the reduced tariff period, the water temperature of the tank is equal to the peak temperature tm.
Le chronogramme 2 de la figure 3 illustre les variations de la température de l'eau du réservoir lors du fonctionnement qui vient d'être décrit, le chronogramme 1 illustrant les variations de cette température dans les systèmes de chauffage actuels. Dans ce dernier cas, on voit que, la température actuelle a au débout TO de la période à tarification réduite étant au plus égale au seuil de déclenchement du dispositif de commutation thermostatique 7 (figure 1), l'élément résistif de chauffage est alimenté à l'heure TO : la température de l'eau du réservoir augmente et atteint la température de crête tm. Le chauffage est interrompu et la température de l'eau décroît.A l'heure TF, c'est-à-dire à la fin de la période à tarification réduite, cette température est égale à tb nettement inférieure à la température de crête im. Par l'utilisation du dispositif de l'invention (chronogramme 2), on retarde la mise sous tension de l'élément résistif afin que la température de l'eau du réservoir atteigne la température de crête tm à l!heure TF. The timing diagram 2 of FIG. 3 illustrates the variations in the temperature of the water of the reservoir during the operation just described, the timing diagram 1 illustrating the variations of this temperature in the current heating systems. In the latter case, it can be seen that the current temperature at the start-up TO of the period with reduced tariff being at most equal to the triggering threshold of the thermostatic switching device 7 (FIG. 1), the resistive heating element being supplied with time TO: the water temperature of the tank increases and reaches the peak temperature tm. The heating is interrupted and the water temperature decreases. At the time TF, that is to say at the end of the period with reduced tariff, this temperature is equal to tb clearly lower than the peak temperature. . By using the device of the invention (timing diagram 2), the resistive element is delayed so that the temperature of the water in the tank reaches the peak temperature tm at time TF.
I1 est bien évident que, si l'on a supposé qu'un seul cycle de réchauffage pouvait avoir lieu pendant la période à tarification réduite, le fonctionnement du dispositif de l'invention est identique si plusieurs cycles de réchauffage peuvent se produire pendant cette période. Dans ce cas, co- nomie d' énergie réalisée est encore plus importante puisque le microprocesseur UC n'autorise qu'un seul cycle de réchauffage qui est celui qui a pour résultat de porter l'eau à la température tm à l'heure TF. It is obvious that, if it has been supposed that only one reheating cycle could take place during the reduced-tariff period, the operation of the device of the invention is identical if several reheating cycles can occur during this period. . In this case, the energy cost achieved is even greater since the microprocessor UC allows only one heating cycle which is the one which results in bringing the water to the temperature tm at the time TF .
On a représentd sur le schéma de la figure 2 un circuit de commande
CM connecté par des liaisons en traits interrompus au microprocesseur UC et au dispositif de commande d'alimentation 8. Un tel circuit de commande manuelle est utilisé pour commander le réchauffage de l'eau en dehors des périodes à tarification réduite au gré de l'utilisateur.In the diagram of FIG. 2, a control circuit is shown
CM connected by dashed lines to the microprocessor UC and the power control device 8. Such a manual control circuit is used to control the reheating of the water outside the reduced-rate periods at the discretion of the user .
Grâce au dispositif de l'invention, l'utilisateur a donc à sa disposition, à l'heure TF, de l'eau à la température désirée et ceci qu'elle que soit la température de cette eau à l'heure TO de début de la période à tarification réduite, donc quelle qu'ait pu être la consommation d'eau chaude le jour précédent. Thanks to the device of the invention, the user has at his disposal, at time TF, water at the desired temperature and this that is the temperature of this water at the start time TO during the low-cost period, so whatever may have been the consumption of hot water the previous day.
Dans la description qui précède, on a choisi, à titre d'exemple, l'utilisation du dispositif de l'invention pour la commande d'un chauffe-eau. In the foregoing description, the use of the device of the invention for the control of a water heater has been chosen as an example.
I1 est bien évident que cette description n'a été donné qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Ainsi, la même méthode et le même dispositif peuvent être utilisés pour la commande de tout appareil de chauffage ou de réfrigération de tout fluide. It is obvious that this description has been given by way of non-limiting example and that many variants can be envisaged without departing from the scope of the invention. Thus, the same method and device can be used to control any heating or refrigerating device of any fluid.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8300322A FR2539238A1 (en) | 1983-01-11 | 1983-01-11 | Control method and device for an apparatus used to heat a fluid and keep it at a predetermined temperature |
Applications Claiming Priority (1)
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| FR8300322A FR2539238A1 (en) | 1983-01-11 | 1983-01-11 | Control method and device for an apparatus used to heat a fluid and keep it at a predetermined temperature |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2539238A1 true FR2539238A1 (en) | 1984-07-13 |
Family
ID=9284832
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR8300322A Withdrawn FR2539238A1 (en) | 1983-01-11 | 1983-01-11 | Control method and device for an apparatus used to heat a fluid and keep it at a predetermined temperature |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2539238A1 (en) |
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1983
- 1983-01-11 FR FR8300322A patent/FR2539238A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |