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Departement Genie Thermique EnergieIUT d’Evry - Bretigny - Juvisy
Technologie des systemes thermiques
LAFFAY Pierre-Olivier
Version 2007-2008
Extrait1 du Programme Pedagogique National (( Genie Thermique et energie ))
Intentions pedagogiques et competences associees
Cet enseignement est un enseignement technologique de premiere annee. Il est destine a presenterles appareils essentiels de chauffage, de distribution et de transfert de fluide et a en etudierla decomposition eventuelle en sous-ensembles. Ce module vise a completer ceux de machinesthermiques et de mecanique des fluides en insistant sur les aspects technologiques et sur ceux lies aucouplage entre les machines qui transferent les fluides et les reseaux qui les distribuent. Les compresseurssont vus par ailleurs. Il presentera techniquement la composition globale des ensembles que l’on trouveaussi bien dans le batiment que dans les industries, et la description fonctionnelle des divers elementsqui les composent. Seront mis en evidence leurs roles, leurs courbes caracteristiques de fonctionnement,les regles de securite a respecter. Les travaux pratiques seront prioritairement destines a permettre uncontact etroit de l’etudiant avec ces appareillages ; ils comporteront donc essentiellement des manipula-tions de demontage, mesurage, remontage. Les TP pourront etre groupes avec des TP d’autres disciplinesdu meme semestre.
L’etudiant devra :
• savoir monter et demonter une chaudiere, un corps de chauffe ou un bruleur.
• connaıtre les fonctions caracteristiques des differents organes de distribution desfluides.
• savoir appliquer les regles de securite.
Programme
Bruleurs et chaudieres :
• les bruleurs : ...
• les chaudieres : ...
Machines frigorifiques :
• organes principaux et auxiliaires
Transferts et distribution des fluides :
• Les pompes : les differents types, vitesse variable, courbes caracteristiques
• Les ventilateurs : les differents types, vitesse variable, courbes caracteristiques
Les reseaux aerauliques et hydrauliques :
• les composants : tubes, gaines, vannes, bouteilles de decouplage, ...
• pertes de charge, equilibrage
• adaptation reseaux - machine hydraulique et aeraulique, point de fonctionnement
1Avec quelques adaptations mineures
Table des matieres
Cours :
1 Chaudieres et bruleurs 5
2 Reseaux de fluides 47
3 Pompes et ventilateurs 87
4 Compresseurs 111
5 Machines Frigorifiques 143
6 Complements 173
TD :
1 Machines frigorifiques 185
2 Hydraulique 189
Cours 1
Chaudieres et bruleurs
Contenu du coursI. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
II. Prix de l’energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
III. Abrege de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
III.1. La combustion en elle meme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
III.2. Proprietes fondamentales des combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
III.3. Le F.O.D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
III.4. Les gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
IV. Organisation de la chaufferie (introduction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
V. Les chaudieres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
V.1. Logamax U122 de Buderus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
V.2. Vitorond 200 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
V.3. Vitocrossal 200 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
V.4. Vitogas 100 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
V.5. Vitomax 200 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
V.6. Petit bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
VI. Les bruleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
VI.1. Principe du bruleur a air souffle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
VI.2. Bruleur Fioul OEN-156L EV de Oertli (33 a 50kW) . . . . . . . . . . . . . . 26
VI.3. Vue partielle du Bruleur Gulliver BS1D de Riello . . . . . . . . . . . . . . . 27
VI.4. Bruleur gaz EG 03 B de Elco (108 a 360kW) . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
VI.5. Principe du bruleur gaz atmospherique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
VI.6. Connecteur 7 broches et boıtier de controle de flamme . . . . . . . . . . . . 30
VI.7. Sonde d’ionisation/Cellule photo-resistante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
VI.8. Pompe a fioul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
VI.9. Gicleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
VI.10. Rechauffeur fioul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
VI.11. Detente et regulation gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
VI.12. Chronogramme de mise en marche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
VI.13. Courbe de chauffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
VI.14. Selection d’une chaudiere et d’un bruleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
VII. Complements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
VII.1. Loi d’emission de radiateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
VII.2. Elements permettant le reglage d’un bruleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
VII.3. Analyse de la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
I. Introduction
La production d’eau chaude et de vapeur intervient dans de multiples domaines :
• eau chaude sanitaire et chauffage central• reseaux de vapeur comme celui de la CPCU (Compagnie Parisienne de Chauffage
Urbain)
Le chauffage etant un des besoins fondamentaux de l’homme, il y a une tres forte demande de
specialistes en conception, installation et maintenance d’installationsde chauffage.
En ordre de grandeur il faut retenir :
• ampoule a incandescence : 40W a 120 W• installation de chauffage domestique : 10kW a 80kW• installation de chauffage industriel : 100kW a 60MW• centrale nucleaire : 1GW par coeur nucleaire
La puissance de la chaudiere se determine a partir des besoins thermiques du bati, ces besoins
etant eux-memes calcules suivant la reglementation thermique en vigeur soit la
RT2005 depuis le 1er septembre 2006.
Il est cependant utile en avant projet (pour pouvoir determiner l’ordre de grandeur du cout des
installations,...) de pouvoir estimer la puissance de la chaudiere a installer. Une methode classi-quement utilisee est la methode des ratios. Avant d’aller plus loin sur le sujet signalons des-a-present
que ces ratios ne sauraient en aucun cas se substituer a un calcul thermiquereglementaire complet lors de l’etude complete.
Dans la methode des ratios, les deperditions maximales en France sont en premiere approximationcomprisent entre 20 et 60W.m−3. Cette fourchette est assez large, il importe cependant de preciser quela consommation maximale est atteinte par des habitations anciennes souvent non ventilees, alors quela consommation minimale est atteinte par des installations neuves ou renovees qui sont ventilees.
On peut affiner ce ratio :
Puissance specifique (standard) de chauffage W.m−3
Volume/surface isolationdeperditive (m) actuelle annees 80 sans
0.5 34 46 681 20 27 48
1.5 18 23 412 17 21 373 16 20 344 15 17 32
Prenons l’exemple d’une maison de 100m2 et de hauteur sous plafond 2,7m.
Son volume est : V = 100 ∗ 2, 7 = 270m3
L’isolation est (( standard )), on choisit un ratio de 30W.m−3.
Soit une estimation des deperditions : P ≈ 270 ∗ 30 = 8100 ≈ 8kWDu fait de la relance thermique (retour de vacances, ralenti de jour/nuit,...), il faut
selectionner une chaudiere pouvant fournir (choix par defaut) 20% de puissance en plus.
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 7
En France la reglementation distingue les installations a Eau Chaude Basse Temperature (ECBT)(inferieure a 110C) des installations a Eau Chaude Haute Temperature (ECHT). L’eau est qualifiee
de fluide caloporteur car c’est elle qui vehicule l’energie calorifique depuis sa pro-duction (combustion dans la chaudiere) vers son utilisation (emission par les radiateurs,planchers chauffants,...).
Les elements essentiels d’une installation de chauffage a eau chaude sont :
• production : chaudiere et bruleur• distribution : pompe et tuyauterie• emission : robinets thermostatiques et radiateurs• securite :vase d’expansion et soupape de securite• regulation : sondes de temperatures et boıtier deregulation
Tcapteur de temperature exterieure
boıtierderegulation
soupape
bruleur
chaudiere pompe
vase d’expansion
En pratique on rencontre des reseaux 80/60C ou 45/35C. Les seconds etant qualifies de reseauxa tres basse temperature (planchers chauffants essentiellement). La notation 80/60 a la significa-
tion suivante : la temperature de depart chaudiere est de 80C et celle de retourchaudiere est de 60C.
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8 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
II. Prix de l’energie
L’energie est un defi d’avenir : manque de ressources, pollu-tion, independance energetique, ... Son prix devient de plus en plus eleve,le ministere de l’industrie tient a jour une base de donnees sur le prix des differentes energies. Le prix del’energie varie suivant la consommation, la base de donnees Pegase du ministere de l’industrie permetd’obtenir les differents prix de l’energie suivant la date, la quantite et le type d’energie. La base dedonnees Pegase est accessible par le site www.industrie.gouv.fr rubrique energie. A partir de cette base,on peut determiner le tableau qui suit : les valeurs sont donnees en euros pour 100kWh PCI (PouvoirCalorifique Inferieur), hors prix des installations et de l’entretien :
Energie 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Bois 1.8 1.8 1.8 2.6 2.6 2.6CPCU 4.68 4.97 5.16 5.16 5.18 5.43
Electricite 11.36 11.31 11.40 11.53 11.69 11.69Fioul 4.66 3.98 3.65 3.93 4.54 5.86
Gaz naturel 3.51 4.20 4.22 4.31 4.09 4.45Gaz (propane) 6.39 6.62 6.91 7.34 7.61 9.07
On note que l’evolution du prix de l’energie est a la hausse pour toutes les sources. L’electricite reste
la source la plus chere a l’usage (mais la moins chere a l’installation). A la vue de cetableau, on comprend facilement l’interet financier du chauffage a eau chaude.
En france la population se chauffe :
• a 31% par l’electricite
• a 33% par le gaz
• a 28% par le fioul
• a 3% par le bois dont 80% en complement d’un autremode
• a 5% par d’autres energies (CPCU, ...)
On peut s’attendre a une forte croissance des filieres suivantes :
• solaire thermique• bois• geothermie
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 9
III. Abrege de combustion
III.1. La combustion en elle meme
La combustion peut etre definie comme etant une reaction d’oxydation exothermique(qui produit de la chaleur). On retiendra le triangle de feu de la combustion :
CO
MBUST
IBLE
CHALEUR
CO
MBURANT
Ce triangle a plusieurs points de vue :
• pour les pompiers : il existe differentes manieres pour arreter une combustion :supprimer le combustible (on coupe l’arrivee de fioul ou de gaz), refroidir ou
etouffer la flamme.• pour les chauffagistes (notre point de vue) : pour obtenir une combustion, il
faut un combustible, du comburant et de la chaleur. Une fois la combustion
demarree, la chaleur sera apportee par la flamme elle-meme.
III.2. Proprietes fondamentales des combustibles
Actuellement il existe principalement deux types de combustibles : les gaz (butane, propane, gaz
naturel, ...) et les Fuel-Oil Domestiques (F.O.D). Le bois restant marginal pour les
chaudieres, il s’agit malgre tout de la solution la plus ecologique actuellement disponiblepour le chauffage. En effet le gaz et le petrole sont extraits du sous-sol, il s’agit alors d’un terme
source de CO2. Alors que le bois intervient dans la chaıne du carbone (CO2,...) et neconstitue donc pas un terme source de CO2. Le bois est cependant fortement utilise
dans des cheminees (souvent en complement d’une autre source d’energie).
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10 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
III.3. Le F.O.D
Le Fuel-Oil Domestique est un combustible liquide de masse volumique plus faible que
l’eau (environ 850kg.m−3). Ceci explique que l’eau de condensation s’accumule au fond des cuvesa fioul :
fioul
eau de condensation
On definit le PCI (Pouvoir Calorifique Inferieur) comme etant la quantitede chaleur degagee par 1kg de F.O.D lors d’une combustion ideale, les fumees etant ramenees a latemperature de condensation mais la condensation n’a pas lieu. Dans le cas du F.O.D le PCI est de
12kW.h.kg−1.
On definit aussi le PCS (Pouvoir Calorifique Superieur) comme etant laquantite de chaleur degagee par 1kg de F.O.D lors d’une combustion ideale, les fumees etant rameneesa la temperature de condensation et toute l’eau a condensee. Dans le cas du F.O.D le PCS est de
12, 7kW.h.kg−1.Il existe depuis (environ) 2005 des chaudieres fioul a condension, alors que les chaudieres gaz a
condensation existent depuis de nombreuses annees. Ceci est jusitifie par la presence d’acidessouffres (anhydride sulfurique SO3 et acide sulfurique H2SO4) dans les condensats des fumees is-
sues de la combustion de F.O.D. Les surfaces en contact avec ces acides sont realisees enceramique.
III.4. Les gaz
Le gaz naturel est le gaz extrait du sous-sol directement distribue par GDF. Les autres gaz
(butane, propane, ...) sont essentiellement des sous-produits de la petrochimie.
Le volume des gaz dependent de la temperature et de la pression, il est donc utile de definir
une (( unite )) de volume qui permet de s’abstraire de ces dependances : il s’agit des metrescubes normaux.
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 11
Les metres cubes normaux sont notes Nm3ou m3(n). Un metre cube normal correspond a un
metre cube de gaz a 0C sous 1013mbar. Les caracteristiques des gaz (PCI, PCS, ...) sontexprimes pour un metre cube normal.
Si on effectue l’approximation du gaz parfait alors PV = nRT et PnVn = nRTn :
P
T
V
gaz parfait
detente de
Pn
Tn
Vn
Ainsi V =Pn
P
T
TnVn, la quantite
Pn
P
T
Tnapparaıt comme etant un facteur de correc-
tion entre les metres cubes reels et les metres cubes normaux. On rappelle que dans la formule des
gaz parfait la temperature s’exprime en Kelvin. FinalementPn
P
T
Tn=
1013
P (mbar)
273 + θgaz(C)
273
Le gaz naturel a un PCI de 10, 4kWh.m−3(n) et un PCS de 11, 5kWh.m−3(n). Contrairement au
F.O.D, il est frequent de rencontrer des chaudieres gaz a condensation.Les gaz sont odorifies si leur odeur n’est pas suffissante pour cela on utilise du T.H.T dont
le nom complet est tetrahydrothiophene. La concentration en T.H.T est de l’ordre de
25mg.m−3(n).
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12 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
IV. Organisation de la chaufferie (introduction)
Une chaufferie fioul comme celle presentee dans la page suivante (d’apres une documentation Oven-trop), comporte un certain nombre d’elements :
• une chaudiere et son bruleur
• une cheminee d’evacuation des gaz de com-bustion
• une cuve a fioul
• un moyen de controle du niveau de fioul(eventuellement vision directe si la cuve est en plastique translucide)
• une aeration de la cuve a fioul• une conduite fioul mono ou bi-tube avec filtre a fioul• une arrivee d’eau froide et un depart d’eauchaude sanitaire
• un depart et un retour d’eau pour le circuit de chauffage
Quelques remarques :
• le limiteur de remplissage represente fonctionne de la maniere suivante : une
resistance de type CTN (Coefficient de TemperatureNegatif) est chauffee et on mesure son temps caracteristique de refoidisse-ment, celui si diminue brutalement lorsque la resistance est plongee dans le liquide.Il s’agit donc d’une mesure electrique, la prise est normalisee et se relie directe-
ment sur le camion livrant le fioul pour peu que celui-ci soitequipe de la connectique necessaire. Dans un tel cas la livraison de fioul est auto-matique arretee par un dispositif de securite integre au camion. (Note : il s’agitde la solution Allemande, il existe aucune obligation reglementaire pour la Franceen 2008)
• l’indicateur de niveau presente est mecanique, il existe des modeles pneumatiquesqui mesurent la pression en bas de cuve, un dispositif mecanique convertit l’infor-mation vers un afficheur a aiguilles.
• l’aspiration est flottante, une autre solution technique est un tube plongeur
(muni idealement d’une crepine) arrivant a quelques centimetres du fond de
la cuve. On ne pompe jamais les derniers centimetres de fioul pour l’usage
de la chaudiere, ceci en raison de l’accumulation en oxydes de fer et de l’eaude condensation.
FMC energy system fabrique des equipements pour camions de livraison fioul : pompes avec debitmetrereglementaire, ordinateur de livraison, sondes anti-debordement ...
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 13
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14 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
V. Les chaudieres
Une chaudiere est essentiellementun echangeur de chaleur. En effet la chaudieretransmet l’energie calorifique de la flamme au fluide caloporteur.
Les fonctions de la chaudiere sont donc :
• assurer l’elevation en temperature du fluide caloporteur
• assurer la combustion du combustible• recuperer autant que possible l’energie de la flamme
Une chaudiere comporte entre-autres :
• un foyer ou a lieu la combustion
• une (des) surface (s) d’echange de la chaleur
• un circuit d’eau de chauffage• un bruleur (qui peut etre vendu separemment)
• un circuit d’evacuation des gaz de combustion
• eventuellement un circuit d’amenee d’airCoupe d’une chaudiere trois parcours d’apres une documentation Viessmann :
Les principaux fabricants de chaudieres sont : Acv, Auer, Buderus, De Dietrich, Guillot, Trybasolar,Viessmann, Weishaupt, ...
V.1. Logamax U122 de Buderus
Il s’agit d’une chaudiere murale gaz de petite puissance (24kW), de hauteur 1m, pour une masse de45kg environ (sans compter les 6 litres d’eau du circuit de chauffage et les 65 litres d’eau du preparateurd’ECS (Eau Chaude Sanitaire)).
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 15
1 : Ventouse2 : Pressostat differentiel3 : Ventilateur d’extraction4 : Thermostat de securite5 : Electrode a incandescence6 : Bruleur7 : Bloc gaz8 : Sonde de depart chauffage9 : Coffret de controle universel10 : Sonde de depart ECS
11 : Robinet de vidange12 : Sonde de stockage ECS13 : Purgeur manuel14 : Echangeur principal15 : Electrode d’ionisation16 : Vase d’expansion 12L17 : Purgeur automatique18 : Pompe chauffage19 : Preparateur d’ECS20 : Vanne 3 voie motorisee
21 : Soupape de securite22 : Soupape differentielle23 : Disconnecteur24 : Regulateur du debitde puissageVK : Depart chauffageRK : Retour chauffageG : Arrivee GazAB : Depart ECSEK : Arrivee eau froide
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16 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
V.2. Vitorond 200 de Viessmann
Il s’agit d’une chaudiere de moyenne puissance (125 a 300kW) presentee ici dans
sa version fioul. Cette chaudiere mesure 92 cm de haut, pour un poids total de 800kg environ (sanscompter les 100 litres d’eau).
isolation
troisiemeparcoursde fumee
boitier decontrole isolation
deuxiemeparcoursde fumee
chambredecombusion
surfaced’echange en fonte
bruleur
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 17
On notera que les chaudieres en fonte comme la Vitorond 200 sont la pluspart du temps livrees enpetits elements independants, par exemple voici un element intermedaire d’une chaudiere Logano GE615de Buderus :
On a :
• 1 : surface d’etancheite du moyeu• 2 : languettes d’etancheite
L’avantage de cette disposition technique est indeniable lorsqu’il s’agit d’installer une chaudiere en
sous-sol avec des acces difficiles (escalier par exemple). Cela reste tout meme relativement delicat
puisque chaque element pese dans les 60-250kg suivant la puissance de la chaudiere.
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18 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
V.3. Vitocrossal 200 de Viessmann
Il s’agit d’une chaudiere a bruleur gaz de moyenne puissance (87 a 311kW). Cette chaudiere mesure120 cm de haut, pour un poids total de 300kg environ (sans compter les 300 litres d’eau).
boitier de controle
chambre decombustion
bruleur
surface d’echangeen acierisolation
collecteur de fumeesavec evacuationdes condensats
evacuation des condensats&%'$
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 19
Les condensats de chaudieres gaz ont un pH compris entre 4 et 5,5 (suivant
le gaz). Les condensats sont donc acides, il peut etre necessaire de neutraliser cette acidite avantd’evacuer les condensats. Les societes Viessmann et Buderus (liste non exhaustive) proposent une so-
lution technique de neutralisation par granulats d’hydroxyde de magnesium(Mg(OH)2).
En effet la dissolution des granules d’hydroxyde de magnesium s’ecrit :
Mg(OH)2 → Mg2+ + 2OH−
Puis il y neutralisation de l’acidite (H30+) par les ions (OH−) :
2H3O+ + Mg2+ + 2OH− → Mg2+ + 4H2O
Un des dispositif propose par Buderus est le suivant :
Ce dispositif est constitue des elements suivants :
• 1 : Entree des condensats• 2 : Sortie des condensats• 3 : Pompe a condensats• 4 : Granules de neutralisation• 5 : Collecteur a condensats neutralises• 6 : Pressostat (controle le fonctionnement dela pompe)
Note : le volume des condensats est de l’ordre de 0, 14l.(kWh)−1 soit quelques litres par heure pour
les jours les plus froids de l’annee. Ce volume est relativement faible, en habitat domestique
il est dilue dans les eaux menageres. La neutralisation est obligatoire pour des puissancessuperieures a 200kW.
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20 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
Dans le cas du fioul (pH des condensats compris entre 2 et 4), la condensation etait impossible a cause
de la presence de souffre dans les fumees. L’amelioration des ceramiques industriellesa rendu possible la condensation des fumees issues de la combustion du fioul. Buderus (par exemple)propose la solution suivante, on ajoute a une chaudiere classique les elements suivants :
• echangeur eau/fumees en ceramique (presencede souffre)
• traitement des condensats quasiment obligatoire, traitement en deux parties :elimination du souffre par adsorption sur charbon (re)actif puis elimination del’acidite.
La solution Buderus est donc la suivante :
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 21
V.4. Vitogas 100 de Viessmann
Il s’agit d’une chaudiere a bruleur gaz de petite puissance (18 a 60kW). Cette chaudiere mesure 85cm de haut, pour un poids total de 160kg environ (sans compter les 16 litres d’eau).
isolation
surfaced’echangeen fonte
bruleura rampe
boitier de controle
electro-vanne gaz
La flamme de cette chaudiere se developpe a la sortie du bruleur a pre-melange dont le principesera detaille plus loin. On peut cependant precisser qu’il n’y a pas une mais plusieures centaines petitesflammes qui se developpent a la sortie du bruleur.
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22 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
V.5. Vitomax 200 de Viessmann
Il s’agit d’une chaudiere de tres grosse puissance (2100 a 15000kW) a eau surchauffee (vapeur), lebruleur n’est pas fourni avec cette chaudiere. Cette chaudiere mesure 2,3 m de diametre, longueur de3,7m a 8,5m suivant modele pour un poids total de 4600 a 37000kg environ (sans compter les 4000 a29000 litres d’eau).
isolationdeuxiemeparcours
troisiemeparcours
de fumees
deflecteurd’eau
*
paroi avant a lame d’eau
chambre de combustion
* : cette chaudiere etant de grande dimension, une plate-forme de travail permet de monter au dessuspour les operations de maintenance.
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 23
V.6. Petit bilan
On peut ainsi noter qu’une chaudiere peut etre caracterissee par :
• sa puissance : petite/grosse
• ses materiaux : acier/fonte
• ses equipements : complete avec bruleur/nue
• sa capacite en eau : petite/grosse
• son combustible : gaz/fioul/gaz+fioul ou encore bois, bois+fioul...
Les chaudieres fontes sont constituees d’elements de taille modeste (mais tout de meme assez lourd)ce qui permet de les installer dans des endroits difficiles d’acces : caves en sous-sol...
Complement : Le cas des chaudieres bois est legerement different. Le probleme etant l’apport encombustible. Deux tendances existent : soit une chaudieres a base de buches, soit une chaudiere a basede pellets (petits cylindres de bois : dimension caracteristique 6mm environ). Dans le cas des pellets, onpeut utiliser un transport en lit fluidise ou par vis d’archimede.
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24 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
VI. Les bruleurs
Pour obtenir une combustion, il faut d’apres le triangle du feu avoir un combustible, ducomburant et de la chaleur. Une fois la combustion demarree, la chaleur sera apportee par la flamme
elle-meme. Il reste deux points qui seront traites a part : la ligne combustible et laligne air.
La ligne air est la meme pour tous les bruleurs a air souffle, elle comporte un ventilateur etle corps du gicleur :
VI.1. Principe du bruleur a air souffle
VI.1..1 Cas du fioul
Comme signale il faut deux lignes : la ligne combustible et la ligne air :
@
@
@@
@
@@
@@@
photoresistance gicleur
deflecteurelectrodes d’allumage
pompe a fioul
flexibles de raccordement
La ligne combustible ou ligne fioul comporte :
• gicleur• pompe fioul
• flexibles de raccordement
A ces deux lignes s’ajoute :
• photoresistance
• deflecteur• electrodes d’allumage
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 25
VI.1..2 Cas des gaz
De la meme maniere le bruleur gaz a air souffle comporte une ligne gaz et une ligne air :
P
sonde d’ionisation
@@
@ electrode d’allumage
Pressostat air
regulateur de pression
electrovanne gaz
La ligne combustible ou ligne gaz comporte :
• regulateur de pression
• electrovannegaz
A ces elements s’ajoute :
• pressostat air• electrode d’ionisation
• deflecteur
• electrode d’allumage
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26
CO
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VI.2
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EN
-156L
EV
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(33
a50kW
)
1 : Moteur2 : Coffret decommande et desecurite3 : Transforma-teur d’allumage5 : Ligne gicleur6 : Prechauffeur7 : Electrodes d’allu-mage9 : Turbulateur10 : Tube de flamme11 : Point de mesurede pression air12 : Cellule dedetection de flamme13 : Oeilleton devisualisation de laflamme14 : Vis de reglagede la position duturbulateur15 : Bouton dereglage du volet d’air17 : Pompe a fioul20 : Flexiblesd’alimentation fioul
IUT
d’E
vry
-B
retigny
-Juvisy
GT
E2007-2
008
COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 27
VI.3. Vue partielle du Bruleur Gulliver BS1D de Riello
Ne sont representes ici que la volute du ventilateur, le volet d’air et la roue du ventilateur.
volet d’air
VI.4. Bruleur gaz EG 03 B de Elco (108 a 360kW)
On note en particulier le soin acoustique apporte a ce bruleur a travers le caisson d’air (17) qui estinsonorise.
Il n’y a plus de pompe a fioul, mais une electovanne gaz (31)
L’electrode d’allumage est numerotee 21-11.
La sonde d’ionisation est reperee 21-12.
Le turbulateur est note 21-19.
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28 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
31:el
ectr
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 29
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30 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
VI.5. Principe du bruleur gaz atmospherique
Le jet de gaz induit un mouvement de l’air. On parle alors de bruleurgaz atmospherique.
Gaz
Air
Air
Melange
VI.6. Connecteur 7 broches et boıtier de controle de flamme
Il y a un seul cable qui relie un bruleur1 a la chaudiere, le connecteur est norma-lise(prise dite Wieland), son brochage aussi. Il est utile de connaıtre son cablage lors des operations
de maintenance.
Vue en 3D d’apres une documentation Riello, et vue du brochage d’apres une documentation Elco :
S6
F1
h
On a dans l’ordre : la phase (L1), la terre, le neutre (N), thermostat chaudiere entre T1 et
T2, repport de defaut entre S3 et N, compteur horaire entre B4 et N.
La regulation du bruleur est a la charge d’un boitier de controle de flamme. Cesboitiers sont principalement fabriques par Landis & Gyr, Dungs, Siemens...
On trouve un schema electrique de bruleur complet en page suivante (d’apres une documentationRiello).
1une allure, il y a deux cables pour un bruleur deux allures de marche
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 31bru
leur
cable
chau
die
re
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32 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
VI.7. Sonde d’ionisation/Cellule photo-resistante
La detection de flamme peut se faire par deux composants differents :
• flammes lumineuses (F.O.D) : photoresistance
• flammes faiblement lumineuses (gaz) : sonde d’ionisation
VI.7..1 Sonde d’ionisation
Avec flamme
Sans flamme
La source de tension est sinusoıdale, lorsqu’il y a une flamme, la presence des especes ioniseesrend possible la circulation d’un courant. On observe un ecretage tres net. Les courants mesuressont cependant tres faibles (quelques µA).
VI.7..2 Cellule photo-resistante
Il s’agit d’une resistance telle que U = f(Φ)I (Φ etant l’eclairement), la valeur de la
resistance est de l’ordre de 100Ω lorsque la cellule est eclairee, et quelques MΩ sinon.
Dans le cas du F.O.D, les suies rayonnent comme un corps noir, d’ou une flamme tres lu-mineuse. Dans le cas du F.O.D, une sonde d’ionisation serait rapidement encrasee et donc inutilisable.
C’est pourquoi, les bruleurs fioul sont munis d’une cellule photo-resistante.
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 33
VI.8. Pompe a fioul
Le but d’une pompe a fioul est de vehiculer le fioul depuis la cuvevers le gicleur. La plupart des pompes a fioul peuvent fonctionner en mono-tube ou en
bi-tube grace a un bouchon de derivation amovible. Il est preferable d’utiliser une installation bi-tube, cependant en renovation, on peut conserver une installation mono-tube existante.
Il est important de signaler, que la pompe fioul ne comporte pas de moteur, son axe
s’accouplant avec celui du moteur duventilateur. La circulation du fioul etant alors commandee
par une electrovanne fioul. Une pompe fioul delivre usuellement une pression entre 7 et
18 bars. La pression de reglage est a choisir en fonction dugicleur.
Les principaux fabricants de pompes a fioul sont Danfoss et Suntec.
pompe
pompe
gicleur
gicleur
cuve a fioul
cuve a fioul
bi-tube
mono-tube
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34 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
Pompe a fioul d’apres une documentation Suntec :
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 35
Voici un zoom sur les engrenages d’apres une documentation Danfoss :
Et voici une photo issue d’une documentation Danfoss :
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36 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
VI.9. Gicleur
Un bon gicleur doit presenter : une bonne qualite de pulverisation et un angle de cone
precis. A la sortie du gicleur le fioul est brise en gouttelettes. La pression influe fortement sur la
taille des gouttelettes qui diminue avec la pression :
P=0,2bar
P=7bar
P=0,7bar
P=21bar
La combustion s’ameliore (moins de d’imbrules et de NOx) quand la taille des goutellesdiminue.
Le debit de fioul est impose par la puissance du bruleur. On cherche donc a obtenir un debitconstant quelque soit le gicleur choisi, avec une pression d’entree de gicleur aussi grande que possible.
Ainsi si on hesite entre deux gicleurs, on prendra celui qui presente le plus petit debit pour une
meme pression et on augmentera la pression a la sortie de la pompe a fioul.
Les principaux fabricants de gicleurs sont Danfoss, Steinen, Delavan.
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 37
Coupe d’un gicleur d’apres une documentation Danfoss :
Le gicleur est compose des elements suivants :
• filtre en bronze• vis de blocage• cone a canaux• corps de gicleur• pastille profilee
Les canaux du cone mettent le fioul en rotation dans la (( chambre de rotation )) :
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38 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
Il existe aussi des gicleurs comportant un clapet a bille incorpore :
Ces gicleurs necessitent une pompe a fioul speciale (par exemple une pompe option LE de Danfoss). Ilspresentent un meilleur comportement lors des marche arret du bruleur.
Marquage d’un gicleur d’apres une documentation Danfoss :
La debit indique sur le gicleur est celui obtenu pour une pression de 10bar. On note
aussi la presence de l’angle du cone (ici 80).
VI.10. Rechauffeur fioul
La viscosite du fioul etant fonction de la temperature, une resistance electrique
est souvent rajoutee sur la ligne gicleur afin de controler la temperature et donc la viscosite dufioul qui arrive au niveau du gicleur.
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 39
VI.11. Detente et regulation gaz
La pression du reseau gaz de GDF etant de 4bar, il est necessaire d’installer undetendeuravant le bruleur afin de ramener la pression relative a une pression comprise entre30 et 300mbar.Les principaux fabricants sont Briffault, Dungs, Honeywell.
Schema de principe d’un detendeur gaz Briffault :
On note en particulier que la detente s’effectue en deux etapes (presence d’une pressionintermediaire de detente). On note aussi la posibilite de bloquer, par appui sur un bouton de commande,le passage du gaz.
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40 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
VI.12. Chronogramme de mise en marche
Il existe une procedure de demarrage standardisee qui comprend la detection des defauts. Par exemple
pour une chaudiere fioul :
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
TSA
preventilation
du foyer
retard a l’allumage
retard a la
detection de flamme
signal de commande
moteur du ventilateur
electrodes d’allumage
electrovanne fioul
flamme
detection de flamme
temps
temps
temps
temps
temps
temps
Le signal de commande est en general donne par le thermostat chaudiere : le boıtier de regulation
met en marche le bruleur des que la temperature de l’eau dans la chaudiere descend endessous d’une certaine valeur.
Le TSA est le Temps de Securite a l’Allumage : il designe le tempspendant lequel les electrodes d’allumage continuent a fonctionner alors que la flamme est presente.
La preventilation du foyer permet d’assurer de le foyer ne contient pas de combustiblesgazeux (imbrules) qui pourraient declencher une detonation.
La detection de flamme n’est pas immediate, le temps de reponse des cellulesphoto-resistantes est de l’ordre de 30s.
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 41
VI.13. Courbe de chauffe
Les besoins en chauffage etant fonction de la temperature exterieure, il est souhaitable de faire varier
la temperature de depart du circuit d’eau chaude, c’est l’idee de la courbe de chauffe. La courbe
de chauffe represente la relation entre la temperature exterieure et la temperature de
depart. Plus la temperature exterieure est basse, plus la temperature de depart est elevee.
Text
Tdepart
80C
55C
32C
Tnc 0C −20C
Tnc etant la Temperature de Non Chauffage. De maniere pratique, les regulateurs de chauffage presententquasiment tous une courbe de chauffe preprogrammee :
Avec A pour le chauffage par le sol, B pour le chauffage basse temperature, C pour les radia-teurs classiques . Les autres courbes correspondent au cas de l’habitat ancien malisole chauffe par radiateurs haute temperature. L’echelle complementaire represente le decalage liea la temperature de consigne pour l’ambiance.
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42 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
VI.14. Selection d’une chaudiere et d’un bruleur
La demarche est la suivante :
• Premiere etape : bilan thermique du bati suivant RT2005.
• Deuxieme etape : choix de la chaudiere : puissance, type ...
• Troisieme etape : choix du bruleur
Le bruleur se selectionne a partir du diagramme indiquant la plage de fonctionnement du bruleur(ici plage d’un bruleur Elco) :
1600kW
9mbar j
Pour utiliser ce diagramme il faut relever la contre-pression foyer 9mbar dans la documentation
de la chaudiere (de puissance 1600kW).
Dans le cas present, le bruleur 6.200G est adequatalors que le 6.170G ne l’est pas
Consequence directe : un bruleur ne peut etre as-socie a une chaudiere que si la puissance ET la contre-pression foyer sont compatibles.
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 43
VII. Complements
VII.1. Loi d’emission de radiateurs
La puissance emise par un radiateur est donnee par la relation suivante :
P =
m cp(Te − Ts)
Te
Ts
Ta
Le modele le plus simple d’emission d’un radiateur est :
P = K
(
Te + Ts
2− Ta
)n
n est de l’ordre 1.3 pour un radiateur. Les documentations fabricants donnent des valeurs de K etde n.
On peut tracer un graphique en coordonnees adimensionnees pour n=1,3 :
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200
PP
dim
en%
qqdim
en %
P = F (q, Te) pour un regime d’eau de dimensionnement 80/60C et Ta = 20C
Te = 80CTe = 70CTe = 60CTe = 50CTe = 40C
Il est important de noter la tres forte non-linearite de la puissance emise en fonction
du debit (q) pour un meme regime d’eau. En outre doubler le debit par rapport au debit dedimensionnement n’augmente la puissance d’emission que de 20%.
On note par contre une quasilinearite en fonction de la difference : Te − Ta.
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44 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS
VII.2. Elements permettant le reglage d’un bruleur
On constate experimentalement que les evolutions des concentrations en CO2, CO et O2 presenteesdans le graphique suivant :
reactionincomplete
reactioncomplete
*
On regle le bruleur de maniere a avoir le moins de CO possible dans les fumees. Ce qui donne unexces d’air de 6% environ. Une fois que le C0 est suffissament bas (6 ppm environ), on cherchera aobtenir le plus bas taux de NOx possible.
Une autre methode consiste a atteindre 6ppm de CO. Puis a fermer progressivement le volet d’airjusqu’a ce que la prodution de NOx augmente rapidement. On note le %CO2 atteint dit %CO2critique.On regle le bruleur pour %C02regle = %C02critique − 2% en ouvrant lentement le volet d’air.
* : Les reactions chimiques ne sont jamais parfaitesni immediates, ainsi il reste du (di)oxygene dans lesfumees alors que la reaction n’est pas complete.
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COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 45
VII.3. Analyse de la combustion
L’analyse de la combustion se fait a l’aide d’un appareil dedie :
Un analyseur de combustion releve les informations suivantes :
• %O2 : (di)oxygene
• %CO : monoxyde de carbone
• %NO : monoxyde d’azote
• temperature
Il est demontre dans le cours de combustion de deuxieme annee que l’on peut obtenir par le calcul(a partir des valeurs mesurees) les valeurs suivantes :
• %CO2 : dioxyde de carbone
• %NOx : oxydes d’azote
• η : rendement de la chaudiere
Il est primordial de noter le point suivant : Un analyseur de combustionne donne pas immediatement la bonne valeur, ceci acause (notamment) du temps de reponse des capteursde gaz. Cela differencie fortement un analyseur de combustion d’un multimetre utilise en electricitequi lui donne immediatement la valeur recherchee.
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Exemples de questions d’examen :
1) Qu’est-ce qu’une chaudiere a trois parcours de fumees (avec schema) ?
2) Quel est l’ordre de grandeur de la puissance d’une chaudiere domestique ?
3) Quel inconvenient existe-t-il a faire condenser des fumees issues de la combustion de F.O.D ?
4) Expliquez le principe d’un bruleur a air souffle.
5) Expliquez le principe d’un bruleur a gaz atmospherique.
6) Quel est le role du ventilateur dans un bruleur ?
7) Est-ce qu’une chaudiere de 600 kW peut-etre adequate pour un appartement de 50m2 ? pour unemaison de 200 m2 ? (Justifiez vos reponses)
8) Quel gicleur faut-il choisir lorsque l’on hesite entre deux gicleurs de taille differente ? pour quelleraison?
9) Quel est le role du capteur de temperature exterieure ?
10) Quelle est l’energie la plus chere a l’usage ?
11) Quel peut-etre l’usage de granules d’hydroxyde de magnesium dans une chaufferie ?
12) A quoi correspondent chacune des bornes sur la prise suivante :
S6
F1
h
13) Quel est l’ordre de grandeur de la pression a la sortie d’une pompe a fioul ?
14) Qu’est ce que le triangle de feu ? Quelles intrepretations peut-on en faire ?
15) Qu’est-ce qu’une sonde d’ionisation ? Quel est son role ?
Cours 2
Reseaux de fluides
Contenu du coursI. Notions sur les reseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
I.1. Les fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
I.2. Les circuits de fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
I.3. Reseaux simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
I.4. Reseaux ramifies, mailles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
II. Tubes et gaines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
II.1. Caracteristiques dimensionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
II.2. Materiaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
II.3. Tubes, gaines et raccords particuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
III. Organes de coupure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
III.1. Vanne papillon (ici une vanne Sylax de marque Danfoss) . . . . . . . . . . . 59
III.2. Vanne a boisseau spherique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
IV. Vanne de reglage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
V. Regulation et limitation de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
V.1. Limiteur de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
V.2. Regulateur de pression Twinbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
VI. Purgeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
VI.1. Purgeur a flotteur pour circuit d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
VI.2. Purgeur de radiateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
VI.3. Filtre a fioul avec separateur d’air integre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
VII. Mesure de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
VII.1. Manometres en U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
VII.2. Manometre a tube incline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
VII.3. Manometre a tube de Bourdon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
VIII. Mesure de debit/Vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
VIII.1. Tube de Pitot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
VIII.2. Anemometre a coupelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
VIII.3. Anemometre a helice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
VIII.4. Tube de venturi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
VIII.5. Diaphragme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
VIII.6. Rotametre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
VIII.7. Debitmetre a effet vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
VIII.8. Debimetre a ultrasons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
IX. Mesure de temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
IX.1. Thermometre a dilatation de liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
IX.2. Thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
48 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
IX.3. Resistance electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
X. Tete thermostatique et presse etoupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
X.1. Presse etoupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
X.2. Tete thermostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
XI. Mise hors gel par Tracage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
XII. Vase d’expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
XIII. Collecteur EC-EF (Eau Chaude - Eau Froide) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
XIV. Sertissage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 49
I. Notions sur les reseaux
I.1. Les fluides
Il existe un grand nombre de fluides succeptibles d’etre vehicules dans des tubes et/ou des gaines :
• eau chaude/froide/glycolee (eau + glycol (antigel))
• huile• essence/gasoil/fiouls
• gaz divers (methane, propane, gaz medicaux)
• vapeur d’eau• vide (medical, industriel)
• fluides frigorigenes• acides, bases
• parfums
• liquides alimentaires (pour sorbet, yaourt...)
• air a usage specifique (salles blanches, blocs operatoires, hall pourpeinture, transport de grains)
• ...
Un fluide peut etre :
• liquide/gazeux
• neutre/acide/basique• alimentaire ou non
• froid/chaud• gratuit/cher
• dangereux/inoffensif• faiblement/fortement visqueux
• entartrant ou non
• encrassant ou non
• ...
Premier exemple : l’eau.
L’eau est un liquide de masse volumique ρeau = 1000kg.m−3. Sa capacite
calorifique massique est cpeau = 4180J.kg−1.K−1. L’eau a la propriete d’etre un
solvant pour un grand nombre d’especes : plomb, fer, calcium, magnesium ...
Petit point de vocabulaire : le calcaire a pour nom chimique carbonate de calciumsoit CaCO3, le tartre est un melange de carbonate de calcium et de carbonate de magnesium soit unmelange de CaC03 et de MgCO3.
Deuxieme exemple : l’air.
L’air est un gaz de masse volumique ρair = 1, 2kg.m−3dans les conditions at-
mospheriques standard. Sa capacite calorifique massique estcpair= 1002J.kg−1.K−1
.
L’air contient de la vapeur d’eau (quelques grammes par metre cube), des poussieres... Enpremiereapproximation l’air est constitue de 80% d’azote (N2) et de 20% de dioxygene (O2).
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50 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
Exercice 1) Un radiateur est dimensionne pour emettre 2000W lorsque le regime d’eau est de 80/60C.Quel est le debit d’eau circulant dans le radiateur ?
On a P =
m cp∆T
Avec :
• ∆T = 80 − 60 = 20C• cp = cpeau
= 4180J.kg−1.K−1
• P = 2000W
On obtient donc :
m=
P
cp∆T=
2000
4180 ∗ 20= 0.024kg.s−1
m= 86kg.h−1
Exercice 2) Quelle energie faut-il apporter pour faire passer 15m3 d’air de 15C a 20C ?
On a E = ρV cp∆T
Avec :
• ρ = ρair = 1, 2kg.m−3
• V = 15m3
• cp = cpair= 1002J.kg−1.K−1
• ∆T = 20 − 15 = 5C
On obtient donc :
E = 1, 2 ∗ 15 ∗ 1002 ∗ 5 = 90180J
E = 25W.h
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 51
I.2. Les circuits de fluides
Un circuit de fluide peut etre :
• ouvert/ferme
• maille ou non
• ramifie ou non
• isole ou non (voire chauffe, par exemple le tracage des canalisations parcable chauffant)
• court/long• controle ou non
• usage intensif/courant/frequent ou non (RIA (robinet incendiearme)/reseaux sprinkler)
• pression, debit : eleve ou faible, separement ou ensemble
• bien connu/calcul aise ou non
• tres specifique : conduites d’ergols de fusee, tube du lac de Nyos
I.2..1 Note I : conduites d’ergols de fusee
Un ergol, dans le domaine de l’astronautique, est une substance homogene employee seule ouen association avec d’autres substances et destinee a fournir de l’energie. Les ergols sont les produits
initiaux, separes, utilises dans un systeme propulsif a reaction. Ils sont constituesd’elements oxydant et reducteur (combustible).
Les conduites d’ergols sont particulieres dans le sens ou le fluide qui y circule est tres froid (−120Cou moins), et peu courant (oxgygene et hydrogene (sous forme liquide) en general).
Il est alors necessaire de conduire des essais et/ou des simulations numeriques pour determiner :
• la conception fluidique : pertes de charges,...
• les contraintes thermiques sur une canalisation initialement a 20C
• ...
I.2..2 Note II : tube du lac de Nyos
Le 21 aout 1986, dans la soiree, le lac Nyos, au nord-ouest du Cameroun, a
libere environ un kilometre cube de gaz carbonique (CO2) provoquant la mort de plus de 1700personnes.
Le gaz carbonique originaire du sous-sol s’etait progressivement (sur desannees, voire des siecles) stocke dans les eaux du lac. Un mouvement de ter-
rain (hypothese la plus credible) a amorce un degazage local du lac. Le degazage
s’est ensuite propage dans l’ensemble des eaux du lac (reaction en chaıne), conduisantainsi a la catastrophe.
Depuis 2001, une operation de degazage vise a eliminer progressivement le C02
contenu dans les eaux du lac, le systeme est le suivant :
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52 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
eau
saturee
en CO2
200m
50m
Le pompage est realiseuniquement par un tube vertical (environ 200m). Le liquide prelevedans les eaux profondes du lac s’eleve dans la colonne, sa pression diminue et des bulles de gaz se forment
dans le liquide sature en C02 (comparable a une bouteille de boissongazeuse). La masse volumique moyenne du melange liquide+gaz contenu dans le tube etant plus
faible que celle du liquide du lac, le processus est auto-entretenu.
Le jet forme s’eleve a 50m au-dessus du lac. Le systeme fonctionne en permanence de maniere
100% autonome. Le degazage dissipe une quantite inoffensive (pour la popu-lation locale) de CO2 dans l’atmosphere.
I.3. Reseaux simples
Le circuit le plus simple est la boucle, utilisee pour les circuits de chauffage,
d’eau glacee (eau en regime 7/12C) en climatisation :
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 53
Un reseau peut etre a ecoulement gravitaire :
Dans le cas ou une pompe fait circuler l’eau, le reseau peut etre qualifie de (( sous charge ))
ou de (( en charge )) :
I.4. Reseaux ramifies, mailles
Exemple de reseau ramifie (distribution d’eau dans un batiment, ...) :
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54 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
Exemple de reseau maille (distribution d’eau a l’echelle regionale, ...) :
L’avantage du reseau maille est qu’il permet d’intervenir sur certaines parties du reseau en
coupant l’alimentation en fluide a la plus petite partie possible du reseau. Il estcependant extremement delicat a calculer.
Le reseau Francais de transport du gaz naturel est un reseau maille, comportant plusieures commu-nications avec des reseaux etrangers :
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 55
II. Tubes et gaines
II.1. Caracteristiques dimensionnelles
Plusieurs designations possibles :
• 10 : diametre interieur de 10mm , diametre exterieur inconnu
• 10/12 : diametre interieur de 10mm , diametre exterieur 12 mm
• 10×1 : diametre interieur de 10mm, epaisseur de 1mm d’ou diametreexterieur de 12mm
• DN10 : Diametre Nominal numero 10, il s’agit d’une designation normalisee.
Attention a la designation en DN, le tableau suivant montre la correspondance entreDN et diametre interieur suivant la norme NF A 49-115 :
DN Dint en mm
12 12.615 16.120 21.725 27.332 3640 41.950 53.165 68.980 80.9100 105.3125 130.7
II.2. Materiaux
Les principaux materiaux sont : l’acier, le cuivre, la fonte, le PVC (Polychlorure
de vinyle), le PER (PolyEthylene Reticule). Le bronze (alliage de cuivre (Cu) et d’etain (Sn)) et
le laiton (alliage de cuivre (Cu) et de zinc (Zn) sont couramment utilises au niveau des raccords.
Les criteres de choix d’un materiau pour un tube sont les suivants :
• prix• resistance a la corrosion
• masse lineique• resistance mecanique
• disponibilite aupres du revendeur• durabilite (UV pour le PER par exemple)
• compatibilite avec l’usage (le plomb disparaıt a cause de sa toxicite)
• ...
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56 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
II.3. Tubes, gaines et raccords particuliers
II.3..1 Tube multi-couches
surfaceexterieure
colle/adhesif
coucheintermediaire
surface interieure
L’avantage de ce type de tube est la flexibilite, l’adaptation aux besoins.
Par exemple on peut vehiculer un fluide corrosif avec une surface interieure enplastique et une surface exterieure en acier pour la resistance mecanique.
Un cas typique est constituee par les tubes isoles. Prenons l’exemple des batiments ter-tiaires, ces batiments sont en general climatises. La climatisation s’effectue souvent par une production
d’eau dite (( glacee )) (eau en regime 7/12C) dans le batiment. Les tuyauteries sont
realisees (le plus souvent) en acier. L’isolation exterieure de ces tuyauteries permet d’eliminer lacondensation a la surface exterieure ce qui elimine la corrosion de la surface exterieure de ces tuyaute-ries. On reduit aussi les deperditions thermiques la ou elles ne sont pas utiles, ce qui permet d’augmenter
le rendement global en augmentant le rendement de distribution.
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 57
II.3..2 Manchon anti-vibratile (d’apres d’une documentation Emiflex)
bride
caoutchoux arme
BBBBBBBBB
@@
@@
@@
Un manchon anti-vibratile permet de racorder deux tubes en creant une legere mo-bilite qui attenue la transmision des vibrations.
II.3..3 Raccord rapide (de marque John Gest)
Ce raccord est double, il permet la liaison de deux tubes. Ce type de raccord est classique en
automatisme pneumatique. Il comporte un joint torique et une pince mobile.
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58 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
II.3..4 Gaine en materiaux fibreux (d’apres d’une documentation Naima)
Ce type de materiau permet un traitement passif du bruit en hautes frequences du fait
des proprietes acoustiques des milieux fibreux. Ces gaines sont fabriquees sur chantier
a partir de plaques d’isolant acoustique (laine de verre ou de roche, ...). Un
des modes de realisation est le suivant :
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 59
III. Organes de coupure
III.1. Vanne papillon (ici une vanne Sylax de marque Danfoss)
carre de manoeuvre
joint en elastomere
cannelures
aaaaa
@@
@@
@@
@@
@
Ce type de vanne peut etre commandee par un volant, une poignee ou un servo-moteur.
On note la presence d’un carre de manoeuvre, ici de forme hexagonale avec
detrompeur. Le detrompeur permet de connaıtre la position de la vanne lorsqu’elle est ins-
tallee. L’etancheite se fait au niveau du joint en elastomere deformable qui epouse la forme dupapillon central. La transmission mecanique de l’effort entre l’axe et le papillon se fait par le biais descannelures.
Cette vanne existe pour un diametre allant de 2.5cm a plus de 35cm. La pression de service(securite par rapport a la pression de rupture) que peut supporter cette vanne est de 25 bars.
On utilise habituellement ce type de vanne pour la coupure du circuit. De maniere
moins courante elle peut etre utilisee pour le reglage1 du debit dans le reseau.
1Le reglage sera delicat s’il est effectue a la main, la societe Belimo commercialise un servo-moteur dedie pour ce type
de vanne
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60 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
III.2. Vanne a boisseau spherique
jointmanette de commande
tige de commande
siegecorps sphere (boisseau spherique)corpssphere
position de la manette de commande
Les vannes a boisseau spherique presente plusieurs avantages :
• ouverture/fermeture en quart de tour• perte de charge singuliere nulle lorsque la vanne est completement
ouverte
• la vanne peut etre totalement fermee• disponible sur un large panel de tailles
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 61
IV. Vanne de reglage
Il s’agit d’une vanne de caracteristique connue quelque soit sa position. Cette
vanne est munie de deux prises de pression. Ce type de vanne est utilisee pour equilibrerles installations de chauffage.
L’equilibrage d’un reseau hydraulique est un procede de mesure et de reglage visant
a obtenir les debits requis dans les differentes branches d’un reseau hydraulique (en generalmaille).
Vue d’une vanne Hydrocontrol F de marque Oventrop :
prises de pression
@@
@@
@@
A B
On releve, par l’intermediaire des prises de pressions, la pression statique au point A et au point B.
En connaissant la position de la vanne et la difference de pressionentre A et B on peut deduire le debit traversant la vanne.
En pratique chaque fabricant de vanne commercialise un appareil electronique effectuant automati-quement ces operations.
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62 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
V. Regulation et limitation de pression
V.1. Limiteur de pression
Vue d’un limiteur de pression de marque Caleffi :
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 63
V.2. Regulateur de pression Twinbar
Soit une installation comportant une douche et un robinet a proximite l’un de l’autre.
Probleme : le puissage de l’eau au robinet peut influencer sur le debit et sur la temperaturede la douche, d’ou une douche a temperature fluctuante. Le regulateur Twinbar de marque GRK permetde supprimer la variation de temperature, seul le debit sera alors affecte :
VI. Purgeurs
VI.1. Purgeur a flotteur pour circuit d’eau
Exemple d’un purgeur de marque Caleffi :
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64 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
VI.2. Purgeur de radiateur
Le gaz qui peut etre present dans un radiateur est la source de bruit et d’une diminution
de la puissance d’emission du radiateur. Le purgeur leplus simple est comparable a un robinet :
corps du radiateur
La purge s’effectue manuellement, on ferme le purgeur quand sort la premiere goutte d’eau sans air.
Il existe des purgeurs a disques hygroscopiques :
La disposition d’un purgeur a disques hygroscopiques est la suivante :
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 65
VI.3. Filtre a fioul avec separateur d’air integre
Il s’agit d’un filtre a fioul avec separateur d’air de marque Oventrop comme celui represente sur leschema de la chaufferie en page 13 .
On remarque que cote cuve la liaison se fait en mono-tube tandis que cote bruleur la liaison se faiten bi-tube.
vanne
d’a
rret
arri
vee
de
fioulen
mon
otube
bille
serv
ant
de
clap
etan
tire
tour
elem
ent
filtr
ant
godet
purg
e
flott
eur
soupap
e
reto
ur
de
fioul
du
bru
leur
dep
art
vers
lebru
leur
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66 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
VII. Mesure de pression
VII.1. Manometres en U
On a (vue d’un manometre a colonne verticale de marque Kimo) :
A B
∆z
PB − PA = ρg∆z
Le manometre en U est donc un
instrument de mesure a reponse
lineaire
Le principe de la statique des fluides permet d’ecrire :
La relation entre la difference de hauteur et
la difference de pression est donc lineaire
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 67
VII.2. Manometre a tube incline
On a (vue d’un manometre a colonne inclinee de marque Kimo) :
vis de reglagede l’inclinaison
axe de rotation
niveau a
bulle
reservoir
de liquide
((((((((((((
α
Hypothese : on considere que le niveau de liquide dans le reservoirne varie pas.
Par definition de la fonction tangente : tan(α) =∆z
∆L.
Ainsi ∆z = tan(α)∆LLa variation de L etant beaucoup plus importante que celle de z, on ameliore fortement la precision de
mesure. Par contre il est necessaire de mettre l’appareil a l’horizontal. D’ou la presence du niveaua bulle et de la vis de reglage.
Ce manometre se rencontre souvent en genie climatique. Il sert souvent a donner uneindication sur le niveau d’encrassement des filtres a air :
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68 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
VII.3. Manometre a tube de Bourdon
Note : L’aiguille baigne dans de la glycerine qui permet d’absorber les vibrations dues aux
petites fluctuations de pression.
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 69
VIII. Mesure de debit/Vitesse
VIII.1. Tube de Pitot
Le tube de Pitot est constitue de deux tubes concentriques, il presente 2 orifices servant
a la prise des pressions dynamique (en A) et statique (en B). On mesure ces deuxpressions a l’extremite opposee du tube de Pitot.
va A
B
PA
PB
Par definition de la pression dynamique : PA = PB + 12ρv2
A.
Ce qui donne vA =√
2ρ(PA − PB)
Le tube de Pitot permet donc d’obtenir la vitesse d’un fluide par la mesure d’une differencede pression, la relation entre les deux n’est pas lineaire :
vA
PA − PB
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70 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
VIII.2. Anemometre a coupelles
L’anemometre a coupelles necessite un etalonnage experimental.
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 71
VIII.3. Anemometre a helice
L’anemometre a helice necessite un etalonnage experimental.
VIII.4. Tube de venturi
A
B
La conservation de l’energie se traduit par PA + 12ρv2
A = PB + 12ρv2
B , de plus
la conservation du debit se traduit par vBSB = vASA. Ce qui implique :
vA =
√
√
√
√
√
PA − PB
12ρ
(
(
SA
SB
)2
− 1
)
Cette relation n’est pas lineaire (comme pour le tube de Pitot).
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72 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
VIII.5. Diaphragme
On a (vue d’un diaphragme de marque Spirax Sarco) :
Experimentalement on constate que ∆P = PA − PB = Zdiaphragme ∗ Q2
VIII.6. Rotametre
Le rotametre (de marque Krohne) de la page suivante comporte les elements suivants :
• 3 : le flotteur qui est strie, il est anime d’un mouvement de rotation
• 4 : un tube transparent comportant une echelle graduee
• 1 : une piece limitant le deplacement du flotteur. Le passagedu fluide est ainsi toujours possible.
• 2 : une enveloppe de protection• 7,8,9,10 : les differentes connectiques possibles
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 73
VIII.7. Debitmetre a effet vortex
On observe la formation de tourbillons derriere un obstacle dans un ecoulement de fluide :
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74 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
On montre experimentalement que :
plage de mesure
S
v
Avec S le nombre de Strouhal definit par S =fL
vavec :
• f la frequence de detachement des tourbillons• L une dimension caracteristique de l’obstacle
• v la vitesse de l’ecoulement
Ce type de debitmetre permet d’obtenir le debit sur la plage ou leStrouhal est constant.
On mesure la frequence de vibration et on en deduit la vitesse de l’ecoulement.
En pratique, les debitmetres a effet vortex commerciaux donnent une information en tension (engeneral), l’electronique integree se chargant de mesurer la frequence de vibration...
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 75
VIII.8. Debimetre a ultrasons
emetteur d’ultrasons
recepteur d’ultrasons
Q
Le temps de reception depend du debit dans la conduite. Un circuit electronique
genere un train d’ondes et mesure le temps de parcours, il en deduit le debit du fluide.
IX. Mesure de temperature
IX.1. Thermometre a dilatation de liquide
petit diametre : capillaire
volume ’important’ de liquide
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76 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
IX.2. Thermocouples
Il apparaıt une fem (force electro motrice) a la jonction entre deux metaux differents. Cette
fem depend de la temperature, il s’agit d’un effet thermoelectrique. En choisant bien les
metaux en contact, il est possible d’obtenir apres calcul une valeur fiable de la temperature de la
jonction a partir de la mesure de la fem. C’est l’idee de la mesure de temperature par thermocouples.
IX.3. Resistance electrique
La resistance electrique d’un fil depend de la temperature du fil :
T
R
La mesure de la resistance par un montage 4 fils permet de deduire la temperature :
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 77
X. Tete thermostatique et presse etoupe
X.1. Presse etoupe
La puissance d’emission d’un radiateur est regulee de maniere terminale par le presse
etoupe dont le schema suit et par une tete thermostatique.
corps de
vanne clapetraccord
de
compression
bi-cone
pre-reglage
joint
torique
tige du
clapet
La tige du presse etoupe est prevue pour etre actionnee par une tete thermosta-tique.
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78 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
X.2. Tete thermostatique
Vue d’une tete thermostatique Danfoss pour radiateur :
bulbeincorpore
soufflet boutondereglage
ressort
dereglage
poussoir
clipse
Le liquide (ou le gaz) contenu dans le bulbe se dilate/contracte avec la temperature ce qui se
traduit par un mouvement du poussoir. Le mouvement du poussoir actionne le clapet en
appuyant sur la tige du clapet. Il s’en suit un controle du debit d’eau dans le radiateur qui influe
sur sa puissance d’emission. Les principaux fabricants de tete thermostatiques sont Danfoss,Heimeier, Honeywell, Oventrop, ...
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 79
XI. Mise hors gel par Tracage
On place un cable chauffant autour des tuyauteries et on isole autour de l’ensemble tuyauterie+cable.
On utilise des cables electriques dont la resistance depend de latemperature. Il s’agit alors d’une mise hors gel autoregulante : on a P =
U2
Ret
la puissance P diminue lorsque temperature augmente donc la resistance augementequand la temperature augemente, la tension d’alimentation etant constante.Sinon on utilise des cables resistifs (de resistance constante) avec une regulation electronique de latemperature. Tyco (alias Raychem) est le fabricant de reference de ce type de produit. Ce fabricantpropose des cables ronds et des cables plats.
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80 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
Vue d’un cable rond Tyco non auto-regulant et d’un rubant Tyco auto-regulant :
Les rubans chauffants presentent l’avantage d’etre plus simples a installer (pas d’electronique de
regulation), mais ne permettent pas de maintenir des temperatures superieures a 65C. Ils nedoivent pas depasser 85C . Tandis que les cables non auto-regulants permettent
un choix aise de la temperature parprogrammation du regulateurde chauffage.Tyco propose des cables succeptibles de maintenir des temperatures jusqu’a 200C.
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 81
XII. Vase d’expansion
La masse volumique de l’eau est de 1000kg.m−3 a 4C , mais la dilatation conduita une diminution de la masse volumique comme le montre legraphique suivant :
955
960
965
970
975
980
985
990
995
1000
1005
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
ρen
kg.m
−3
Temperature en C
Masse volumique de l’eau en fonction de la temperature
Comme la masse se conserve, il y a augmentation du volume. Un vase d’expansion
permet de limiter les variations de pression liees a la dilatation de l’eau dans lesinstallations de chauffage.
Il existe plusieurs types de vase d’expansion, le plus courant etant le vase a membranesuivit du vase a vessie. Les autres types de vases sont moins classiques pour les petitesinstallations et sont utilises pour les grandes installations.
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82 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
Schema d’un vase a membrane (d’apres une documentation Salmson) :
Valve Schraeder de gonflageSchema d’un vase a vessie (d’apres une documentation Salmson) :
Le vase a vessie presente un lineıque de contact polymere/acier plus faible que pour
le vase a membrane. De plus la vessie est fortement serree contre l’acier tandis que la membrane
est pincee dans l’enveloppe metallique. Pour ces differentes raisons le vase a vessie est tech-niquement preferable au vase a membrane, cependant financierement son prix estplus eleve. Les principaux fabricants de vase d’expansion sont Flamco, Salmson et Pneumatex.
Dans le cas ideal on connaıt le volume d’eau ou capacite en eau C a l’arret, en pratique on
l’evalue souvent par le ratio suivant (par rapport a la puissance chaudiere) :
10L.(kW )−1
Exemple : Pour une installation comportant un chaudiere de puissance 25kW, la capacite en eau est
d’environ C = 10 ∗ 25 = 250L en premiere approximation.
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 83
Le volume d’expansion correspond a la difference entre le volume d’eau a temperaturemaximale et le volume d’eau a temperature minimale (a l’arret),soit :
Vexpansion = C
(
ρmini
ρmaxi− 1
)
En effet :Vexpansion = Vmaxi − Vmini
Or :
Vmini =masse d’eau contenue dans l’installation
ρmini= C
Vmaxi =masse d’eau contenue dans l’installation
ρmaxi
D’ou :Vexpansion = C
ρmini
ρmaxi− C
Soit le resultat annonce.
Exemple : Le chauffage fonctionne en regime 90/70C. On prend une hypothese securitairesuivant laquelle Tmini = 10C et Tmaxi = 90C . Ce qui donne ρmini =1000kg.m−3
et ρmaxi = 965kg.m−3des lors
Vexpansion = 0.0363C . Le volume d’expansion est donc de egal a 3,6% de la
capacite en eau. Pour la chaudiere de l’exemple precedent on a Vexpansion = 0.0363 ∗250 = 9L.
Si le vase est correctement place alors il travaille atemperature constante. Le vase est a temperature minimaleentierement rempli d’un volumeVtotal de gaz a la pression de gonflagePgonflage a temperature
maximale son volume a diminue d’un volume dit utile Vutile et la pression est egale a la pression
maximale choisie Pmax. La loi des gaz parfait donne le resulat suivant :
PgonflageVtotal = Pmax (Vtotal − Vutile)
Des lors le volume total du vase est donne par la formule suivante :
Vtotal = VutilePmax
Pmax − Pgonflage
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84 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
Exemple : toujours sur la meme installation, on considere que son etendue verticale est de 13m. On
a alors Pgonflage = 2.5bar en effet la pression atmospherique a pour valeur (approxi-
mativement) 1bar, la colonne d’eau impose 1, 3bar et on arrondi le resultat. On
choisi Pmax = 4 + 1 = 5bar. On a alors Vtotal = 95
2.5= 18L. On
selectionnera le vase immediatement superieur dans les documentations fabricants.
XIII. Collecteur EC-EF (Eau Chaude - Eau Froide)
Sur le schema de la chaufferie presentee lors du coursde chaudieres et de bruleurs,
on avait note la presence de collecteurs EC-EF. La video de la societe Caleffi vous montreque ce type de collecteur n’est pas necessairement tres gros, contrairement a ce qui est represente sur leschema de la chaufferie. Les principaux fabricants de collecteur EF-EC sont Oventrop, Caleffi, ...
Il est important de noter que ce type de composant est vendu pret a etre monte dans
le commerce. De plus son installation se fait sans soudure, il en resulte un gain de tempsimportant a l’installation.
Vue issue d’une documentation Oventrop :
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COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 85
XIV. Sertissage
L’installation sans soudure est de plus en plus usitee dans le domaine du batiment. Dans les nom-
breuses techniques existantes, la technique du sertissage se developpe de plus en plus :
Les avantages du sertissage sont multiples :
• formation en moins d’une heure pour lesinstallateurs
• gain de temps et baisse du cout de l’instal-lation
• facilite de transport comparativement auxbouteilles de gaz
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86 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES
Exemples de questions d’examen :
1) Valeur numerique de la capacite calorifique massique et de la masse volumique de l’eau ?
2) Valeur numerique de la capacite calorifique massique et de la masse volumique de l’air ?
3) Donnez un schema pour chacun des reseaux suivants :
• maille
• ramifie
• boucle
4) Donnez le schema d’un manometre en U. Quelle est la relation entre difference de pression etdifference de niveau ?
5) Qu’appelle-t’on tracer un reseau dans le cadre de la mise hors gel d’un reseau?
6) Quels sont les principaux types de vase d’expansion ?
7) Quel est l’avantage d’une gaine aeraulique en materiaux fibreux ?
8) Qu’est ce qu’une vanne d’equilibrage (appuyez votre reponse par un schema commente) ?
9) Donnez le schema d’un purgeur a flotteur. Comment fonctionne-t-il ?
10) Donnez le schema d’un purgeur a disques hygroscopiques. Comment fonctionne-t-il ? Ou le trouve-t-on ?
11) Sur le schema qui suit a quoi sert le niveau a bulle ? Sur quel composant peut-on jouer pour quel’indication du niveau a bulle soit correcte ?
12) Quel est le principe d’un debitmetre a effet vortex ?
13) Qu’est-ce que le bulbe d’une tete thermostatique ?
14) Quel est le volume total d’un vase d’expansion pour une chaudiere de 80kW en regime 80/60C,la hauteur du circuit de chauffage est de 25m, la pression maximale a pour valeur 5bar relatif ? (lesgraphiques et formules utiles seront donnees le jour de l’examen qui par contre sera sans calculatrice)
15) Est-il plus simple de sertir ou de souder ?
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Cours 3
Pompes et ventilateurs
Contenu du coursI. Technologie des pompes et ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
I.1. Pompes : cas du circulateur de chauffage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
I.2. Ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
II. Introduction aux courbes de reseau et de machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
II.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
II.2. Courbe de machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
II.3. Courbe de reseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
II.4. Point de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
III. Courbes des machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
III.1. Cas des pompes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
III.2. Cas des ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
III.3. Courbes de ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
III.4. Montage en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
III.5. Montage en parallele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
IV. Courbes de reseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
IV.1. Modelisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
IV.2. ∆P0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
IV.3. Reseaux en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
IV.4. Reseaux en parallele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
V. Effet d’une vanne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
V.1. Le coefficient Kv : definition et interet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
V.2. L’autorite hydraulique d’une vanne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
V.3. Effet global d’une vanne : le diagramme a quatre cadrants . . . . . . . . . . 105
VI. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
VI.1. Selection d’un gicleur de F.O.D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
VI.2. Connaissance d’un reseau a partir de deux points . . . . . . . . . . . . . . . 108
VI.3. Mesure du debit par un diaphragme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
88 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
I. Technologie des pompes et ventilateurs
I.1. Pompes : cas du circulateur de chauffage
Coupe d’un circulateur de marque Salmson :
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 89
Les circulateurs utilises dans les installations de chauffage a ECBT1 sont le
plus souvent du type rotor noye : l’eau du circuit de chauffage sert a refoidir le moteur
electrique. Ces circulateurs sont actuellement installes systematiquement, les instal-
lations fonctionnant uniquement en thermosiphon pour faire circuler l’eau chaude ayanttotalement disparues au moins pour les installations neuves. Il existe un grand nombre de fabricants :
Salmson, Grundflos, Wilo, ... Chaque fabricant (ou presque) propose un logiciel metier pour
la selection des pompes, il ne faut desormais que quelques minutes (une dizaine) pour
selectionner une pompe adaptee a ses besoins (ou a ceux des clients).
Lorsqu’une installation ne fonctionne pas pendant une longue duree (plusieurs mois),
il est possible que la pompe se grippe. Dans ce cas il est possible de degommer lapompe, c’est-a-dire de degripper le rotor a l’aide d’un tourvenis apresavoir retire la vis dediee a cette operation :
1Eau chaude basse temperature : temperature inferieure a 110C
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90 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
Les circulateurs traditionnels (sans commande electronique) sont en general
mono ou tri-vitesse Vue du boitier de connexion electrique d’un circulateur a troisvitesses :
On repere :
• Le condensateur de demarrage, qui est obligatoire en mo-nophase.
• Le selecteur de vitesse : petite, moyenne ou grande vi-tesse
La variation de la vitesse de rotation se fait par augmentation (ou reduction) du nombre de pairesde poles du circuit electrique au stator :
GV PV
MV
L : Phase
N: Neutre
selecteur rotatif
enroulement enroulement principalde demarrage
condensateur de demarrage
Avec bien entendu :
• PV : Petite Vitesse• MV : Moyenne Vitesse• GV : Grande Vitesse
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 91
I.2. Ventilateurs
Vue d’un ventilateur centrifuge a action (de marque Helios) :
bride de refoulement circulaire
plot anti-vibratoire
moteurvolute XXXXXXXXXXXXXXXXXXX
porte metallique
@@
@@
@@
@@
@@
@@roue outurbine
Le moteur est solidaire de la porte, la roue est constitue de tole pliee. L’aspiration de
l’air se fait par l’ouie d’aspiration du cote oppose au moteur.
Les ventilateurs centrifuges sont dits a action ou a reaction suivant l’orientation des aubes par rapportau sens de rotation :
Ventilateur a (( action )) Ventilateur a (( reaction ))
aubes inclinees vers l’avant aubes inclinees vers l’arriere
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92 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
II. Introduction aux courbes de reseau et de machine
II.1. Introduction
On s’interesse au fonctionnement global des installations. Le but recherche n’est pas la connaissance
parfaite (au pourcent pres), mais une connaissance approximative a 10 pourcent pres (aumaximum) des installations. Ceci se justifie par les points suivants :
• il y a toujours un ecart entre conception et realisation• les installations vivent : modifications, encrassement, deteriorations, ...
• le calcul des installations coute cher (temps humain impor-tant)
• les conditions de fonctionnement sont variables : du debit pro-bable des eaux a consommation humaine aux conditionsclimatiques.
Les reseaux sont finalement toujours calcules pour desconditions pro-bables, critiques, extremes ....
• ...
Dans ce cours on suppose les ecoulements incompressibles, la masse volumique ne peut
dependre que de la temperature.
II.2. Courbe de machine
En regime permanent une machine hydraulique/aeraulique estcaracterisee parsa courbede fonctionnement :
∆Ppompe = fpompe(Q)
Pe Ps
Q
Avec :
• ∆Ppompe = Ps − Pe : la variation de pression entre l’entree et
la sortie de la machine
• Q : le debit traversant la machine
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 93
On represente graphiquement la courbe caracteristique :
∆Ppompe
Q
II.3. Courbe de reseau
De la meme maniere un reseau est caracterise par sa courbe de fonctionnement :
∆Preseau = freseau(Q)
Pe Ps
Q
Avec :
• ∆Preseau = Pe − Ps : la variation de pression entre la sortie etl’entree du reseau
• Q : le debit traversant le reseau
On represente graphiquement la courbe de reseau :
∆Preseau
Q
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94 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
II.4. Point de fonctionnement
La machine et le reseau sont installes en serie :
Q
En regime permanent on a : ∆Ppompe = ∆Preseau
Graphiquement cela se traduit par le point d’intersection des courbescaracteristiques de machine et de reseau. Le point d’intersection est appelle pointde fonctionnement :
∆P = ∆Ppompe = ∆Preseau
QQf
∆Pf
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 95
III. Courbes des machines
Les differents fabricants de machines fournissent les courbes caracteristiques des
machines qu’ils produisent. De plus en plus le catalogue est complete ou remplacepar un logiciel de selection.
Les donnees sont souvent fournies en metres de colonne d’eau. Il s’agit d’un
abus classique sur les unites :
• 1bar = 105Pa : il s’agit d’une egalite
• Quand les unites ne sont pas egales mais que l’on peut les utiliser par
representation on utilise le symbole∧
= (represente par). Sous l’eau
(( on prend )) 1bar tous les 10m (relation bien connue en plongee2) soit :
1bar∧= 10mCE
On peut aussi ecrire 10Pa∧= 1mmCE , CE etant l’abbreviation de colonne
d’eau. On utilise les termes (( hauteur manometrique )) (HM) et (( hauteur manometrique totale ))
(HMT) pour designer la ∆Ppompe exprimee en mCE.
La pression est homogene a une energie volumique soit 1Pa = 1J.m−3, mais aussi a
une force par unite de surface 1Pa = 1N.m−2
III.1. Cas des pompes
Courbe d’une pompe a vitesse de rotation fixe (circulateur UPS 25-50 Grundfos) :
Il s’agit d’un circulateur a trois vitesses de rotation. Le domaine de fonctionne-
ment est facilement identifiable (trait epais). Le fabricant ajoute des courbes de reseau(boucle) sur le graphique qui permettent de connaıtre rapidement l’evolution du point de fonc-
tionnement dans le cas ou l’on ne change que la vitesse de rotation.
2et par tous les etudiants lors du cours de statique des fluides
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96 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
On utilise de plus en plus des pompes avec regulation electronique. Dans ce cas
la vitesse de rotation n’est plus fixe. On obtient alors les courbes suivantes :
Ce circulateur possede 5 reglages de fonctionnement + une fonction ralenti. Lademarche est la suivante, on selectionne une des courbes de fonctionnement (1 a 5). L’electronique du
circulateur regulera la vitesse de rotation de maniere a avoir en permanence un point
de fonctionnement sur la courbe choisie. Si la temperature de l’eau descend en dessousd’un certain seuil, alors le circulateur passe automatiquement en moderalenti et le point de fonctionnement sera alors sur la sixieme courbe (et ce quelque soit la courbe debase choisie).
III.2. Cas des ventilateurs
III.3. Courbes de ventilateurs
Les courbes caracteristiques des ventilateurs sont les suivantes :
Q
∆P
action
reaction
∆Qreaction
∆Qaction
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 97
On remarque que la courbe caracteristique d’un ventilateur a reaction est sem-blable a celle d’une pompe.
Comparaison :
• Action :
• ∆P relativement constante• Puissance fortement variable
• Moins bruyant• Reaction :
• Meilleur rendement
• Q plus constant lors d’une variation du coefficientZ du reseau
III.4. Montage en serie
HMT1 HMT2
HMTt
Qt
Le debit se conserve d’ouQt = Q1 = Q2, et HMTt = HMT1+HMT2. Lors de l’association
serie de deux machines, on additionne les hauteurs manometriques totales pour un memedebit :
0
2
4
6
8
10
0 0.5 1 1.5 2
HM
Ten
mC
E
Debit Q en m3.h−1
Courbes caracteristiques de pompes en serie
pompe 1 seulepompe 2 seulecouplage serie
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98 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
En placant plusieurs points, par decalage vertical, il est possible de determinergraphiquement la courbe resultant de l’association de deux machines en serie.
L’association serie de deux machines augmente la hauteur manometrique pour un debitidentique.
III.5. Montage en parallele
Qt
HMTt
On a : HMTt = HMT1 = HMT2 et Qt = Q1 + Q2.
Lors de l’association serie de deux machines, on additionne les debits pour une meme hauteur ma-nometrique totale :
0
1
2
3
4
5
6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
HM
Ten
mC
E
Debit Q en m3.h−1
Courbes caracteristiques de pompes en parallele
pompe 1 seulepompe 2 seule
couplage parallele
En placant plusieurs points,par decalage horizontal, il est possible de determinergraphiquement la courbe resultant de l’association de deux machines en parallele.
L’association parallele de deux machines augmente le debit pour une meme hauteur ma-nometrique.
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 99
IV. Courbes de reseau
IV.1. Modelisation
On modelise la courbe de reseau de la maniere suivante : ∆Preseau = ∆P0 + Z.Q2
Le terme modele est a prendre au sens que lui a donne J.BRETTE membre du departementde mathematiques du Palais de la Decouverte :
(( Modele : schema simplifie et symbolique permettantde rendre compte economiquement d’une realite quel-conque ))
Dans la modelisation proposee, a savoir ∆Preseau = ∆P0 + Z.Q2 les differents termes sont :
• ∆P0 : variation de pression entre la sortie etl’entree du reseau a debit nul
• Z : coefficient caracteristique du reseauL’origine de ∆P0 se situe dans l’effet thermosiphon et les differences de niveau.
L’origine du coefficient Z se situe dans les pertes par frottement internedans les fluides qui se traduisent par une perte d’energie et une variation depression (les deux etants lies). On appelle pertes de charge, l’ensemble Z.Q2, que
l’on note generalement J .
On a alors la relation suivante : ∆Preseau = ∆P0 + J
Note : suivant cette modelisation la connaissance de deux points differents sur la courbe permet dedeterminer entierement la courbe (cf exercice).
IV.2. ∆P0
On a ∆P0 = ρg∆z s’il n’y a pas d’effet thermosiphon :
Q
∆P
ρg∆z
∆z
entree
sortie
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100 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
IV.3. Reseaux en serie
On connait en general les caracteristiques des reseaux par sous-reseau. Il faut rassembler les ca-
racteristiques des sous-reseaux pour en deduire la caracteristique globale.En serie, on ob-tient ∆Pt = ∆P1 + ∆P2 et Q1 = Q2 = Q.
On a donc ∆POt = ∆P01 + ∆PO2 et Zt = Z1 + Z2
Soit :
∆z1
∆z2
∆zt
entree
sortie
On a ∆z1 = 5m et ∆z2 = −2m ce qui donne ∆zt = 3m. De plus on donne les va-
leurs des coefficients Z : Z1 = 1.3mCE.m−6.h2 et Z2 = 0.6mCE.m−6.h2 ce qui donne Zt =1.9mCE.m−6.h2
. On en deduit le graphique :
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
HM
Ten
mC
E
Debit Q en m3.h−1
Courbes caracteristiques de reseaux en serie
reseau 1reseau 2
reseau total
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 101
IV.4. Reseaux en parallele
En parallele on a ∆P1 = ∆P2 = ∆Pt, ∆P01 = ∆P02 = ∆P0t et
Qt = Q1 + Q2
On a donc1
√Zt
=1
√Z1
+1
√Z2
. En effet : Q1 =
√
∆Pt
Z1
, Q2 =
√
∆Pt
Z2
et
Qt = Q1 + Q2 =
√
∆Pt
Ztsoit
entree
sortie
∆z
On a ∆P0∧
= 2.5mCE, les valeurs des coefficients Z sont Z1 = 1.3mCE.m−6.h2 et Z2 = 0.6mCE.m−6.h2
ce qui donne Zt = 0.21mCE.m−6.h2. On en deduit le graphique :
0
2
4
6
8
10
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
HM
Ten
mC
E
Debit Q en m3.h−1
Courbes caracteristiques de reseaux en serie
reseau 1reseau 2
reseau total
Remarque : il est possible de tracer graphiquement la courbeequivalente a deux reseaux en serie ou en parallele (comme pour les courbes de machines)
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102 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
V. Effet d’une vanne
V.1. Le coefficient Kv : definition et interet
Une vanne est un element de reseau qui possede son propre coefficient Zvanne.
La majorite des vannes permettent une fermeture complete de la vanne. Ce qui se traduit par
Zvanne ∈ [Zmin,∞] ce qui n’est absolument pas pratique.
C’est pourquoi pour les vannes, on prefere utiliser le Kv.
Kv est definit par la relation suivante : ∆Pvanne =
(
Q
Kv
)2
.
On a ainsi Zvanne =1
K2v
En page 61, se trouve la representation d’une vanne dite de reglage. On trouve dans la documentation
de la vanne la valeur du Kv en fonction de la position de la vanne. Ainsi la vanne de
reglage permet de regler et de determiner (pour autant que l’on puisse mesurer la pressiondifferentielle aux prises de pression) le debit.
Note :
• Kv en parallele : Kvt = Kv1 + Kv2
• Kv en serie : Kvt =Kv1.Kv2
√
K2v1 + K2
v2
V.2. L’autorite hydraulique d’une vanne
On desire regler le debit d’un reseau par une vanne. La question est la suivante :
La vanne doit-elle etre petite ou grosse ?Nous allons formuler un debut de reponse a cette question.
Soit le sous-reseau suivant :
∆P
Q
On considere que notre sous-reseau est negligeable devant le reste du reseau. Cette hy-
pothese se traduit par : ∆P est constanteLa difference de pression ∆P entre l’entree et la sortie du sous-reseau est la somme de la perte de
charge de la tuyauterie ∆Pt et de la perte de charge de la vanne ∆Pv :
∆P = ∆Pt + ∆Pv (3.1)
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 103
Par definition du Kv (et du Kt), on a :
∆Pt =
(
Q
Kt
)2
(3.2)
∆Pv =
(
Q
Kv
)2
(3.3)
Kt est constant, par contre Kv peut varier. Kv est minimal (nul) vanne fermee et maxi-mal vanne ouverte. On note Kv100 sa valeur lorsque la vanne est ouverte a 100% et on suppose une
relation lineaire entre l’ouverture de la vanne φ et le Kv soit :
Kv = Kv100 ∗ φ (3.4)
L’autorite (nominale) de la vanne est definie par la relation suivante :
an =∆Pv100
∆Pv100 + ∆Pt100(3.5)
an peut varier entre 0 et 1 :
• an = 0 si la vanne est tres (( grosse )) par rapport au reseau.
• an = 1 si la vanne est tres (( petite )) par rapport au reseau.
On desire donc determiner l’influence de l’autorite nominale de la
vanne sur la possibilite de regler le reseau.
On ecrit 3.5 en utilisant 3.2 et 3.3 :
an =
(
Q100
Kv100
)2
(
Q100
Kv100
)2
+
(
Q100
Kt
)2(3.6)
On simplifie Q100 :
an =
1
K2v100
1
K2v100
+1
K2t
(3.7)
Que l’on peut aussi ecrire :
an =1
1 +
(
Kv100
Kt
)2(3.8)
D’ou :
1 +
(
Kv100
Kt
)2
=1
an(3.9)
Soit :(
Kv100
Kt
)2
=1
an− 1 (3.10)
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104 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
On va maintenant travailler a partir de la relation entre ∆P et Q, on ecrit 3.1 en tenantcompte de 3.2 et de 3.3 :
∆P =
(
1
K2v
+1
K2t
)
Q2 (3.11)
On a aussi (par definition) :
∆P100 =
(
1
K2v100
+1
K2t
)
Q2100 (3.12)
Or on suppose que notre sous-reseau est (( petit )) ∆P est alors suppose constant, d’ou :
∆P100 = ∆P (3.13)
En (( divisant )) 3.11 par 3.12, on obtient que le debit (sous forme adimensionnee) qverifie :
q2 =
(
Q
Q100
)2
=
1
K2v100
+1
K2t
1
K2v
+1
K2t
(3.14)
Soit en tenant compte de 3.7 :
q2 =
1
an
1
K2v100
1
K2v
+1
K2t
(3.15)
D’ou :
q2 =1
anK2v100
(
1
K2v
+1
K2t
) =1
an
(
(
Kv100
Kt
)2
+1
φ2
) (3.16)
On peut simplifier 3.16 grace a 3.10 et obtenir l’expression finale suivante :
q =
√
√
√
√
1
1 − an +an
φ2
(3.17)
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 105
On peut tracer un graphique de la relation 3.17 :
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Deb
itadim
ensi
onne
q
Ouverture de la vanne φ
Influence de l’autorite nominale sur le reglage du sous-reseau
an = 1an = 0.5an = 0.1
an = 0.01
Cette analyse montre qu’il faut choisir une vanne petite par rapport au reseau si l’on veut
pouvoir regler facilement le debit dans le reseau. En pratique an = 0.5 est un bonchoix.
V.3. Effet global d’une vanne : le diagramme a quatre cadrants
On se place dans la situation suivante :
∆P cst
La vanne sert donc a regler la puissance d’emission du radiateur. Il existe une demarche gra-
phique permettant de determiner l’influence de la vanne sur la puissance d’emission, c’est le
diagramme a quatre cadrants.
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106 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
φ
PPmax
qqmax
Kv
Kv100
1
1
1
1
4 1
3 2
Avec :
• 1 : l’influence de la vanne sur la puissance d’emission. Cettecourbe est tracee point par point
• 2 : la relation entre l’ouverture φ de la vanne et son Kv
• 3 : l’influence de la vanne sur le debit du sous-reseau considere
• 4 : la relation entre le debit traversant l’emetteur de chaleur etsa puissance d’emission (voir p43)
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 107
VI. Exercices
VI.1. Selection d’un gicleur de F.O.D
Le marquage (page 38) d’un gicleur donne le debit de fioul en kg.h−1 sous une pres-sion de 10bar, soit le graphique suivant pour la serie des gicleurs OD de la societe Danfoss :
0123456789
10111213141516171819202122232425
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10
Pre
ssio
nd’e
ntr
eedu
gic
leur
(bar
rela
tif)
Debit massique Q (kg.h−1)
Courbes de gicleurs suivant le calibre
10bar rel
Calibre du gicleurLes calibres sont : 1.46, 1.66, 1.87, 2.11, 2.37, 2.67, 2.94, 3.31, 3.72, 4.24, 4.45, 4.71, 5.17, 5.84 , 6.08,
6.55.
On a ∆P = Pgicleur − Patm = Pgicleur/atm : il s’agit de la pression relative (par rapport a
l’atmosphere). De plus Pgicleur/atm = 10
(
Q
Calibre
)2
.
On desire selectionner un gicleur pour une chaudiere de 80kW, de rendement global 0,9. La pompea fioul etant limitee a 16bar.
On a P = η
m PCI d’ou
m=P
ηPCI. Le PCI du fioul est de 12kWh.kg−1. Soit
m=
80
0, 9.12=
7.4kg.h−1.
Le gicleur de calibre 5.84 semble critique, on choisira celui de calibre 6.08, on aura alors
une pression d’entree gicleur de 15bar rel.
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108 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
On reglera cette pression, lorsque le fioul circule (electrovanne ouverte) :
0123456789
1011121314151617181920
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10
Pre
ssio
nen
bar
rela
tif
Debit massique Q (kg.h−1)
Pompe a fioul et gicleur de calibre 6.08
entree gicleursortie pompe
Note : La courbe d’une pompe a fioul est tres proche d’une droite horizontale, la technologie
particuliere de ce type de pompe regulant la pression de sortie.
VI.2. Connaissance d’un reseau a partir de deux points
On connaıt les deux points (∆P1, Q1) et (∆P2, Q2), quelle est la valeur de ∆P0 et du coefficient Z ?
∆P0 et Z verifient les relations :
(1) : ∆P1 = ∆P0 + Z.Q21
(2) : ∆P2 = ∆P0 + Z.Q22
Par difference :
∆P2 − ∆P1 = Z.(Q22 − Q2
1)
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COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 109
D’ou :
Z =∆P2 − ∆P1
Q22 − Q2
1
Et ainsi :
∆P0 = ∆P1 −∆P2 − ∆P1
Q22 − Q2
1
Q21
VI.3. Mesure du debit par un diaphragme
La perte de charge d’un diaphragme est de 10mmCE pour un debit de 1000l.h−1. On mesure une∆P de 40mmCE, quel est le debit ?
Le coefficient Z du diaphramme est :
Z =∆P
Q2=
10mmCE
(1000l.h−1)2
D’ou le debit pour 40 mmCE :
Q =
√
∆P
Z=
√
40 ∗ 1000 ∗ 1000
10= 2000l.h−1
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110 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS
Exemples de questions d’examen :
1) A quoi correspond l’operation de degommage d’une pompe ?
2) Tracez l’allure caracteristique d’une pompe (∆P − Q).
3) Tracez l’allure de la caracteristique d’un reseau simple.
4) Qu’est-ce que le point de fonctionnement d’une pompe et d’un reseau?
5) Donnez la relation d’equivalence entre metres de colonne d’eau et :
• Pascal
• Bar
6) Definisez le Kv d’une vanne.
7) Qu’est-ce que le coefficient Z ?
8) Selectionnez un gicleur pour une chaudiere de 25kW, la pression etant limitee a 12bar. Avecjustification. (avec le graphique de la page 89)
9) Comment determiner graphiquement la courbe caracteristique de deux pompes identiques fonc-tionnant en serie a partir de la courbe d’une pompe seule ?
10) idem en parallele.
11) La perte de charge d’un diaphragme est de 10mmCE pour un debit de 1000l.h−1. Quelle sera saperte de charge pour un debit de 2000l.h−1 ?
12) Quelle autorite nominale faut-il choisir par defaut pour une vanne de reglage?
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Cours 4
Compresseurs
Contenu du coursI. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
II. Installation d’air comprime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
II.1. Vue d’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
II.2. Schema de principe d’une installation standard . . . . . . . . . . . . . . . . 114
II.3. Petit compresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
II.4. Compreseur de taille moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
II.5. Evaluation de la condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
II.6. Secheur d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
II.7. Deshuileur pour condensats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
III. Les differentes technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
III.1. Compresseur a piston de refrigerateur menager . . . . . . . . . . . . . . . . 120
III.2. Compresseur a piston de machine frigorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
III.3. Compresseur a lobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
III.4. Compresseur a engrenage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
III.5. Compresseur a vis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
III.6. Compresseur scroll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
III.7. Compresseur mono-vis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
IV. Complements sur le compresseur a piston . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
IV.1. Clapets discus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
IV.2. Description geometrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
IV.3. Trace de principe du cycle dans le diagramme P − Vchambre . . . . . . . . . 136
IV.4. Etude de la compression 1 → 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
IV.5. Cas a deux etages de compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
IV.6. Courbe caracteristique d’un compresseur a piston . . . . . . . . . . . . . . . 140
112 COURS 4. COMPRESSEURS
I. Introduction
Un compresseur sert a mettre un fluide compressible sous pression. On utilisedes compresseurs pour :
• la production d’air comprime
• la propulsion : turboreacteurs
• la production de froid par compression• les process industriels
• ...
Vue du turboreacteur Trent 1000 de Rolls-Royce :
On repere facilement dans l’ordre :
• la soufflante• le compresseur BP (basse pression)• le compresseur HP (haute pression)• la chambre de combustion annulaire
• la turbine HP• la turbine BP
L’etude detaillee du turboreacteur fait l’objet d’un cours specifique en deuxieme annee
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COURS 4. COMPRESSEURS 113
II. Installation d’air comprime
II.1. Vue d’ensemble
L’air comprime :
• automatisme pneumatique : securite anti-explosion quasi-
ment totale, rapport puissance/volume tres important, grande flexi-bilite, ...
• pulverisation : production de sprays pour l’humidification, lapeinture ...
• creation de vide (peu pousse) par effet Venturi• force motrice : verins pneumatiques, moteurs a air com-prime,...
• soufflettes d’atelier• gonflage de pneumatiques
L’air dans les conditions ambiantes est unfluide compressible humide (quelques
gramme de vapeur d’eau par kilogramme d’air) se comportant en premiere approximation comme ungaz parfait.
Une installation d’air comprime est caracterisee par :
• la(les) pression(s) delivree(s)• son debit
• sa capacite de stockage• ses variations de pression/debit• le taux d’huile dans l’air comprime
• l’humidite de l’air comprime
• le prix de l’air comprime
On trouve dans le commerce des dispositifs de :
• 2 a 80bar (eventuellement plus mais ca devient tres marginal)
• 10 a 20000m3.h−1(meme remarque)
• sans huile, avec deshuileur, avec huileur• sans/avec secheur d’air• refroidi a l’air sans/avec ventilateur, a l’eau, avec un fluide fri-gorigene
• capacite de stockage de quelques litres a 1000m3
• avec separateur d’azote (compresseur GN d’ATLAS COPCO parexemple) pour gonflage de pneumatiques
• qualite medicale pour reseaux specifiques ou la proprete de l’air
comprime est essentielleIUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
114 COURS 4. COMPRESSEURS
II.2. Schema de principe d’une installation standard
compresseur refroidisseur
separateur
d’eau
secheur reservoir de
stockage
filtre filtre
vanne
II.3. Petit compresseur
Vue d’un petit compresseur Atlas Copco :
Il s’agit du compresseurdomestique type : un reservoir de petite taille,
un moteur de quelques kW avec une transmission par courroie vers un compresseur
a 2 pistons. La roue de la courroie sert aussi de ventilateur pour refroidir le bloccylindre. Un manometre indique la pression de l’air contenu dans le reservoir.
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COURS 4. COMPRESSEURS 115
II.4. Compreseur de taille moyenne
Schema d’un compresseur a vis de taille moyenne (Atlas Copco) :
air comprime
huile
fluide de refroidissement
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116 COURS 4. COMPRESSEURS
Il s’agit d’un compresseur utilise pour de petits besoins dans l’industrie : garage auto-mobile, petit atelier de peinture, ... La technologie de ce compresseur est singulierement differente :
• le filtre/silencieux d’entree est relativement grand• lubrification soignee par un circuit dedie• la pompe a huile est une pompe a engrenage interieur• presence d’un filtre a huile• l’huile est refroidie par un echangeur de chaleur• un circuit de refroidissement a fluide dedie(eau, fluide frigorigene)
est present
• un silencieux est present a la sortie du compresseur
• liaison souple pour ne pas transmettre les vibrations
II.5. Evaluation de la condensation
On rappelle que la pression totale de l’air humide (melange d’air et de vapeur d’eau) est
egale a la somme des pressions partielles de l’air sec (pa) et de la vapeur d’eau pv,soit p = pa + pv.
On note pvs,θla pression partielle de saturation de la vapeur d’eau dans l’air a la temperature
θ. CADIERGUES du COSTIC1 a propose la relation suivante : pvs,θ= 10( 7625θ
241+θ+2.7877). On obtient
graphiquement :
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
13000
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Pre
ssio
nde
satu
ration
enPa
Temperature en C
Courbe de saturation de l’air humide
1COmite Scientifique et Technique des Industries Climatiques
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COURS 4. COMPRESSEURS 117
Ainsi la pression partielle de saturation de la vapeur d’eau dans l’air augmente rapidementavec la temperature.
On definit l’humidite specifique commme etant le rapport de la masse de vapeurd’eau contenue dans un volume d’air humide a la masse d’air sec contenue dans le meme volume :
rs =mv
ma= d
pv
p − pv
avec d la densite de la vapeur d’eau par rapport a l’air : d = 0.622
On definit l’humidite relative comme etant le rapport entre la pression partielle dela vapeur d’eau dans l’air et la pression de saturation pvs,θ
a la temperature de l’air :
Ψ =pv
pvs,θ
Des lors :
rs = dΨpvs,θ
p − Ψpvs,θ
Application : On comprime de l’air initialement a patm, d’humidite relative 40% a 8 bar absolu.Question : en supposant que la temperature finale et initiale sont toutes deux de 20C, quelle est lamasse d’eau en g.kg−1
air sec qui va se condenser ?
A l’instant initial :
rs1 = 0.622
0.4 ∗ 2400
100000 − 0.4 ∗ 2400= 0.006kgeau.kg−1
air sec.A l’instant final :
rssat = 0.622
1 ∗ 2400
800000 − 1 ∗ 2400= 0.0019kgeau.kg−1
air sec.
Ainsi il se condense rs1 − rs
sat = 0.0041kgeau.kg−1air sec
On suppose de plus que le debit Q est de 10m3.h−1, quelle masse d’eau a condensee au bout d’uneheure de fonctionnement ?
Il a circule une masse ρair ∗ Q ∗ ∆t = 1.2 ∗ 10 ∗ 1 = 12kgair, onneglige ici la difference de masse volumique entre l’air sec et l’air humide.
Soit mcondensats = (rs1 − rs
sat) ∗ ρair ∗Q ∗∆t = 0.0041 ∗12 = 0.0492kgeau, donc environ 5cL de condensats seront produits en une heure defonctionnement.
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118 COURS 4. COMPRESSEURS
II.6. Secheur d’air
Schema de fonctionnement d’un secheur d’air Quasar de marque Hiross :
entree
aircomprime
sortie air comprime
evacuation de la chaleur
sur un reseau secondaire
purge des
condensats
Un secheur d’air de ce type est essentiellement constitue d’une machine frigorifique.
Le secheur comporte un echangeur de chaleur qui sert a refroidir l’air com-prime entrant a l’aide de l’air comprime sortant, ce qui rechauffe l’air com-prime sortant. On realise ainsi des economies d’energie. Le fonctionnementde la partie frigorifique sera etudie dans le prochain cours.
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COURS 4. COMPRESSEURS 119
II.7. Deshuileur pour condensats
Les condensats recuperes par le secheur d’air comportent de l’huile utilisee pour la
lubrification du compresseur. La loi sur l’eau impose des niveau d’huile residuelstres faibles, il est donc necessaire de separer l’eau et l’huile dans les condensats.
Vue d’un deshuileur de marque Air Comprime Energie :
Du fluide charge en condensats penetre au niveau du repere 1, l’air s’il y en a
ressort en partie superieure apres avoir perdu les goutellettes de condensats qu’ilpossedait.
Les condensats se separent de maniere gravimetrique dans le bac numero 2 : l’eauplus dense que l’huile se situe en bas.
L’huile lorsqu’elle atteint le niveau superieur s’ecoule dans le tuyau de trop pleinnumerote 3.
L’eau remonte dans un tube separe (numero 4), elle est evacuee par un tuyau de trop pleinlorsque son niveau le permet.
Ce deshuileur a donc un fonctionnement tres simple qui necessite peu d’en-
tretien. Il faut cependant veiller a vider regulierement le bac collecteur d’huile.
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120 COURS 4. COMPRESSEURS
III. Les differentes technologies
III.1. Compresseur a piston de refrigerateur menager
Le compresseur d’un refrigerateur menager est qualifie de moto-compresseurhermetique. En effet dans un refrigerateur le moteur est integre dans le com-presseur au sein d’une enveloppe metallique hermetique.
Vue en coupe d’un compresseur hermetique de marque Danfoss :
silencieux
@@
@@
@@
entree du
fluide
frigorigene
sortie du
fluide
frigorigene
pompe a huile
ressort de
suspension
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COURS 4. COMPRESSEURS 121
On remarque que le fluide frigorigene arrivant depuis l’exterieur passe par le mo-teur, ce qui permet de le refroidir. Une fois comprime le fluide frigorigene passe par le si-lencieux de refoulement, puis passe dans le rechauffeur d’huile : on
fluidifie l’huile en la rechauffant, d’ou une amelioration de la lubrification. L’arbre
mecanique est perce, le passage ainsi cree sert de circuit d’huile de lubrifica-tion.
Le moteur est monte verticalement en appui sur des ressorts, le compresseur etant
lui-meme sur des appuis en polymere visco-elastique. Ces dispositions permettent d’absor-
ber l’essentiel des vibrations du moteur, et ainsi de reduire de maniere significative le bruitdu moteur.
III.2. Compresseur a piston de machine frigorifique
Vue eclatee d’un compresseur a pistons de marque Bitzer :
Les elements essentiels sont :
• le vilbrequin (arbre manivelle) pour lesquels deux technologies sont possibles
• les pistons
• la plaque a clapets
• la pompe et le filtre a huile pour la lubrification
• les vannes de service
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122 COURS 4. COMPRESSEURS
Il existe deux technologies de vilbrequins qui sont associees a deux types de bielles :
On note :
• la presence de segments. Il existe en effet un ecart fonctionnel entre lepiston et sa chemise, l’etancheite est obtenue par le biais des segments.
• les bielles sont suivant le type de vilbrequin soit monobloc, soit en
deux parties liees entre elles par le biais de deux vis.
• les vilbrequins sont munis d’un circuit de lubrification.
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COURS 4. COMPRESSEURS 123
Le circuit de lubrification est usine par percage et est bouche par des bouchons visses :
On remarque les bielles sont percees, ce qui permet de lubrifier l’axe des pistons.
La pompe a huile est du type engrenage interieur, l’huile est accumulee dans le
carter et est pompee au travers du filtre a huile :
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124 COURS 4. COMPRESSEURS
La plaque a clapets fait l’objet d’une attention particuliere chez les fabricants, puisque ses ca-racteristiques influencent directement le rendement du compresseur.
Les clapets visibles sont les clapets de refoulement, ils sont fixes a la plaque a clapets par
l’intermediaire d’une tige filtee et d’un ecrou.
La vanne de service permet :
• l’isolement du compresseur pour cela il faut tourner le
carre de manoeuvre situe sous le capuchon en plastique
• le remplissage en fluide frigorigene de l’installation, ainsi que le
tirage au vide. Ceci par l’intermediaire de la valve Schraeder protegee
par un capuchon metallique.• le raccordement au reste de l’installation. Ici par un raccord a souder,
qui est lui-meme visse sur la vanne de service.
• la valve Schraeder peut aussi servir a la mesure ponctuelle des pressionsd’entree/sortie du compresseur.
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COURS 4. COMPRESSEURS 125
III.3. Compresseur a lobes
Les compresseurs a lobes possedent plusieurs types de lobes : lobes classiques (2 ou 3) ou non. Leslobes non classiques (parfois appelles (( dents ))) sont apparus avec l’amelioration des moyens de calculset d’usinage (usinage sur commande numerique).
Coupe d’un compresseur a lobes (3) classiques :
On note la presence de pieces d’usure (en cuivre, plastique). Il existe en effet un frot-tement important entre les lobes et le bati. Attention le contact entre les lobes est nor-
malement du type contact sans glissement, comme pour des engrenagesa developpante de cercle.
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126 COURS 4. COMPRESSEURS
Vue des (( lobes )) (non classiques) d’un compresseur Atlas Copco :
On remarque que le profil est absolument non trivial.
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COURS 4. COMPRESSEURS 127
III.4. Compresseur a engrenage
Coupe d’un compresseur a engrenages :
Ce type de compresseur est surtout utilise en hydraulique de puissance.
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128 COURS 4. COMPRESSEURS
III.5. Compresseur a vis
III.5..1 Forme des vis
Vue des vis d’un compresseur a vis frigorifique de marque Bitzer :
On retiendra que le profil des vis n’est absolument pas triangulaire.
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COURS 4. COMPRESSEURS 129
III.5..2 Carter et tiroir
Vue du carter et du tiroir de regulation :
On remarque l’emplacement reserve aux vis et celui du tiroir de regulation
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130 COURS 4. COMPRESSEURS
III.5..3 Economiseur et tiroir
Un des avantages du compresseur a vis est sa capacite a fonctionner a charge partielle.
Un autre avantage est la possibilite d’obtenir une pseudo-machine bi-etagee en froid par le biais
de l’economiseur :
Entree du
fluide frigorigene
EconomiseurSortie
du fluide frigorigene
Entree de l’huile
de lubrification
En plus du mecanisme classique de commande du tiroir par l’huile de lubri-fication, on note la presence d’une arrivee de fluide frigorigene supplementaire auniveau du tiroir. L’introduction de fluide frigorigene diphasique (avec des gouttes de liquide) permet de
refroidir le gaz a comprimer et d’augmenter le rendement du compresseur.
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COURS 4. COMPRESSEURS 131
III.6. Compresseur scroll
Il s’agit d’un compresseur surtout utilise pour les machines frigorifiques. Un scroll
est constitue de deux spirales mobiles :
Le principe du compresseur scroll date du debut des annees 1900. Cepen-dant les difficultes de realisation necessitant des machines a commande numerique ont considerablementretarde l’apparition sur le marche du compresseur scroll.
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132 COURS 4. COMPRESSEURS
La compression s’effectue en trois etapes :
• le gaz est aspire• la poche de gaz est comprimee entre les spi-rales
• le gaz comprime est refoule
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COURS 4. COMPRESSEURS 133
III.7. Compresseur mono-vis
Vue d’une coupe d’un compresseur mono-vis de marque Compair :
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134 COURS 4. COMPRESSEURS
IV. Complements sur le compresseur a piston
IV.1. Clapets discus
Il existe toujours un volume mort dans un compresseur a piston, il est essentiel
de le reduire au maximum. Une technologie developpee par certains fabricants pour reduirele volume mort est la technologie (( discus )).
Soit un compresseur de type discus :
Ici le piston s’eloigne de la plaque a clapet, le clapet d’admission est ouvert.
On trouve, dans un compresseur a piston de type discus :
• une plaque a clapets adaptee• un clapet annulaire d’aspiration
• un clapet de refoulement rigide qui se deplace en translation dont
la mise en position est assuree par un ressort (lame souple).
• un passage assurant la libre transmission de la pression derriere leclapet de refoulement.
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COURS 4. COMPRESSEURS 135
IV.2. Description geometrique
Le piston varie entre le PMB et le PMH :
• PMB : Point Mort Bas : position du piston pour la-quelle le volume de la chambre de compres-sion est maximal.
• PMH : Point Mort Haut : position du piston pour laquelle le volume
de la chambre de compression est minimal.Le diametre du cylindre est appelle alesage, la distance PMB-PMH est ap-
pellee course. La cylindree d’un cylindre est egal au volume parcouru par le piston :
Cylindree = Courseπ.Alesage2
4
On appelle volume mort le volume qui n’est jamais parcouru par le piston, soit le volume
de la chambre au PMH.
On appelle debit theorique le volume balaye par le piston pendant une unitede temps. Si la vitesse de rotation est N(tr.s−1) alors on a la relation suivante :
Qtheorique = Cylindree.N
On definit le rendement volumetrique ηv comme etant le rapport entre ledebit reel et le debit theorique :
ηv =Qreel
Qtheorique
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136 COURS 4. COMPRESSEURS
IV.3. Trace de principe du cycle dans le diagramme P − Vchambre
Le cycle d’un compresseur a piston est le suivant :
• 1 → 2 compression
• 2 → 3 refoulement a pression constante• 3 → 4 detente du gaz contenu dans l’espace mort• 4 → 1 aspiration
Il n’y a pas d’echange de matiere (systeme ferme) lors des etapes
1 → 2 et 2 → 3, contrairement aux deux autres etapes. Comme toutes les etapes ne sont pas en systemeferme, on ne considere pas le volume du gaz mais celui de la chambre de compression.
On distingue quatre types de compresseur : ideal, theorique simplifie, theorique,reel.
Le compresseur ideal :
• pas de pertes d’entree-sortie• volume mort nul• compression suivant une loi simple
On obtient le diagramme P − Vchambre suivant :
PMB
PMH
HP
BP 1
23
4Vchambre
P
Ce compresseur est tres eloigne de la realite en premier lieu a cause du fait qu’il existetoujours un volume mort. Le gaz contenu dans le volume mort se detent lors de
3 → 4. Ce qui conduit a une diminution importantedu rendement volumetrique.
Le deuxieme modele de compresseur est le compresseur theorique simplifie
• pas de pertes d’entree-sortie
• volume mort pris en compte• compression et detente suivant des lois simples
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COURS 4. COMPRESSEURS 137
Dans le diagramme P − Vchambre on obtient :
PMBPMH
HP
BP 1
23
4Vchambre
P
Le rendement volumetrique est pour ce compresseur :
ηv = V1−V4V1−V3
On voit donc graphiquement l’influence tres importante de l’espace mort surle rendement volumetrique.
Note : Le travail sur un cycle est donne par l’aire du cycle. Ce modele relativement simple donne uneidee realiste du travail. Par contre le rendement volumetrique donne par ce modele n’est pas realiste. Ilfaut donc modifier ce modele.
Le troisieme modele de compresseur est le compresseur theorique
• pertes d’entree-sortie constantes• volume mort pris en compte
• compression et detente suivant des lois simples
Dans le diagramme P − Vchambre on obtient :
PMBPMH
HP
BP1
1’
23
4’4
Vchambre
P
Le rendement volumetrique devient :
ηv ≈V1′ − V4′
V1 − V3
Remarque : la precedente formule n’est pas tout a fait exacte, en effet le cylindre et le piston sontchauds. Le gaz aspire etant rechauffe lors de l’aspiration, le rendement volumetrique est legerement plusfaible que ce que donnerait la formule donnee.
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138 COURS 4. COMPRESSEURS
Ce modele donne une valeur tout a fait acceptable du travail et du rendement volumetrique. Il estcependant assez lourd dans les calculs.
Enfin pour le compresseur reel, le diagramme P − Vchambre est :
PMBPMH
HP
BP1
1’
23
4’
4 Vchambre
P
Il apparaıt des oscillations de clapet qui conduisent a des pertes d’entree sortie non constantes. L’aire
de ce cycle donne le travail reel que l’on nomme travail indique (par le diagramme).
Toute la difficulte de la thermodynamique des compresseurs a piston est liee aux points suivants :
• instationnarite• systeme ouvert• compressions et detente non ideales• echanges de chaleur complexes• ...
Complement : demonstation relative au travail du piston. En thermodynamique, il est possible detraiter (( facilement )) les systemes dits fermes. Pour les systemes ouverts, il n’est possible de donner deselements que quand le systeme est stationnaire, ... Ce qui est le cas pour les turbines a vapeur, tur-boreacteurs... Dans le cas des compresseurs a piston l’instationnarite penalise toute approche theoriquesimple.
Dans le cas ou l’on dispose du diagramme P −Vchambre on a le droit d’ecrire que le travail du piston(pour un cycle) est donne par la formule suivante :
Wpiston = −∮
PdVchambre
En effet δWpiston =−→F fluide/piston.d−→x piston = −PSdxpiston = −PdVchambre
Ainsi on supprime une difficultee liee au systeme (fluide) ouvert en effectuant non pas le bilan sur lefluide mais sur le piston.
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COURS 4. COMPRESSEURS 139
IV.4. Etude de la compression 1 → 2
La compression 1 → 2 se deroule en systeme ferme, il n’y a pas d’echange demasse.
La compression d’un compresseur parfaitement isole (+ hyposthese de reversibilite) est isen-tropique. A l’inverse la compression d’un compresseur parfaitement refroidi est isotherme.
Entre ces deux extremes on modelise souvent l’evolution par des compressions polytropiquespour lesquelles PV k = constante avec k le coefficient polytropique de la compression.
Le coefficient k prend les valeurs suivantes :
• k = 1 : compression isotherme
• k ∈]1, γ[ : compression polytropique de coefficient k
• k = γ : compression isentropique (adiabatique reversible)
Les evolutions sont les suivantes :
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175
Pre
ssio
nen
bar
abso
lu
Vchambre en L
isothermepolytropique : k=1.2
isentropique
Dans ce graphique le point commun est le suivant : P = 1bar et V = 0.167L
Le travail est donc nettement plus faible lorsque la compression est iso-therme.
Le travail du piston est le suivant : W1→2 = −∫ 2
1
PdVchambre =P2V2 − P1V1
k − 1si la compression
n’est pas isotherme. Pour une compression isotherme le travail est W1→2 = P1V1ln
(
V1
V2
)
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140 COURS 4. COMPRESSEURS
IV.5. Cas a deux etages de compression
La compression est bi-etagee sur la plupart des compresseurs :
Entree SortieCompresseur BP
Refroidisseur
Compresseur HP
Cette disposition permet :
• d’augmenter le rendement en se rapporchant de la com-
pression isotherme• d’augmenter le taux de compression (il existe une
limite de taux de compression par etage)
• ...
La pression intermediaire est en general la suivante (resultat d’une optimisation energetique) :
Pi =√
HP.BP .
Le debit masse etant le meme a chaque etage, le debit volume est plus faible a l’etageHP qu’a l’etage BP ainsi la cylindree HP est plus faible que la cylindree BP.
IV.6. Courbe caracteristique d’un compresseur a piston
En pratique le compresseur a piston est quasi-volumetrique (par rapport a unemachine centrifuge de type pompe). On obtient la courbe caracteristique de fonctionnement suivante :
τ
Q
Qth
1
Avec τ le taux de compression defini par :
τ =HP
BP
Experimentalement on verifie que l’on a la relation suivante : ηv = a− b ∗ τ avec avariant entre 0.6 et 1, b variant entre 0.02 et 0.07.
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COURS 4. COMPRESSEURS 141
Exemples de questions d’examen :
1) Qu’est-ce qu’un compresseur bi-etage ?
2) Definissez une compression polytropique.
3) Qu’est-ce qu’un compresseur a vis ?
4) Quelle est la source des condensats dans une installation d’air comprime ?
5) Comment fonctionne un deshuileur gravimetrique?
6) Decrivez un compresseur de refrigerateur menager.
7) En quoi consiste la technologie (( discus )) ?
8) Qu’est-ce qu’un compresseur scroll ?
9) Pour augmenter le rendement d’un compresseur, il faut le refroidir ou l’isoler ? pourquoi ?
10) Quels sont, en plus du compresseur, les elements standard d’une installation d’air comprime ?
11) Quel est l’ordre de grandeur de la masse d’eau par m3 d’air dans les conditions atmospheriques ?
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142 COURS 4. COMPRESSEURS
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Cours 5
Machines Frigorifiques
Contenu du coursI. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
II. Une machine connue : le refrigerateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
III. Le cycle frigorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
III.1. Presentation du cycle frigorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
III.2. Le diagramme des frigoristes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
III.3. Le cycle frigorifique dans le diagramme des frigoristes . . . . . . . . . . . . . 151
III.4. Exercice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
IV. Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
IV.1. Vue d’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
IV.2. Detenteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
IV.3. Pressostats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
V. Autres organes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
V.1. Vanne solenoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
V.2. Voyant liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
V.3. Filtre dessicant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
V.4. Bouteille anti-coup de liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
VI. Une machine frigorifique particuliere : la pompe a chaleur . . . . . . . . . . . . . . . 170
VI.1. Principe de la pompe a chaleur (PAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
VI.2. La PAC reversible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
144 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
I. Introduction
Produire du froid, pourquoi ?
• conservation des aliments classiques : le froid reduit l’activite biologique(bacteries, virus, ...) et permet ainsi de conserver les aliments classiques.
• nouveaux aliments : le froid a permis le developpement de nou-veaux produits : glaces et sorbets.
• climatisation : en distribuant de l’eau glacee (en regime 7/12C), onpeut maintenir la temperature des locaux a 19C quelque soit les temperaturesexterieures.
• decoupe des caoutchouc : il est extremement difficile dedecouper meme grossierement les caoutchouc a temperature ambiante. Cependanta faible temperature (−50C et moins) les caoutchouc durcissent et leur decoupeest alors possible.
• cryochirurgie : la glace est moins dense que l’eau liquide, l’eau descellules en cristallisant augmente de volume et conduit a la mort des cellules suitea l’explosion des membranes cellulaires.
• liquefaction des gaz : l’azote et l’oxygene ne sont liquefiables qu’atres basse temperature.
• thermographie infrarouge : la moitie des cameras infra-rouges sont refroidies a basse temperature afin de limiter le bruit (dans les mesures)d’origine thermique.
• ...
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 145
II. Une machine connue : le refrigerateur
Le refrigerateur menager est la machine frigorifique la plus simple et la plus
repandue.
Un fluide frigorigene via ses changements d’etats (gaz/liquide) permet de
faire passer la chaleur de la source froide (zone abasse temperature) vers la sourcechaude(zone a haute temperature).
Une vue schematique est la suivante :
Freezer
Grille noire
Compresseur
1
23
4
Le cycle frigorifique est le suivant :
• 1→2 : le fluide gazeux est comprime dans le compresseur.
• 2→3 : le fluide va passer progressivement de l’etat gazeux a l’etat liquide dans le
condenseur (la grille noire). Le fluide frigorigene doit transmettre pour
cela la chaleur liee au changement de phase a l’air de la piece.
• 3→4 : la pression du fluide diminue dans un detendeur capillaire(tube de petit diametre)
• 4→1 : le fluide s’evapore (ie passe de liquide a gaz) dans l’evaporateur(le (( freezer ))) et absorbe la chaleur de l’air du refrigerateur et des aliments.
De maniere generale, on prefere remplacer le detendeur capillaire par un (vrai)detendeur, c’est-a-dire un composant qui detend le fluide frigorigene et qui regule la bassepression.
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146 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
III. Le cycle frigorifique
III.1. Presentation du cycle frigorifique
Une machine frigorifique de base comporte les elements suivants :
• un compresseur (vis, mono-vis, piston, scroll, ...)
• un condenseur
• un detendeur• un evaporateur
La disposition physique d’une machine frigorifique est la suivante :
Evaporateur
Condenseur
CompresseurDetendeur
HP : Haute Pression
BP : Basse Pression
1
23
4
Passage progressif du fluide de : liquide a gaz
Un (vrai) detendeur a besoin d’une information sur l’etat du fluide a la
sortie de l’evaporateur (entree du compresseur) pour pouvoir reguler l’installation. Pour cela le
detendeur est muni d’un bulbe :
Evaporateur
Detendeur
tube de liaison
Le bulbe contient du fluide frigorigene dont la temperature est celle de la
conduite du fluide frigorigene de l’evaporateur, ce qui determine la pression dans le bulbe.
Le detendeur se sert de cette pression pour reguler la detente du fluide frigorigene.
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 147
III.2. Le diagramme des frigoristes
Les frigoristes utilisent de maniere courante le diagramme log(P)-h :
log(P)
h
liquide
liquide + gaz
gaz
courbe de saturation
On peut tracer un ensemble de courbes caracteristiques dans ce diagramme, la premiere etant la
courbe d’isotemperature denommee (( isotherme )) :
log(P)
h
isotherme
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148 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
L’isotherme est verticale dans la zone liquide, horizontale dans le melangeliquide+gaz, une courbe descendante dans la zone gaz.
Remarque : l’isotherme n’est horizontale (pour le melange liquide-vapeur) que pour lesfluides frigorigenes se comportant comme des gaz purs. On qualifie ces fluides frigorigenes
d’azeotropiques. Le cas des fluides zeotropiques depasse l’objectif de ce cours et sera traitedans le cadre du cours de machines frigorifiques en deuxieme annee.
zeotrope ou zeotropique : (du grec zeın (bouillir) et tropos (action de tourner))
se dit d’un melange liquide qui bout a temperature variable en perdant sa composition fixe.
La deuxieme courbe caracteristique est l’isentrope ou courbe de meme entropie :
log(P)
h
isen
trop
e
isen
trop
e
Les isentropes sont des courbes inclinees vers la droite. On rappel que la notation classique de
l’entropie est (( s )).
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 149
La troisieme courbe est la courbe caracterisant le poucentage de vapeur (en masse) dans le melange.
On definit le titre que l’on note x :
x =masse de la vapeur dans le melange
masse totale du melange
Ces courbes sont appellees isotitres :
log(P)
h
isot
itre
On trouve en general les isotitres pour x= 0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9. La courbe desaturation cote liquide correspond bien entendu a x=0 et la courbe de saturation cote gaza x=1.
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150 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
On trouve ensuite les courbes d’isovolume (massique) ou isochores :
log(P)
h
isochore
Bilan :
log(P)
h
isotherme
isochore
isot
itre
isen
trop
e isen
trop
e
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 151
III.3. Le cycle frigorifique dans le diagramme des frigoristes
Soit la machine suivante :
Evaporateur
Condenseur
CompresseurDetendeur
HP : Haute Pression
BP : Basse Pression
1
23
4
Passage progressif du fluide de : liquide a gaz
Les evolutions thermodynamiques sont :
• 1 → 2 : proche d’une evolution isentropique• 2 → 3 : a pression constante• 3 → 4 : a enthalpie constante• 4 → 1 : a pression constante
Le cycle dans le diagramme des frigoristes est donc :
log(P)
h
1
2
4
3HP
BP
surchauffe a
l’aspiration : 5 a 8K
sous-refroidissement ala sortie ducondenseur :5 a 8K
Le trait discontinu correspond a l’isentrope passant par le point 1.
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152 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
Le diagramme des frigoristes permettant d’obtenir l’enthapie du fluide frigorigene, on peut effectuer
quelques calculs, le debit massique du fluide frigorigene est note
m :
• la puissance frigorique est :
Qf=
m (h1 − h4)
• la puissance fournie au fluide frigorigene par le compresseur est :
W=
m (h2 − h1)
• la puissance calorifique a evacuer au condenseur est :
Qc=
m (h3 − h2)
• le COP (Coefficient Of Performance) est :
COP =
Qf
W=
h1 − h4
h2 − h1
On peut facilement exprimer le COP de carnot : COPcarnot :
• le bilan energetique donne : W + Qf + Qc = 0
• pour une machine reversible :
Qf
Tf+
Qc
Tc= 0
On en deduit : W = −Qf
[
1 +Qc
Qf
]
etQc
Qf= −
Tc
Tf
Soit COPcarnot =Qf
W=
Tf
Tc − Tf
ATTENTION : dans cette formule il faut exprimer Ten K (Kelvin)
Rappel : T (K) = 273.16 + θ(C)On definit :
• le rendement : η =COP
COPcarnot
• le taux de compression : τ =HP
BP
Le COPcarnot est donc tres eleve lorsque la temperature de condensation est proche de la
temperature d’evaporation, et diminue rapidement lorsque l’ecart de tempe-rature augmente. Les figures de la page suivante illustrent cette evolution.
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 153
On peut tracer l’evolution du COPcarnot pour Tf = 5C :
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
CO
Pcarn
ot
Tc en C
COPcarnot pour Tf = 5C
On peut tracer l’evolution du COPcarnot pour Tc = 35C :
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
CO
Pcarn
ot
Tf en C
COPcarnot pour Tc = 35C
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154 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
III.4. Exercice
On considere une machine :
• fluide frigorigene : R134a
• temperature d’evaporation : Tf = 0C
• temperature de condensation : Tc = 50C
• surchauffe : SC = 12K
• sous-refroidissement : SR = 12K
• temperature en fin de compression : T2 = 70C
On va tracer pas a pas le cycle dans le diagramme log(P)-h suivant :
Note : ce diagramme a ete trace par le logiciel (( coolpack )) qui est gratuit et disponible sur internet.
On desire aussi determiner :
• le COPcarnot de ce cycle
• l’enthalpie au point 1,2,3 et 4
• la HP et la BP
• le taux de compression
• le COP du cycle
• le rendement du cycle
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 155
On connait les temperatures de condensation et d’evaporation, on peut donc calculer le COPcarnot :
COPcarnot =Tf
Tc − Tf=
273.16 + 0
50 − 0= 5.46
La premiere etape du trace consiste a tracer les iso-pressions du condenseur et de
l’evaporateur. Pour cela, on utilise la connaissance de la temperature de condensation et
de la temperature d’evaporation. De plus le R134a est un fluide azeotropique, ainsi
il y a une correspondance univoque entre la pression et la temperature sous la courbe desaturation. Des lors :
BP
HP
La BP est donc voisine de 3bar. La HP est comprise entre 10 et 20 bar. L’echelle
etant logarithmique, sa lecture n’est pas triviale.On a : Loga(20) − Loga(2)
∧
= 5.9cm et Loga(HP ) − Loga(2)∧
= 4.8cm
D’ou HP = 2 ∗(
202
)
4.8
5.9
!
= 13bar d’apres 5.7
Le taux de compression est donc : τ = HPBP = 4.3
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156 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
Lire une echelle logarithmiqueOn se place en base a (a superieur strictement a 1,a=e (2.7183...) ou 10 par exemple).
loga(P1) loga(Pinc) loga(P2)
loga(P )
LP1−Pinc
LP1−P2
Les valeurs P1 et P2 sont connues et on desire connaıtre la valeur de Pinc.On a les relations :
LP1−Pinc= k (loga (Pinc) − loga (P1)) (5.1)
LP1−P2= k (loga (P2) − loga (P1)) (5.2)
k etant un coefficient du trace graphique
On peut ecrire 1k de deux manieres differentes d’ou :
1
k=
loga (Pinc) − loga (P1)
LP1−Pinc
=loga (P2) − loga (P1)
LP1−P2
(5.3)
Or loga (x) − loga (y) = loga
(
x
y
)
, ainsi :
loga
(
Pinc
P1
)
=LP1−Pinc
LP1−P2
loga
(
P2
P1
)
(5.4)
D’ou :
Pinc = P1 ∗ expa
[
LP1−Pinc
LP1−P2
loga
(
P2
P1
)]
(5.5)
Et comme expa(xy) = (expa(x))y
:
Pinc = P1 ∗(
expa
[
loga
(
P2
P1
)])
„
LP1−PincLP1−P2
«
(5.6)
Et finalement, la formule utilisee en page precedante :
Pinc = P1 ∗(
P2
P1
)
(
LP1−PincLP1−P2
)
(5.7)
Le resultat est independant de la base a choisie pour le logarithme et du coefficientk du trace graphique.
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 157
Ensuite on place le point 1 en utilisant la valeur de la surchauffe a savoir 12K, par decalage graphiquede l’isotherme 10C :
log(P)
h
BP
h1
BP
HP
isotherme Tf + SC
On en deduit l’enthalpie au point 1 : h1 = 410kJ.kg−1
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158 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
On procede de meme pour placer le point 2 (T2 = 70C) :
log(P)
h
HP
BP
HP
h1 h2
isotherme T2
D’ou l’enthalpie au point 2 : h2 = 446kJ.kg−1.
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 159
Et encore de meme pour le point 3 (SR = 12K), le point 4 sera deduit en tracant la verticale passantpar le point 3 :
log(P)
h
HP
BP
HP
h1 h2h3
isotherme Tc − SR
D’ou l’enthalpie au point 3 et 4 : h3 = h4 = 250kJ.kg−1
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
160 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
Enfin on supprime les traits inutiles, pour ne laisser que le cycle :
Et on a :
• le COP : COP = h1−h4h2−h1
= 4.4
• le rendement : η = COPCOPcarnot
= 0.8
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 161
IV. Regulation
IV.1. Vue d’ensemble
sonde de temperature
filtre d’aspiration
bulbe du detendeurprise de pressiondu detendeur
bouteilleanti-coupde liquide
detendeur aegalisationexterne
vannesolenoide
voyant liquide
filtredeshydrateur
regulateurde vitesse
vannemanuelle reservoir
de liquide
pressostat differentiel
separateur d’huile
pressostats : PPP
BP
HP
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162 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
IV.2. Detenteurs
Il existe 5 types de detendeurs :
• detendeur (a tube) capillaire• detendeur thermostatique a egalisation interne• detendeur thermostatique a egalisation externe• detendeur electronique a impulsions• detendeur electronique proportionnel
IV.2..1 Detendeur capillaire
Le detendeur capillaire est le detendeur le plus simple, il s’agit en fait d’un tube de petitdiametre qui provoque une forte perte de charge. Ce detendeur ne regulepas l’installation.
Il existe plusieurs fabricants/distributeurs de tubes capillaires. Refco (par exemple) commercialise
les tubes suivants (en bobines de 30m) :
φint en mm 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.25 1.3 1.4 1.5 1.6 1.8 1.9 2.0 2.3φext en mm 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.45 2.5 2.6 2.7 2.8 3.0 3.1 3.2 3.5
Les diametres etant faibles, il existe des outils pour verifier facilement les dimensionsdes tubes capillaires (documentation Refco) :
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 163
IV.2..2 Detendeurs thermostatiques
Les detendeurs thermostatiques sont desvannes commandees de maniere automatique enou-verture/fermeture de maniere continue. Le detendeur thermostatique cherche a obtenir
une surchauffe a la sortie de l’evaporateur fixe :
log(P)
h
1
surchauffe a
l’aspiration : 5 a 8K
La position de la vanne est commandee par la difference entre la pression du fluide
frigorigene qui regne dans le bulbe et la pression
• a l’entree de l’evaporateur : egalisation interne• a la sortie de l’evaporateur : egalisation externe
Le detendeur a egalisation interne est utilisable si la perte de charge de l’evaporateur est
faible (moins de 0,4bar), dans le cas contraire il faut utiliser un detendeur a egalisation externe.
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164 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
Soit un detendeur thermostatique a egalisation interne :
Evaporateur
Detendeur
tube de liaison
Le bulbe contient un fluide frigorigene a l’etat de melange, le fluide qu’il contient est azeotro-
pique. Ainsi la temperature du bulbe impose la pression dans le bulbe :
log(P)
h
1
isotherme
Pbulbe
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 165
Coupe d’un detendeur thermostatique a egalisation interne de marque Emerson :
bulbe
capillaire de liaison
soufflet
vis de reglage
pointeau solidaire de la tige de commande
&%'$
AA
AA
AA
A
trou d’equilibrage
La position du souflet est imposee par les forces exercees par :
• la pression dans le bulbe (liee a la temperature a la sortie de l’evaporateur)
• la pression a l’entree de l’evaporateur• la force exercee par le ressort
La vis de reglage sert a regler la valeur de la surchauffe a atteindre.
Le detendeur peut etre :
• trop petit : la puissance frigorifique ne sera pas atteinte du faitd’un debit de fluide frigorigene insuffisant
• adapte : tout se passe bien• trop gros : le pompage (variation du debit) est tres important
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
166 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
Dans le cas ou la perte de charge de l’evaporateur est importante, il
faut utiliser un detendeur a egalisation externe. La pression n’est plus prise a l’entree
de l’evaporateur mais a la sortie de l’evaporateur, pour cela il faut rajouter une
prise de pression externe :
Evaporateur
Detendeur
tubes de liaison
On rajoute donc un tube depetit diametre dans le but de transmettre audetendeurla valeur de la pression a la sortie de l’evaporateur.
IV.2..3 Detendeurs electroniques
Historiquement pour les fortes puissances, on installait des vannes commandees par despilotes...
Cette technologie est en train de disparaıtre au profit des detendeurs electroniques.
Les detendeurs electroniques sont des vannes commandees par :
• un electro-aimant : detendeur electronique a impul-sions. La regulation s’effectue par variation du rapport cyclique. Le detendeurs’ouvre et se ferme regulierement, on fait varier le rapport du temps d’ouverturesur le temps du cycle (ouverture-fermeture).
• un moteur pas a pas : detendeur electronique propor-tionnel. La regulation s’effectue par ouverture/fermeture progressive de lavanne.
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 167
IV.3. Pressostats
Les pressostats servent a :
• la conduite de l’installation : pressostat differentiel d’huile ...
• la protection de l’installation : pressostat de securite HP ...
Schema de principe d’un pressostat de marque Danfoss :
Vis de reglage
contact HPcontact BPcontact commun
souffletXXXXXX
Le fluide frigorigene exerce un effort sur le soufflet, ce qui deplace la tige de com-mande. La tige de commande est liee avec le contact electrique mobile. On
note la presence d’un reglage (du niveau de pression de declenchement) par molette en partiesuperieure.
Il existe une multitude de pressostats :
• a rearmement manuel/automatique• HP/BP/differentiel
• pour fluide frigorigene/huile• mecanique/electronique
• ....
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168 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
V. Autres organes
V.1. Vanne solenoide
Une vanne solenoide comporte un electro-aimant qui agit sur un pointeau/membrane
pour ouvrir ou fermer la vanne.
Coupe d’une vanne solenoide de marque Sporlan :
V.2. Voyant liquide
Un voyant liquide s’installe apres le condenseur. Il permet de controler l’etat du fluide :
presence ou absence de gaz. Les voyants liquides donnent en general une indica-tion sur l’humidite du fluide frigorigene par l’intermediaire d’une substance qui change
de couleur en fonction de sa teneur en eau.
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 169
V.3. Filtre dessicant
Un filtre dessicant fixe l’eau contenue dans le fluide frigorigene. L’eau est prejudiciable aplusieurs titres :
• formation de glace aux points froids qui empeche le passage dufluide frigorigene
• reaction chimique avec l’huile de lubrification entrainant la forma-tion d’acides
• corrosion
• ...
Il existe des filtres dessicants de tailles tres diverses, la masse du materiau absorbant
l’humidite allant de quelques grammes pour un refrigerateur menager a plusieurs kilo-grammes pour une installation de taille moyenne.
V.4. Bouteille anti-coup de liquide
Si la surchauffe est insuffisante (voire negative) a l’aspiration du compresseur, alors le
compresseur peut aspirer des gouttes de liquide. Il est possible que le compresseur aspire
un lot de gouttes voir meme un bouchon de liquide, dans ce cas le compresseur sera
endommage. Afin de supprimer ce risque, il est possible d’installer une bouteille anti-coup deliquide :
sortie entree
gaz
liquide
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170 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES
VI. Une machine frigorifique particuliere : la pompe a chaleur
VI.1. Principe de la pompe a chaleur (PAC)
Une pompe a chaleur est une machine frigorifique inversee, on ne s’interesse plus au froid pro-duit a l’evaporateur mais a la chaleur produite au conden-seur.
VI.2. La PAC reversible
Un cas particulier de PAC est la PAC reversible (d’apres une documentation Carrier) :
exterieur
exterieur
interieur
interieur
: cas ete
: cas hiver
mur
mur
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COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 171
Dans une pompe a chaleur reversible le fluide circule toujours dans le meme sens pourle compresseur. L’inversion du sens de circulation pour les condenseurs/evaporateurs se
fait par une vanne dediee dite vanne 4 voies d’inversion de cycle.
La vanne 4 voies d’inversion de cycle est pilotee par une electrovanne externe.
L’electrovanne commande par l’intermedaire du fluide frigorigene la position d’un ti-roir dans la vanne 4 voies, dont le mouvement se traduit par une inversion de cycle.
1
2
3 4
EV
• EV : electrovanne de la vanne pilote• 1 : refoulement du compresseur• 2 : aspiration du compresseur• 3 et 4 : entrees-sorties des condenseurs-evaporateurs
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
Exemples de questions d’examen :
1) Quel est le schema de principe d’une machine frigorifique elementaire ?
2) Qu’est-ce que le bulbe d’un detendeur ? A quoi sert-il ?
3) Tracez-un diagramme log(P)-h elementaire ? Quelle est la signification des differentes courbes ?
4) Soit COPcarnot =Tf
Tc − Tf, completez le tableau suivant :
Tc (C) Tf (C) COPcarnot
40 10 9.4340 540 0
50 1050 550 0
5) Qu’est-ce qu’un filtre dessicant ?
6) Definissez le COP d’une machine frigorifique.
7) Quelle relation existe-t-il entre l’enthalpie en entree/sortie de l’evaporateur et la puissance frigo-rifique ?
8) Qu’est-ce que la surchauffe ?
9) Que regule un detendeur thermostatique ?
10) Quels sont les differents types de detendeurs electronique ?
11) Quel est le nom du composant permettant l’inversion de cycle dans une PAC reversible ?
12) Qu’est-ce qu’une PAC?
Cours 6
Complements
Contenu du coursI. Chaudieres et bruleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
I.1. Capacite gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
I.2. Production de l’eau chaude sanitaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
I.3. Evolution du rendement des chaudieres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
II. Reseaux de fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
II.1. Bouteille de decouplage hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
III. Pompes et ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
III.1. Caracteristiques de vannes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
IV. Compresseurs et machines frigorifiques : economiseur . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
174 COURS 6. COMPLEMENTS
I. Chaudieres et bruleurs
I.1. Capacite gaz
La capacite gaz est installee entre le detendeur et le bruleur. Elle sert a
creer un volume tampon a la pression d’alimentation, ce qui ameliore la stabilite de la
pression d’alimentation en gaz.
arrivee
de gazdetente capacite gaz bruleur et chaudiere
Le volume de la capacite (en L) est egal au millieme du debit de gaz en m3.h−1
Exemple : Soit une chaudiere gaz de puissance 72kW pour laquelle le rendement global est de 90%,quel est le volume de la capacite gaz a installer ?
On utilise le PCI du gaz naturel (10.4kWh.m−3(n)) pour determiner le debit de
gaz en fonctionnement nominal :
Q =P
ηPCI=
72
0.9 ∗ 10.4= 7.7m3.h−1
Le volume de la capacite gaz est donc de 7.7LLa capacite gaz est souvent constituee par une canalisation de fort diametre.
On desire que la capacite gaz soit taillee dans un tube de longueur 1.3m, quel doit etre son diametre ?
Le volume V d’un cylindre de diametre D et de longueur L est V =πD2L
4Des lors le diametre interieur de la canalisation doit etre superieur a :
D =
√
4V
πL=
√
4 ∗ 0.0077
π ∗ 1.3= 0.0869 = 8.7cm
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
COURS 6. COMPLEMENTS 175
I.2. Production de l’eau chaude sanitaire
Il existedeux modes principaux de production de l’ECS(Eau ChaudeSanitaire) : production instantannee ou production a accumulation
En production instantannee, la temperature de l’eau chaude varie fortement. Tandis
que le volume d’eau tampon en accumulation garanti une temperature a peu presconstante aux points de puissage.
Dans une installation a accumulation, la preparation de l’ECS et son stockage se fait dans un BECS
(Ballon Eau Chaude Sanitaire) :
isolation
sur toute
la peripherie
anodetrou pour sondede temperature
arrivee chaudiere
depart chaudiere
arrivee EFS
depart ECS
Il n’y a pas de contact direct entre l’eau du circuit de chauffage et l’ECS. L’echange
de chaleur entre les deux fluides se fait au travers de la paroi metallique duserpentin.
L’anode sacrificielle en magnesium va se dissoudre au cours du temps, en protegant le
reste du BECS de la corrosion.IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
176 COURS 6. COMPLEMENTS
I.3. Evolution du rendement des chaudieres
Le rendement est : η =Putile
Pabsorbee
On a : Pabsorbee = Putile + Pperdue
D’ou : η =Putile
Pabsorbee=
Pabsorbee − Pperdue
Pabsorbee= 1 −
Pperdue
Pabsorbee
La puissance absorbee d’une chaudiere est l’energie fournie par le combustible.
Il existe deux sources de pertes :
• les pertes de chaleur au travers des parois vers la chaufferie
• les pertespar les fumees qui n’ont pas ete refroidies jusqu’a latemperaturede l’air de la chaufferie
Pour une chaudiere tres ancienne, la repartition est la suivante :
pertes par les fumees
pertes par les parois
energie utile
Le rendement tres faible (ici 50%) etait la consequence d’une absence d’isola-tion peripherique et d’un rejet de fumees a haute temperature.
Pour une chaudiere recente, la repartition est la suivante :
pertes par les fumeespertes par les parois
energie utile
Le rendement est alors eleve (94%). Pour atteindre un niveau aussi faible de pertes par lesfumees, il faut :
• une temperature des fumees en sortie de chaudiere faible (moins de 120C).
• supprimer l’effet de cheminee a l’arret du bruleur
A l’arret du bruleur, la paroi interieur de la chaudiere est chaude. La colonne d’airchaud dans la cheminee etant plus legere que la colonne d’air a l’exterieur dubatiment, il existe une circulation parasite d’air a l’arret du bruleur. Cette
circulation diminue le rendement de la chaudiere en augmentant les pertes par les fumees.
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
COURS 6. COMPLEMENTS 177
Pour supprimer la circulation d’air a l’arret, il est possible d’installer un volet d’air aressort :
En position ouverte, une vis de reglage bloque le volet d’air (qui pivotepar rapport a son axe) dans la position desiree (celle pour laquelle le debit
d’air est ideal).
A l’arret un ressort (non represente) maintient le volet d’air de maniere a bloquer le cir-cuit d’air.
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
178 COURS 6. COMPLEMENTS
II. Reseaux de fluides
II.1. Bouteille de decouplage hydraulique
On utilise une bouteille de decouplage hydraulique lorsque l’on desireseparer les circuits hydraulique de la production de chaleur (chaudiere) et de la distribution (pour lesradiateurs ...).
Les bouteilles de decouplage hydraulique se rencontrent en general pour desinstallations comportant plusieurs chaudieres et plusieurs circuits de distribution :
purg
eur
d’a
ira
flott
eur
dep
arts
reto
urs
evac
uat
ion
des
bou
es
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
COURS 6. COMPLEMENTS 179
III. Pompes et ventilateurs
III.1. Caracteristiques de vannes
On reprend l’exemple de la page 105 :
∆P cst
La vanne sert donc a regler la puissance d’emission du radiateur. Le diagramme aquatre cadrants permet de determiner l’influence de la vanne sur la puissance d’emission.
Dans le cas d’une vanne a caracteristique lineaire (Kv = Kv100 ∗ φ), on a :
φ
PPmax
qqmax
Kv
Kv100
1
1
1
1
4 1
3 2
Avec :
• 1 : l’influence de la vanne sur la puissance d’emission. Cettecourbe est tracee point par point
• 2 : la relation entre l’ouverture φ de la vanne et son Kv
• 3 : l’influence de la vanne sur le debit du sous-reseau considere
• 4 : la relation entre le debit traversant l’emetteur de chaleur etsa puissance d’emission (voir p43)
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
180 COURS 6. COMPLEMENTS
La puissance d’emission n’est donc pas lineaire en fonction de l’ouverture de lavanne (a caracteristique lineaire). On peut se servir du diagramme quatre cadrants pour rechercher la
caracteristique de la vanne ideale (celle qui donne une puissance d’emissionproportionnelle a l’ouverture).
On connait :
φ
PPmax
qqmax
Kv
Kv100
1
1
1
1
On recherche les points les uns a la suite des autres :
φ
PPmax
qqmax
Kv
Kv100
1
1
1
1
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
COURS 6. COMPLEMENTS 181
On trace la courbe qui passe par les differents points :
φ
PPmax
qqmax
Kv
Kv100
1
1
1
1
On supprime les traits inutiles :
φ
PPmax
qqmax
Kv
Kv100
1
1
1
1
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
182 COURS 6. COMPLEMENTS
La caracteristique de la vanne recherchee est donc une caracteristique tres eloignee de la
caracteristique lineaire :
φ
1
Kv
Kv100
1
Cette caracteristique est comparable a celle d’une vanne papillon :
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Kv
enm
3.s
−1.P
a−
1 2
Ouverture en tours
Caracteristique d’une vanne papillon
Kv
Ce type de vanne est idealise (pour les calculs) par le modele de la vanne acaracteristiqueexponentielle. On a alors : Kv = Kv100 ∗exp(n∗ (φ−1)) avec n un coefficient caracteristiquede la vanne. n est en general proche de 3.4.
Le graphique de la page suivante explique pourquoi n = 3.4 est un bon compromis :• Si n est inferieur a 3 alors le Kv a ouverture nul est eleve
• Si n est superieur a 4 alors le Kv a ouverture nul est tres faible, mais par
contre la caracteristique est trop raide
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
COURS 6. COMPLEMENTS 183
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Kv
adim
ensi
onne
:K
v
Ouverture de la vanne φ
Caracteristique d’une vanne exponentielle
Kv pour n = 1Kv pour n = 2Kv pour n = 3Kv pour n = 3.4Kv pour n = 4Kv pour n = 5Kv pour n = 6
Pour n=3.4, l’effet de l’autorite nominale (pour une ∆P constant) est :
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Deb
itadim
ensi
onne
q
Ouverture de la vanne φ
Influence de l’autorite nominale sur le reglage du sous-reseau
an = 1an = 0.5an = 0.3an = 0.1
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
184 COURS 6. COMPLEMENTS
IV. Compresseurs et machines frigorifiques : economiseur
En page 130 se trouve une illustration d’un compresseur a vis et il apparaıt le terme economiseur.
Le schema de principe d’une machine frigorifique comportant un compresseur a visavec economiseur est le suivant :
1
23’
4’
3
4
5”
Echangeur de
chaleurCompresseur avec
economiseur
log(P)
h
1
23
4
3’
4’ 55’5”
2se
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TD 1
Machines frigorifiques
Contenu du coursI. Trace de cycles frigorifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
I.1. Questions : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
I.2. Reponses : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
186 TD 1. MACHINES FRIGORIFIQUES
I. Trace de cycles frigorifiques
On considere une machine frigorifique qui fonctionne dans les conditions suivantes :
• temperature d’evaporation : Tf = 0C
• temperature de condensation : Tc = 50C
• surchauffe : SC = 12K
• sur-refroidissement : SR = 12K
• la compression est isentropique
I.1. Questions :
1) Determinez le coefficient de performance de la machine de Carnot correspondant a cette machine :COPcarnot
2) Pour chacun des fluides azeotropiques R21/R22/R23/R717, a l’aide leur diagramme enthalpique,determinez :
• les hautes et basses pressions : HP et BP
• le taux de compression : τ
• l’enthalpie a l’entree du compresseur : h1
• l’enthalpie a la sortie du compresseur : h2
• l’enthalpie a la sortie du condenseur : h3
• le coefficient de performance de la machine : COP
• le rendement de la machine : η
• la temperature en fin de compression : T2
I.2. Reponses :
1) Le COPcarnot ne depend que des temperatures, on a :
COPcarnot =Tf
Tc − Tf=
273, 16 + 0
50 − 0= 5.46
2) La demarche a suivre est exposee dans les pages 154 a 160.
On obtient le tableau suivant :
Fluide HP BP τ h1 h2 h3 COP η T2
Bar Bar - kJ.kg−1 kJ.kg−1 kJ.kg−1 - - C
R21 4 0.7 5.71 452 496 240 4.81 0.88 90R22 20 5 4 416 453 246 4.59 0.84 88R23 - - - - - - - - -R717 20 4 5 1500 1740 370 4.71 0.86 130
Rappel : le coefficient de performance de la machine est donne par :
COP =h1 − h4
h2 − h1
De plus la detente est isenthalpe d’ou h4 = h3 et ainsi :
COP =h1 − h3
h2 − h1
IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008
TD 1. MACHINES FRIGORIFIQUES 187
Remarques :
• le R23 ne convient pas pour ces conditions de fonctionnement
• la haute pression du R22 est tres elevee, il faudra eviter d’utiliser ce fluide.
• la temperature de fin de compression du R717 est elevee, attention au craquagede l’huile frigorifique.
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188 TD 1. MACHINES FRIGORIFIQUES
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TD 2
Hydraulique
Contenu du coursI. Debit dans une boucle simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
II. Debit dans une boucle ouverte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
III. Exercice complementaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
190 TD 2. HYDRAULIQUE
I. Debit dans une boucle simple
On considere une boucle simple :
On donne les courbes suivantes :
0
1
2
3
4
5
0 0.5 1 1.5 2
HM
Ten
mC
E
Debit Q en m3.h−1
GVMVPV
On demande de tracer les courbes de reseau des 5 cas du tableau et de completer le tableau :
cas PV MV GV
1 Q = 1.5m3.h−1
2 Q = 0.5m3.h−1
3 Q = 1m3.h−1
4 Q = 1m3.h−1
5 Q = 0.8m3.h−1
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TD 2. HYDRAULIQUE 191
II. Debit dans une boucle ouverte
On considere un reseau ouvert :
La difference de niveau entre les surfaces libres est de 1m.
On donne les courbes suivantes :
0
1
2
3
4
5
0 0.5 1 1.5 2
HM
Ten
mC
E
Debit Q en m3.h−1
GVMVPV
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192 TD 2. HYDRAULIQUE
On demande de tracer les courbes de reseau des 5 cas du tableau et de completer le tableau :
cas PV MV GV
1 Q = 1.5m3.h−1
2 Q = 0.5m3.h−1
3 Q = 1m3.h−1
4 Q = 1m3.h−1
5 Q = 0.8m3.h−1
III. Exercice complementaire
On considere un reseau ouvert a deux branches :
1
2
On a les relations suivantes (pour les reseaux isoles) :
∆P1 = 1 + 8Q21
∆P2 = 0.5 + 4Q22
Quelle est la relation entre ∆P et Q ?
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TD 2. HYDRAULIQUE 193
Graphiquement, on obtient :
0
1
2
3
4
5
0 0.5 1 1.5 2
HM
Ten
mC
E
Debit Q en m3.h−1
reseau 1 seulreseau 2 seul
reseau 1 + reseau 2
Ce resultat est-il correct ?
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