Chauffage à eau chaude sous pression

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1 Chauffage à eau chaude sous pression par René NARJOT Ingénieur de l École Centrale des Arts et Manufactures 1. Généralités... B Domaine d utilisation de l eau chaude sous pression Comparaison entre l eau chaude sous pression et la vapeur Cycles de fonctionnement des installations Extraction des chaudières Énergies motrice et thermique Possibilités de réglage de la température Inertie des installations Sécurité Risque de gel Caractéristiques d une installation à eau chaude sous pression Caractéristiques générales Détermination des températures aller et retour Choix des caractéristiques de la pompe de circulation Répartition des pressions Réalisation d une installation à eau chaude sous pression Production d eau chaude sous pression Puisage dans une chaudière à vapeur Production d eau chaude sous pression à partir de vapeur Générateurs d eau chaude sous pression Traitement de l eau Distribution d eau chaude sous pression Calcul des diamètres de tuyauteries. Vitesse de circulation Mode d installation des tuyauteries Pompes de circulation Robinetterie Appareils d utilisation de l eau chaude sous pression Réglementations applicables aux installations à eau chaude sous pression O n désigne par les termes eau chaude sous pression ou eau surchauffée de l eau maintenue à l état liquide à une température supérieure à 100 o C par une pression plus élevée que la pression de vapeur saturante correspondant à sa température d ébullition. Le terme d eau chaude sous pression a été adopté dans le présent article mais les deux termes sont utilisés, en particulier dans la réglementation. Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

2 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION 1. Généralités 1.1 Domaine d utilisation de l eau chaude sous pression L eau chaude sous pression est un fluide caloporteur, comme l eau chaude aux températures inférieures à 100 o C ou la vapeur aux températures supérieures. Elle s est progressivement substituée partiellement à la vapeur qui était autrefois seule utilisée au-dessus de 100 o C. Le domaine de l eau chaude sous pression est illustré sur la figure 1, qui représente la courbe de pression de vapeur saturante de l eau en fonction de la température. Le schéma de principe d une installation à eau chaude sous pression est représenté sur la figure 2a. L eau chaude sous pression est réchauffée (on dit généralement produite ) dans un réchauffeur R dans lequel elle entre à une température T 3 pour en ressortir à une température T 1. Elle est mise en circulation dans le réseau de tuyauteries qui l amène aux surfaces de chauffe S des appareils d utilisation par une pompe de circulation Pc. Le by-pass B permet de régler la température T 2 à une valeur inférieure ou égale à T 1 à l aspiration de la pompe par mélange entre l eau sortant du réchauffeur (dont la température peut être constante) et l eau de retour du réseau. Dans ces appareils d utilisation, elle cède sa chaleur en se refroidissant de la température T 2 à la température T 3, puis revient au réchauffeur. Le domaine d utilisation de l eau chaude sous pression est le même que celui de la vapeur haute pression utilisée comme fluide chauffant. Il est pratiquement limité à une température de l ordre de 200 o C : au-delà, la pression croît de plus en plus rapidement avec la température (figure 1), et le prix des appareils augmente en conséquence. On est alors amené à utiliser des fluides thermiques dont la pression de vapeur est beaucoup plus faible et qui permettent d atteindre 250 à 300 o C (et même plus) à la pression atmosphérique. On utilise de plus en plus l eau chaude sous pression dans les installations de chauffage d usines, de chauffage d appareils industriels de toutes sortes, et dans les chauffages à distance et chauffages urbains depuis les plus petits jusqu aux plus importants, tant au point de vue puissance que longueur de réseau (articles Réseaux de chaleur [B 2 170] [B 2 172] dans ce traité). Figure 2 Schémas d installation de chauffage Figure 1 Pression de vapeur saturante de l eau en fonction de la température B Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

3 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION 1.2 Comparaison entre l eau chaude sous pression et la vapeur Cycles de fonctionnement des installations Pour comparer les deux fluides, il faut examiner le cycle de fonctionnement des installations dans les deux cas. Dans une installation à eau chaude sous pression (figure 2a ), l eau cède son enthalpie sensible (chaleur sensible) aux surfaces de chauffe des appareils d utilisation en se refroidissant. Elle revient ensuite au réchauffeur pour y être réchauffée à nouveau, reproduisant ainsi un cycle entièrement fermé. C est dans ce cycle fermé que réside l avantage principal de l eau chaude sous pression. Dans une installation à vapeur (figure 2b ), l eau cède son enthalpie de changement d état (chaleur latente) par condensation, et on recueille, à la sortie des appareils d utilisation, de l eau sensiblement à la température de la vapeur. La séparation de l eau et de la vapeur est faite par les purgeurs. Cette eau de condensation va dans une bâche, d où elle est reprise par la pompe alimentaire de la chaudière. Un rôle primordial est donc joué par les purgeurs qui sont des organes délicats nécessitant une surveillance et un entretien importants : s ils laissent échapper de la vapeur, celle-ci va à la bâche, qui est en général à l air libre, et elle s échappe dans l atmosphère ; même si les purgeurs fonctionnent parfaitement, ils rejettent de l eau à la température de la vapeur (c est-à-dire à plus de 100 o C) qui se vaporise dans les conduites de retour et dans la bâche à la pression atmosphérique ; c est là une perte de quantité de chaleur importante. On peut chiffrer cette perte en considérant la quantité de chaleur totale de la vapeur à 10 bar par exemple, qui est de 2,77 kj. Cette vapeur cède à la surface de chauffe son enthalpie de changement d état, soit 2 kj à 183 o C, et elle est reprise à la bâche à 100 o C au maximum, pour être réintroduite à la chaudière où l on ne récupère que son enthalpie sensible, soit environ 0,41 kj. Il en résulte une perte de 2,77 (2 + 0,41) = 0,36 kj pour 2 kj utilisés, soit 18 %. L échappement de vapeur par l évent de la bâche entraîne une perte d eau qu il faut compenser par un apport d eau neuve, laquelle doit être épurée et réchauffée ; cela constitue une autre source de pertes et de dépenses. Au contraire, dans une installation à eau chaude sous pression dont le cycle est entièrement fermé, l eau est réintroduite au réchauffeur à la température à laquelle elle sort des surfaces de chauffe, aux pertes thermiques des tuyauteries près Extraction des chaudières Dans une installation à vapeur, il faut faire des extractions aux chaudières pour limiter le TAC (titre alcalimétrique complet) et pour éliminer les boues. Ces extractions entraînent des pertes d eau et des pertes thermiques importantes. Elles sont supprimées dans le cas des installations où l eau chaude sous pression est réchauffée dans des générateurs directs, car il n y a plus vaporisation. Dans le cas des installations où l eau chaude sous pression est préparée à partir de vapeur, on peut en général limiter le TAC par une purge continue des chaudières dans les circuits d eau chaude sous pression, ce qui supprime les pertes ; quelques extractions peuvent être nécessaires pour éliminer les boues, mais elles sont très limitées Énergies motrice et thermique Un autre avantage de l eau chaude sous pression réside dans l indépendance de l énergie motrice et de l énergie thermique. Dans une installation à vapeur, c est la pression de la vapeur qui la fait circuler dans les conduites ; cette vapeur arrive aux surfaces de chauffe à une pression diminuée de la perte de charge et la température diminue avec la pression, malgré la légère surchauffe due à la détente. Dans les installations très étendues, cette perte de charge peut être de plusieurs bars, et il faut augmenter d autant la pression au départ. Dans une installation à eau chaude sous pression, au contraire, l énergie motrice est fournie par la pompe, dont la hauteur manométrique est adaptée au développement de l installation, et indépendante de la température. Cet avantage est particulièrement important dans le cas d utilisation de vapeur à pression relativement basse (1 à 2 bar), à la sortie d une turbine par exemple. Cette vapeur ne peut pas être distribuée à grande distance du fait de sa faible pression qui conduirait à des tuyauteries de diamètre trop important. En la transformant en eau chaude sous pression, on la valorise et on peut la transporter à une distance quelconque : c est le principe de très nombreux chauffages urbains qui sont des combinaisons chaleur-force motrice Possibilités de réglage de la température Cette indépendance de l énergie motrice et de l énergie thermique permet également de faire varier à volonté la température de l eau chaude sous pression au départ de l installation : en la réglant à la température minimale nécessaire, on peut diminuer les pertes thermiques du réseau, dans un chauffage de locaux en demi-saison par exemple. Cette facilité de réglage est très intéressante dans les chauffages industriels, car on peut également, par des dispositifs de recyclage ( 3.2.3), disposer, en tous points de l installation, de l eau à la température que l on désire ; comme par ailleurs, en agissant sur le robinet placé à l entrée d une surface de chauffe, on règle avec beaucoup plus de précision l émission de cette surface avec de l eau qu avec de la vapeur, il en résulte que l eau chaude sous pression est un fluide chauffant préféré à la vapeur dans de nombreux chauffages industriels Inertie des installations Les avantages de l eau chaude sous pression ne vont pas sans certains inconvénients, et l on doit noter l inertie plus importante de l installation du fait de la capacité thermique de la masse d eau en circulation : en cas de fuite par exemple, il faut laisser refroidir, vidanger et ensuite remplir après réparation, ce qui augmente sensiblement le temps d arrêt de l installation. Toutefois, cette inertie n est pas toujours un inconvénient : en effet, le volant de chaleur important que constitue un réseau de distribution d eau chaude sous pression permet de faire face plus aisément à certaines pointes de consommation. On peut même, avant la pointe, augmenter la température du réseau qui se comporte ainsi comme un véritable accumulateur de chaleur Sécurité À volume égal, l eau chaude sous pression renferme une quantité d énergie très supérieure à la vapeur et la réglementation attire l attention sur ce point ( 4). Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

4 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Toutefois, il faut bien réaliser que le danger d explosion consistant en la mise à l air libre brutale d une quantité importante d eau chaude sous pression n est guère à envisager compte tenu des dispositions prises dans la réalisation des installations, tant sur le plan de la qualité des matériaux utilisés que de leur mise en œuvre. En fait, une fuite d eau chaude sous pression se traduit pratiquement par un jet de vapeur, car il y a immédiatement autovaporisation de l eau. Par contre, sur la partie de l installation où la fuite se sera produite et qui aura été isolée, elle durera aussi longtemps que l eau chaude sous pression ne sera pas tombée au-dessous de 100 o C. On remédie pratiquement à cet inconvénient en prenant des dispositions pour fractionner les installations en tronçons de capacités limitées (vannes d isolement, sur les grands réseaux en particulier) Risque de gel Dans les installations à eau chaude sous pression à fonctionnement intermittent, il y a risque de gel en cas d arrêt dans les parties exposées à une température inférieure à 0 o C : il suffit, en général, de maintenir la pompe de circulation en fonctionnement, éventuellement de procéder à un léger réchauffage mais, en cas d arrêt de longue durée en hiver, il est nécessaire de vidanger. Dans les installations à vapeur, le risque de gel existe aussi pour certains appareils comme les purgeurs et les tuyauteries de retour de condensat. 2. Caractéristiques d une installation à eau chaude sous pression 2.1 Caractéristiques générales Une installation à eau chaude sous pression est essentiellement caractérisée par sa puissance maximale et par les températures de départ et de retour de l eau à cette puissance, qui sont liées au débit de l eau par la relation : P = kq (T 2 T 3 ) (1) avec P puissance maximale de l installation, Q débit de l eau chaude sous pression, T 2 température de l eau chaude sous pression au départ de l installation (ou température aller), T 3 température de l eau chaude sous pression au retour de l installation (ou température retour), k coefficient de proportionnalité dépendant des unités choisies. (T 2 T 3 ) est la chute de température globale dans l installation (par exemple, T 2 = 180 o C et T 3 = 120 o C). En fait, l eau chaude sous pression entre dans les appareils à une température T 2 T 2 et elle en sort à T 3 + T 3, T 2 et T 3 étant les chutes de température dans les tuyauteries aller et retour, dues aux pertes. On tiendra compte de ces chutes dans la détermination des surfaces de chauffe des appareils. La puissance de l installation est la somme des puissances à fournir aux appareils à alimenter (compte tenu de leur programme d utilisation), augmentée des pertes diverses dans les tuyauteries et accessoires. Cette puissance est une donnée de base. Pratiquement, Q se déduit de T 2 et T 3, qui sont à déterminer en tenant compte des considérations techniques et économiques. Par ailleurs, la pression dans l installation doit être en tous points supérieure à la pression de vapeur saturante correspondant à la température en ce point. 2.2 Détermination des températures aller et retour Pour guider ce choix, il faut avoir présentes à l esprit la relation (1) qui s applique aussi bien à l installation qu à un appareil (en négligeant en première approximation T 2 et T 3 ), et la relation (2) qui lie la surface de chauffe ou d échange de l appareil aux températures : P = KS ( T m T m ) (2) avec K coefficient de transmission thermique global, S surface de chauffe ou d échange de l appareil, T m T m T 2 + T = température moyenne de l eau chaude sous 2 pression, température moyenne de la matière ou du fluide réchauffé par l eau chaude sous pression dans l appareil ; cette température est, comme la puissance maximale, une donnée de base qui est en principe déterminée par l utilisateur. Plus la surface de chauffe d un appareil est élevée, plus l appareil est coûteux et encombrant. On a donc en principe intérêt à augmenter au maximum T m, donc T 2 et T 3. Par ailleurs, le débit dans l installation est égal à : P Q = T 2 T 3 Plus le débit est élevé, plus le diamètre des tuyauteries et la puissance nécessaire à l entraînement des pompes de circulation sont importants. On a donc intérêt, pour diminuer le prix de l installation de distribution d eau chaude sous pression, à augmenter la chute de température (T 2 T 3 ). Pour avoir à la fois une grande température moyenne et une grande chute, on doit avoir la plus grande température T 2 possible au départ de l installation. En augmentant T 2, on doit augmenter la pression dans l installation, ce qui oblige à accroître la résistance mécanique, donc le prix des appareils : on voit donc qu il y a un juste compromis à faire. Pratiquement, comme il a été indiqué au paragraphe 1.1, on ne dépasse guère 200 o C (correspondant à une pression de vapeur saturante de 15 bar) dans les installations d eau chaude sous pression. La température d entrée dans les appareils peut être abaissée au-dessous de T 2 par des dispositifs de recyclage ( 3.2.3). La chute de température peut être variable suivant les appareils et, en particulier, limitée par des considérations d homogénéité de température : c est le cas des presses ( 3.3) par exemple. La chute globale dans une installation résulte des chutes partielles dans les différents appareils. Les chutes de température varient de quelques degrés dans certains appareils industriels, à 100 ou 110 o C dans les échangeurs des grandes installations de chauffage urbain. Dans ces dernières, en effet, étant donné le grand développement du réseau de distribution, on doit réduire son prix le plus possible et, pour cela, augmenter la chute de température, ce qui a également pour avantage de diminuer les frais d exploitation en énergie électrique absorbée par les pompes. B Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

5 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Dans les installations de moyenne importance, et lorsque les nécessités de fabrication n imposent pas une température élevée, on se limite souvent à des températures maximales de 140 à 150 o C, ce qui réduit en particulier le prix des générateurs (cette considération n est pas valable pour les générateurs de grande puissance dont les tubes peuvent résister à des pressions de l ordre de 25 à 30 bar et même plus). La chute de température est, dans ce cas, de l ordre de 30 à 40 o C. Enfin, il existe une catégorie d installations de chauffage entre 100 et 130 o C, où l on se limite à ces températures pour des considérations diverses parmi lesquelles nous citerons : l obligation de limiter la pression qui règne dans l ensemble de l installation, y compris pour les installations de chauffage urbain, les installations intérieures des appartements, lorsqu il n y a pas d échangeur (article Réseaux de chaleur. Chauffage urbain [B 2 172] dans ce traité) ; la limitation de la température de l eau produite dans les combinaisons chaleur-force motrice, afin de ne pas trop limiter la production d énergie électrique ; certaines considérations de sécurité et de réglementation : la réglementation actuelle ( 4) n impose pas le timbrage des appareils s ils fonctionnent à moins de 110 o C. Il apparaît par ailleurs dans certains règlements les notions d eau chaude sous pression à basse ou haute température suivant que la température maximale est inférieure ou supérieure à 110 o C. 2.3 Choix des caractéristiques de la pompe de circulation Le débit de la pompe de circulation est la somme des débits dans les différents appareils. Sa hauteur manométrique doit être égale à la somme des pertes de charge dans le circuit d eau chaude sous pression, dont les éléments principaux sont : le réchauffeur et les appareils divers en chaufferie ; le réseau de distribution (aller et retour) ; les appareils d utilisation. Elle s exprime généralement en mètres de colonne d eau (CE). Les pertes de charge dans le réchauffeur et dans les appareils d utilisation sont données par leur constructeur, compte tenu du débit prévu (que l on déduit de la chute de température adoptée). La perte de charge dans le réseau dépend du débit d eau chaude sous pression dans les différents tronçons et du diamètre des tuyauteries. Nous reparlerons de son calcul ( 3.2.1). Plus la hauteur manométrique d une pompe est élevée, plus la puissance absorbée (donc la consommation d énergie électrique) est grande pour un débit donné. D un autre côté, plus le diamètre des tuyauteries d un réseau est élevé, plus ce réseau est coûteux et plus les pertes thermiques sont importantes (quoique l on puisse, dans une certaine mesure, limiter ces pertes en augmentant l efficacité de l isolation, mais alors le prix du réseau augmente encore). On voit donc qu il y a un choix à faire. On sera guidé dans ce choix par diverses considérations, parmi lesquelles on peut citer : la vitesse dans les tuyauteries de l ordre de 1 m/s pour les petits diamètres, 2 m/s pour les gros diamètres ; la durée d utilisation de l installation au débit maximal : dans une installation industrielle qui fonctionne à pleine puissance toute l année, il y a plus d intérêt à limiter la hauteur manométrique des pompes que dans une installation de chauffage urbain à débit variable, dont le débit maximal n est atteint que quelques jours par an ; la pression maximale admissible dans les appareils d utilisation, qui dépend en partie de cette hauteur manométrique. Pratiquement, on arrive à des hauteurs manométriques de l ordre de : 10 à 20 m CE pour les petites installations industrielles, s étendant sur quelques centaines de mètres et d une puissance de quelques milliers de kilowatts ; 50 à 150 m CE pour les grandes installations de chauffage urbain dont le réseau atteint plusieurs kilomètres de développement. Il est question ci-dessus de la pompe de circulation mais, d une part, on peut avoir plusieurs pompes en parallèle et, d autre part, une installation peut comporter plusieurs circuits ou réseaux de pertes de charge différentes avec chacun une ou plusieurs pompes en parallèle, et éventuellement en série ( 3.2.3). 2.4 Répartition des pressions La pression en tous les points d une installation à eau chaude sous pression doit être comprise entre deux limites : une pression maximale qui est celle à laquelle les tuyauteries et appareils doivent pouvoir résister mécaniquement ; une pression minimale qui est égale à la pression de vapeur de l eau à la température qu il y a en ce point (température qui peut être différente suivant les parties de l installation, ( 3.2.3). Dans toute installation à eau chaude sous pression, une pression bien déterminée (ou tout au moins comprise entre deux limites fixées) se trouve toujours imposée en un point par le dispositif de mise en pression ( ). À partir de cette pression, on peut déterminer celle qui règne en tous les points en partant du fait que la différence de pression entre deux points quelconques est : p = p 1 + p 2 avec p 1 différence de pression due à la dénivellation entre les deux points, p 2 somme des pertes de charge entre les deux points. La pression diminue lorsque l on s élève et augmente en sens inverse, la variation étant sensiblement de 1 bar par 10 m de dénivellation. Pertes de charges et hauteur manométrique des pompes qui les compensent s expriment en mètres de colonne d eau (sensiblement 1 bar pour 10 m CE). Pour fixer les idées, prenons un exemple illustré sur la figure 3. La différence de pression p entre les points E et C sera, en considérant le trajet EABC : p = p 1 + p 2 + p 3 + p 4 + p 5 + p 6 avec p 1 et p 2 différences de pression qui correspondent aux augmentations de hauteur H 1 entre E et A d une part, H 2 entre A et C d autre part. Si, par exemple, ces différences sont de 8 m et 20 m, on aura : p 1 = 8 m et p 2 = 20 m, p 3 perte de charge dans le réchauffeur, soit par exemple 12 m... p 3 = 12 m, p 4 perte de charge dans le tronçon de tuyauterie AB. Prenons 2 m... p 4 = 2 m, p 5 hauteur manométrique de la pompe, qui peut être 30 m... p 5 = + 30 m, p 6 perte de charge dans le tronçon de tuyauterie BC. Prenons 6 m... p 6 = 6 m Nous aurons : p = = 18 m Cela signifie que la pression en C sera inférieure de 1,8 bar à celle qui règne en E, la pompe de circulation étant en service. Cette différence est évidemment la même si l on considère le trajet CDE. Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

6 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Figure 3 Répartition des pressions dans une installation à eau chaude sous pression On peut tracer pour toute installation le diagramme des pressions en tous les points, mais, en pratique, on ne fait que vérifier les pressions aux points où elles risquent d être trop élevées ou trop basses. Pour l étude de la pression maximale p max, on doit considérer le cas exceptionnel, mais possible, où le robinet général de retour étant fermé, la totalité de la hauteur manométrique p de la pompe à débit nul s exerce sur l installation : cela revient pratiquement à ajouter aux pressions statiques p et p (dues au dispositif de mise en pression et aux dénivellations) cette hauteur manométrique et l on a : p max = p + p + p Les points de pression maximale doivent être recherchés au refoulement des pompes et aux points bas. On peut être amené, compte tenu de la résistance à la pression des appareils de l installation, à limiter cette pression p max et, par là même, p, p et p. Cela peut conduire à : limiter la hauteur manométrique de la pompe en augmentant les diamètres des tuyauteries et, éventuellement, en choisissant un réchauffeur et des appareils d utilisation à faible perte de charge (quand cela est possible) ; limiter la température de l eau chaude sous pression qui impose p ; limiter les dénivellations, par exemple en fractionnant l installation. Pour l étude des points de pression minimale, on peut être amené à considérer les deux cas de pompe à l arrêt ou en fonctionnement. Les points de pression minimale doivent être recherchés à l aspiration des pompes et aux points les plus élevés. Compte tenu des températures régnant dans les diverses parties de l installation et des dénivellations entre, d une part, les points les plus élevés de ces différentes parties et, d autre part, le point où s exerce le dispositif de mise en pression, on en déduira la pression à créer par ce dernier. Prenons des exemples illustrés par la figure 3 : T 1 est la température au point A le plus élevé au départ du réchauffeur (température maximale de l installation) où nous supposons que l on crée la pression ; T 2 est la température au point C le plus élevé de l installation (température obtenue par mélange à l aspiration de la pompe entre l eau à T 1 et l eau de retour qui est à une température T 3 inférieure à T 2 ). H 2 est la dénivellation entre les points A et C. On veut avoir : T 1 = 140 o C (pression de vapeur 2,8 bar) T 2 = 120 o C (pression de vapeur 1 bar) Si H 2 = 10 m, en maintenant une pression de 2,8 bar en A, on a, en C, 10 m plus haut, une pression de 1,8 bar, supérieure à 1. C est donc A qui impose la pression. Mais si H 2 = 30 m, c est C qui impose la pression car, pour y maintenir 120 o C, il faudra au minimum 1 bar alors que 30 m plus bas, il faudra maintenir 4 bar (> 2,8 bar), cela en supposant la pompe de circulation à l arrêt, ce qui est le cas défavorable. Il est traité ci-dessus le cas d une installation avec un circuit. Dans le cas de plusieurs circuits qui peuvent fonctionner à des températures différentes avec des pompes de hauteurs manométriques différentes, éventuellement des pompes en série ( 3.2.3), cette répartition des pressions doit être étudiée pour chaque circuit et la pression à maintenir par le dispositif de mise en pression devra être la plus élevée parmi celles trouvées pour les différents circuits. Sa compatibilité avec les pressions maximales admissibles devra être vérifiée. 3. Réalisation d une installation à eau chaude sous pression 3.1 Production d eau chaude sous pression Chronologiquement, l eau chaude sous pression s étant développée en remplacement de la vapeur, c est donc à partir de chaudières à vapeur que les premières installations ont été réalisées. Par ailleurs, il peut y avoir dans les installations industrielles à la fois des besoins en vapeur et en eau chaude sous pression. Quand ce n est pas le cas, l eau chaude sous pression peut être produite dans des générateurs directs dont la technique s est développée. Dans tous les cas, nous trouverons : un dispositif de réchauffage de l eau (chaudière à vapeur, préparateur par mélange, échangeur par surface, générateur direct) ; un vase d expansion pour absorber la dilatation due à la différence entre la température de remplissage et la température de fonctionnement ; un dispositif de mise en pression Puisage dans une chaudière à vapeur Les premières installations de chauffage à eau chaude sous pression ont été réalisées par puisage sous le plan d eau d une chaudière à vapeur (figure 4). B Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

7 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Le retour se fait en un point différent du départ, les deux étant choisis suivant la circulation interne de la chaudière, et on peut continuer à prélever de la vapeur pour d autres besoins. La pression dans l installation d eau chaude sous pression est créée par celle de la vapeur du ballon, dans lequel se fait également la dilatation. Par un dispositif de by-pass entre le retour à la chaudière et l aspiration de la pompe de circulation, on peut régler facilement la température au départ du réseau sans faire varier la pression dans la chaudière, qui peut être imposée par ailleurs pour les besoins en vapeur. Ce procédé simple se heurte à des difficultés : entraînement des boues de la chaudière dans l installation : dans une chaudière, par suite de la vaporisation de l eau contenant des impuretés en suspension, il se produit des boues que l on doit chasser en faisant des extractions (ces dernières ayant également pour but de diminuer la concentration en sels). En prélevant l eau chaude sous pression dans la chaudière, on entraîne ces boues dans l installation : elles viennent s y accumuler, dans les points bas en particulier, et arrivent à interrompre la circulation ; difficultés de mise en parallèle de plusieurs chaudières : la figure 5 donne le schéma d une installation par puisage direct dans deux chaudières fonctionnant en parallèle. Étant donné la répartition des pressions dans une installation à eau chaude sous pression ( 2.4), la différence des pressions entre les deux plans d eau (qui est égale à la différence des pressions de vapeur) vient de la dénivellation H qu il y a entre eux et de la perte de charge due à la circulation de l eau dans les tuyauteries. Mais la pression de vapeur dans une chaudière est essentiellement variable du fait des irrégularités inévitables de la chauffe et de la variation des besoins. Il en résulte que l équilibre qui pouvait être réalisé à un instant donné est essentiellement précaire. Dès que la pression créée sur le plan d eau d une des chaudières (par suite de la pression régnant dans l autre chaudière, des dénivellations et des pertes de charge) devient supérieure à la pression de vapeur, il y a compression de la vapeur (qui se condense) et le plan d eau remonte, cependant qu il baisse dans l autre chaudière jusqu à retrouver un état d équilibre. Le plan d eau peut même remonter tellement que la chaudière se trouve noyée, le phénomène s accompagnant en général de claquements. On peut remédier à ces inconvénients en installant des tubulures d équilibrage, mais elles doivent être de diamètre relativement important : on complique alors l installation en même temps qu elle risque de ne plus être réglementaire du fait que l on ne peut pas prévoir de clapet sur ces tuyauteries d équilibrage. Ce schéma d installation avec plusieurs chaudières (mêmes identiques) est donc à proscrire. Il peut être réalisé avec une seule chaudière dans des installations industrielles où il y a à la fois des besoins en vapeur et en eau chaude sous pression à la même température, ce qui exclut l utilisation d échangeurs ou vaporiseurs pour produire l eau chaude sous pression. On devra, dans ce cas, prendre toutes les précautions nécessaires pour éviter l entraînement des boues dans l installation Production d eau chaude sous pression à partir de vapeur Préparateur par mélange Dans le schéma de la figure 6, la ou les chaudières débitent de la vapeur dans un appareil appelé préparateur, où se fait le réchauffage de l eau chaude sous pression de la température de retour à la température de départ de l installation. Figure 4 Puisage direct d eau chaude sous pression sous le plan d eau d une chaudière à vapeur Figure 6 Production d eau chaude sous pression à partir de vapeur dans un préparateur par mélange Figure 5 Puisage direct d eau chaude sous pression dans deux chaudières en parallèle Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

8 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Le préparateur par mélange est un réservoir cylindrique dans lequel la vapeur est admise au voisinage de la partie supérieure qui forme chambre de vapeur. L eau à réchauffer (retour de l installation) qui entre à la partie supérieure de cette chambre est mise en contact intime avec la vapeur par un ensemble de plaques de dispersion et portée à une température sensiblement égale à celle de la vapeur. L eau ainsi réchauffée est extraite à la partie inférieure du préparateur par la ou les pompes de circulation, qui la renvoient dans le réseau. La pression dans l installation est créée par la pression de vapeur. La dilatation de l eau se fait dans le préparateur entre les deux limites (supérieure et inférieure) admises pour le niveau. Dans certains cas, lorsque la dilatation à absorber est très importante, on construit des préparateurs à plusieurs corps (figure 7) : un corps inférieur, qui joue le rôle de vase d expansion V et qui peut avoir la capacité que l on désire : un ou plusieurs corps supérieurs D où se fait le réchauffage, et qui sont calculés en fonction de la puissance et du débit d eau de l installation. Toutefois, dans les installations à fonctionnement continu, il est courant de ne pas tenir compte de la totalité de la dilatation de l eau depuis le départ à froid mais seulement de la dilatation résultant des oscillations de température au cours du fonctionnement continu. Dans ce cas, on sera amené à évacuer de l eau à la bâche alimentaire des chaudières lors de la mise en service et à réalimenter pendant les opérations de mise à l arrêt par les pompes alimentaires qui servent par ailleurs au remplissage de l installation : ces opérations peuvent être automatiques dans le cadre de la régulation de niveau du préparateur. La condensation de la vapeur a tendance à élever le niveau de l eau dans le préparateur. Pour maintenir ce niveau au-dessous de la limite maximale prévue, on renvoie aux chaudières l eau correspondant à la vapeur condensée. Dans le cas le plus simple de la figure 6, où il n y a pas de détente de vapeur entre les chaudières et le préparateur, on prélève cette eau au refoulement de la pompe de circulation, où la surpression qui règne par rapport à la pression de vapeur est, le plus souvent, suffisante pour réalimenter les chaudières. Quand il y a détente de vapeur, il faut en général utiliser une pompe de réalimentation (figure 8) : on réalimente alors les chaudières par l eau de retour, qui est à une température plus basse que l eau d aller, ce qui est favorable au rendement. La régulation du débit d eau renvoyée aux chaudières se fait en fonction du niveau du préparateur ou de celui des chaudières, ou des deux à la fois suivant les cas : cette régulation est différente suivant que les chaudières fournissent ou non de la vapeur en dehors de l installation d eau chaude sous pression, et elle doit tenir compte des oscillations de niveau dans le préparateur, dues à la dilatation. Il doit être prévu, par ailleurs, un service alimentaire classique qui sert à alimenter en eau traitée provenant de la bâche alimentaire les chaudières et le circuit d eau chaude sous pression. La régulation de température au départ du réseau se fait indépendamment de la pression de vapeur et de la température de l eau chaude sous pression produite dans le préparateur par by-pass, comme dans le cas du puisage direct. Le préparateur, qui est un vase sous pression de vapeur, doit être muni de tous les accessoires réglementaires, en particulier manomètre et niveau à glace. S il est timbré à une pression supérieure ou égale à celle des chaudières, il peut ne pas être muni de soupapes de sûreté. S il y a détente de vapeur entre les chaudières et le préparateur, il peut être timbré au-dessous mais, dans ce cas, il doit être muni de soupapes de sûreté. Il doit comporter une purge d air pour le remplissage et ultérieurement un dégazage ; on installe, général, à cet effet deux robinets en parallèle : l un de purge d air de diamètre relativement important ( 25 à 30 mm), l autre de dégazage de diamètre réduit ( 15 mm au maximum) qui restera en permanence légèrement ouvert. L inconvénient de ce mode de préparation de l eau chaude sous pression réside dans le fait qu il y a mélange entre le circuit des chaudières et le circuit d eau chaude : le circuit des chaudières, surtout dans le cas de haute pression, ne doit contenir que de l eau convenablement épurée, alors que les conditions d épuration sont beaucoup moins sévères pour le réseau d eau chaude : ce dernier, de plus, à cause de son développement important et des divers appareils d utilisation, est une source de pollution du circuit des chaudières Échangeur par surface Pour pallier l inconvénient indiqué ci-dessus, on est amené à réchauffer l eau chaude sous pression dans un échangeur par surface, qui remplace le préparateur (figure 9). Figure 7 Préparateur d eau chaude sous pression à plusieurs corps Figure 8 Production d eau chaude sous pression par préparateur avec réalimentation de la chaudière par une pompe B Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

9 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Figure 9 Production d eau chaude sous pression à partir de vapeur dans un échangeur par surface L échangeur par surface est un appareil classique (article Échangeurs de chaleur. Description des échangeurs [B 2 341] dans ce traité). Mais, dans ce cas, la température de l eau chaude sous pression produite est nettement inférieure à celle de la vapeur, car on a obligatoirement, dans l échangeur, une différence de température entre les fluides primaire et secondaire. L eau de condensation à la sortie de l échangeur est en général renvoyée à une bâche alimentaire, ce qui est défavorable pour le bilan thermique de l ensemble de l installation. Toutefois, cette transformation de la vapeur en eau chaude sous pression peut se justifier pour bénéficier des avantages de celle-ci : indépendance de l énergie motrice et de l énergie thermique, grandes possibilités de réglage. Il est à noter que les dispositifs de mise en pression sont les mêmes avec des échangeurs qu avec des générateurs ( ) Combinaison chaleur-force motrice C est dans le domaine de la production d eau chaude sous pression à partir de vapeur que se situent les combinaisons chaleur-force motrice avec distribution de chaleur par un réseau d eau chaude sous pression. Dans une production de force motrice à partir de vapeur, un poste important de pertes se situe au condensateur, où se perd l enthalpie de vaporisation de l eau. En utilisant cette enthalpie pour réchauffer de l eau chaude sous pression (par mélange ou par surface), on augmente très sensiblement le rendement de l ensemble. De plus, cette transformation en eau chaude sous pression valorise ( 1.2.3) la vapeur d échappement (ou de contrepression) de la turbine, qui est nécessairement à pression relativement basse. Ce type d installation est décrit dans l article Réseaux de chaleur. Chauffage urbain [B 2 172] de ce traité Générateurs d eau chaude sous pression Généralités Nota : le lecteur pourra se reporter utilement à l article Différents types de chaudières industrielles [B 1 480] dans ce traité. Avec le développement des installations à eau chaude sous pression est apparu l intérêt de réchauffer l eau dans des générateurs directs sans passer par le stade vapeur lorsque celle-ci n était pas par ailleurs nécessaire pour d autres besoins, tout au moins à haute pression et en quantité importante, car on peut aussi en produire à partir d eau chaude sous pression dans des vaporiseurs ( 3.3). Le terme de générateur d eau surchauffée ou d eau chaude sous pression, qui figure d ailleurs dans la réglementation, est utilisé en général plutôt que celui de chaudière à eau chaude, réservé aux appareils de petite puissance et non timbrés. Il faut distinguer deux cas suivant la température de l eau chaude sous pression : dans le cas de températures inférieures à 110 o C, on utilise des chaudières à eau chaude en acier de différents types, non timbrées mais susceptibles de supporter les pressions des installations. Ces chaudières sont construites jusqu à des puissances de l ordre de kw. Au-delà, il faut utiliser les générateurs de type industriel suivants ; dans le cas de températures supérieures à 110 o C, les générateurs sont des appareils timbrés, dérivés des chaudières à vapeur industrielles. Ce furent d abord des chaudières à vapeur que l on faisait fonctionner entièrement noyées, puis on a construit des appareils spécialement adaptés à l eau chaude sous pression. Actuellement, on trouve deux types principaux de générateurs : les générateurs à tubes de fumées, qui ne diffèrent des chaudières à vapeur de ce type que par certains aménagements. Leur inconvénient est, dans une certaine mesure, leur important volume d eau, mais ils sont plus compétitifs sur le plan économique que les générateurs à tubes d eau jusqu à des puissances de l ordre de kw et des pressions de l ordre de 15 bar. Leur perte de charge est très faible. Pour des questions de contraintes intérieures, les constructeurs limitent l écart de température entre l entrée et la sortie de ces générateurs (à 50 o C environ), mais ils sont moins sensibles à un manque accidentel de débit que les générateurs à tubes d eau. Ils ne peuvent pratiquement être équipés que pour la chauffe au mazout ou au gaz. Pour accroître leur rendement, ils peuvent être complétés par un économiseur placé sur le retour d eau chaude sous pression avant l entrée dans le générateur : les générateurs à tubes d eau à circulation forcée, parmi lesquels on distingue deux types principaux : les générateurs dérivés des chaudières La Mont, de conception semblable aux chaudières radiantes. L équilibrage entre les tubes d eau en parallèle est assuré par des diaphragmes placés sur l entrée de chacun d eux. La circulation est totalement tributaire des pompes de circulation. Leur perte de charge est élevée, de l ordre de 15 m CE, les générateurs dérivés des chaudières ERK dans lesquelles il peut y avoir une certaine circulation interne. Leur perte de charge est moins élevée, inférieure à 10 m CE. Dans un générateur d eau chaude sous pression, le risque de manque d eau est pratiquement exclu, mais il y a un risque de vaporisation par élévation anormale de température pouvant résulter d une insuffisance de débit totale ou partielle et entraîner des surchauffes. Pour limiter les risques de vaporisation, les constructeurs demandent de respecter une marge entre la température de sortie de l eau et la température de saturation correspondant à la pression : elle varie de quelques degrés pour les chaudières à tubes de fumées à 15 o C pour des chaudières à circulation forcée. Les générateurs à circulation forcée comportant des diaphragmes à l entrée des tubes doivent impérativement être munis, sur l entrée d eau, d un filtre à mailles d un diamètre inférieur à celui des diaphragmes. Quant au débit total du générateur, il doit être contrôlé par un débitmètre ou au moins un contrôleur de débit, et il peut être nécessaire dans certains cas de prévoir des dispositifs de circulation de secours ( et ). Il n y a, avec les générateurs directs, aucune difficulté à mettre plusieurs générateurs en parallèle. Dans toutes ces installations, quoiqu il n y ait pas vaporisation, il faut évidemment un service alimentaire pour la remplissage initial et pour la compensation des pertes. Toutefois, ce service alimentaire peut être beaucoup plus réduit que dans le cas de chaudières Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

10 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION à vapeur. On peut admettre pour les pompes alimentaires un débit total qui est de l ordre de la moitié ou du quart de la vaporisation d une installation vapeur de même puissance. On installe toujours au moins deux pompes, l une étant en secours Équipements de chauffe Les générateurs à eau chaude sous pression peuvent aussi bien être équipés pour la chauffe au fuel ou au gaz que pour la chauffe au charbon, les possibilités dépendant de leur type. Les générateurs à tubes d eau peuvent être équipés pour la chauffe au charbon avec des foyers divers : grille mécanique ou vibrante, spreader Stocker, brûleur à charbon pulvérisé. Dans le cas de foyer ayant une inertie thermique importante (grilles en particulier), il faut prévoir un dispositif de circulation de secours en cas de panne de courant. Dans le cas de chauffe au fuel lourd, il faut tenir le plus grand compte des phénomènes de point de rosée sur les parties parcourues par l eau entrant dans le générateur : la température d entrée doit être maintenue à un minimum de 125 o C et même 130 o C (suivant la teneur en soufre) ; cela exige, en général, un dispositif de pompe de réchauffage des retours ou de recyclage. Une même température de retour minimale est nécessaire dans le cas d utilisation de charbon riche en soufre (flambant de Provence, par exemple). Un générateur d eau chaude sous pression peut être aussi un économiseur placé sur des fumées de four par exemple Appareils de contrôle et de sécurité Les générateurs d eau chaude sous pression doivent être équipés, d une part, d appareils de contrôle de chauffe (déprimomètres, thermomètres, analyseurs de gaz, conducteurs de chauffe) et, d autre part, d appareils de sécurité (soupapes, thermostats) et de contrôle (manomètres, thermomètres, débitmètres, contrôleurs de remplissage) sur le circuit de l eau chaude sous pression conformément à la réglementation à laquelle ils sont soumis et qui est fonction de leur puissance, de la pression et de la température maximale de fonctionnement ( 4). Les thermomètres (sur l entrée et la sortie d eau chaude sous pression) constituent avec le débitmètre les deux organes essentiels de conduite qui permettent de connaître en permanence l allure de fonctionnement. Le débitmètre doit être muni d un contact stoppant la chauffe et actionnant une alarme en cas de chute de débit au-dessous d un certain seuil ; à défaut de débitmètre (toujours recommandé), ce rôle peut être rempli par un contrôleur de débit dans le cas d appareils de faible puissance et fonctionnant à moins de 110 o C. Cette limitation impérative de température à 110 o C pour les appareils non timbrés impose la présence d un ou de plusieurs thermostats de coupure de feux et d alarme offrant toute garantie de fiabilité. Pour les générateurs timbrés, un thermostat de ce genre est souhaitable mais n est imposé par la réglementation qu en cas de chauffe automatique. Les différents appareils de contrôle sont indépendants des appareillages de régulation de chauffe quand celle-ci est automatisée Schémas d installation Les différents schémas d installation se distinguent par les systèmes de mise en circulation dans les chaudières (émulsion ou pompe), d expansion et de mise en pression. Nous décrirons tout d abord des systèmes avec vase d expansion sous pression de vapeur qui ont été les premiers utilisés, puis les autres qui sont le plus souvent utilisés maintenant Fonctionnement en émulsion Dans ce schéma de fonctionnement (figure 10), le générateur est relié à un vase d expansion (qui comporte un plan d eau au-dessus duquel se trouve de la vapeur saturée à la même température) par deux tuyauteries, l une de départ, l autre de retour d eau chaude sous pression. À chaud, il s établit une circulation entre le générateur et le vase dans le sens des flèches du schéma. En fait, il monte au vase une émulsion d eau et de vapeur. Cette circulation est identique à celle qui s établit dans une chaudière à circulation naturelle entre le faisceau tubulaire et le ballon. La pression dans l installation est créée par la pression de vapeur. L eau chaude sous pression est aspirée à la partie basse du vase d expansion par la pompe de circulation, et le retour se fait à la partie haute par l intermédiaire d un système de dispersion assez semblable à celui d un préparateur d eau chaude. On peut sans difficulté mettre plusieurs générateurs en parallèle : ils sont reliés individuellement au vase par leurs tuyauteries de départ et de retour. L intérêt principal de ce schéma réside dans le fait que la circulation dans le générateur n est pas tributaire d une pompe et qu elle est indépendante de celle du réseau. Par contre, les générateurs doivent avoir une très faible perte de charge ; ils sont en général plus encombrants. De plus, les tuyauteries de liaison au vase sont importantes. Ce schéma n est pratiquement plus utilisé Fonctionnement avec pompe Avec ce schéma de fonctionnement, la circulation dans le ou les générateurs d eau chaude sous pression en parallèle est assurée par une pompe. La perte de charge dans le générateur n est pas limitée et on peut utiliser n importe quel type de générateur. Cette pompe peut être la pompe de circulation du réseau ou une pompe spéciale pour le générateur. Dans le cas d une seule pompe (figure 11), le débit dans le générateur est lié à celui du réseau qui, dans certains cas, peut être très variable, en particulier s il y a des régulations automatiques sur les appareils d utilisation. Figure 10 Générateur d eau chaude sous pression fonctionnant en émulsion B Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

11 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Si le débit est trop faible, il peut y avoir des vaporisations dans le générateur et, pour les appareils à tubes d eau, cela peut entraîner, en plus de claquements, des surchauffes dans certains tubes. Pour certains générateurs, les constructeurs imposent d ailleurs des débits minimaux au-dessous desquels il ne faut pas descendre. Afin de maintenir un certain débit, on peut prévoir sur le réseau des régulations à 3 voies. Pour éviter que les variations de débit du réseau se répercutent sur celui du ou des générateurs, la meilleure solution consiste à installer une (ou plusieurs) pompe de générateur (figure 12) : le débit dans les générateurs est alors constant, quelles que soient les variations de débit dans le réseau ; il n y a besoin d aucun dispositif de régulation, les variations de puissance à fournir se traduisant par des variations de température d entrée aux générateurs, dont les températures de sortie sont en général maintenues constantes. Dans le cas de plusieurs générateurs en parallèle, on peut installer une pompe par générateur ou une batterie de pompes alimentant l ensemble des générateurs : cette dernière disposition a l avantage, en cas d arrêt accidentel d une de ces pompes, de ne pas entraîner d interruption brutale et totale de la circulation, avec les conséquences que cela comporte dans le cas de foyer à charbon à grande inertie en particulier. Par ailleurs, on peut n avoir qu une pompe de secours pour l ensemble, ce qui n est pas négligeable sur le plan économique. Toutefois, cela suppose évidemment que les générateurs alimentés par la même batterie de pompes aient la même perte de charge et nécessitent la même température d eau à l entrée. La pompe individuelle facilite le processus de démarrage d un générateur alors que les autres sont en fonctionnement : dans le cas d une batterie de pompes, pour éviter de refroidir l eau du réseau par le générateur en allumage, il faut démarrer avec un faible débit d eau et augmenter celui-ci au fur et à mesure de l augmentation de la puissance ; dans le cas de pompe individuelle, on peut faire circuler le générateur en circuit fermé pour le mettre en température. Le choix de la solution dépend des particularités propres à chaque cas. Les pompes de générateurs permettent aussi de remonter et de maintenir à une valeur minimale donnée la température d entrée dans les générateurs pour pallier la corrosion. On peut aussi obtenir ce réchauffage en même temps qu un débit minimal avec un ou plusieurs pompes de réchauffage des retours (figure 13). Le débit de ces pompes est inférieur à celui des pompes de générateur, ce qui réduit le prix d installation, mais il n y a plus alors la même sécurité. Avec certains types de générateurs à gros volume d eau et faible perte de charges, du type à tubes de fumées en particulier, cette question de débit est beaucoup moins importante qu avec les appareils à tubes d eau, et les pompes de générateurs sont moins utiles. Même en cas de diminution importante de débit, il peut s établir dans le générateur lui-même une circulation qui permet d éviter les surchauffes et les vaporisations locales. Ces générateurs sont, en général, moins sensibles à la corrosion que les appareils à tubes d eau, mais il faut cependant respecter un minimum de température de retour : il en résulte qu il est, le plus souvent, nécessaire de prévoir des pompes de réchauffage des retours, qui permettent également, en augmentant le débit, de limiter la différence de température entre l entrée et la sortie, comme le demandent certains constructeurs. Quel que soit le schéma de fonctionnement, on peut sans difficulté régler la température au départ du réseau indépendamment de la température au départ des générateurs par un by-pass. Figure 11 Générateur d eau chaude sous pression fonctionnant avec pompe Figure 12 Générateur d eau chaude sous pression avec pompe de générateur et pompe de réseau Figure 13 Générateur d eau chaude sous pression avec pompe de réchauffage des retours Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

12 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Dispositifs de mise en pression Installations sous pression de vapeur Dans toutes les installations décrites ci-avant, la pression est créée par de la vapeur saturée en équilibre de température avec l eau chaude sous pression dans le vase d expansion. Ce vase doit être placé au-dessus des générateurs, en liaison directe avec eux pour permettre un éventuel dégagement de vapeur. Sa capacité est le plus souvent calculée pour absorber la totalité de la dilatation de l installation entre la température ambiante et la température maximale de marche (ce qui conduit à une capacité de 1,5 fois environ le volume de dilatation). On peut toutefois réduire cette capacité, en particulier pour les installations à marche continue : on est alors amené, lors des mises en température, à évacuer de l eau et à en réintroduire lors des baisses de température, comme dans les installations sous pression de gaz ou de pompe ( et ). Le vase sous pression de vapeur, quand la pression dépasse 0,5 bar, est évidemment soumis à la réglementation et doit être muni de tous les accessoires réglementaires. S il n y a pas de robinet entre le générateur et le vase (cas d un seul générateur), les soupapes de sûreté du générateur peuvent être reportées sur le vase. Dans le cas contraire, les générateurs doivent être munis de leurs soupapes de sûreté, mais elles ne sont plus nécessaires sur le vase si celui-ci, comme c est le cas général, est timbré à la même pression que les générateurs. La mise sous pression de vapeur présente plusieurs avantages : simplicité de fonctionnement indépendant de tout organe mécanique tel que pompe ou régulateur de pression ; sécurité de fonctionnement, en particulier en cas de vaporisation dans les générateurs ; la vapeur peut, en effet, se dégager facilement dans le vase qui constitue par ailleurs une réserve et prémunit contre le manque d eau ; possibilité de dégazage de l eau de l installation en créant une légère fuite permanente à la partie haute du vase. Par contre, il y a certains inconvénients : dépense importante entraînée par l installation de ce vase encombrant et lourd au-dessus des générateurs et à une hauteur suffisante pouvant nécessiter la surélévation au moins partielle de la chaufferie ; complication d exploitation lors du démarrage ou de l arrêt, si l installation est en totalité ou en partie au-dessus de ce vase d expansion. Dans ce cas en effet ( 2.4), il faut, pour maintenir la pression nécessaire au vase, fonctionner au départ des générateurs à une température supérieure à celle du réseau. Mais, à l arrêt, il n y a pas de pression de vapeur et les parties hautes de l installation ont tendance à se vider dans le vase ; il faut, pour y remédier, isoler le réseau au démarrage (après l avoir rempli) et marcher en circuit fermé en chaufferie pour monter en température et pouvoir ainsi créer la pression nécessaire. Pour éviter ces manœuvres, on a, dans certaines installations, augmenté la pression au vase par de l azote. Mais il faut alors supprimer le dégazage, il y a des pertes d azote (par les soupapes en particulier) et, lorsqu on monte en température, la pression partielle d azote augmente très rapidement (du fait de la dilatation et de la diminution du volume qui lui est offert). Tout cela conduit à proscrire le vase sous pression de vapeur quand il ne peut pas être placé au point haut de l installation ; complications d exploitation avec plusieurs générateurs en parallèle ; si les températures au départ des générateurs fonctionnant en parallèle ne sont pas les mêmes, on obtient dans le vase de l eau à la température moyenne et une pression de vapeur correspondant à la pression de vapeur à cette température. Il en résulte que pour les générateurs fonctionnant à la température la plus élevée on peut avoir un début de vaporisation à la sortie entraînant des troubles de circulation, des claquements et la cavitation des pompes de circulation. L apparition et l importance de ces phénomènes dépend des différences de température et de la différence de niveau entre le vase et les générateurs. La plus grande difficulté est rencontrée lorsque l on est amené à démarrer un générateur sur une installation en fonctionnement : il faudra n augmenter que très progressivement le débit sur ce générateur pour obtenir et maintenir au départ une température suffisante afin d éviter l apparition des phénomènes signalés. C est pour pallier ces difficultés que l on a été amené à prévoir d autres dispositifs de mise en pression Installation sous pression de gaz Pour maintenir l installation sous pression et absorber la dilatation, on peut utiliser un vase d expansion sous pression de gaz, azote en général. Toutefois, contrairement à la vapeur saturée en équilibre avec de l eau à la même température et dont le volume peut varier à pression constante, le gaz obéit à la loi de Mariotte pv = Cte soit dp/dv = p/v et sa variation de volume entraîne une variation de pression qui, évidemment, doit être limitée compte tenu de la nécessité de se maintenir entre les pressions maximales et minimales. Par exemple, avec un vase de 2 m 3 à 10 bar, si le volume de gaz est de 1 m 3, une variation de volume de 100 L entraînera une variation de pression de 1 bar ; à 5 bar, la variation de volume pour la même variation de pression pourra être doublée. Il en résulte que, sauf pour les petites installations et celles fonctionnant à pression relativement basse (cas des installations à eau chaude utilisant des vases d expansion à membrane), le vase sous pression de gaz ne pourra absorber qu une faible partie de la dilatation d une installation en restant entre des limites de pression acceptables. Lors des montées en température quand la pression maximale est atteinte, on doit extraire de l eau vers la bâche alimentaire qui joue en fait le rôle de vase d expansion. Cette extraction se fait par l intermédiaire d un régulateur de pression. Il existe plusieurs types d appareils : les plus simples sont assez semblables à des soupapes de sûreté à ressort ; d autres fonctionnent avec relais à fluide auxiliaire ou électriquement. Lors des baisses de température, la contraction de l eau entraîne une diminution de pression ; à la pression minimale admissible, on doit mettre en service, par un manostat, une pompe alimentaire qui rétablit la pression. Il est bon de disposer pour cela d une pompe de faible débit à côté des pompes alimentaires normales qui pourront être commandées en cascade en cas de baisse rapide anormale de la pression (cas d une fuite, par exemple). La pression oscille ainsi entre deux limites en fonction du réglage des appareils et de leurs différentiels : cette oscillation peut être de l ordre de 1 à 2 bar pour une installation fonctionnant normalement au-dessus de 10 bar (eau à 180 o C). En cas de dépassement des limites maximale et minimale, on prévoit des manostats déclenchant un dispositif d alarme. Le vase d azote doit être branché en dérivation sur le retour de l installation à la plus basse température possible, éventuellement par l intermédiaire d un dispositif de refroidissement de l eau (tube de gros diamètre ou de grande longueur ou à ailettes) pour éviter que lors des dilatations de l installation, l augmentation de pression ne soit amplifiée par une élévation de température. La figure 14 illustre cette installation. Il est à noter que l azote peut être remplacé par de l air comprimé, mais sa dissolution dans l eau expose à des corrosions par l oxygène. On y pallie en interposant entre l air et l eau une couche de paraffine ou un dispositif avec une membrane élastique. En fait, cela n a pas d intérêt avec le dispositif décrit ci-dessus, car il n y a pratiquement aucune consommation d azote. B Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

13 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Un vase d expansion sous pression d air comprimé peut être utilisé dans les installations de faible importance et à température inférieure à 110 o C qui ne disposent en général que d un service alimentaire réduit ; dans ce cas, la pression est maintenue par évacuation d air à la dilatation et introduction d air par un petit compresseur à la contraction. Le vase d expansion absorbe la totalité de la dilatation. Les vases d azote et d air comprimé sont des récipients soumis à la réglementation ( 4) Installation sous pression de pompe Dans l installation sous pression d azote décrite ci-avant, c est en fait une pompe qui maintient la pression à sa valeur minimale et le vase d azote ne joue que le rôle d amortisseur des variations de pression consécutives aux variations de volume de l installation ; s il est supprimé (ou qu il n y a plus de gaz), l eau étant très peu compressible, une très faible dilatation entraîne une augmentation très importante de la pression et inversement, et la pompe fonctionne d une manière saccadée pendant quelques secondes entre les arrêts. Pour pallier cet inconvénient, on laisse la pompe en marche permanente avec une soupape de décharge ramenant l eau à son aspiration ; on utilise à cet effet une pompe de faible débit (de l ordre de quelques centaines de litres par heure) qui peut être une petite pompe volumétrique ou une pompe centrifuge de caractéristique appropriée pour les installations importantes. Une autre soupape de décharge à la bâche permet d évacuer l eau de la dilatation. Au cas où le débit de la pompe de maintien de pression n est pas suffisant pour étaler une contraction rapide de l installation (cas de fuite par exemple), un manostat commande la mise en route d une pompe alimentaire de débit supérieur. Ce type de dispositif de mise en pression par pompe est plutôt moins coûteux que celui qui comporte un vase sous pression d azote et se justifie pour les petites et moyennes installations. Un avantage important de ces dispositifs d expansion et de mise en pression de gaz ou de pompe réside dans le fait que la pression est indépendante de la température de l eau chaude sous pression, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas où l installation de distribution se trouve en totalité ou en partie au-dessus de la chaufferie, et permet par ailleurs sans difficulté de respecter, en augmentant la pression, la marge demandée par les constructeurs de générateurs entre la température à la sortie et celle correspondant à la pression. Elle permet aussi, dans le cas de fonctionnement en parallèle de plusieurs générateurs, d admettre, sans aucun trouble de fonctionnement, de plus grandes différences de température au départ des générateurs que dans le cas de mise sous pression de vapeur. Par contre, ces procédés ont l inconvénient de rendre la pression dans l installation tributaire d organes mécaniques qui peuvent se dérégler ou tomber en panne. En pratique, il faut les doubler, mais l expérience montre que, si l installation est réalisée avec du matériel de qualité convenablement entretenu, elle donne satisfaction aux usagers. On peut leur reprocher également le fait que les décharges à la bâche, qui est en général à l air libre, entraînant des pertes thermiques, et, par la mise en contact de l eau avec l atmosphère, l oxygénation de cette eau. On réduit le plus possible les pertes thermiques en extrayant l eau de retour de l installation, qui est à la plus faible température. Par ailleurs, en régime établi, les décharges sont très réduites. Quant à l oxygénation de l eau, elle est effectivement à craindre si la bâche n est pas réchauffée (ce qui produit un certain dégazage), mais on peut pallier cet inconvénient par un traitement de l eau : à ce point de vue, ces installations doivent faire l objet d une surveillance particulière Installation avec vase d expansion surélevé Si les dispositifs de mise en pression indiqués ci-dessus sont les plus couramment utilisés et s appliquent à tous les cas, il ne faut toutefois pas oublier le système du vase d expansion surélevé, qui est le plus simple (figure 15). Si, au voisinage de la chaufferie, on dispose d un édifice d une certaine hauteur (immeuble élevé et en particulier immeuble tour, château d eau, cheminée importante, etc.), on peut y installer un vase d expansion à l air libre, et la pression créée ainsi en chaufferie permet de produire de l eau à une température nettement supérieure à 100 o C. Par exemple, pour H = 20 m, on peut produire de l eau à 132 o C au départ du générateur. Pour H = 40 m, on peut atteindre 151 o C. Il faut noter toutefois que cette température maximale ne peut être admise qu en tous les points de l installation qui sont à une altitude inférieure à celle du niveau du vase, diminuée de la hauteur H. S il y a des parties de l installation au-dessus, il faut abaisser la température de l eau chaude sous pression ( 2.4). Figure 15 Installation avec vase d expansion surélevé et poste de recyclage Figure 14 Installation sous pression d azote Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

14 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Un tel vase ne doit pas être en circulation. Toutefois, si l on veut le réchauffer légèrement pour éviter le gel, il faut bien veiller à ne pas dépasser une température de 90 o C. De plus, en règle générale, il faut se limiter à une température maximale légèrement inférieure (de 4 à 5 o C au moins) à la température maximale théorique, pour tenir compte, en particulier, des variations de température possibles au départ des générateurs. L application la plus courante de ce genre d installation se trouve dans les chauffages d ensembles immobiliers de petite ou moyenne importances, où l on place le vase d expansion sur un immeuble élevé. L eau chaude est distribuée à 120 o C par exemple et ramenée à 90 o C ou 50 o C par des postes de recyclage pour l alimentation des surfaces de chauffe (radiateurs ou serpentins de chauffage au sol) Traitement de l eau Les installations à eau chaude sous pression fonctionnant en circuit fermé avec une quantité d eau d appoint très faible, les problèmes de traitement de l eau sont beaucoup moins importants que dans le cas d installations à vapeur, ce qui ne peut pas dire pour autant qu il faille les négliger. L eau doit être traitée pour éviter l entartrage des surfaces de chauffe des chaudières ou générateurs et la corrosion de l ensemble de l installation par suite de l acidité de l eau et de sa teneur en oxygène. Le problème est d ailleurs un peu différent suivant le type d installation Installation de production d eau chaude sous pression par générateur direct Le traitement de l eau consiste en un adoucissement et une introduction de réactifs pour augmenter le ph et réduire l oxygène. L adoucissement de l eau se fait dans un adoucisseur à permutation sodique, installé sur l arrivée d eau à la bâche alimentaire, qui permet d obtenir un degré hydrotimétrique (TH) nul. La détermination de la capacité horaire de cet appareil est délicate car les débits sont très différents suivant que l on considère le débit nécessaire en fonctionnement normal ou le débit de remplissage, ce dernier étant fonction de la vitesse de remplissage désirée. Pratiquement, pour ne pas installer des appareils trop coûteux qui seraient peu utilisés, on admet que le premier remplissage peut être étalé sur une durée assez longue : 24 h ou, même, 48 h par exemple pour les installations très importantes genre chauffage urbain. C est ainsi que, dans une installation d une capacité de l ordre de 200 m 3, on pourra installer un adoucisseur d une capacité maximale de 6 à 8 m 3 /h. À la sortie de l adoucisseur, l eau dont le ph se situe en général aux environs de 7, attaquerait les tuyauteries aux températures élevées. Il faut relever le ph entre 8 et 10 par introduction de produits appropriés. L eau contient de l air (azote et oxygène) dissous. On considère que la teneur en oxygène doit être inférieure à 0,1 mg/l. La réduction de l oxygène se fera par introduction de produit réducteur. Dans les installations avec vase d expansion sous pression de vapeur, on pourra éventuellement se contenter d un dégazage par le vase d expansion. Ces produits de traitement divers sont couramment commercialisés. Leur introduction dans l installation peut se faire simplement dans la bâche alimentaire. Cependant, il est préférable d installer une pompe doseuse d introduction de réactif, qui permet à tout moment de corriger les caractéristiques de l eau en fonction des analyses, sans qu il soit nécessaire d introduire des quantités importantes d eau d appoint. En ce qui concerne l azote, il ne présente aucun danger sur le plan corrosion mais certaines chaudières peuvent être sensibles à la présence de gaz non dissous qui perturbent la circulation dans certains tubes. L azote peut être éliminé en maintenant la bâche alimentaire à une certaine température (à 80 o C maximum, la plus grande partie des gaz est éliminée) et en munissant les points hauts de l installation en chaufferie de bouteilles de purge de capacité relativement importante d où l on évacuera périodiquement les gaz. À noter que le réchauffage de la bâche entraîne des pertes thermiques non négligeables si elle n est pas calorifugée Installation de production d eau chaude sous pression à partir de vapeur Il y a lieu de distinguer plus nettement les deux problèmes qui se posent dans ce cas : le traitement des eaux d alimentation des chaudières ; le traitement du circuit d eau chaude sous pression. Par ailleurs, il faut distinguer le cas de la préparation par mélange ( ) de celui où il n y a pas mélange des deux circuits (préparation d eau chaude sous pression par échangeur, ( ), dans ce dernier cas, les circuits étant entièrement séparés, les deux problèmes sont indépendants Traitement de l eau d alimentation des chaudières Ce traitement dépend non seulement de la qualité de l eau, mais également de la pression de la vapeur et du type de chaudière. Aux pressions élevées il faut une déminéralisation totale de l eau Traitement de l eau du circuit d eau chaude sous pression Ce circuit pourra être rempli avec l eau alimentaire des chaudières, et l on introduira les réactifs nécessaires pour obtenir les caractéristiques indiquées ci-avant. Si les caractéristiques des chaudières imposent un traitement coûteux, on pourra avoir une installation séparée d adoucissement pour l installation à eau chaude sous pression. Dans le cas d installation avec préparateur par mélange, le circuit d eau chaude reçoit en permanence de l eau de condensation de la vapeur à un ph sensiblement égal à 7, cependant que l on alimente les chaudières par de l eau du circuit chargée en sels divers ; cela conduit à une déconcentration du circuit qui tend vers un ph de 7 qu il faut remonter et, en chaudières, à une concentration de sels qu il faut diminuer par des extractions importantes. Pour remédier à cet état de choses, plusieurs solutions sont utilisées : installation d une pompe de déconcentration de chaudières qui reprend une partie des sels alcalins pour les renvoyer dans le circuit. Dans de telles installations, il faut bien veiller à ne pas envoyer dans le circuit les boues qui peuvent s accumuler dans les chaudières lorsque les eaux d alimentation en sont chargées ; traitement de l eau du circuit par des réactifs qui n apportent pas de minéralisation en chaudières et dont certains étant volatils retournent dans le circuit d eau chaude sous pression avec la vapeur. B Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

15 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION 3.2 Distribution d eau chaude sous pression Calcul des diamètres de tuyauteries. Vitesse de circulation Les diamètres des divers tronçons d un réseau de distribution d eau chaude sous pression sont calculés en fonction ( 2.1) des débits, déterminés à partir des puissances maximales à transporter et des chutes de température, par la formule : P = kq (T 2 T 3 ) On recherche, au départ, le point, supposé le plus défavorisé, qui correspond au circuit de tuyauteries le plus long depuis la chaufferie : soit L cette longueur. La hauteur manométrique des pompes ayant été déterminée approximativement ( 2.3), on en déduit la perte de charge admissible H dans le réseau de distribution, d où la perte de charge moyenne admissible par mètre de tuyauterie qui est : J = H /2L En fait, les pertes de charge dans un réseau de tuyauteries sont constituées par la somme : des pertes de charge linéaires dues aux frottements dans les tuyauteries ; des pertes de charge par résistances particulières : coudes, lyres, piquages, changement de section, robinets ; ces dernières représentent 20 à 40 % des pertes de charge totales. Les pertes de charges linéaires sont données, en mm CE par mètre de tuyauterie, par l équation de Bernoulli : avec D diamètre intérieur (m), v vitesse (m/s), λ coefficient de résistance ou de frottement, ρ masse volumique de l eau (kg/m 3 ). Le coefficient λ dont dépend la valeur de la perte de charge est lui-même fonction de l état d écoulement du fluide et de la constitution du tube, caractérisés respectivement par le nombre de Reynolds Re et par la rugosité relative ε/d, avec ε rugosité absolue (dimension des aspérités) et D diamètre. En se fixant une valeur pour la rugosité absolue et une température, on peut établir un abaque donnant la perte de charge par mètre de tuyauterie, en fonction du débit : celui de la figure 16 correspond à des tubes hydrauliquement lisses, pour de l eau à 150 o C. La détermination des pertes de charge par résistance particulière est plus délicate et les valeurs varient dans des proportions importantes suivant les auteurs. Une méthode consiste à caractériser les résistances particulières par une longueur équivalente de la tuyauterie du même diamètre. Le tableau 1 donne les longueurs fictives équivalentes de diverses résistances particulières en fonction des diamètres. Compte tenu de ces éléments, on détermine le diamètre des tuyauteries de chaque tronçon en vue d avoir une perte de charge moyenne voisine de J indiqué plus haut. La somme des pertes de charge des différents tronçons du circuit le plus défavorisé donne la perte de charge totale du réseau, qui permet de déterminer définitivement la hauteur manométrique des pompes. p = λ D ρ v 2 2 Figure 16 Vitesse et perte de charge par mètre dans les tuyauteries, pour de l eau chaude sous pression à 150 o C (0) Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

16 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Tableau 1 Longueurs fictives équivalentes en fonction du diamètre de quelques résistances particulières (en m) intérieur nominal Coude lisse (1) Piquage (2) r = 3 d r = 5 d d/d = 1 d/d = 0,5 Robinet à soupape Vanne à passage direct 15 0,25 0,17 0,20 0,05 1,3 0, ,33 0,23 0,28 0,07 1,8 0, ,40 0,28 0,35 0,08 2,2 0, ,55 0,38 0,46 0,11 2,8 0, ,63 0,44 0,54 0,13 3,5 0, ,80 0,56 0,68 0,17 4 0, ,96 0,67 0,85 0,21 5,5 0, ,23 0,86 1,15 0,29 7 0, ,51 1,06 1,46 0,36 9 1, ,87 1,31 1,90 0, , ,25 1,58 2,38 0, , ,12 2,19 3,47 0, , ,82 2,68 4,50 1, , ,64 3,25 5,66 1, , ,28 3,70 6,58 1, , ,00 4,20 7,60 1, ,80 (1) r diamètre de courbure du coude double. d diamètre de la tuyauterie. (2) d /D : rapport des diamètres du piquage et de la tuyauterie principale. On limite en général les vitesses de circulation aux environs de 2 m/s, mais il n y a pas d inconvénient à dépasser cette valeur, les bruits et les phénomènes éventuels d érosion n apparaissent qu à des vitesses très supérieures. On se trouve, en fait, limité par les pertes de charge élevées que l on atteint lorsque la vitesse de circulation augmente. Après le circuit le plus défavorisé, on est amené à calculer les divers autres circuits et dérivations, compte tenu des hauteurs manométriques existantes aux différents nœuds, calculées d après le circuit le plus défavorisé. Dans les circuits les plus courts et dans les dérivations voisines de la chaufferie, on dispose de hauteurs manométriques importantes, et l on sera conduit à admettre des vitesses de circulation assez élevées pour les absorber Mode d installation des tuyauteries On utilise pour les tuyauteries d eau chaude sous pression les mêmes matériaux et les mêmes modes d installation que pour les tuyauteries de vapeur, en tenant compte toutefois de la masse de l eau qui peut conduire à avoir des supports plus rapprochés qu avec la vapeur. Un des grands avantages de l eau chaude sous pression par rapport à la vapeur réside dans le fait que les pentes peuvent être quelconques et que le tracé des tuyauteries peut s adapter sans difficulté à la configuration du terrain et à tous les obstacles rencontrés. Toutefois, une pente minimale (1 à 2 mm par mètre) doit toujours être prévue pour permettre les purges d air et les vidanges. Les points hauts et les points bas sont, à cet effet, munis de robinets de purge d air et de vidange. Il faut noter que la plupart des purges d air ne servent pratiquement que lors du remplissage, l air étant entraîné du fait des vitesses assez élevées dès que l eau est mise en circulation. Certains points cependant peuvent nécessiter des purges périodiques ( ). Nota : pour plus de détails, on se reportera à l article Réseaux de chaleur. Transport [B 2 170] dans ce traité Pompes de circulation Les pompes de circulation d eau chaude sous pression, qui sont des appareils parfaitement au point, sont des pompes centrifuges à corps en acier (la fonte peut éventuellement être utilisée pour les températures inférieures à 110 o C). Les roues sont en général en fonte et les arbres en acier inoxydable. Le tracé et les supports des tuyauteries de raccordement de la pompe doivent être étudiés en vue de ne créer aucune contrainte lors de la dilatation (particulièrement dans le cas d utilisation de la fonte). Au-dessus de 120 o C, en général, les pompes comportent un dispositif de refroidissement des presse-étoupe par l eau. Les hauteurs manométriques, dont nous avons parlé au paragraphe 2.3, varient de quelques mètres à 100 m CE, et même plus dans les installations très importantes (chauffages urbains par exemple). Les vitesses de rotation sont de 950 tr/min, tr/min (la plus courante) et tr/min, et le moteur est alors directement accouplé à la pompe. Pour les grosses pompes (débit de plusieurs centaines de t/h), on peut utiliser des entraînements par courroie et des variateurs de vitesses. Des manomètres doivent être prévus sur l aspiration et le refoulement des pompes pour en vérifier le bon fonctionnement. Pour éviter les phénomènes de cavitation à l aspiration des pompes centrifuges, il faut disposer d une certaine surpression par rapport à la pression de vapeur correspondant à la température : les éléments à ce sujet sont fournis par les constructeurs. Les pompes de circulation sont toujours doublées par une pompe de secours et peuvent faire l objet d installation particulière et ouvrir des possibilités très diverses. Sur tous les schémas précédents, la pompe de circulation du réseau est placée sur le départ de l installation (cas le plus courant), mais elle peut aussi être placée sur le retour, ce qui réduit la pression dans l installation ; on risque toutefois, de ce fait, d avoir en certains points une pression inférieure au minimal requis : une étude de répartition des pressions est à faire ( 2.4). De plus, il ne figure qu une seule pompe qui matérialise sa fonction, mais il peut y avoir plusieurs pompes en parallèle dans le cas d un réseau à débit variable ou en fonction du développement de l installation en plusieurs étapes ; cela B Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

17 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION nécessite évidemment une étude hydraulique en fonction des courbes des pompes pour les choisir en conséquence. Des pompes montées en parallèle doivent impérativement être munies de clapet de non-retour au refoulement. Une installation peut comporter divers circuits de pertes de charge différentes, ne fonctionnant pas simultanément ou n exigeant pas les mêmes températures : ils sont alimentés dans ce cas par des pompes propres à chacun d eux. Pour augmenter la hauteur manométrique sur un réseau, on peut installer une pompe en série avec d autres. On peut aussi adapter le système de pompes en série avec une pompe sur l aller, une sur le retour, dans le but de limiter dans l installation la pression engendrée par les pompes. Les caractéristiques d une pompe peuvent être modifiées par variation de vitesse (moteurs à plusieurs vitesses, variateurs de vitesse). Nota : le lecteur se reportera à l article Réseaux de chaleur. Transport [B 2 170] pour des éléments complémentaires sur ces problèmes concernant les pompes de circulation. Réglage de la température par recyclage : parmi les avantages de l eau chaude sous pression, il a été cité ( 1.2.4) la possibilité de réglage de la température et, dans la plupart des schémas, il figure à l aspiration de la pompe de circulation un by-pass avec le retour de l installation permettant de faire varier par mélange la température au refoulement de la pompe, la température (maximale) au départ du ou des réchauffeurs restant constante. Cette possibilité peut concerner l ensemble de l installation (cas des réseaux de chauffage de locaux dont on fait varier la température en fonction de la température extérieure) ou certains circuits particuliers ou même certains appareils de l installation que l on munit d une pompe de recyclage ( 3.3). L abaissement de la température à l aspiration d une pompe peut permettre de supprimer les phénomènes de cavitation. La figure 17 illustre diverses possibilités d installations de pompes. Les pompes de secours n ont pas été figurées Robinetterie acier inoxydable, à l exclusion du bronze avec lequel on risque, à température élevée, des corrosions par phénomène d électrolyse. Dans le cas d une température inférieure à 110 o C, on peut utiliser la fonte, mais il faut attirer l attention sur sa fragilité (sensible au choc thermique en particulier) ; c est pourquoi on ne doit pas l utiliser pour les installations à température élevée. Si l on utilise cette robinetterie en fonte, il faut bien veiller à ce qu elle ne subisse pas d effort lors des dilatations. La robinetterie en fonte ou acier est toujours à brides. Les emboîtements sont conseillés lorsque l on atteint des pressions élevées (supérieures à 15 ou 20 bar). 3.3 Appareils d utilisation de l eau chaude sous pression Les appareils utilisant l eau chaude sous pression sont très nombreux : tuyaux à ailettes, tuyaux lisses, batteries de chauffe de toutes sortes, échangeurs, vaporiseurs, marmites chauffantes, et, en général, tous les appareils nécessitant l utilisation d un fluide chauffant à moins de 200 o C. Tous ces appareils doivent être conçus avec des circuits de circulation intérieure équirésistants car, contrairement à la vapeur qui, comme un gaz, a tendance à se répandre dans tout le volume qui lui est offert, l eau emprunte le parcours qui présente la résistance minimale. Cela exclut les appareils à gros volume tels que les cylindres chauffants, calandres, marmites à double fond, à moins que l on ne les munisse de dispositifs de chicanage qui ne sont pas toujours faciles à réaliser sur des appareils existants. Cela ne veut pas dire que de tels appareils ne peuvent pas utiliser l eau chaude sous pression, mais il faut les concevoir à l origine d une façon différente de la conception classique. Nota : c est ainsi que les marmites chauffantes conçues pour l utilisation de l eau chaude sous pression sont réalisées avec un serpentin chauffant en profilé soudé sur l extérieur de la marmite (figure 18). On utilise en général, dans les installations d eau chaude sous pression, de la robinetterie en acier, avec garnitures et siège en Figure 17 Exemple d installation avec divers réseaux alimentés par des pompes différentes Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

18 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Figure 18 Marmite chauffante avec serpentin extérieur soudé Figure 20 Presses alimentées en eau chaude sous pression par des recyclages 4. Réglementations applicables aux installations à eau chaude sous pression Figure 19 Vaporiseur On peut faire de même pour les cylindres chauffants ou les calandres : cette conception a également ici l avantage de diminuer le poids de l eau dans l appareil, qui serait très élevé si cet appareil était complètement rempli. Les échangeurs, appareils tubulaires, ne sont pas très différents pour la vapeur et l eau chaude sous pression. Ils permettent de réchauffer toutes sortes de fluides et en particulier l eau utilisée dans les installations de chauffage de locaux d habitation. Les vaporiseurs (figure 19) permettent de produire, à partir de l eau chaude sous pression, de la vapeur à une pression correspondant à une température inférieure. Avec de l eau à o C, par exemple, on peut produire de la vapeur à 3 ou 4 bar. Ils ont le grand avantage de pouvoir être alimentés en eau de qualité quelconque, l entartrage du serpentin n ayant pour conséquence qu une diminution de leur capacité de production (alors que, dans une chaudière, l entartrage diminue le rendement et peut amener des accidents par suite de la surchauffe qui conduit à un éclatement). On doit alors les détartrer périodiquement, ou même changer leur serpentin. Parmi les appareils pour lesquels l eau chaude sous pression présente un très grand avantage, on peut citer également les presses. Dans celles-ci, on recherche une homogénéité de température sur les plateaux et un réglage précis de température. Pour y parvenir, on les alimente par un dispositif de recyclage (figure 20). Avec un grand débit de recyclage, on peut réduire à quelques degrés la chute de température (et, par là même, la différence de température entre les divers points), tout en réglant à volonté cette température avec une grande précision. Les générateurs, récipients et canalisations d eau chaude sous pression sont soumis à un certain nombre de textes réglementaires découlant du décret du 2 avril 1926 concernant les générateurs et récipients de vapeur, qui a été étendu en 1961 à l eau chaude sous pression et complété sur certains points en Ces prescriptions s appliquent depuis 1967 lorsque la pression de vapeur dépasse 0,5 bar et la température de l eau surchauffée 110 o C. Nota : les limites ont été auparavant de 1 bar pour la pression de vapeur et 120 o C pour la température de l eau : on retrouve ces valeurs dans certains textes. Les textes réglementaires imposent des épreuves (timbre des générateurs et récipients), des visites périodiques ainsi que certaines prescriptions concernant la construction (métaux et soudures), les accessoires de sécurité et les dispositions concernant leur emplacement. Il y a lieu d attirer l attention sur deux points particuliers évoqués dans la circulaire du 08/09/1967 concernant les générateurs fonctionnant à moins de 110 o C et les vases sous pression d azote. Dans ces générateurs non timbrés règne le plus souvent une pression nettement supérieure à 0,5 bar et seul le bon fonctionnement des appareils de limitation de température permet de les maintenir en dehors de la réglementation. Ces appareils jouent donc un rôle de sécurité important, ce qui impose en général de les doubler, de leur faire actionner une alarme et de les soumettre à des contrôles sévères et périodiques. Ils doivent fonctionner sur le principe de la sécurité positive : la remise en service après un déclenchement pour excès de température exigeant une intervention manuelle. Les vases sous pression d azote soumis normalement à la réglementation des appareils à pression de gaz peuvent recevoir de l eau à plus de 110 o C (quand l installation fonctionne au-dessus de cette température) et doivent donc suivre la réglementation des récipients d eau chaude sous pression. B Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

19 CHAUFFAGE À EAU CHAUDE SOUS PRESSION Les tuyauteries d eau chaude sous pression longtemps non visées par le règlement le sont maintenant pour les canalisations d usine (arrêté ministériel du 13/10/61) et les réseaux de distribution (arrêté ministériel du 06/12/82). Les chaufferies à eau chaude sous pression doivent évidemment se conformer aux prescriptions des textes concernant l utilisation de l énergie. L organisme chargé de l application de ces textes est le service des Mines qui intervient, en fait, par l intermédiaire d organismes de contrôle, dont un des plus importants dans ce domaine est l Association des Propriétaires d Appareils à Vapeur et Électriques (APAVE). Cet organisme édite un recueil, périodiquement mis à jour, de tous ces textes réglementaires. En dehors de ceux-ci, il y a d autres réglementations concernant l eau chaude sous pression parmi lesquelles on peut citer : l arrêté du 23 juin 1978 concernant les installations fixes destinées au chauffage et à l alimentation en eau chaude sanitaire des bâtiments d habitation, de bureaux ou recevant du public ; divers documents techniques unifiés (DTU) établis par le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB), dont en particulier le DTU 65.3 concernant les installations de sous-stations d échange à eau chaude sous pression ; les recommandations des APAVE pour l établissement des réseaux de tuyauteries en acier soudable. Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique B

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