Expansion des circuits fermés : I. Rôle : Tous les circuits hydrauliques (chauffage, eau glacée ou autres ) sont soumis à des fluctuations de température plus ou moins importantes. Une des caractéristiques des liquides oblige ceux-ci à ce dilater en cas d éléation de leur température, ou à ce contracter en cas de diminution de celle-ci. Afin de minimiser les fluctuations de pression dans les circuits fermés, le rôle du ase d expansion consiste à absorber la ariation de cette masse. II. Principe : Un ase clôt est diisé en deux par une membrane en caoutchouc déformable. Une partie du ase est en relation aec le circuit hydraulique, l autre partie est mise sous pression par un gaz neutre (azote). Tous gaz étant compressible, l azote se déformera pour absorber les fluctuations de olume du circuit hydraulique. Vers circuit hydraulique H 2 0 Soupape de sécurité Membrane déformable N 2 III. Dimensionnement : état du ase en fonctionnement normal 1) Circuit eau chaude : Tout d abord, il est nécessaire de déterminer le olume d expansion du liquide contenue dans le circuit hydraulique. Il sera donc nécessaire de connaître les caractéristiques thermophysiques du fluide utilisé (notamment les ariations de masse olumique en fonction de la température). Nous prendrons comme exemple une installation de chauffage à eau ayant les caractéristiques de fonctionnements suiantes : Chaudfroidclim Page 1 sur 61
- θ allé chauffage : 90 C, - θ retour chauffage : 70 C, - θ de l eau installation arrêtée : 20 C, - Hauteur géométrique du bâtiment : 15m (le ase d expansion sera installé au point le plus bas de l installation. - La soupape de sécurité installée déclenche à une pression de 6bar. - le olume de l installation (V) étant connue : V=,5 m. a) Calcul du olume d expansion (V ex ) : On supposera la température moyenne de l eau (circuit en fonctionnement) correspond à une moyenne arithmétique entre l allé et le retour. 90 + 70 θ m = = 80 C. 2 Dans cette configuration, le ase d expansion doit assurer la ariation du olume entre l arrêt de l installation à θ=20 C et le régime nominal θ=80 C. V m = V min =. min ( ϑ min) m = V min(ϑ min) V = V ex = m. ( ϑ ) V. = V Vmin = V. ( ϑ ) min ( ϑ min) ( ϑ ) min ( ϑ min) V V ex ( ϑ ) = V. 1 min( ϑ min) V = olume de l installation ( m ), V ex = olume d expansion ( m ), V min = olume minimum de l installation ( m ), V = olume imum de l installation ( m ), V ex = olume d expansion ( m ), Chaudfroidclim Page 2 sur 62
m min(ϑmin) = olume massique à la température minimum ( ), m (ϑ) = olume massique à la température imum ( ), D après les caractéristiques thermophisyques de l eau : min(ϑ=20 C) = 1,002.10 - (ϑ=80 C) = 1,029.10 - m m - 1,029.10 80 C) Vex =,5. 1 = 0,094m 94, litres - 1,002.10 20 C) b) Pression de gonflage du ase d expansion (Pg) : Le ase étant situé en partie basse de l installation, il dera supporter en fonctionnement normal toute la hauteur statique de liquide : 15m Pression statique à l aspiration de la pompe. Sachant que la masse olumique de l eau est sensiblement égale à 1000 m est possible de calculer la pression minimum au point bas : P = ρ. g. h = 1000 9,81 15 = 147150Pa 1, 47bar, il Il est nécessaire de rajouter à cette à cette pression de potentiel, une légère surpression de manière à faciliter les purges d air en partie haute, ici nous nous rajouterons par exemple 0,5 bar. Pg = 1,47 + 0,5 = 1, 97bar Le gonflage du ase d expansion se fera à 1,97 bar, ase déconnecté du circuit hydraulique. Une fois le ase gonflé, celui-ci sera reconnecté à l installation Chaudfroidclim Page sur 6
hydraulique. Il est à noté que contrairement aux idées reçus la mise en place d une anne d isolement sur le ase est indispensable. En relation aec la pression, atmosphérique 1,97 bar Membrane déformable En relation aec le circuit hydraulique H 2 0 Membrane déformable N 2 N 2 Etat au gonflage Etat en fonctionnement normal c) Détermination du olume total du ase d expansion : D après la loi des gaz parfait si la température d un gaz ne arie pas, ce qui est le cas de l azote présent dans le ase, il est possible d écrire l égalité suiante : P 1 V1 = P2 V2 En rappelant que les pressions sont en aleur absolue. Analysons le comportement du ase en cas de ariation du olume du circuit hydraulique : Pg Vt Etat au gonflage Vex P Vt -Vex Etat aant déclanchement de la soupape Rappelons que la pression imum correspond à la pression de déclenchement de la soupape (6 bar). Pg Vt = P ( Vt Vex) Chaudfroidclim Page 4 sur 64
P Vt = Vex P Pg Ne pas oublier de mettre les aleurs P et Pg en pression absolue. (6+ 1) Vt = 94, = 16,79 164litres (6 + 1) (1,97 + 1) Le olume total du ase sera de 164 litres. Il est tout de même nécessaire de préciser que cette méthode néglige les forces exercées par la membrane en caoutchouc. 2) Circuit d eau glacée : Le résonnement précédent peut être appliqué aux réseaux d eaux glacées, à la différence que la pression de l eau glacée augmente lorsque l installation est à l arrêt. Les contraintes auxquelles le ase d expansion est soumis sont identiques à l exemples précédents, mais se font en sens inerse. Nous pouons prendre comme exemple, l installation précédente en changeant uniquement le régime de température : - θ allé eau glacée : 6 C, - θ retour eau glacée : 12 C, - θ de l eau installation arrêtée : 5 C, et en gardant constante les autres ariables : - Hauteur géométrique du bâtiment : 15m (le ase d expansion sera installé au point le plus bas de l installation. - La soupape de sécurité installée déclenche à une pression de 6bar. - le olume de l installation (V) étant connue : V=,5 m. a) Calcul du olume d expansion (V ex ) : On supposera la température moyenne de l eau (circuit en fonctionnement) correspond à une moyenne arithmétique entre l allé et le retour de l eau. 6 + 12 θ m = = 9 C. 2 Chaudfroidclim Page 5 sur 65
Dans cette configuration, le ase d expansion doit assurer la ariation du olume entre l arrêt de l installation à θ=5 C et le régime nominal θ=9 C. min(ϑ=9 C) = 1.10 - m (ϑ=5 C) = 1,006.10 - m V ex ( ϑ ) = V. 1 min( ϑ min) - 1,006.10 5 C ) Vex =,5. 1 = 0,021m 21litres - 1.10 9 C) b) Pression de gonflage du ase d expansion (Pg) : La pression de gonflage reste identique à l exemple précédent, soit 1,97bar. c) Détermination du olume total du ase d expansion : D après la démonstration précédentes, le olume total du ase d expansion est exprimé par la relation suiante : P Vt = Vex P Pg en rappelant que P et Pg sont exprimés en pression absolue. (6+ 1) Vt = 21= 6,48 7litres (6 + 1) (1,97 + 1) Il est intéressant de comparer ici la taille des ases d expansion fonctionnant sur des circuits identiques, mais soumis à des régimes de températures différents. Volume total du ase sur le circuit de chauffage, fonctionnant sur un régime d eau à 90/70 C : 164 litres. Volume total du ase sur le circuit d eau glacée, fonctionnant sur un régime d eau à 6/12 C : 7 litres. Chaudfroidclim Page 6 sur 6