chapitre iii les appareils d'utilisation domestiques syllabus formation gaz naturel...

CHAPITRE IIILES APPAREILS D'UTILISATION DOMESTIQUES

SYLLABUS FORMATION GAZ NATUREL INSTALLATEUR GAZ PROFESSIONNEL

1 JUILLET 2009

1 JUILLET 2009CHAPITRE III - APPAREILS D'UTILISATION

SOMMAIRE

• LA COMBUSTION

• CHALEUR DÉGAGÉE LORS DE LA COMBUSTION

• CLASSIFICATION DES APPAREILS D'UTILISATION

• DISPOSITIFS DE SÉCURITÉ POUR LES

APPAREILS OUVERTS

SOMMAIRE

• LA COMBUSTION• CHALEUR DÉGAGÉE LORS DE LA COMBUSTION

• DISPOSITIFS DE SÉCURITÉ POUR LES APPAREILS OUVERTS

LA COMBUSTION

• DÉFINITION

• CONDITIONS POUR LA COMBUSTION DU GAZ

NATUREL

• RÉACTIONS CHIMIQUES

• TYPES DE FLAMMES

DÉFINITON

• RÉACTION EXOTHERMIQUE À HAUTE TEMPÉRATURE.

• COMPOSANTES:• ÉLEMENTS CHIMIQUES DU COMBUSTIBLE;• DE L'OXYGÈNE PUISÉ DANS L'AIR ATMOSPHÉRIQUE.

• LA CHALEUR DÉGAGÉE PEUT ÊTRE UTILISÉE.

GAZ NATUREL

Méthane CH4

AIR SEC

21% O2 + 79% N2

CO2 + 2 H2O + N2 + CHALEUR

CH4 + 2 O2 + N2

DÉFINITION

CONDITIONS POUR LA COMBUSTION DU GAZ NATUREL

• 1ère EXIGENCE: MÉLANGE GAZ/AIR CORRECT

• 2ème EXIGENCE: TEMPÉRATURE D'INFLAMMATION CORRECTE

100 %gaz

naurel

Mélangetrop pauvre

Mélangeinflammable

Mélangetrop riche

0 %gaz

naturel

5% 15%

Limites d'inflammabilité du gaz naturel(à une température ambiante de 20°C)

1ère EXIGENCE :UN MÉLANGE GAZ/AIR INTIME ET EN PROPORTIONS

CONVENABLES

COMBUSTION SPONTANÉE (quelle que soit la concentration de gaz naturel): à une température supérieure à 800°C

• L'HYDROGÈNE

400°C

• LE BUTANE

405°C

• LE PROPANE

450°C

• LE MÉTHANE

540°C

• LE GAZ NATUREL L ET H

650°C

2ème EXIGENCE TEMPÉRATURE D'INFLAMMATION CORRECTE

• LE GAZ NATUREL = 0,4 mJ (millijoule)

p.ex.: étincelle, l'électricité statique, du matériel non-ATEX

Comparaison:

• Le gaz de ville = 0,08 mJ

• L'hydrogène = 0,02 mJ

• Le propane = 0,3 mJ

ÉNERGIE D'ALLUMAGE MINIMALE

2ème EXIGENCE TEMPÉRATURE D'INFLAMMATION CORRECTE

TYPES DE BRÛLEURSBRÛLEUR ATMOSPHÉRIQUE

• Chaque rampe d'un brûleur atmosphérique est constituée:

• d'un injecteur;

• d'un tube de mélange (venturi);

• d'une prise d'air primaire;

• d'un mélangeur;

• d'une tête de brûleur avec des différentes formes d'orifices de

sortie.

TYPES DE BRÛLEURSBRÛLEUR ATMOSPHÉRIQUE

InjecteurOrifice de combustion

Venturi Mélangeur

Orifice d'aspiration d'air primaire

Air secondaire

PRINCIPE D'UN BRÛLEUR ATMOSPHÉRIQUE

TYPES DE BRÛLEURS

BRÛLEUR PRÉMIX

• Le gaz est prémélangé avec la quantité totale d'air nécessaire pour la

combustion dans un mélangeur séparé.

• Le mélange est soufflé à travers la surface d'accrochage.

• La surface d'accrochage est en acier inoxydable avec des découpes

adéquates,en fils d'acier tressés ou en matière céramique.

PRINCIPE D'UN BRÛLEUR PRÉMIX

TYPES DE BRÛLEURS

BRÛLEUR À AIR SOUFFLÉ

• L'air comburant nécessaire est amené par un ventilateur.

• PAS de mélange préalable du gaz et de l'air comburant – le gaz et l'air sont amenés

séparément dans la zone de combustion – la combustion s'effectue dans un espace

de combustion fermé.

• L'ensemble des dispositifs d'allumage, de sécurité et de contrôle et des accessoires

est appelé une ligne gaz.

PRINCIPE D'UN BRÛLEUR À AIR SOUFFLÉ

RÉACTIONS CHIMIQUES DE LA COMBUSTION

• LES ÉLÉMENTS COMBUSTIBLES DANS LE GAZ NATUREL

• LES ÉLÉMENTS INACTIFS OU INERTES DANS LE GAZ NATUREL

PRINCIPALEMENT DES HYDROCARBURES

L'AZOTE (N2) et LE DIOXYDE DE CARBONE (CO2)

RÉACTIONS CHIMIQUES DE LA COMBUSTION

LA QUANTITÉ D'AIR STOECHIOMÉTRIQUE (OPTIMALE)

• POUR LE GAZ "L" (gaz naturel de Slochteren)

• POUR LE GAZ "H" (gaz naturel de la mer du Nord)

8,8 mn³ air / mn ³ gaz naturel

9,7 mn³ air / mn³ gaz naturel

FACTEUR D'AIR COMBURANT

n =quantité d'air réellement utilisée en m³

quantité d'air théoriquement nécessaire en m³

Combustion stoechiometrique n = 1

RÉACTIONS CHIMIQUES DE LA COMBUSTIONQUANTITÉ D'AIR STOECHIOMÉTRIQUE NÉCESSAIRE

3 éléments Combustible gaz naturel : 1 mn3

Oxygène air : 9,7 mn3

Température d'inflammation : 650 °C

100 %gaz

MÉLANGE

TROP PAUVRE

MÉLANGE

INFLAMMABLE

MÉLANGE

TROP RICHE

0 %gaz

5% 15%

9,3% combustion optimale

COMBUSTION OPTIMALE DE 1 mn3 DE GAZ "H" DE LA MER DU NORD

%3,9%100xm7,9m1

m1gaz%

naturel(CH4)

9,7 mn

3 air sec (21%

79% N2)

7,7 mn

azote(N2)

vapeur d'eau (H2O)

chaleur

PRODUITS DE COMBUSTION LORS DE LA COMBUSTION OPTIMALE DE 1 mn

3 DE GAZ "H" DE LA MER DU NORDE

Gaz1 m³n

CO2 comme % des

produits de combustion sec

Vapeur d'eaum³n

Gaz naturel(type L – Slochteren)

0,96 11,9 7,09 1,83

Gaz naturel(type H – Mer du Nord)

1,06 12,1 7,71 1,99

Gaz naturel(type H – Algérie) 1,11 12,0 8,15 2,10

Propane(pur) 3 13,9 18,66 3,02

Butane(pur) 4 14,1 24,36 3,87

PRODUITS DE COMBUSTION SECS = voulume total des produits de combustion lors de la combustion complète stoechiométrique, d'ou toute la vapeur d'eau formée est extraite.

Combustion complète avec excès d'airfacteur d'air comburant n > 1

Les produits de combustion sont constitués de H2O, CO2

et N2 mais aussi une quantité d'air qui n'a pas été

consommé lors de la réaction mais qui est quand même chauffé.En consequence une quantité de chaleur, évacuée par le conduit d'évacuation, est perdue. LIMITER L'EXCÈS D'AIR À UN MINIMUM.

RÉACTIONS CHIMIQUES DE LA COMBUSTIONTYPES DE COMBUSTION

Combustion complète avec défaut d'air facteur d'air comburant n < 1

Les produits de combustion contiennent du H2O, CO2 et N2 mais aussi de l'H2 et le CO (monoxyde de carbone - toxique) et parfois même du carbone (suie) et des hydrocarbures non brûlés.Ce type de combustion est caractérisé par une absence totale d'oxygène dans les produits de combustion.

naturel(méthane

< 9,7 mn

air(21% O2

79% N2)

azote (N2)

vapeur d'eau(H2O)

chaleur

hydrogène (H2)

méthane (CH4)

monoxyde de carbone (CO)monoxyde de carbone (CO)

carbone / suie (C)carbone / suie (C)

Combustion incomplète

Si les produits de combustion contiennent SIMULTANÉMENT des hydrocarbures non brûlés, H2, CO et de l'OXYGÈNE on a réalisé une combustion incomplète.

De manière générale, la combustion incomplète résulte d'un

mauvais fonctionnement ou d'une mauvaise conception des

brûleurs ou de l'installation.

naturel(méthane

air(21% O2

79% N2)

azote (N2)

vapeur d'eau(H2O)

+chaleur

hydrogène (H2)

méthane (CH4)

monoxyde de carbone (CO)monoxyde de carbone (CO)

carbone / suie (C)carbone / suie (C)

+ oxygène (O2)

FLAMME BLEUEBRÛLEUR ATMOSPHÉRIQUE

AIRSECONDAIRE

AIR PRIMAIRE

FLAMME BLEUEBRÛLEUR ATMOSPHÉRIQUE

Panache

Limite de 0,1% de CO

Limite de la combustion primaire

Cône interne de la combustion

TYPES DE FLAMMES

• FLAMME BLEUE

• Une partie de l'air comburant est prémélangé au gaz

– l'air primaire.

• Le reste de l'air comburant est ajouté au niveau de

l'orifice de combustion – l'air secondaire.

• Cône bleu-vert entouré d'une zone transparente

moins colorée.

UNE MAUVAISE COMBUSTION PAR MANQUE D'AIR COMBURANT

AIRSECONDAIRE

DÉPÔT DE POUSSIÈRE

MANQUE D'AIR PRIMAIRE

FLAMME JAUNEBRÛLEUR ATMOSPHÉRIQUE

TYPES DE FLAMMES

• FLAMME JAUNE

• Sans prémélange.

• Couleur jaune particules de carbone non

encore brûlées dans la flamme.

1 et 2 : flammes par une combustion incomplète.3 : flamme par une combustion quasi complète.4 : flamme par une combustion complète.

TYPES DE FLAMMES

• LONGUEUR DE LA FLAMME

• La dimension de la flamme est fonction du:

• qualité de l'air primaire amenée;

• quantité de l'air primaire amenée;

• prémélange et de l'homogénéité de ce mélange;

• postmélange avec de l'air secondaire aux orifices du brûleur.

• LA FLAMME INSTABLE

• La stabilité de la flamme est déterminée par l'équilibre entre la

vitesse de propagation de la flamme et de la vitesse d'écoulement

du mélange air/gaz.

• Rentrée de la flamme dans l'orifice.

• Décollage de la flamme.

SOMMAIRE

• LA COMBUSTION

• DISPOSITIFS DE SÉCURIT´POUR LES APPAREILS OUVERTS

LA CHALEUR DÉGAGÉE LORS DE LA COMBUSTION

• POUVOIRS CALORIFIQUES

• INDICE DE WOBBE

• DÉBIT CALORIFIQUE – PUISSANCE UTILE -

RENDEMENT

POUVOIRS CALORIFIQUES

• La quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète si les produits de combustion sont ramenés à la température de 0°C.• L'eau formée est ramenée à l'état liquide

Pouvoir calorifique supérieur (HS)

Pouvoir calorifique inférieur (Hi)

• La quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète si les produits de combustion sont ramenés à la température de 0°C.• L'eau formée reste à l'état de vapeur

GASValeurs moyennes de HS et Hi dans des conditions de référence (0°C et 1013 mbar) – valeurs moyennes de 2008

GAZ Hs (kWh/mn3) Hi (kWh/mn

Labo-gaz G20 11,073 9,970

Gaz L 10,18 9,19

Gaz H (Mer du Nord) 11,45 10,34

Propane 28,11 26,00

Butane 37,14 34,34

Le pouvoir calorifique est exprimé en MJ/mn3. Dans le tableau ci-dessous l'unité

utilisée est kWh/mn3, ce qui simplifie l'usage dans les calculs.

1 W = 1 J/s 1 kWh = 3,6 MJ 1 MJ = 0,2778 kWh

Chaleur de vaporisation

• La différence entre le pouvoir calorifique supérieur et le pouvoir calorifique inférieur est la quantité de chaleur de vaporisation ou chaleur de condensation de vapeur d'eau "chimique" formée lors de la combustion.

• À 25°C : 2.442,5 kJ/kg

HS = Hi + chaleur de vaporisation

Vapeur d'eau / point de rosée

• Dans des appareils à condensation la chaleur de condensation des produits de combustion est libérée .• La température à laquelle la vapeur d'eau est condensée s'appelle le point de rosée.• Le point de rosée est fonction:

• du combustible: 59 °C pour le gaz naturel;• de la pression et de la composition de l'air comburant;• de la quantité d'air dans les produits de combustion (air de dilution = air tertiaire; excès d'air)

POINT DE ROSÉE EN FONCTION DE L'EXCÈS D'AIR

INDICE DE WOBBE

• L'indice de Wobbe (symbole W) est une mesure de

la quantité d'énergie qui est fournie à l'injecteur d'un brûleur par le gaz

combustible.

Les différents gaz naturels ont leurs propre caractéristiques. Pour

chaque type le débit calorifique, étant la quantité d'énergie fournie

par unité de temps, doit rester la plus constante possible afin

d'optimaliser le fonctionnement de l'appareil.

Le fournisseur de gaz doit maintenir l'indice de Wobbe du gaz livré

dans des limites établis contractuellement.

LES GAZ NATURELS DISTRIBUÉS EN BELGIQUE

14,96 kWh/mn3

12,94 kWh/mn3

12,35 kWh/mn3

11,56 kWh/mn3

gaz "H" (Mer du Nord) gaz naturel "riche"

gaz "L" (Pays-Bas) gaz naturel "pauvre"

INDICE DE WOBBE

DÉBIT CALORIFIQUE (Qn)sur base de valeur calorifique inférieur

= input

= output

DÉBIT CALORIFIQUE ET PUISSANCE UTILE

PUISSANCE UTILE (Pn)

unité: kW (débit gaz (mn3/h) x Hi (kWh/mn

unité: kW

( sans unité )

RENDEMENT

OUTPUTRENDEMENT

RENDEMENT

• Exemple 1: il est indiqué sur la plaque signalétique d'un appareil:débit gaz G20: 6 m³/h ; Pn = 50 kW débit calorifique: 6 mn³/h x 9,97 kWh/mn³ = 59,82 kW.

• Exemple 2 : chaudière à condensation G20 ; Pn = 62 kW ;le même débit gaz débit calorifique inchangé

%6,83kW82,59

kW50rendement

%6,103kW82,59

kW62rendement

RENDEMENT

OUTPUT

PERTES:- DE RAYONNEMENT- D'ÉVAPORATION

Quantité d'énergie transmise= PUISSANCE UTILE (kW)

Quantité d'énergie fournie= DÉBIT CALORIFIQUE (kW)

APPREILD'UTILISATION

COMPARAISON DES RENDEMENTS

PERTES SENSIBLES

RENDEMENT CHAUDIÈRE

(SUR POUVOIRCALORIFIQUE INFÉRIEUR)

PERTES D’ÉVAPORATION

12%8% 2%

88%92%

11% 11%

HR+ HR HR TOP

SOMMAIRE

• LA COMBUSTION

CLASSIFICATION DES APPAREILS D'UTILISATION

• CLASSIFICATION DES GAZ COMBUSTIBLES

• CLASSIFICATION SUIVANT LA CONCEPTION DE L'AMENÉE

D'AIR ET DE L'ÉVACUATION DES PRODUITS DE COMBUSTION

• 1ère FAMILLE: “GAZ DE VILLE”

• 2èmeFAMILLE: GAZ NATURELS• Groupe H : à haut pouvoir calorifique – p.ex.Gaz de la

Mer du Nord• Groupe L : à bas pouvoir calorifique – p.ex. Gaz de

Slochteren• Groupe E : couvre presque l'ensemble des groupes L et

• 3ème FAMILLE: LES GAZ DE PÉTROLE LIQUÉFIÉS• Groupe B/P : le propane et le butane commercial• Groupe P : le propane commercial

CLASSIFICATION DES GAZFAMILLES

• CATÉGORIE I2E+

• Tous les gaz du groupe E;• Changement de gaz L en gaz H sans intervention sur

l'appareil;• Option choisit par la Belgique;

• 2 variantes I2E(S)B

I2E(R)B

CLASSIFICATION DES GAZ

CATÉGORIES D'APPAREILS

CLASSIFICATION DES GAZ CATÉGORIES D'APPAREILS

• CATÉGORIE I2E+ I2E(S)B

• Dispositif de régulation de pression de gaz réglé et scellé par le fabricant;

• Réglé pour le gaz G20 à 20mbar;• Admis pour les appareils munis d'un brûleur à

prémélange total;• La plaque signalétique porte deux puissances

nominales.

• CATÉGORIE I2E+ I2E(R)B

• Dispositif de régulation de pression réglé par le fabricant;

• Réglé pour le gaz G20 à 20mbar;

• Un réglage spécifique pour le gaz G25 à 25 mbar peut être

effecté "in situ" par l'installateur sur un réseau alimenté en

permanence en gaz L;

• Admis pour:

• les appareils munis d'un brûleur à air soufflé;

• les appareils munis d'un brûleur à induction atmosphérique destinés

à un usage non domestique professionnel.

LA CATÉGORIE DE L'APPAREIL DOIT TOUJOURS ÊTRE INDIQUÉE SUR SA PLAQUE SIGNALÉTIQUE

CLASSIFICATION SUIVANT LA CONCEPTION DE L'AMENÉE D'AIR ET DE L'ÉVACUATION DES PRODUITS DE COMBUSTION

• APPAREIL TYPE A

• APPAREIL TYPE B

• APPAREIL TYPE C

• TYPE A

APPAREIL NON RACCORDÉ À UN CONDUIT D'ÉVACUATION DES PRODUITS DE COMBUSTION.

• TYPE A1AS : p.ex. chauffe-eau avec dispositif de contrôle d'atmosphère

• TYPE B: RACCORDÉ À UN CONDUIT D'ÉVACUATION AIR COMBURANT PRÉLEVÉ DE L'ESPACE D'INSTALLATION

• Type B1 Avec coupe-tirage antirefouleur

• Type B11AS

• Type B11BS

• Type B11CS

Dispositif de contrôle d'atmosphère

Dispositif de contrôle de l'évacuation

Installation VMC-gaz avec dispositif decontrôle de l'évacuation

• Type B2 PAS de coupe-tirage antirefouleur

CHAUDIÈRES À GAZ DE TYPE B23

• Type B 3• sans coupe-tirage antirefouleur

• raccordé à un conduit d'évacuation individuel étanche

• l'air comburant est prélevé de l'espace d'installation au moyen d'un

conduit concentrique qui entoure le conduit d'évacuation

• Type B4

• avec coupe-tirage antirefouleur• système d'évacuation agréé CE

• sans coupe-tirage antirefouleur• conçu pour fonctionner en surpression actuellement en Belgique: B22P , B23P

• Type BP

• TYPE C CIRCUIT DES PRODUITS DECOMBUSTION ÉTANCHE

CLASSIFICATION EUROPÉENNE

CIRCONSTANCES D'INSTALLATION

• CLASSIFICATION EUROPÉENNE

GENRE D'ÉVACUATION DES PRODUITS DE COMBUSTION1 = évacuation par tirage naturel2 = ventilateur en aval de la chambre de combustion3 = ventilateur avant le brûleur

PLAQUE SIGNALÉTIQUE D'UNE CHAUDIÈRE DE CHAUFFAGE CENTRAL

CONCLUSION: CONDITIONS GÉNÉRALES POUR LES APPAREILS D'UTILISATION

Tout appareil à gaz naturel, nouvellement installé, doit:

• être destiné au réseau de distribution belge et être porteur du

marquage CE;

• être conçu pour les gaz de la deuxième famille admis en Belgique;

• être approprié à l'amenée d'air présente(cf. chapitre V);

• être approprié au conduit d'évacuation des produits de combustion

présent (cf. chapitre V).

SOMMAIRE

• LA COMBUSTION

• CHALEUR DÉGAGÉ LORS DE LA COMBUSTION

CHAUFFE-EAU DE 5 l/min AVEC CONTRÔLE D'ATMOSPHÈRE (TYPE A1AS)

• Les produits de combustion sont évacués dans l'espace

d'installation.

• Le dispositif de contrôle d'atmosphère met l'appareil en

sécurité lors:

• d'une évacuation des produits de combustion par un

orifice d'évacuation de façon insuffisante;

• d'encrassement de l'échangeur de chaleur.

CHAUFFE-EAU DE TYPE A11AS AVEC CONTRÔLE D'ATMOSPHÈRE

APPAREILS AVEC DISPOSITIF DE CONTRÔLE

D'ÉVACUATION

• CONTRÔLE D'ÉVACUATION DES PRODUITS DE COMBUSTION

• Dispositif thermique (klixon,bulbe, NTC,…) placé à l'entrée d'air

tertiaire du coupe-tirage antirefouleur TTB

p.ex. appareil de type B11BS.

• IL EST STRICTEMENT INTERDIT DE METTRE CETTE

SÉCURITÉ (COMME D'AILLEURS TOUTE AUTRE SÉCURIT´DE

L'APPAREIL) HORS D'USAGE.

SYSTÈME DE CONTRÔLE

L'évacuation ne fonctionne normal

Refoulement

Appareil en sécurité

APPAREILS AVEC DISPOSITIF DE CONTRÔLE

D'ÉVACUATION

APPAREIL DE TYPE B11BS

COUPE-TIRAGE ANTIREFOULEUR

APPAREIL DE TYPE B11BS

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