Download - Technologie des systèmes thermiques - perso.crans.orgperso.crans.org/laffay/technologie.pdf · • adaptation réseaux - machine hydraulique et aéraulique, point de fonctionnement

Departement Genie Thermique EnergieIUT d’Evry - Bretigny - Juvisy

Technologie des systemes thermiques

LAFFAY Pierre-Olivier

[email protected]

Version 2007-2008

Extrait1 du Programme Pedagogique National (( Genie Thermique et energie ))

Intentions pedagogiques et competences associees

Cet enseignement est un enseignement technologique de premiere annee. Il est destine a presenterles appareils essentiels de chauffage, de distribution et de transfert de fluide et a en etudierla decomposition eventuelle en sous-ensembles. Ce module vise a completer ceux de machinesthermiques et de mecanique des fluides en insistant sur les aspects technologiques et sur ceux lies aucouplage entre les machines qui transferent les fluides et les reseaux qui les distribuent. Les compresseurssont vus par ailleurs. Il presentera techniquement la composition globale des ensembles que l’on trouveaussi bien dans le batiment que dans les industries, et la description fonctionnelle des divers elementsqui les composent. Seront mis en evidence leurs roles, leurs courbes caracteristiques de fonctionnement,les regles de securite a respecter. Les travaux pratiques seront prioritairement destines a permettre uncontact etroit de l’etudiant avec ces appareillages ; ils comporteront donc essentiellement des manipula-tions de demontage, mesurage, remontage. Les TP pourront etre groupes avec des TP d’autres disciplinesdu meme semestre.

L’etudiant devra :

• savoir monter et demonter une chaudiere, un corps de chauffe ou un bruleur.

• connaıtre les fonctions caracteristiques des differents organes de distribution desfluides.

• savoir appliquer les regles de securite.

Programme

Bruleurs et chaudieres :

• les bruleurs : ...

• les chaudieres : ...

Machines frigorifiques :

• organes principaux et auxiliaires

Transferts et distribution des fluides :

• Les pompes : les differents types, vitesse variable, courbes caracteristiques

• Les ventilateurs : les differents types, vitesse variable, courbes caracteristiques

Les reseaux aerauliques et hydrauliques :

• les composants : tubes, gaines, vannes, bouteilles de decouplage, ...

• pertes de charge, equilibrage

• adaptation reseaux - machine hydraulique et aeraulique, point de fonctionnement

1Avec quelques adaptations mineures

Table des matieres

Cours :

1 Chaudieres et bruleurs 5

2 Reseaux de fluides 47

3 Pompes et ventilateurs 87

4 Compresseurs 111

5 Machines Frigorifiques 143

6 Complements 173

TD :

1 Machines frigorifiques 185

2 Hydraulique 189

Cours 1

Chaudieres et bruleurs

Contenu du coursI. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

II. Prix de l’energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

III. Abrege de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

III.1. La combustion en elle meme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

III.2. Proprietes fondamentales des combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

III.3. Le F.O.D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

III.4. Les gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

IV. Organisation de la chaufferie (introduction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

V. Les chaudieres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

V.1. Logamax U122 de Buderus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

V.2. Vitorond 200 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

V.3. Vitocrossal 200 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

V.4. Vitogas 100 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

V.5. Vitomax 200 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

V.6. Petit bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

VI. Les bruleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

VI.1. Principe du bruleur a air souffle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

VI.2. Bruleur Fioul OEN-156L EV de Oertli (33 a 50kW) . . . . . . . . . . . . . . 26

VI.3. Vue partielle du Bruleur Gulliver BS1D de Riello . . . . . . . . . . . . . . . 27

VI.4. Bruleur gaz EG 03 B de Elco (108 a 360kW) . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

VI.5. Principe du bruleur gaz atmospherique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

VI.6. Connecteur 7 broches et boıtier de controle de flamme . . . . . . . . . . . . 30

VI.7. Sonde d’ionisation/Cellule photo-resistante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

VI.8. Pompe a fioul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

VI.9. Gicleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

VI.10. Rechauffeur fioul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

VI.11. Detente et regulation gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

VI.12. Chronogramme de mise en marche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

VI.13. Courbe de chauffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

VI.14. Selection d’une chaudiere et d’un bruleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

VII. Complements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

VII.1. Loi d’emission de radiateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

VII.2. Elements permettant le reglage d’un bruleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

VII.3. Analyse de la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6 COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS

I. Introduction

La production d’eau chaude et de vapeur intervient dans de multiples domaines :

• eau chaude sanitaire et chauffage central• reseaux de vapeur comme celui de la CPCU (Compagnie Parisienne de Chauffage

Urbain)

Le chauffage etant un des besoins fondamentaux de l’homme, il y a une tres forte demande de

specialistes en conception, installation et maintenance d’installationsde chauffage.

En ordre de grandeur il faut retenir :

• ampoule a incandescence : 40W a 120 W• installation de chauffage domestique : 10kW a 80kW• installation de chauffage industriel : 100kW a 60MW• centrale nucleaire : 1GW par coeur nucleaire

La puissance de la chaudiere se determine a partir des besoins thermiques du bati, ces besoins

etant eux-memes calcules suivant la reglementation thermique en vigeur soit la

RT2005 depuis le 1er septembre 2006.

Il est cependant utile en avant projet (pour pouvoir determiner l’ordre de grandeur du cout des

installations,...) de pouvoir estimer la puissance de la chaudiere a installer. Une methode classi-quement utilisee est la methode des ratios. Avant d’aller plus loin sur le sujet signalons des-a-present

que ces ratios ne sauraient en aucun cas se substituer a un calcul thermiquereglementaire complet lors de l’etude complete.

Dans la methode des ratios, les deperditions maximales en France sont en premiere approximationcomprisent entre 20 et 60W.m−3. Cette fourchette est assez large, il importe cependant de preciser quela consommation maximale est atteinte par des habitations anciennes souvent non ventilees, alors quela consommation minimale est atteinte par des installations neuves ou renovees qui sont ventilees.

On peut affiner ce ratio :

Puissance specifique (standard) de chauffage W.m−3

Volume/surface isolationdeperditive (m) actuelle annees 80 sans

0.5 34 46 681 20 27 48

1.5 18 23 412 17 21 373 16 20 344 15 17 32

Prenons l’exemple d’une maison de 100m2 et de hauteur sous plafond 2,7m.

Son volume est : V = 100 ∗ 2, 7 = 270m3

L’isolation est (( standard )), on choisit un ratio de 30W.m−3.

Soit une estimation des deperditions : P ≈ 270 ∗ 30 = 8100 ≈ 8kWDu fait de la relance thermique (retour de vacances, ralenti de jour/nuit,...), il faut

selectionner une chaudiere pouvant fournir (choix par defaut) 20% de puissance en plus.

IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 7

En France la reglementation distingue les installations a Eau Chaude Basse Temperature (ECBT)(inferieure a 110C) des installations a Eau Chaude Haute Temperature (ECHT). L’eau est qualifiee

de fluide caloporteur car c’est elle qui vehicule l’energie calorifique depuis sa pro-duction (combustion dans la chaudiere) vers son utilisation (emission par les radiateurs,planchers chauffants,...).

Les elements essentiels d’une installation de chauffage a eau chaude sont :

• production : chaudiere et bruleur• distribution : pompe et tuyauterie• emission : robinets thermostatiques et radiateurs• securite :vase d’expansion et soupape de securite• regulation : sondes de temperatures et boıtier deregulation

Tcapteur de temperature exterieure

boıtierderegulation

soupape

bruleur

chaudiere pompe

vase d’expansion

En pratique on rencontre des reseaux 80/60C ou 45/35C. Les seconds etant qualifies de reseauxa tres basse temperature (planchers chauffants essentiellement). La notation 80/60 a la significa-

tion suivante : la temperature de depart chaudiere est de 80C et celle de retourchaudiere est de 60C.



II. Prix de l’energie

L’energie est un defi d’avenir : manque de ressources, pollu-tion, independance energetique, ... Son prix devient de plus en plus eleve,le ministere de l’industrie tient a jour une base de donnees sur le prix des differentes energies. Le prix del’energie varie suivant la consommation, la base de donnees Pegase du ministere de l’industrie permetd’obtenir les differents prix de l’energie suivant la date, la quantite et le type d’energie. La base dedonnees Pegase est accessible par le site www.industrie.gouv.fr rubrique energie. A partir de cette base,on peut determiner le tableau qui suit : les valeurs sont donnees en euros pour 100kWh PCI (PouvoirCalorifique Inferieur), hors prix des installations et de l’entretien :

Energie 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Bois 1.8 1.8 1.8 2.6 2.6 2.6CPCU 4.68 4.97 5.16 5.16 5.18 5.43

Electricite 11.36 11.31 11.40 11.53 11.69 11.69Fioul 4.66 3.98 3.65 3.93 4.54 5.86

Gaz naturel 3.51 4.20 4.22 4.31 4.09 4.45Gaz (propane) 6.39 6.62 6.91 7.34 7.61 9.07

On note que l’evolution du prix de l’energie est a la hausse pour toutes les sources. L’electricite reste

la source la plus chere a l’usage (mais la moins chere a l’installation). A la vue de cetableau, on comprend facilement l’interet financier du chauffage a eau chaude.

En france la population se chauffe :

• a 31% par l’electricite

• a 33% par le gaz

• a 28% par le fioul

• a 3% par le bois dont 80% en complement d’un autremode

• a 5% par d’autres energies (CPCU, ...)

On peut s’attendre a une forte croissance des filieres suivantes :

• solaire thermique• bois• geothermie



III. Abrege de combustion

III.1. La combustion en elle meme

La combustion peut etre definie comme etant une reaction d’oxydation exothermique(qui produit de la chaleur). On retiendra le triangle de feu de la combustion :

CO

MBUST

IBLE

CHALEUR

CO

MBURANT

Ce triangle a plusieurs points de vue :

• pour les pompiers : il existe differentes manieres pour arreter une combustion :supprimer le combustible (on coupe l’arrivee de fioul ou de gaz), refroidir ou

etouffer la flamme.• pour les chauffagistes (notre point de vue) : pour obtenir une combustion, il

faut un combustible, du comburant et de la chaleur. Une fois la combustion

demarree, la chaleur sera apportee par la flamme elle-meme.

III.2. Proprietes fondamentales des combustibles

Actuellement il existe principalement deux types de combustibles : les gaz (butane, propane, gaz

naturel, ...) et les Fuel-Oil Domestiques (F.O.D). Le bois restant marginal pour les

chaudieres, il s’agit malgre tout de la solution la plus ecologique actuellement disponiblepour le chauffage. En effet le gaz et le petrole sont extraits du sous-sol, il s’agit alors d’un terme

source de CO2. Alors que le bois intervient dans la chaıne du carbone (CO2,...) et neconstitue donc pas un terme source de CO2. Le bois est cependant fortement utilise

dans des cheminees (souvent en complement d’une autre source d’energie).



III.3. Le F.O.D

Le Fuel-Oil Domestique est un combustible liquide de masse volumique plus faible que

l’eau (environ 850kg.m−3). Ceci explique que l’eau de condensation s’accumule au fond des cuvesa fioul :

fioul

eau de condensation

On definit le PCI (Pouvoir Calorifique Inferieur) comme etant la quantitede chaleur degagee par 1kg de F.O.D lors d’une combustion ideale, les fumees etant ramenees a latemperature de condensation mais la condensation n’a pas lieu. Dans le cas du F.O.D le PCI est de

12kW.h.kg−1.

On definit aussi le PCS (Pouvoir Calorifique Superieur) comme etant laquantite de chaleur degagee par 1kg de F.O.D lors d’une combustion ideale, les fumees etant rameneesa la temperature de condensation et toute l’eau a condensee. Dans le cas du F.O.D le PCS est de

12, 7kW.h.kg−1.Il existe depuis (environ) 2005 des chaudieres fioul a condension, alors que les chaudieres gaz a

condensation existent depuis de nombreuses annees. Ceci est jusitifie par la presence d’acidessouffres (anhydride sulfurique SO3 et acide sulfurique H2SO4) dans les condensats des fumees is-

sues de la combustion de F.O.D. Les surfaces en contact avec ces acides sont realisees enceramique.

III.4. Les gaz

Le gaz naturel est le gaz extrait du sous-sol directement distribue par GDF. Les autres gaz

(butane, propane, ...) sont essentiellement des sous-produits de la petrochimie.

Le volume des gaz dependent de la temperature et de la pression, il est donc utile de definir

une (( unite )) de volume qui permet de s’abstraire de ces dependances : il s’agit des metrescubes normaux.



Les metres cubes normaux sont notes Nm3ou m3(n). Un metre cube normal correspond a un

metre cube de gaz a 0C sous 1013mbar. Les caracteristiques des gaz (PCI, PCS, ...) sontexprimes pour un metre cube normal.

Si on effectue l’approximation du gaz parfait alors PV = nRT et PnVn = nRTn :

P

T

V

gaz parfait

detente de

Pn

Tn

Vn

Ainsi V =Pn

P

T

TnVn, la quantite

Pn

P

T

Tnapparaıt comme etant un facteur de correc-

tion entre les metres cubes reels et les metres cubes normaux. On rappelle que dans la formule des

gaz parfait la temperature s’exprime en Kelvin. FinalementPn

P

T

Tn=

1013

P (mbar)

273 + θgaz(C)

273

Le gaz naturel a un PCI de 10, 4kWh.m−3(n) et un PCS de 11, 5kWh.m−3(n). Contrairement au

F.O.D, il est frequent de rencontrer des chaudieres gaz a condensation.Les gaz sont odorifies si leur odeur n’est pas suffissante pour cela on utilise du T.H.T dont

le nom complet est tetrahydrothiophene. La concentration en T.H.T est de l’ordre de

25mg.m−3(n).



IV. Organisation de la chaufferie (introduction)

Une chaufferie fioul comme celle presentee dans la page suivante (d’apres une documentation Oven-trop), comporte un certain nombre d’elements :

• une chaudiere et son bruleur

• une cheminee d’evacuation des gaz de com-bustion

• une cuve a fioul

• un moyen de controle du niveau de fioul(eventuellement vision directe si la cuve est en plastique translucide)

• une aeration de la cuve a fioul• une conduite fioul mono ou bi-tube avec filtre a fioul• une arrivee d’eau froide et un depart d’eauchaude sanitaire

• un depart et un retour d’eau pour le circuit de chauffage

Quelques remarques :

• le limiteur de remplissage represente fonctionne de la maniere suivante : une

resistance de type CTN (Coefficient de TemperatureNegatif) est chauffee et on mesure son temps caracteristique de refoidisse-ment, celui si diminue brutalement lorsque la resistance est plongee dans le liquide.Il s’agit donc d’une mesure electrique, la prise est normalisee et se relie directe-

ment sur le camion livrant le fioul pour peu que celui-ci soitequipe de la connectique necessaire. Dans un tel cas la livraison de fioul est auto-matique arretee par un dispositif de securite integre au camion. (Note : il s’agitde la solution Allemande, il existe aucune obligation reglementaire pour la Franceen 2008)

• l’indicateur de niveau presente est mecanique, il existe des modeles pneumatiquesqui mesurent la pression en bas de cuve, un dispositif mecanique convertit l’infor-mation vers un afficheur a aiguilles.

• l’aspiration est flottante, une autre solution technique est un tube plongeur

(muni idealement d’une crepine) arrivant a quelques centimetres du fond de

la cuve. On ne pompe jamais les derniers centimetres de fioul pour l’usage

de la chaudiere, ceci en raison de l’accumulation en oxydes de fer et de l’eaude condensation.

FMC energy system fabrique des equipements pour camions de livraison fioul : pompes avec debitmetrereglementaire, ordinateur de livraison, sondes anti-debordement ...



V. Les chaudieres

Une chaudiere est essentiellementun echangeur de chaleur. En effet la chaudieretransmet l’energie calorifique de la flamme au fluide caloporteur.

Les fonctions de la chaudiere sont donc :

• assurer l’elevation en temperature du fluide caloporteur

• assurer la combustion du combustible• recuperer autant que possible l’energie de la flamme

Une chaudiere comporte entre-autres :

• un foyer ou a lieu la combustion

• une (des) surface (s) d’echange de la chaleur

• un circuit d’eau de chauffage• un bruleur (qui peut etre vendu separemment)

• un circuit d’evacuation des gaz de combustion

• eventuellement un circuit d’amenee d’airCoupe d’une chaudiere trois parcours d’apres une documentation Viessmann :

Les principaux fabricants de chaudieres sont : Acv, Auer, Buderus, De Dietrich, Guillot, Trybasolar,Viessmann, Weishaupt, ...

V.1. Logamax U122 de Buderus

Il s’agit d’une chaudiere murale gaz de petite puissance (24kW), de hauteur 1m, pour une masse de45kg environ (sans compter les 6 litres d’eau du circuit de chauffage et les 65 litres d’eau du preparateurd’ECS (Eau Chaude Sanitaire)).



1 : Ventouse2 : Pressostat differentiel3 : Ventilateur d’extraction4 : Thermostat de securite5 : Electrode a incandescence6 : Bruleur7 : Bloc gaz8 : Sonde de depart chauffage9 : Coffret de controle universel10 : Sonde de depart ECS

11 : Robinet de vidange12 : Sonde de stockage ECS13 : Purgeur manuel14 : Echangeur principal15 : Electrode d’ionisation16 : Vase d’expansion 12L17 : Purgeur automatique18 : Pompe chauffage19 : Preparateur d’ECS20 : Vanne 3 voie motorisee

21 : Soupape de securite22 : Soupape differentielle23 : Disconnecteur24 : Regulateur du debitde puissageVK : Depart chauffageRK : Retour chauffageG : Arrivee GazAB : Depart ECSEK : Arrivee eau froide



V.2. Vitorond 200 de Viessmann

Il s’agit d’une chaudiere de moyenne puissance (125 a 300kW) presentee ici dans

sa version fioul. Cette chaudiere mesure 92 cm de haut, pour un poids total de 800kg environ (sanscompter les 100 litres d’eau).

isolation

troisiemeparcoursde fumee

boitier decontrole isolation

deuxiemeparcoursde fumee

chambredecombusion

surfaced’echange en fonte

bruleur



On notera que les chaudieres en fonte comme la Vitorond 200 sont la pluspart du temps livrees enpetits elements independants, par exemple voici un element intermedaire d’une chaudiere Logano GE615de Buderus :

On a :

• 1 : surface d’etancheite du moyeu• 2 : languettes d’etancheite

L’avantage de cette disposition technique est indeniable lorsqu’il s’agit d’installer une chaudiere en

sous-sol avec des acces difficiles (escalier par exemple). Cela reste tout meme relativement delicat

puisque chaque element pese dans les 60-250kg suivant la puissance de la chaudiere.



V.3. Vitocrossal 200 de Viessmann

Il s’agit d’une chaudiere a bruleur gaz de moyenne puissance (87 a 311kW). Cette chaudiere mesure120 cm de haut, pour un poids total de 300kg environ (sans compter les 300 litres d’eau).

boitier de controle

chambre decombustion

bruleur

surface d’echangeen acierisolation

collecteur de fumeesavec evacuationdes condensats

evacuation des condensats&%'$



Les condensats de chaudieres gaz ont un pH compris entre 4 et 5,5 (suivant

le gaz). Les condensats sont donc acides, il peut etre necessaire de neutraliser cette acidite avantd’evacuer les condensats. Les societes Viessmann et Buderus (liste non exhaustive) proposent une so-

lution technique de neutralisation par granulats d’hydroxyde de magnesium(Mg(OH)2).

En effet la dissolution des granules d’hydroxyde de magnesium s’ecrit :

Mg(OH)2 → Mg2+ + 2OH−

Puis il y neutralisation de l’acidite (H30+) par les ions (OH−) :

2H3O+ + Mg2+ + 2OH− → Mg2+ + 4H2O

Un des dispositif propose par Buderus est le suivant :

Ce dispositif est constitue des elements suivants :

• 1 : Entree des condensats• 2 : Sortie des condensats• 3 : Pompe a condensats• 4 : Granules de neutralisation• 5 : Collecteur a condensats neutralises• 6 : Pressostat (controle le fonctionnement dela pompe)

Note : le volume des condensats est de l’ordre de 0, 14l.(kWh)−1 soit quelques litres par heure pour

les jours les plus froids de l’annee. Ce volume est relativement faible, en habitat domestique

il est dilue dans les eaux menageres. La neutralisation est obligatoire pour des puissancessuperieures a 200kW.



Dans le cas du fioul (pH des condensats compris entre 2 et 4), la condensation etait impossible a cause

de la presence de souffre dans les fumees. L’amelioration des ceramiques industriellesa rendu possible la condensation des fumees issues de la combustion du fioul. Buderus (par exemple)propose la solution suivante, on ajoute a une chaudiere classique les elements suivants :

• echangeur eau/fumees en ceramique (presencede souffre)

• traitement des condensats quasiment obligatoire, traitement en deux parties :elimination du souffre par adsorption sur charbon (re)actif puis elimination del’acidite.

La solution Buderus est donc la suivante :



V.4. Vitogas 100 de Viessmann

Il s’agit d’une chaudiere a bruleur gaz de petite puissance (18 a 60kW). Cette chaudiere mesure 85cm de haut, pour un poids total de 160kg environ (sans compter les 16 litres d’eau).

isolation

surfaced’echangeen fonte

bruleura rampe

boitier de controle

electro-vanne gaz

La flamme de cette chaudiere se developpe a la sortie du bruleur a pre-melange dont le principesera detaille plus loin. On peut cependant precisser qu’il n’y a pas une mais plusieures centaines petitesflammes qui se developpent a la sortie du bruleur.



V.5. Vitomax 200 de Viessmann

Il s’agit d’une chaudiere de tres grosse puissance (2100 a 15000kW) a eau surchauffee (vapeur), lebruleur n’est pas fourni avec cette chaudiere. Cette chaudiere mesure 2,3 m de diametre, longueur de3,7m a 8,5m suivant modele pour un poids total de 4600 a 37000kg environ (sans compter les 4000 a29000 litres d’eau).

isolationdeuxiemeparcours

troisiemeparcours

de fumees

deflecteurd’eau

*

paroi avant a lame d’eau

chambre de combustion

* : cette chaudiere etant de grande dimension, une plate-forme de travail permet de monter au dessuspour les operations de maintenance.



V.6. Petit bilan

On peut ainsi noter qu’une chaudiere peut etre caracterissee par :

• sa puissance : petite/grosse

• ses materiaux : acier/fonte

• ses equipements : complete avec bruleur/nue

• sa capacite en eau : petite/grosse

• son combustible : gaz/fioul/gaz+fioul ou encore bois, bois+fioul...

Les chaudieres fontes sont constituees d’elements de taille modeste (mais tout de meme assez lourd)ce qui permet de les installer dans des endroits difficiles d’acces : caves en sous-sol...

Complement : Le cas des chaudieres bois est legerement different. Le probleme etant l’apport encombustible. Deux tendances existent : soit une chaudieres a base de buches, soit une chaudiere a basede pellets (petits cylindres de bois : dimension caracteristique 6mm environ). Dans le cas des pellets, onpeut utiliser un transport en lit fluidise ou par vis d’archimede.



VI. Les bruleurs

Pour obtenir une combustion, il faut d’apres le triangle du feu avoir un combustible, ducomburant et de la chaleur. Une fois la combustion demarree, la chaleur sera apportee par la flamme

elle-meme. Il reste deux points qui seront traites a part : la ligne combustible et laligne air.

La ligne air est la meme pour tous les bruleurs a air souffle, elle comporte un ventilateur etle corps du gicleur :

VI.1. Principe du bruleur a air souffle

VI.1..1 Cas du fioul

Comme signale il faut deux lignes : la ligne combustible et la ligne air :

@

@

@@

@

@@

@@@

photoresistance gicleur

deflecteurelectrodes d’allumage

pompe a fioul

flexibles de raccordement

La ligne combustible ou ligne fioul comporte :

• gicleur• pompe fioul

• flexibles de raccordement

A ces deux lignes s’ajoute :

• photoresistance

• deflecteur• electrodes d’allumage



VI.1..2 Cas des gaz

De la meme maniere le bruleur gaz a air souffle comporte une ligne gaz et une ligne air :

P

sonde d’ionisation

@@

@ electrode d’allumage

Pressostat air

regulateur de pression

electrovanne gaz

La ligne combustible ou ligne gaz comporte :

• regulateur de pression

• electrovannegaz

A ces elements s’ajoute :

• pressostat air• electrode d’ionisation

• deflecteur

• electrode d’allumage


26

CO

UR

S1.

CH

AU

DIE

RE

SE

TB

RU

LE

UR

S

VI.2

.B

rule

ur

Fio

ulO

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EV

de

Oertli

(33

a50kW

)

1 : Moteur2 : Coffret decommande et desecurite3 : Transforma-teur d’allumage5 : Ligne gicleur6 : Prechauffeur7 : Electrodes d’allu-mage9 : Turbulateur10 : Tube de flamme11 : Point de mesurede pression air12 : Cellule dedetection de flamme13 : Oeilleton devisualisation de laflamme14 : Vis de reglagede la position duturbulateur15 : Bouton dereglage du volet d’air17 : Pompe a fioul20 : Flexiblesd’alimentation fioul

IUT

d’E

vry

-B

retigny

-Juvisy

GT

E2007-2

008


VI.3. Vue partielle du Bruleur Gulliver BS1D de Riello

Ne sont representes ici que la volute du ventilateur, le volet d’air et la roue du ventilateur.

volet d’air

VI.4. Bruleur gaz EG 03 B de Elco (108 a 360kW)

On note en particulier le soin acoustique apporte a ce bruleur a travers le caisson d’air (17) qui estinsonorise.

Il n’y a plus de pompe a fioul, mais une electovanne gaz (31)

L’electrode d’allumage est numerotee 21-11.

La sonde d’ionisation est reperee 21-12.

Le turbulateur est note 21-19.



31:el

ectr

ovan

ne

gaz

7et

8:

vole

td’a

ir

17:in

sonor

isat

ion



21-8

:tr

ansf

orm

ateu

rd’

allu

mag

e

21-1

1et

21-1

2:

elec

trod

es



VI.5. Principe du bruleur gaz atmospherique

Le jet de gaz induit un mouvement de l’air. On parle alors de bruleurgaz atmospherique.

Gaz

Air

Air

Melange

VI.6. Connecteur 7 broches et boıtier de controle de flamme

Il y a un seul cable qui relie un bruleur1 a la chaudiere, le connecteur est norma-lise(prise dite Wieland), son brochage aussi. Il est utile de connaıtre son cablage lors des operations

de maintenance.

Vue en 3D d’apres une documentation Riello, et vue du brochage d’apres une documentation Elco :

S6

F1

h

On a dans l’ordre : la phase (L1), la terre, le neutre (N), thermostat chaudiere entre T1 et

T2, repport de defaut entre S3 et N, compteur horaire entre B4 et N.

La regulation du bruleur est a la charge d’un boitier de controle de flamme. Cesboitiers sont principalement fabriques par Landis & Gyr, Dungs, Siemens...

On trouve un schema electrique de bruleur complet en page suivante (d’apres une documentationRiello).

1une allure, il y a deux cables pour un bruleur deux allures de marche


COURS 1. CHAUDIERES ET BRULEURS 31bru

leur

cable

chau

die

re



VI.7. Sonde d’ionisation/Cellule photo-resistante

La detection de flamme peut se faire par deux composants differents :

• flammes lumineuses (F.O.D) : photoresistance

• flammes faiblement lumineuses (gaz) : sonde d’ionisation

VI.7..1 Sonde d’ionisation

Avec flamme

Sans flamme

La source de tension est sinusoıdale, lorsqu’il y a une flamme, la presence des especes ioniseesrend possible la circulation d’un courant. On observe un ecretage tres net. Les courants mesuressont cependant tres faibles (quelques µA).

VI.7..2 Cellule photo-resistante

Il s’agit d’une resistance telle que U = f(Φ)I (Φ etant l’eclairement), la valeur de la

resistance est de l’ordre de 100Ω lorsque la cellule est eclairee, et quelques MΩ sinon.

Dans le cas du F.O.D, les suies rayonnent comme un corps noir, d’ou une flamme tres lu-mineuse. Dans le cas du F.O.D, une sonde d’ionisation serait rapidement encrasee et donc inutilisable.

C’est pourquoi, les bruleurs fioul sont munis d’une cellule photo-resistante.



VI.8. Pompe a fioul

Le but d’une pompe a fioul est de vehiculer le fioul depuis la cuvevers le gicleur. La plupart des pompes a fioul peuvent fonctionner en mono-tube ou en

bi-tube grace a un bouchon de derivation amovible. Il est preferable d’utiliser une installation bi-tube, cependant en renovation, on peut conserver une installation mono-tube existante.

Il est important de signaler, que la pompe fioul ne comporte pas de moteur, son axe

s’accouplant avec celui du moteur duventilateur. La circulation du fioul etant alors commandee

par une electrovanne fioul. Une pompe fioul delivre usuellement une pression entre 7 et

18 bars. La pression de reglage est a choisir en fonction dugicleur.

Les principaux fabricants de pompes a fioul sont Danfoss et Suntec.

pompe

pompe

gicleur

gicleur

cuve a fioul

cuve a fioul

bi-tube

mono-tube



Pompe a fioul d’apres une documentation Suntec :



Voici un zoom sur les engrenages d’apres une documentation Danfoss :

Et voici une photo issue d’une documentation Danfoss :



VI.9. Gicleur

Un bon gicleur doit presenter : une bonne qualite de pulverisation et un angle de cone

precis. A la sortie du gicleur le fioul est brise en gouttelettes. La pression influe fortement sur la

taille des gouttelettes qui diminue avec la pression :

P=0,2bar

P=7bar

P=0,7bar

P=21bar

La combustion s’ameliore (moins de d’imbrules et de NOx) quand la taille des goutellesdiminue.

Le debit de fioul est impose par la puissance du bruleur. On cherche donc a obtenir un debitconstant quelque soit le gicleur choisi, avec une pression d’entree de gicleur aussi grande que possible.

Ainsi si on hesite entre deux gicleurs, on prendra celui qui presente le plus petit debit pour une

meme pression et on augmentera la pression a la sortie de la pompe a fioul.

Les principaux fabricants de gicleurs sont Danfoss, Steinen, Delavan.



Coupe d’un gicleur d’apres une documentation Danfoss :

Le gicleur est compose des elements suivants :

• filtre en bronze• vis de blocage• cone a canaux• corps de gicleur• pastille profilee

Les canaux du cone mettent le fioul en rotation dans la (( chambre de rotation )) :



Il existe aussi des gicleurs comportant un clapet a bille incorpore :

Ces gicleurs necessitent une pompe a fioul speciale (par exemple une pompe option LE de Danfoss). Ilspresentent un meilleur comportement lors des marche arret du bruleur.

Marquage d’un gicleur d’apres une documentation Danfoss :

La debit indique sur le gicleur est celui obtenu pour une pression de 10bar. On note

aussi la presence de l’angle du cone (ici 80).

VI.10. Rechauffeur fioul

La viscosite du fioul etant fonction de la temperature, une resistance electrique

est souvent rajoutee sur la ligne gicleur afin de controler la temperature et donc la viscosite dufioul qui arrive au niveau du gicleur.



VI.11. Detente et regulation gaz

La pression du reseau gaz de GDF etant de 4bar, il est necessaire d’installer undetendeuravant le bruleur afin de ramener la pression relative a une pression comprise entre30 et 300mbar.Les principaux fabricants sont Briffault, Dungs, Honeywell.

Schema de principe d’un detendeur gaz Briffault :

On note en particulier que la detente s’effectue en deux etapes (presence d’une pressionintermediaire de detente). On note aussi la posibilite de bloquer, par appui sur un bouton de commande,le passage du gaz.



VI.12. Chronogramme de mise en marche

Il existe une procedure de demarrage standardisee qui comprend la detection des defauts. Par exemple

pour une chaudiere fioul :

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

TSA

preventilation

du foyer

retard a l’allumage

retard a la

detection de flamme

signal de commande

moteur du ventilateur

electrodes d’allumage

electrovanne fioul

flamme

detection de flamme

temps

temps

temps

temps

temps

temps

Le signal de commande est en general donne par le thermostat chaudiere : le boıtier de regulation

met en marche le bruleur des que la temperature de l’eau dans la chaudiere descend endessous d’une certaine valeur.

Le TSA est le Temps de Securite a l’Allumage : il designe le tempspendant lequel les electrodes d’allumage continuent a fonctionner alors que la flamme est presente.

La preventilation du foyer permet d’assurer de le foyer ne contient pas de combustiblesgazeux (imbrules) qui pourraient declencher une detonation.

La detection de flamme n’est pas immediate, le temps de reponse des cellulesphoto-resistantes est de l’ordre de 30s.



VI.13. Courbe de chauffe

Les besoins en chauffage etant fonction de la temperature exterieure, il est souhaitable de faire varier

la temperature de depart du circuit d’eau chaude, c’est l’idee de la courbe de chauffe. La courbe

de chauffe represente la relation entre la temperature exterieure et la temperature de

depart. Plus la temperature exterieure est basse, plus la temperature de depart est elevee.

Text

Tdepart

80C

55C

32C

Tnc 0C −20C

Tnc etant la Temperature de Non Chauffage. De maniere pratique, les regulateurs de chauffage presententquasiment tous une courbe de chauffe preprogrammee :

Avec A pour le chauffage par le sol, B pour le chauffage basse temperature, C pour les radia-teurs classiques . Les autres courbes correspondent au cas de l’habitat ancien malisole chauffe par radiateurs haute temperature. L’echelle complementaire represente le decalage liea la temperature de consigne pour l’ambiance.



VI.14. Selection d’une chaudiere et d’un bruleur

La demarche est la suivante :

• Premiere etape : bilan thermique du bati suivant RT2005.

• Deuxieme etape : choix de la chaudiere : puissance, type ...

• Troisieme etape : choix du bruleur

Le bruleur se selectionne a partir du diagramme indiquant la plage de fonctionnement du bruleur(ici plage d’un bruleur Elco) :

1600kW

9mbar j

Pour utiliser ce diagramme il faut relever la contre-pression foyer 9mbar dans la documentation

de la chaudiere (de puissance 1600kW).

Dans le cas present, le bruleur 6.200G est adequatalors que le 6.170G ne l’est pas

Consequence directe : un bruleur ne peut etre as-socie a une chaudiere que si la puissance ET la contre-pression foyer sont compatibles.



VII. Complements

VII.1. Loi d’emission de radiateurs

La puissance emise par un radiateur est donnee par la relation suivante :

P =

m cp(Te − Ts)

Te

Ts

Ta

Le modele le plus simple d’emission d’un radiateur est :

P = K

(

Te + Ts

2− Ta

)n

n est de l’ordre 1.3 pour un radiateur. Les documentations fabricants donnent des valeurs de K etde n.

On peut tracer un graphique en coordonnees adimensionnees pour n=1,3 :

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200

PP

dim

en%

qqdim

en %

P = F (q, Te) pour un regime d’eau de dimensionnement 80/60C et Ta = 20C

Te = 80CTe = 70CTe = 60CTe = 50CTe = 40C

Il est important de noter la tres forte non-linearite de la puissance emise en fonction

du debit (q) pour un meme regime d’eau. En outre doubler le debit par rapport au debit dedimensionnement n’augmente la puissance d’emission que de 20%.

On note par contre une quasilinearite en fonction de la difference : Te − Ta.



VII.2. Elements permettant le reglage d’un bruleur

On constate experimentalement que les evolutions des concentrations en CO2, CO et O2 presenteesdans le graphique suivant :

reactionincomplete

reactioncomplete

*

On regle le bruleur de maniere a avoir le moins de CO possible dans les fumees. Ce qui donne unexces d’air de 6% environ. Une fois que le C0 est suffissament bas (6 ppm environ), on cherchera aobtenir le plus bas taux de NOx possible.

Une autre methode consiste a atteindre 6ppm de CO. Puis a fermer progressivement le volet d’airjusqu’a ce que la prodution de NOx augmente rapidement. On note le %CO2 atteint dit %CO2critique.On regle le bruleur pour %C02regle = %C02critique − 2% en ouvrant lentement le volet d’air.

* : Les reactions chimiques ne sont jamais parfaitesni immediates, ainsi il reste du (di)oxygene dans lesfumees alors que la reaction n’est pas complete.



VII.3. Analyse de la combustion

L’analyse de la combustion se fait a l’aide d’un appareil dedie :

Un analyseur de combustion releve les informations suivantes :

• %O2 : (di)oxygene

• %CO : monoxyde de carbone

• %NO : monoxyde d’azote

• temperature

Il est demontre dans le cours de combustion de deuxieme annee que l’on peut obtenir par le calcul(a partir des valeurs mesurees) les valeurs suivantes :

• %CO2 : dioxyde de carbone

• %NOx : oxydes d’azote

• η : rendement de la chaudiere

Il est primordial de noter le point suivant : Un analyseur de combustionne donne pas immediatement la bonne valeur, ceci acause (notamment) du temps de reponse des capteursde gaz. Cela differencie fortement un analyseur de combustion d’un multimetre utilise en electricitequi lui donne immediatement la valeur recherchee.


Exemples de questions d’examen :

1) Qu’est-ce qu’une chaudiere a trois parcours de fumees (avec schema) ?

2) Quel est l’ordre de grandeur de la puissance d’une chaudiere domestique ?

3) Quel inconvenient existe-t-il a faire condenser des fumees issues de la combustion de F.O.D ?

4) Expliquez le principe d’un bruleur a air souffle.

5) Expliquez le principe d’un bruleur a gaz atmospherique.

6) Quel est le role du ventilateur dans un bruleur ?

7) Est-ce qu’une chaudiere de 600 kW peut-etre adequate pour un appartement de 50m2 ? pour unemaison de 200 m2 ? (Justifiez vos reponses)

8) Quel gicleur faut-il choisir lorsque l’on hesite entre deux gicleurs de taille differente ? pour quelleraison?

9) Quel est le role du capteur de temperature exterieure ?

10) Quelle est l’energie la plus chere a l’usage ?

11) Quel peut-etre l’usage de granules d’hydroxyde de magnesium dans une chaufferie ?

12) A quoi correspondent chacune des bornes sur la prise suivante :

S6

F1

h

13) Quel est l’ordre de grandeur de la pression a la sortie d’une pompe a fioul ?

14) Qu’est ce que le triangle de feu ? Quelles intrepretations peut-on en faire ?

15) Qu’est-ce qu’une sonde d’ionisation ? Quel est son role ?

Cours 2

Reseaux de fluides

Contenu du coursI. Notions sur les reseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

I.1. Les fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

I.2. Les circuits de fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

I.3. Reseaux simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

I.4. Reseaux ramifies, mailles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

II. Tubes et gaines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

II.1. Caracteristiques dimensionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

II.2. Materiaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

II.3. Tubes, gaines et raccords particuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

III. Organes de coupure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

III.1. Vanne papillon (ici une vanne Sylax de marque Danfoss) . . . . . . . . . . . 59

III.2. Vanne a boisseau spherique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

IV. Vanne de reglage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

V. Regulation et limitation de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

V.1. Limiteur de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

V.2. Regulateur de pression Twinbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

VI. Purgeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

VI.1. Purgeur a flotteur pour circuit d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

VI.2. Purgeur de radiateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

VI.3. Filtre a fioul avec separateur d’air integre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

VII. Mesure de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

VII.1. Manometres en U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

VII.2. Manometre a tube incline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

VII.3. Manometre a tube de Bourdon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

VIII. Mesure de debit/Vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

VIII.1. Tube de Pitot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

VIII.2. Anemometre a coupelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

VIII.3. Anemometre a helice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

VIII.4. Tube de venturi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

VIII.5. Diaphragme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

VIII.6. Rotametre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

VIII.7. Debitmetre a effet vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

VIII.8. Debimetre a ultrasons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

IX. Mesure de temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

IX.1. Thermometre a dilatation de liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

IX.2. Thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

48 COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES

IX.3. Resistance electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

X. Tete thermostatique et presse etoupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

X.1. Presse etoupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

X.2. Tete thermostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

XI. Mise hors gel par Tracage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

XII. Vase d’expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

XIII. Collecteur EC-EF (Eau Chaude - Eau Froide) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

XIV. Sertissage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85


COURS 2. RESEAUX DE FLUIDES 49

I. Notions sur les reseaux

I.1. Les fluides

Il existe un grand nombre de fluides succeptibles d’etre vehicules dans des tubes et/ou des gaines :

• eau chaude/froide/glycolee (eau + glycol (antigel))

• huile• essence/gasoil/fiouls

• gaz divers (methane, propane, gaz medicaux)

• vapeur d’eau• vide (medical, industriel)

• fluides frigorigenes• acides, bases

• parfums

• liquides alimentaires (pour sorbet, yaourt...)

• air a usage specifique (salles blanches, blocs operatoires, hall pourpeinture, transport de grains)

• ...

Un fluide peut etre :

• liquide/gazeux

• neutre/acide/basique• alimentaire ou non

• froid/chaud• gratuit/cher

• dangereux/inoffensif• faiblement/fortement visqueux

• entartrant ou non

• encrassant ou non

• ...

Premier exemple : l’eau.

L’eau est un liquide de masse volumique ρeau = 1000kg.m−3. Sa capacite

calorifique massique est cpeau = 4180J.kg−1.K−1. L’eau a la propriete d’etre un

solvant pour un grand nombre d’especes : plomb, fer, calcium, magnesium ...

Petit point de vocabulaire : le calcaire a pour nom chimique carbonate de calciumsoit CaCO3, le tartre est un melange de carbonate de calcium et de carbonate de magnesium soit unmelange de CaC03 et de MgCO3.

Deuxieme exemple : l’air.

L’air est un gaz de masse volumique ρair = 1, 2kg.m−3dans les conditions at-

mospheriques standard. Sa capacite calorifique massique estcpair= 1002J.kg−1.K−1

.

L’air contient de la vapeur d’eau (quelques grammes par metre cube), des poussieres... Enpremiereapproximation l’air est constitue de 80% d’azote (N2) et de 20% de dioxygene (O2).



Exercice 1) Un radiateur est dimensionne pour emettre 2000W lorsque le regime d’eau est de 80/60C.Quel est le debit d’eau circulant dans le radiateur ?

On a P =

m cp∆T

Avec :

• ∆T = 80 − 60 = 20C• cp = cpeau

= 4180J.kg−1.K−1

• P = 2000W

On obtient donc :

m=

P

cp∆T=

2000

4180 ∗ 20= 0.024kg.s−1

m= 86kg.h−1

Exercice 2) Quelle energie faut-il apporter pour faire passer 15m3 d’air de 15C a 20C ?

On a E = ρV cp∆T

Avec :

• ρ = ρair = 1, 2kg.m−3

• V = 15m3

• cp = cpair= 1002J.kg−1.K−1

• ∆T = 20 − 15 = 5C

On obtient donc :

E = 1, 2 ∗ 15 ∗ 1002 ∗ 5 = 90180J

E = 25W.h



I.2. Les circuits de fluides

Un circuit de fluide peut etre :

• ouvert/ferme

• maille ou non

• ramifie ou non

• isole ou non (voire chauffe, par exemple le tracage des canalisations parcable chauffant)

• court/long• controle ou non

• usage intensif/courant/frequent ou non (RIA (robinet incendiearme)/reseaux sprinkler)

• pression, debit : eleve ou faible, separement ou ensemble

• bien connu/calcul aise ou non

• tres specifique : conduites d’ergols de fusee, tube du lac de Nyos

I.2..1 Note I : conduites d’ergols de fusee

Un ergol, dans le domaine de l’astronautique, est une substance homogene employee seule ouen association avec d’autres substances et destinee a fournir de l’energie. Les ergols sont les produits

initiaux, separes, utilises dans un systeme propulsif a reaction. Ils sont constituesd’elements oxydant et reducteur (combustible).

Les conduites d’ergols sont particulieres dans le sens ou le fluide qui y circule est tres froid (−120Cou moins), et peu courant (oxgygene et hydrogene (sous forme liquide) en general).

Il est alors necessaire de conduire des essais et/ou des simulations numeriques pour determiner :

• la conception fluidique : pertes de charges,...

• les contraintes thermiques sur une canalisation initialement a 20C

• ...

I.2..2 Note II : tube du lac de Nyos

Le 21 aout 1986, dans la soiree, le lac Nyos, au nord-ouest du Cameroun, a

libere environ un kilometre cube de gaz carbonique (CO2) provoquant la mort de plus de 1700personnes.

Le gaz carbonique originaire du sous-sol s’etait progressivement (sur desannees, voire des siecles) stocke dans les eaux du lac. Un mouvement de ter-

rain (hypothese la plus credible) a amorce un degazage local du lac. Le degazage

s’est ensuite propage dans l’ensemble des eaux du lac (reaction en chaıne), conduisantainsi a la catastrophe.

Depuis 2001, une operation de degazage vise a eliminer progressivement le C02

contenu dans les eaux du lac, le systeme est le suivant :



eau

saturee

en CO2

200m

50m

Le pompage est realiseuniquement par un tube vertical (environ 200m). Le liquide prelevedans les eaux profondes du lac s’eleve dans la colonne, sa pression diminue et des bulles de gaz se forment

dans le liquide sature en C02 (comparable a une bouteille de boissongazeuse). La masse volumique moyenne du melange liquide+gaz contenu dans le tube etant plus

faible que celle du liquide du lac, le processus est auto-entretenu.

Le jet forme s’eleve a 50m au-dessus du lac. Le systeme fonctionne en permanence de maniere

100% autonome. Le degazage dissipe une quantite inoffensive (pour la popu-lation locale) de CO2 dans l’atmosphere.

I.3. Reseaux simples

Le circuit le plus simple est la boucle, utilisee pour les circuits de chauffage,

d’eau glacee (eau en regime 7/12C) en climatisation :



Un reseau peut etre a ecoulement gravitaire :

Dans le cas ou une pompe fait circuler l’eau, le reseau peut etre qualifie de (( sous charge ))

ou de (( en charge )) :

I.4. Reseaux ramifies, mailles

Exemple de reseau ramifie (distribution d’eau dans un batiment, ...) :



Exemple de reseau maille (distribution d’eau a l’echelle regionale, ...) :

L’avantage du reseau maille est qu’il permet d’intervenir sur certaines parties du reseau en

coupant l’alimentation en fluide a la plus petite partie possible du reseau. Il estcependant extremement delicat a calculer.

Le reseau Francais de transport du gaz naturel est un reseau maille, comportant plusieures commu-nications avec des reseaux etrangers :



II. Tubes et gaines

II.1. Caracteristiques dimensionnelles

Plusieurs designations possibles :

• 10 : diametre interieur de 10mm , diametre exterieur inconnu

• 10/12 : diametre interieur de 10mm , diametre exterieur 12 mm

• 10×1 : diametre interieur de 10mm, epaisseur de 1mm d’ou diametreexterieur de 12mm

• DN10 : Diametre Nominal numero 10, il s’agit d’une designation normalisee.

Attention a la designation en DN, le tableau suivant montre la correspondance entreDN et diametre interieur suivant la norme NF A 49-115 :

DN Dint en mm

12 12.615 16.120 21.725 27.332 3640 41.950 53.165 68.980 80.9100 105.3125 130.7

II.2. Materiaux

Les principaux materiaux sont : l’acier, le cuivre, la fonte, le PVC (Polychlorure

de vinyle), le PER (PolyEthylene Reticule). Le bronze (alliage de cuivre (Cu) et d’etain (Sn)) et

le laiton (alliage de cuivre (Cu) et de zinc (Zn) sont couramment utilises au niveau des raccords.

Les criteres de choix d’un materiau pour un tube sont les suivants :

• prix• resistance a la corrosion

• masse lineique• resistance mecanique

• disponibilite aupres du revendeur• durabilite (UV pour le PER par exemple)

• compatibilite avec l’usage (le plomb disparaıt a cause de sa toxicite)

• ...



II.3. Tubes, gaines et raccords particuliers

II.3..1 Tube multi-couches

surfaceexterieure

colle/adhesif

coucheintermediaire

surface interieure

L’avantage de ce type de tube est la flexibilite, l’adaptation aux besoins.

Par exemple on peut vehiculer un fluide corrosif avec une surface interieure enplastique et une surface exterieure en acier pour la resistance mecanique.

Un cas typique est constituee par les tubes isoles. Prenons l’exemple des batiments ter-tiaires, ces batiments sont en general climatises. La climatisation s’effectue souvent par une production

d’eau dite (( glacee )) (eau en regime 7/12C) dans le batiment. Les tuyauteries sont

realisees (le plus souvent) en acier. L’isolation exterieure de ces tuyauteries permet d’eliminer lacondensation a la surface exterieure ce qui elimine la corrosion de la surface exterieure de ces tuyaute-ries. On reduit aussi les deperditions thermiques la ou elles ne sont pas utiles, ce qui permet d’augmenter

le rendement global en augmentant le rendement de distribution.



II.3..2 Manchon anti-vibratile (d’apres d’une documentation Emiflex)

bride

caoutchoux arme

BBBBBBBBB

@@

@@

@@

Un manchon anti-vibratile permet de racorder deux tubes en creant une legere mo-bilite qui attenue la transmision des vibrations.

II.3..3 Raccord rapide (de marque John Gest)

Ce raccord est double, il permet la liaison de deux tubes. Ce type de raccord est classique en

automatisme pneumatique. Il comporte un joint torique et une pince mobile.



II.3..4 Gaine en materiaux fibreux (d’apres d’une documentation Naima)

Ce type de materiau permet un traitement passif du bruit en hautes frequences du fait

des proprietes acoustiques des milieux fibreux. Ces gaines sont fabriquees sur chantier

a partir de plaques d’isolant acoustique (laine de verre ou de roche, ...). Un

des modes de realisation est le suivant :



III. Organes de coupure

III.1. Vanne papillon (ici une vanne Sylax de marque Danfoss)

carre de manoeuvre

joint en elastomere

cannelures

aaaaa

@@

@@

@@

@@

@

Ce type de vanne peut etre commandee par un volant, une poignee ou un servo-moteur.

On note la presence d’un carre de manoeuvre, ici de forme hexagonale avec

detrompeur. Le detrompeur permet de connaıtre la position de la vanne lorsqu’elle est ins-

tallee. L’etancheite se fait au niveau du joint en elastomere deformable qui epouse la forme dupapillon central. La transmission mecanique de l’effort entre l’axe et le papillon se fait par le biais descannelures.

Cette vanne existe pour un diametre allant de 2.5cm a plus de 35cm. La pression de service(securite par rapport a la pression de rupture) que peut supporter cette vanne est de 25 bars.

On utilise habituellement ce type de vanne pour la coupure du circuit. De maniere

moins courante elle peut etre utilisee pour le reglage1 du debit dans le reseau.

1Le reglage sera delicat s’il est effectue a la main, la societe Belimo commercialise un servo-moteur dedie pour ce type

de vanne



III.2. Vanne a boisseau spherique

jointmanette de commande

tige de commande

siegecorps sphere (boisseau spherique)corpssphere

position de la manette de commande

Les vannes a boisseau spherique presente plusieurs avantages :

• ouverture/fermeture en quart de tour• perte de charge singuliere nulle lorsque la vanne est completement

ouverte

• la vanne peut etre totalement fermee• disponible sur un large panel de tailles



IV. Vanne de reglage

Il s’agit d’une vanne de caracteristique connue quelque soit sa position. Cette

vanne est munie de deux prises de pression. Ce type de vanne est utilisee pour equilibrerles installations de chauffage.

L’equilibrage d’un reseau hydraulique est un procede de mesure et de reglage visant

a obtenir les debits requis dans les differentes branches d’un reseau hydraulique (en generalmaille).

Vue d’une vanne Hydrocontrol F de marque Oventrop :

prises de pression

@@

@@

@@

A B

On releve, par l’intermediaire des prises de pressions, la pression statique au point A et au point B.

En connaissant la position de la vanne et la difference de pressionentre A et B on peut deduire le debit traversant la vanne.

En pratique chaque fabricant de vanne commercialise un appareil electronique effectuant automati-quement ces operations.



V. Regulation et limitation de pression

V.1. Limiteur de pression

Vue d’un limiteur de pression de marque Caleffi :



V.2. Regulateur de pression Twinbar

Soit une installation comportant une douche et un robinet a proximite l’un de l’autre.

Probleme : le puissage de l’eau au robinet peut influencer sur le debit et sur la temperaturede la douche, d’ou une douche a temperature fluctuante. Le regulateur Twinbar de marque GRK permetde supprimer la variation de temperature, seul le debit sera alors affecte :

VI. Purgeurs

VI.1. Purgeur a flotteur pour circuit d’eau

Exemple d’un purgeur de marque Caleffi :



VI.2. Purgeur de radiateur

Le gaz qui peut etre present dans un radiateur est la source de bruit et d’une diminution

de la puissance d’emission du radiateur. Le purgeur leplus simple est comparable a un robinet :

corps du radiateur

La purge s’effectue manuellement, on ferme le purgeur quand sort la premiere goutte d’eau sans air.

Il existe des purgeurs a disques hygroscopiques :

La disposition d’un purgeur a disques hygroscopiques est la suivante :



VI.3. Filtre a fioul avec separateur d’air integre

Il s’agit d’un filtre a fioul avec separateur d’air de marque Oventrop comme celui represente sur leschema de la chaufferie en page 13 .

On remarque que cote cuve la liaison se fait en mono-tube tandis que cote bruleur la liaison se faiten bi-tube.

vanne

d’a

rret

arri

vee

de

fioulen

mon

otube

bille

serv

ant

de

clap

etan

tire

tour

elem

ent

filtr

ant

godet

purg

e

flott

eur

soupap

e

reto

ur

de

fioul

du

bru

leur

dep

art

vers

lebru

leur



VII. Mesure de pression

VII.1. Manometres en U

On a (vue d’un manometre a colonne verticale de marque Kimo) :

A B

∆z

PB − PA = ρg∆z

Le manometre en U est donc un

instrument de mesure a reponse

lineaire

Le principe de la statique des fluides permet d’ecrire :

La relation entre la difference de hauteur et

la difference de pression est donc lineaire



VII.2. Manometre a tube incline

On a (vue d’un manometre a colonne inclinee de marque Kimo) :

vis de reglagede l’inclinaison

axe de rotation

niveau a

bulle

reservoir

de liquide

((((((((((((

α

Hypothese : on considere que le niveau de liquide dans le reservoirne varie pas.

Par definition de la fonction tangente : tan(α) =∆z

∆L.

Ainsi ∆z = tan(α)∆LLa variation de L etant beaucoup plus importante que celle de z, on ameliore fortement la precision de

mesure. Par contre il est necessaire de mettre l’appareil a l’horizontal. D’ou la presence du niveaua bulle et de la vis de reglage.

Ce manometre se rencontre souvent en genie climatique. Il sert souvent a donner uneindication sur le niveau d’encrassement des filtres a air :



VII.3. Manometre a tube de Bourdon

Note : L’aiguille baigne dans de la glycerine qui permet d’absorber les vibrations dues aux

petites fluctuations de pression.



VIII. Mesure de debit/Vitesse

VIII.1. Tube de Pitot

Le tube de Pitot est constitue de deux tubes concentriques, il presente 2 orifices servant

a la prise des pressions dynamique (en A) et statique (en B). On mesure ces deuxpressions a l’extremite opposee du tube de Pitot.

va A

B

PA

PB

Par definition de la pression dynamique : PA = PB + 12ρv2

A.

Ce qui donne vA =√

2ρ(PA − PB)

Le tube de Pitot permet donc d’obtenir la vitesse d’un fluide par la mesure d’une differencede pression, la relation entre les deux n’est pas lineaire :

vA

PA − PB



VIII.2. Anemometre a coupelles

L’anemometre a coupelles necessite un etalonnage experimental.



VIII.3. Anemometre a helice

L’anemometre a helice necessite un etalonnage experimental.

VIII.4. Tube de venturi

A

B

La conservation de l’energie se traduit par PA + 12ρv2

A = PB + 12ρv2

B , de plus

la conservation du debit se traduit par vBSB = vASA. Ce qui implique :

vA =

√

√

√

√

√

PA − PB

12ρ

(

(

SA

SB

)2

− 1

)

Cette relation n’est pas lineaire (comme pour le tube de Pitot).



VIII.5. Diaphragme

On a (vue d’un diaphragme de marque Spirax Sarco) :

Experimentalement on constate que ∆P = PA − PB = Zdiaphragme ∗ Q2

VIII.6. Rotametre

Le rotametre (de marque Krohne) de la page suivante comporte les elements suivants :

• 3 : le flotteur qui est strie, il est anime d’un mouvement de rotation

• 4 : un tube transparent comportant une echelle graduee

• 1 : une piece limitant le deplacement du flotteur. Le passagedu fluide est ainsi toujours possible.

• 2 : une enveloppe de protection• 7,8,9,10 : les differentes connectiques possibles



VIII.7. Debitmetre a effet vortex

On observe la formation de tourbillons derriere un obstacle dans un ecoulement de fluide :



On montre experimentalement que :

plage de mesure

S

v

Avec S le nombre de Strouhal definit par S =fL

vavec :

• f la frequence de detachement des tourbillons• L une dimension caracteristique de l’obstacle

• v la vitesse de l’ecoulement

Ce type de debitmetre permet d’obtenir le debit sur la plage ou leStrouhal est constant.

On mesure la frequence de vibration et on en deduit la vitesse de l’ecoulement.

En pratique, les debitmetres a effet vortex commerciaux donnent une information en tension (engeneral), l’electronique integree se chargant de mesurer la frequence de vibration...



VIII.8. Debimetre a ultrasons

emetteur d’ultrasons

recepteur d’ultrasons

Q

Le temps de reception depend du debit dans la conduite. Un circuit electronique

genere un train d’ondes et mesure le temps de parcours, il en deduit le debit du fluide.

IX. Mesure de temperature

IX.1. Thermometre a dilatation de liquide

petit diametre : capillaire

volume ’important’ de liquide



IX.2. Thermocouples

Il apparaıt une fem (force electro motrice) a la jonction entre deux metaux differents. Cette

fem depend de la temperature, il s’agit d’un effet thermoelectrique. En choisant bien les

metaux en contact, il est possible d’obtenir apres calcul une valeur fiable de la temperature de la

jonction a partir de la mesure de la fem. C’est l’idee de la mesure de temperature par thermocouples.

IX.3. Resistance electrique

La resistance electrique d’un fil depend de la temperature du fil :

T

R

La mesure de la resistance par un montage 4 fils permet de deduire la temperature :



X. Tete thermostatique et presse etoupe

X.1. Presse etoupe

La puissance d’emission d’un radiateur est regulee de maniere terminale par le presse

etoupe dont le schema suit et par une tete thermostatique.

corps de

vanne clapetraccord

de

compression

bi-cone

pre-reglage

joint

torique

tige du

clapet

La tige du presse etoupe est prevue pour etre actionnee par une tete thermosta-tique.



X.2. Tete thermostatique

Vue d’une tete thermostatique Danfoss pour radiateur :

bulbeincorpore

soufflet boutondereglage

ressort

dereglage

poussoir

clipse

Le liquide (ou le gaz) contenu dans le bulbe se dilate/contracte avec la temperature ce qui se

traduit par un mouvement du poussoir. Le mouvement du poussoir actionne le clapet en

appuyant sur la tige du clapet. Il s’en suit un controle du debit d’eau dans le radiateur qui influe

sur sa puissance d’emission. Les principaux fabricants de tete thermostatiques sont Danfoss,Heimeier, Honeywell, Oventrop, ...



XI. Mise hors gel par Tracage

On place un cable chauffant autour des tuyauteries et on isole autour de l’ensemble tuyauterie+cable.

On utilise des cables electriques dont la resistance depend de latemperature. Il s’agit alors d’une mise hors gel autoregulante : on a P =

U2

Ret

la puissance P diminue lorsque temperature augmente donc la resistance augementequand la temperature augemente, la tension d’alimentation etant constante.Sinon on utilise des cables resistifs (de resistance constante) avec une regulation electronique de latemperature. Tyco (alias Raychem) est le fabricant de reference de ce type de produit. Ce fabricantpropose des cables ronds et des cables plats.



Vue d’un cable rond Tyco non auto-regulant et d’un rubant Tyco auto-regulant :

Les rubans chauffants presentent l’avantage d’etre plus simples a installer (pas d’electronique de

regulation), mais ne permettent pas de maintenir des temperatures superieures a 65C. Ils nedoivent pas depasser 85C . Tandis que les cables non auto-regulants permettent

un choix aise de la temperature parprogrammation du regulateurde chauffage.Tyco propose des cables succeptibles de maintenir des temperatures jusqu’a 200C.



XII. Vase d’expansion

La masse volumique de l’eau est de 1000kg.m−3 a 4C , mais la dilatation conduita une diminution de la masse volumique comme le montre legraphique suivant :

955

960

965

970

975

980

985

990

995

1000

1005

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ρen

kg.m

−3

Temperature en C

Masse volumique de l’eau en fonction de la temperature

Comme la masse se conserve, il y a augmentation du volume. Un vase d’expansion

permet de limiter les variations de pression liees a la dilatation de l’eau dans lesinstallations de chauffage.

Il existe plusieurs types de vase d’expansion, le plus courant etant le vase a membranesuivit du vase a vessie. Les autres types de vases sont moins classiques pour les petitesinstallations et sont utilises pour les grandes installations.



Schema d’un vase a membrane (d’apres une documentation Salmson) :

Valve Schraeder de gonflageSchema d’un vase a vessie (d’apres une documentation Salmson) :

Le vase a vessie presente un lineıque de contact polymere/acier plus faible que pour

le vase a membrane. De plus la vessie est fortement serree contre l’acier tandis que la membrane

est pincee dans l’enveloppe metallique. Pour ces differentes raisons le vase a vessie est tech-niquement preferable au vase a membrane, cependant financierement son prix estplus eleve. Les principaux fabricants de vase d’expansion sont Flamco, Salmson et Pneumatex.

Dans le cas ideal on connaıt le volume d’eau ou capacite en eau C a l’arret, en pratique on

l’evalue souvent par le ratio suivant (par rapport a la puissance chaudiere) :

10L.(kW )−1

Exemple : Pour une installation comportant un chaudiere de puissance 25kW, la capacite en eau est

d’environ C = 10 ∗ 25 = 250L en premiere approximation.



Le volume d’expansion correspond a la difference entre le volume d’eau a temperaturemaximale et le volume d’eau a temperature minimale (a l’arret),soit :

Vexpansion = C

(

ρmini

ρmaxi− 1

)

En effet :Vexpansion = Vmaxi − Vmini

Or :

Vmini =masse d’eau contenue dans l’installation

ρmini= C

Vmaxi =masse d’eau contenue dans l’installation

ρmaxi

D’ou :Vexpansion = C

ρmini

ρmaxi− C

Soit le resultat annonce.

Exemple : Le chauffage fonctionne en regime 90/70C. On prend une hypothese securitairesuivant laquelle Tmini = 10C et Tmaxi = 90C . Ce qui donne ρmini =1000kg.m−3

et ρmaxi = 965kg.m−3des lors

Vexpansion = 0.0363C . Le volume d’expansion est donc de egal a 3,6% de la

capacite en eau. Pour la chaudiere de l’exemple precedent on a Vexpansion = 0.0363 ∗250 = 9L.

Si le vase est correctement place alors il travaille atemperature constante. Le vase est a temperature minimaleentierement rempli d’un volumeVtotal de gaz a la pression de gonflagePgonflage a temperature

maximale son volume a diminue d’un volume dit utile Vutile et la pression est egale a la pression

maximale choisie Pmax. La loi des gaz parfait donne le resulat suivant :

PgonflageVtotal = Pmax (Vtotal − Vutile)

Des lors le volume total du vase est donne par la formule suivante :

Vtotal = VutilePmax

Pmax − Pgonflage



Exemple : toujours sur la meme installation, on considere que son etendue verticale est de 13m. On

a alors Pgonflage = 2.5bar en effet la pression atmospherique a pour valeur (approxi-

mativement) 1bar, la colonne d’eau impose 1, 3bar et on arrondi le resultat. On

choisi Pmax = 4 + 1 = 5bar. On a alors Vtotal = 95

2.5= 18L. On

selectionnera le vase immediatement superieur dans les documentations fabricants.

XIII. Collecteur EC-EF (Eau Chaude - Eau Froide)

Sur le schema de la chaufferie presentee lors du coursde chaudieres et de bruleurs,

on avait note la presence de collecteurs EC-EF. La video de la societe Caleffi vous montreque ce type de collecteur n’est pas necessairement tres gros, contrairement a ce qui est represente sur leschema de la chaufferie. Les principaux fabricants de collecteur EF-EC sont Oventrop, Caleffi, ...

Il est important de noter que ce type de composant est vendu pret a etre monte dans

le commerce. De plus son installation se fait sans soudure, il en resulte un gain de tempsimportant a l’installation.

Vue issue d’une documentation Oventrop :



XIV. Sertissage

L’installation sans soudure est de plus en plus usitee dans le domaine du batiment. Dans les nom-

breuses techniques existantes, la technique du sertissage se developpe de plus en plus :

Les avantages du sertissage sont multiples :

• formation en moins d’une heure pour lesinstallateurs

• gain de temps et baisse du cout de l’instal-lation

• facilite de transport comparativement auxbouteilles de gaz




1) Valeur numerique de la capacite calorifique massique et de la masse volumique de l’eau ?

2) Valeur numerique de la capacite calorifique massique et de la masse volumique de l’air ?

3) Donnez un schema pour chacun des reseaux suivants :

• maille

• ramifie

• boucle

4) Donnez le schema d’un manometre en U. Quelle est la relation entre difference de pression etdifference de niveau ?

5) Qu’appelle-t’on tracer un reseau dans le cadre de la mise hors gel d’un reseau?

6) Quels sont les principaux types de vase d’expansion ?

7) Quel est l’avantage d’une gaine aeraulique en materiaux fibreux ?

8) Qu’est ce qu’une vanne d’equilibrage (appuyez votre reponse par un schema commente) ?

9) Donnez le schema d’un purgeur a flotteur. Comment fonctionne-t-il ?

10) Donnez le schema d’un purgeur a disques hygroscopiques. Comment fonctionne-t-il ? Ou le trouve-t-on ?

11) Sur le schema qui suit a quoi sert le niveau a bulle ? Sur quel composant peut-on jouer pour quel’indication du niveau a bulle soit correcte ?

12) Quel est le principe d’un debitmetre a effet vortex ?

13) Qu’est-ce que le bulbe d’une tete thermostatique ?

14) Quel est le volume total d’un vase d’expansion pour une chaudiere de 80kW en regime 80/60C,la hauteur du circuit de chauffage est de 25m, la pression maximale a pour valeur 5bar relatif ? (lesgraphiques et formules utiles seront donnees le jour de l’examen qui par contre sera sans calculatrice)

15) Est-il plus simple de sertir ou de souder ?


Cours 3

Pompes et ventilateurs

Contenu du coursI. Technologie des pompes et ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

I.1. Pompes : cas du circulateur de chauffage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

I.2. Ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

II. Introduction aux courbes de reseau et de machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

II.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

II.2. Courbe de machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

II.3. Courbe de reseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

II.4. Point de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

III. Courbes des machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

III.1. Cas des pompes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

III.2. Cas des ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

III.3. Courbes de ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

III.4. Montage en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

III.5. Montage en parallele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

IV. Courbes de reseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

IV.1. Modelisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

IV.2. ∆P0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

IV.3. Reseaux en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

IV.4. Reseaux en parallele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

V. Effet d’une vanne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

V.1. Le coefficient Kv : definition et interet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

V.2. L’autorite hydraulique d’une vanne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

V.3. Effet global d’une vanne : le diagramme a quatre cadrants . . . . . . . . . . 105

VI. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

VI.1. Selection d’un gicleur de F.O.D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

VI.2. Connaissance d’un reseau a partir de deux points . . . . . . . . . . . . . . . 108

VI.3. Mesure du debit par un diaphragme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

88 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS

I. Technologie des pompes et ventilateurs

I.1. Pompes : cas du circulateur de chauffage

Coupe d’un circulateur de marque Salmson :


COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 89

Les circulateurs utilises dans les installations de chauffage a ECBT1 sont le

plus souvent du type rotor noye : l’eau du circuit de chauffage sert a refoidir le moteur

electrique. Ces circulateurs sont actuellement installes systematiquement, les instal-

lations fonctionnant uniquement en thermosiphon pour faire circuler l’eau chaude ayanttotalement disparues au moins pour les installations neuves. Il existe un grand nombre de fabricants :

Salmson, Grundflos, Wilo, ... Chaque fabricant (ou presque) propose un logiciel metier pour

la selection des pompes, il ne faut desormais que quelques minutes (une dizaine) pour

selectionner une pompe adaptee a ses besoins (ou a ceux des clients).

Lorsqu’une installation ne fonctionne pas pendant une longue duree (plusieurs mois),

il est possible que la pompe se grippe. Dans ce cas il est possible de degommer lapompe, c’est-a-dire de degripper le rotor a l’aide d’un tourvenis apresavoir retire la vis dediee a cette operation :

1Eau chaude basse temperature : temperature inferieure a 110C



Les circulateurs traditionnels (sans commande electronique) sont en general

mono ou tri-vitesse Vue du boitier de connexion electrique d’un circulateur a troisvitesses :

On repere :

• Le condensateur de demarrage, qui est obligatoire en mo-nophase.

• Le selecteur de vitesse : petite, moyenne ou grande vi-tesse

La variation de la vitesse de rotation se fait par augmentation (ou reduction) du nombre de pairesde poles du circuit electrique au stator :

GV PV

MV

L : Phase

N: Neutre

selecteur rotatif

enroulement enroulement principalde demarrage

condensateur de demarrage

Avec bien entendu :

• PV : Petite Vitesse• MV : Moyenne Vitesse• GV : Grande Vitesse



I.2. Ventilateurs

Vue d’un ventilateur centrifuge a action (de marque Helios) :

bride de refoulement circulaire

plot anti-vibratoire

moteurvolute XXXXXXXXXXXXXXXXXXX

porte metallique

@@

@@

@@

@@

@@

@@roue outurbine

Le moteur est solidaire de la porte, la roue est constitue de tole pliee. L’aspiration de

l’air se fait par l’ouie d’aspiration du cote oppose au moteur.

Les ventilateurs centrifuges sont dits a action ou a reaction suivant l’orientation des aubes par rapportau sens de rotation :

Ventilateur a (( action )) Ventilateur a (( reaction ))

aubes inclinees vers l’avant aubes inclinees vers l’arriere



II. Introduction aux courbes de reseau et de machine

II.1. Introduction

On s’interesse au fonctionnement global des installations. Le but recherche n’est pas la connaissance

parfaite (au pourcent pres), mais une connaissance approximative a 10 pourcent pres (aumaximum) des installations. Ceci se justifie par les points suivants :

• il y a toujours un ecart entre conception et realisation• les installations vivent : modifications, encrassement, deteriorations, ...

• le calcul des installations coute cher (temps humain impor-tant)

• les conditions de fonctionnement sont variables : du debit pro-bable des eaux a consommation humaine aux conditionsclimatiques.

Les reseaux sont finalement toujours calcules pour desconditions pro-bables, critiques, extremes ....

• ...

Dans ce cours on suppose les ecoulements incompressibles, la masse volumique ne peut

dependre que de la temperature.

II.2. Courbe de machine

En regime permanent une machine hydraulique/aeraulique estcaracterisee parsa courbede fonctionnement :

∆Ppompe = fpompe(Q)

Pe Ps

Q

Avec :

• ∆Ppompe = Ps − Pe : la variation de pression entre l’entree et

la sortie de la machine

• Q : le debit traversant la machine



On represente graphiquement la courbe caracteristique :

∆Ppompe

Q

II.3. Courbe de reseau

De la meme maniere un reseau est caracterise par sa courbe de fonctionnement :

∆Preseau = freseau(Q)

Pe Ps

Q

Avec :

• ∆Preseau = Pe − Ps : la variation de pression entre la sortie etl’entree du reseau

• Q : le debit traversant le reseau

On represente graphiquement la courbe de reseau :

∆Preseau

Q



II.4. Point de fonctionnement

La machine et le reseau sont installes en serie :

Q

En regime permanent on a : ∆Ppompe = ∆Preseau

Graphiquement cela se traduit par le point d’intersection des courbescaracteristiques de machine et de reseau. Le point d’intersection est appelle pointde fonctionnement :

∆P = ∆Ppompe = ∆Preseau

QQf

∆Pf



III. Courbes des machines

Les differents fabricants de machines fournissent les courbes caracteristiques des

machines qu’ils produisent. De plus en plus le catalogue est complete ou remplacepar un logiciel de selection.

Les donnees sont souvent fournies en metres de colonne d’eau. Il s’agit d’un

abus classique sur les unites :

• 1bar = 105Pa : il s’agit d’une egalite

• Quand les unites ne sont pas egales mais que l’on peut les utiliser par

representation on utilise le symbole∧

= (represente par). Sous l’eau

(( on prend )) 1bar tous les 10m (relation bien connue en plongee2) soit :

1bar∧= 10mCE

On peut aussi ecrire 10Pa∧= 1mmCE , CE etant l’abbreviation de colonne

d’eau. On utilise les termes (( hauteur manometrique )) (HM) et (( hauteur manometrique totale ))

(HMT) pour designer la ∆Ppompe exprimee en mCE.

La pression est homogene a une energie volumique soit 1Pa = 1J.m−3, mais aussi a

une force par unite de surface 1Pa = 1N.m−2

III.1. Cas des pompes

Courbe d’une pompe a vitesse de rotation fixe (circulateur UPS 25-50 Grundfos) :

Il s’agit d’un circulateur a trois vitesses de rotation. Le domaine de fonctionne-

ment est facilement identifiable (trait epais). Le fabricant ajoute des courbes de reseau(boucle) sur le graphique qui permettent de connaıtre rapidement l’evolution du point de fonc-

tionnement dans le cas ou l’on ne change que la vitesse de rotation.

2et par tous les etudiants lors du cours de statique des fluides



On utilise de plus en plus des pompes avec regulation electronique. Dans ce cas

la vitesse de rotation n’est plus fixe. On obtient alors les courbes suivantes :

Ce circulateur possede 5 reglages de fonctionnement + une fonction ralenti. Lademarche est la suivante, on selectionne une des courbes de fonctionnement (1 a 5). L’electronique du

circulateur regulera la vitesse de rotation de maniere a avoir en permanence un point

de fonctionnement sur la courbe choisie. Si la temperature de l’eau descend en dessousd’un certain seuil, alors le circulateur passe automatiquement en moderalenti et le point de fonctionnement sera alors sur la sixieme courbe (et ce quelque soit la courbe debase choisie).

III.2. Cas des ventilateurs

III.3. Courbes de ventilateurs

Les courbes caracteristiques des ventilateurs sont les suivantes :

Q

∆P

action

reaction

∆Qreaction

∆Qaction



On remarque que la courbe caracteristique d’un ventilateur a reaction est sem-blable a celle d’une pompe.

Comparaison :

• Action :

• ∆P relativement constante• Puissance fortement variable

• Moins bruyant• Reaction :

• Meilleur rendement

• Q plus constant lors d’une variation du coefficientZ du reseau

III.4. Montage en serie

HMT1 HMT2

HMTt

Qt

Le debit se conserve d’ouQt = Q1 = Q2, et HMTt = HMT1+HMT2. Lors de l’association

serie de deux machines, on additionne les hauteurs manometriques totales pour un memedebit :

0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2

HM

Ten

mC

E

Debit Q en m3.h−1

Courbes caracteristiques de pompes en serie

pompe 1 seulepompe 2 seulecouplage serie



En placant plusieurs points, par decalage vertical, il est possible de determinergraphiquement la courbe resultant de l’association de deux machines en serie.

L’association serie de deux machines augmente la hauteur manometrique pour un debitidentique.

III.5. Montage en parallele

Qt

HMTt

On a : HMTt = HMT1 = HMT2 et Qt = Q1 + Q2.

Lors de l’association serie de deux machines, on additionne les debits pour une meme hauteur ma-nometrique totale :

0

1

2

3

4

5

6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

HM

Ten

mC

E

Debit Q en m3.h−1

Courbes caracteristiques de pompes en parallele

pompe 1 seulepompe 2 seule

couplage parallele

En placant plusieurs points,par decalage horizontal, il est possible de determinergraphiquement la courbe resultant de l’association de deux machines en parallele.

L’association parallele de deux machines augmente le debit pour une meme hauteur ma-nometrique.



IV. Courbes de reseau

IV.1. Modelisation

On modelise la courbe de reseau de la maniere suivante : ∆Preseau = ∆P0 + Z.Q2

Le terme modele est a prendre au sens que lui a donne J.BRETTE membre du departementde mathematiques du Palais de la Decouverte :

(( Modele : schema simplifie et symbolique permettantde rendre compte economiquement d’une realite quel-conque ))

Dans la modelisation proposee, a savoir ∆Preseau = ∆P0 + Z.Q2 les differents termes sont :

• ∆P0 : variation de pression entre la sortie etl’entree du reseau a debit nul

• Z : coefficient caracteristique du reseauL’origine de ∆P0 se situe dans l’effet thermosiphon et les differences de niveau.

L’origine du coefficient Z se situe dans les pertes par frottement internedans les fluides qui se traduisent par une perte d’energie et une variation depression (les deux etants lies). On appelle pertes de charge, l’ensemble Z.Q2, que

l’on note generalement J .

On a alors la relation suivante : ∆Preseau = ∆P0 + J

Note : suivant cette modelisation la connaissance de deux points differents sur la courbe permet dedeterminer entierement la courbe (cf exercice).

IV.2. ∆P0

On a ∆P0 = ρg∆z s’il n’y a pas d’effet thermosiphon :

Q

∆P

ρg∆z

∆z

entree

sortie



IV.3. Reseaux en serie

On connait en general les caracteristiques des reseaux par sous-reseau. Il faut rassembler les ca-

racteristiques des sous-reseaux pour en deduire la caracteristique globale.En serie, on ob-tient ∆Pt = ∆P1 + ∆P2 et Q1 = Q2 = Q.

On a donc ∆POt = ∆P01 + ∆PO2 et Zt = Z1 + Z2

Soit :

∆z1

∆z2

∆zt

entree

sortie

On a ∆z1 = 5m et ∆z2 = −2m ce qui donne ∆zt = 3m. De plus on donne les va-

leurs des coefficients Z : Z1 = 1.3mCE.m−6.h2 et Z2 = 0.6mCE.m−6.h2 ce qui donne Zt =1.9mCE.m−6.h2

. On en deduit le graphique :

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

HM

Ten

mC

E

Debit Q en m3.h−1

Courbes caracteristiques de reseaux en serie

reseau 1reseau 2

reseau total



IV.4. Reseaux en parallele

En parallele on a ∆P1 = ∆P2 = ∆Pt, ∆P01 = ∆P02 = ∆P0t et

Qt = Q1 + Q2

On a donc1

√Zt

=1

√Z1

+1

√Z2

. En effet : Q1 =

√

∆Pt

Z1

, Q2 =

√

∆Pt

Z2

et

Qt = Q1 + Q2 =

√

∆Pt

Ztsoit

entree

sortie

∆z

On a ∆P0∧

= 2.5mCE, les valeurs des coefficients Z sont Z1 = 1.3mCE.m−6.h2 et Z2 = 0.6mCE.m−6.h2

ce qui donne Zt = 0.21mCE.m−6.h2. On en deduit le graphique :

0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

HM

Ten

mC

E

Debit Q en m3.h−1

Courbes caracteristiques de reseaux en serie

reseau 1reseau 2

reseau total

Remarque : il est possible de tracer graphiquement la courbeequivalente a deux reseaux en serie ou en parallele (comme pour les courbes de machines)



V. Effet d’une vanne

V.1. Le coefficient Kv : definition et interet

Une vanne est un element de reseau qui possede son propre coefficient Zvanne.

La majorite des vannes permettent une fermeture complete de la vanne. Ce qui se traduit par

Zvanne ∈ [Zmin,∞] ce qui n’est absolument pas pratique.

C’est pourquoi pour les vannes, on prefere utiliser le Kv.

Kv est definit par la relation suivante : ∆Pvanne =

(

Q

Kv

)2

.

On a ainsi Zvanne =1

K2v

En page 61, se trouve la representation d’une vanne dite de reglage. On trouve dans la documentation

de la vanne la valeur du Kv en fonction de la position de la vanne. Ainsi la vanne de

reglage permet de regler et de determiner (pour autant que l’on puisse mesurer la pressiondifferentielle aux prises de pression) le debit.

Note :

• Kv en parallele : Kvt = Kv1 + Kv2

• Kv en serie : Kvt =Kv1.Kv2

√

K2v1 + K2

v2

V.2. L’autorite hydraulique d’une vanne

On desire regler le debit d’un reseau par une vanne. La question est la suivante :

La vanne doit-elle etre petite ou grosse ?Nous allons formuler un debut de reponse a cette question.

Soit le sous-reseau suivant :

∆P

Q

On considere que notre sous-reseau est negligeable devant le reste du reseau. Cette hy-

pothese se traduit par : ∆P est constanteLa difference de pression ∆P entre l’entree et la sortie du sous-reseau est la somme de la perte de

charge de la tuyauterie ∆Pt et de la perte de charge de la vanne ∆Pv :

∆P = ∆Pt + ∆Pv (3.1)



Par definition du Kv (et du Kt), on a :

∆Pt =

(

Q

Kt

)2

(3.2)

∆Pv =

(

Q

Kv

)2

(3.3)

Kt est constant, par contre Kv peut varier. Kv est minimal (nul) vanne fermee et maxi-mal vanne ouverte. On note Kv100 sa valeur lorsque la vanne est ouverte a 100% et on suppose une

relation lineaire entre l’ouverture de la vanne φ et le Kv soit :

Kv = Kv100 ∗ φ (3.4)

L’autorite (nominale) de la vanne est definie par la relation suivante :

an =∆Pv100

∆Pv100 + ∆Pt100(3.5)

an peut varier entre 0 et 1 :

• an = 0 si la vanne est tres (( grosse )) par rapport au reseau.

• an = 1 si la vanne est tres (( petite )) par rapport au reseau.

On desire donc determiner l’influence de l’autorite nominale de la

vanne sur la possibilite de regler le reseau.

On ecrit 3.5 en utilisant 3.2 et 3.3 :

an =

(

Q100

Kv100

)2

(

Q100

Kv100

)2

+

(

Q100

Kt

)2(3.6)

On simplifie Q100 :

an =

1

K2v100

1

K2v100

+1

K2t

(3.7)

Que l’on peut aussi ecrire :

an =1

1 +

(

Kv100

Kt

)2(3.8)

D’ou :

1 +

(

Kv100

Kt

)2

=1

an(3.9)

Soit :(

Kv100

Kt

)2

=1

an− 1 (3.10)



On va maintenant travailler a partir de la relation entre ∆P et Q, on ecrit 3.1 en tenantcompte de 3.2 et de 3.3 :

∆P =

(

1

K2v

+1

K2t

)

Q2 (3.11)

On a aussi (par definition) :

∆P100 =

(

1

K2v100

+1

K2t

)

Q2100 (3.12)

Or on suppose que notre sous-reseau est (( petit )) ∆P est alors suppose constant, d’ou :

∆P100 = ∆P (3.13)

En (( divisant )) 3.11 par 3.12, on obtient que le debit (sous forme adimensionnee) qverifie :

q2 =

(

Q

Q100

)2

=

1

K2v100

+1

K2t

1

K2v

+1

K2t

(3.14)

Soit en tenant compte de 3.7 :

q2 =

1

an

1

K2v100

1

K2v

+1

K2t

(3.15)

D’ou :

q2 =1

anK2v100

(

1

K2v

+1

K2t

) =1

an

(

(

Kv100

Kt

)2

+1

φ2

) (3.16)

On peut simplifier 3.16 grace a 3.10 et obtenir l’expression finale suivante :

q =

√

√

√

√

1

1 − an +an

φ2

(3.17)



On peut tracer un graphique de la relation 3.17 :

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Deb

itadim

ensi

onne

q

Ouverture de la vanne φ

Influence de l’autorite nominale sur le reglage du sous-reseau

an = 1an = 0.5an = 0.1

an = 0.01

Cette analyse montre qu’il faut choisir une vanne petite par rapport au reseau si l’on veut

pouvoir regler facilement le debit dans le reseau. En pratique an = 0.5 est un bonchoix.

V.3. Effet global d’une vanne : le diagramme a quatre cadrants

On se place dans la situation suivante :

∆P cst

La vanne sert donc a regler la puissance d’emission du radiateur. Il existe une demarche gra-

phique permettant de determiner l’influence de la vanne sur la puissance d’emission, c’est le

diagramme a quatre cadrants.



φ

PPmax

qqmax

Kv

Kv100

1

1

1

1

4 1

3 2

Avec :

• 1 : l’influence de la vanne sur la puissance d’emission. Cettecourbe est tracee point par point

• 2 : la relation entre l’ouverture φ de la vanne et son Kv

• 3 : l’influence de la vanne sur le debit du sous-reseau considere

• 4 : la relation entre le debit traversant l’emetteur de chaleur etsa puissance d’emission (voir p43)



VI. Exercices

VI.1. Selection d’un gicleur de F.O.D

Le marquage (page 38) d’un gicleur donne le debit de fioul en kg.h−1 sous une pres-sion de 10bar, soit le graphique suivant pour la serie des gicleurs OD de la societe Danfoss :

0123456789

10111213141516171819202122232425

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

Pre

ssio

nd’e

ntr

eedu

gic

leur

(bar

rela

tif)

Debit massique Q (kg.h−1)

Courbes de gicleurs suivant le calibre

10bar rel

Calibre du gicleurLes calibres sont : 1.46, 1.66, 1.87, 2.11, 2.37, 2.67, 2.94, 3.31, 3.72, 4.24, 4.45, 4.71, 5.17, 5.84 , 6.08,

6.55.

On a ∆P = Pgicleur − Patm = Pgicleur/atm : il s’agit de la pression relative (par rapport a

l’atmosphere). De plus Pgicleur/atm = 10

(

Q

Calibre

)2

.

On desire selectionner un gicleur pour une chaudiere de 80kW, de rendement global 0,9. La pompea fioul etant limitee a 16bar.

On a P = η

m PCI d’ou

m=P

ηPCI. Le PCI du fioul est de 12kWh.kg−1. Soit

m=

80

0, 9.12=

7.4kg.h−1.

Le gicleur de calibre 5.84 semble critique, on choisira celui de calibre 6.08, on aura alors

une pression d’entree gicleur de 15bar rel.



On reglera cette pression, lorsque le fioul circule (electrovanne ouverte) :

0123456789

1011121314151617181920

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

Pre

ssio

nen

bar

rela

tif

Debit massique Q (kg.h−1)

Pompe a fioul et gicleur de calibre 6.08

entree gicleursortie pompe

Note : La courbe d’une pompe a fioul est tres proche d’une droite horizontale, la technologie

particuliere de ce type de pompe regulant la pression de sortie.

VI.2. Connaissance d’un reseau a partir de deux points

On connaıt les deux points (∆P1, Q1) et (∆P2, Q2), quelle est la valeur de ∆P0 et du coefficient Z ?

∆P0 et Z verifient les relations :

(1) : ∆P1 = ∆P0 + Z.Q21

(2) : ∆P2 = ∆P0 + Z.Q22

Par difference :

∆P2 − ∆P1 = Z.(Q22 − Q2

1)



D’ou :

Z =∆P2 − ∆P1

Q22 − Q2

1

Et ainsi :

∆P0 = ∆P1 −∆P2 − ∆P1

Q22 − Q2

1

Q21

VI.3. Mesure du debit par un diaphragme

La perte de charge d’un diaphragme est de 10mmCE pour un debit de 1000l.h−1. On mesure une∆P de 40mmCE, quel est le debit ?

Le coefficient Z du diaphramme est :

Z =∆P

Q2=

10mmCE

(1000l.h−1)2

D’ou le debit pour 40 mmCE :

Q =

√

∆P

Z=

√

40 ∗ 1000 ∗ 1000

10= 2000l.h−1




1) A quoi correspond l’operation de degommage d’une pompe ?

2) Tracez l’allure caracteristique d’une pompe (∆P − Q).

3) Tracez l’allure de la caracteristique d’un reseau simple.

4) Qu’est-ce que le point de fonctionnement d’une pompe et d’un reseau?

5) Donnez la relation d’equivalence entre metres de colonne d’eau et :

• Pascal

• Bar

6) Definisez le Kv d’une vanne.

7) Qu’est-ce que le coefficient Z ?

8) Selectionnez un gicleur pour une chaudiere de 25kW, la pression etant limitee a 12bar. Avecjustification. (avec le graphique de la page 89)

9) Comment determiner graphiquement la courbe caracteristique de deux pompes identiques fonc-tionnant en serie a partir de la courbe d’une pompe seule ?

10) idem en parallele.

11) La perte de charge d’un diaphragme est de 10mmCE pour un debit de 1000l.h−1. Quelle sera saperte de charge pour un debit de 2000l.h−1 ?

12) Quelle autorite nominale faut-il choisir par defaut pour une vanne de reglage?


Cours 4

Compresseurs


II. Installation d’air comprime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

II.1. Vue d’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

II.2. Schema de principe d’une installation standard . . . . . . . . . . . . . . . . 114

II.3. Petit compresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

II.4. Compreseur de taille moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

II.5. Evaluation de la condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

II.6. Secheur d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

II.7. Deshuileur pour condensats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

III. Les differentes technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

III.1. Compresseur a piston de refrigerateur menager . . . . . . . . . . . . . . . . 120

III.2. Compresseur a piston de machine frigorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

III.3. Compresseur a lobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

III.4. Compresseur a engrenage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

III.5. Compresseur a vis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

III.6. Compresseur scroll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

III.7. Compresseur mono-vis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

IV. Complements sur le compresseur a piston . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

IV.1. Clapets discus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

IV.2. Description geometrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

IV.3. Trace de principe du cycle dans le diagramme P − Vchambre . . . . . . . . . 136

IV.4. Etude de la compression 1 → 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

IV.5. Cas a deux etages de compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

IV.6. Courbe caracteristique d’un compresseur a piston . . . . . . . . . . . . . . . 140

112 COURS 4. COMPRESSEURS

I. Introduction

Un compresseur sert a mettre un fluide compressible sous pression. On utilisedes compresseurs pour :

• la production d’air comprime

• la propulsion : turboreacteurs

• la production de froid par compression• les process industriels

• ...

Vue du turboreacteur Trent 1000 de Rolls-Royce :

On repere facilement dans l’ordre :

• la soufflante• le compresseur BP (basse pression)• le compresseur HP (haute pression)• la chambre de combustion annulaire

• la turbine HP• la turbine BP

L’etude detaillee du turboreacteur fait l’objet d’un cours specifique en deuxieme annee


COURS 4. COMPRESSEURS 113

II. Installation d’air comprime

II.1. Vue d’ensemble

L’air comprime :

• automatisme pneumatique : securite anti-explosion quasi-

ment totale, rapport puissance/volume tres important, grande flexi-bilite, ...

• pulverisation : production de sprays pour l’humidification, lapeinture ...

• creation de vide (peu pousse) par effet Venturi• force motrice : verins pneumatiques, moteurs a air com-prime,...

• soufflettes d’atelier• gonflage de pneumatiques

L’air dans les conditions ambiantes est unfluide compressible humide (quelques

gramme de vapeur d’eau par kilogramme d’air) se comportant en premiere approximation comme ungaz parfait.

Une installation d’air comprime est caracterisee par :

• la(les) pression(s) delivree(s)• son debit

• sa capacite de stockage• ses variations de pression/debit• le taux d’huile dans l’air comprime

• l’humidite de l’air comprime

• le prix de l’air comprime

On trouve dans le commerce des dispositifs de :

• 2 a 80bar (eventuellement plus mais ca devient tres marginal)

• 10 a 20000m3.h−1(meme remarque)

• sans huile, avec deshuileur, avec huileur• sans/avec secheur d’air• refroidi a l’air sans/avec ventilateur, a l’eau, avec un fluide fri-gorigene

• capacite de stockage de quelques litres a 1000m3

• avec separateur d’azote (compresseur GN d’ATLAS COPCO parexemple) pour gonflage de pneumatiques

• qualite medicale pour reseaux specifiques ou la proprete de l’air

comprime est essentielleIUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008


II.2. Schema de principe d’une installation standard

compresseur refroidisseur

separateur

d’eau

secheur reservoir de

stockage

filtre filtre

vanne

II.3. Petit compresseur

Vue d’un petit compresseur Atlas Copco :

Il s’agit du compresseurdomestique type : un reservoir de petite taille,

un moteur de quelques kW avec une transmission par courroie vers un compresseur

a 2 pistons. La roue de la courroie sert aussi de ventilateur pour refroidir le bloccylindre. Un manometre indique la pression de l’air contenu dans le reservoir.



II.4. Compreseur de taille moyenne

Schema d’un compresseur a vis de taille moyenne (Atlas Copco) :

air comprime

huile

fluide de refroidissement



Il s’agit d’un compresseur utilise pour de petits besoins dans l’industrie : garage auto-mobile, petit atelier de peinture, ... La technologie de ce compresseur est singulierement differente :

• le filtre/silencieux d’entree est relativement grand• lubrification soignee par un circuit dedie• la pompe a huile est une pompe a engrenage interieur• presence d’un filtre a huile• l’huile est refroidie par un echangeur de chaleur• un circuit de refroidissement a fluide dedie(eau, fluide frigorigene)

est present

• un silencieux est present a la sortie du compresseur

• liaison souple pour ne pas transmettre les vibrations

II.5. Evaluation de la condensation

On rappelle que la pression totale de l’air humide (melange d’air et de vapeur d’eau) est

egale a la somme des pressions partielles de l’air sec (pa) et de la vapeur d’eau pv,soit p = pa + pv.

On note pvs,θla pression partielle de saturation de la vapeur d’eau dans l’air a la temperature

θ. CADIERGUES du COSTIC1 a propose la relation suivante : pvs,θ= 10( 7625θ

241+θ+2.7877). On obtient

graphiquement :

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Pre

ssio

nde

satu

ration

enPa

Temperature en C

Courbe de saturation de l’air humide

1COmite Scientifique et Technique des Industries Climatiques



Ainsi la pression partielle de saturation de la vapeur d’eau dans l’air augmente rapidementavec la temperature.

On definit l’humidite specifique commme etant le rapport de la masse de vapeurd’eau contenue dans un volume d’air humide a la masse d’air sec contenue dans le meme volume :

rs =mv

ma= d

pv

p − pv

avec d la densite de la vapeur d’eau par rapport a l’air : d = 0.622

On definit l’humidite relative comme etant le rapport entre la pression partielle dela vapeur d’eau dans l’air et la pression de saturation pvs,θ

a la temperature de l’air :

Ψ =pv

pvs,θ

Des lors :

rs = dΨpvs,θ

p − Ψpvs,θ

Application : On comprime de l’air initialement a patm, d’humidite relative 40% a 8 bar absolu.Question : en supposant que la temperature finale et initiale sont toutes deux de 20C, quelle est lamasse d’eau en g.kg−1

air sec qui va se condenser ?

A l’instant initial :

rs1 = 0.622

0.4 ∗ 2400

100000 − 0.4 ∗ 2400= 0.006kgeau.kg−1

air sec.A l’instant final :

rssat = 0.622

1 ∗ 2400

800000 − 1 ∗ 2400= 0.0019kgeau.kg−1

air sec.

Ainsi il se condense rs1 − rs

sat = 0.0041kgeau.kg−1air sec

On suppose de plus que le debit Q est de 10m3.h−1, quelle masse d’eau a condensee au bout d’uneheure de fonctionnement ?

Il a circule une masse ρair ∗ Q ∗ ∆t = 1.2 ∗ 10 ∗ 1 = 12kgair, onneglige ici la difference de masse volumique entre l’air sec et l’air humide.

Soit mcondensats = (rs1 − rs

sat) ∗ ρair ∗Q ∗∆t = 0.0041 ∗12 = 0.0492kgeau, donc environ 5cL de condensats seront produits en une heure defonctionnement.



II.6. Secheur d’air

Schema de fonctionnement d’un secheur d’air Quasar de marque Hiross :

entree

aircomprime

sortie air comprime

evacuation de la chaleur

sur un reseau secondaire

purge des

condensats

Un secheur d’air de ce type est essentiellement constitue d’une machine frigorifique.

Le secheur comporte un echangeur de chaleur qui sert a refroidir l’air com-prime entrant a l’aide de l’air comprime sortant, ce qui rechauffe l’air com-prime sortant. On realise ainsi des economies d’energie. Le fonctionnementde la partie frigorifique sera etudie dans le prochain cours.



II.7. Deshuileur pour condensats

Les condensats recuperes par le secheur d’air comportent de l’huile utilisee pour la

lubrification du compresseur. La loi sur l’eau impose des niveau d’huile residuelstres faibles, il est donc necessaire de separer l’eau et l’huile dans les condensats.

Vue d’un deshuileur de marque Air Comprime Energie :

Du fluide charge en condensats penetre au niveau du repere 1, l’air s’il y en a

ressort en partie superieure apres avoir perdu les goutellettes de condensats qu’ilpossedait.

Les condensats se separent de maniere gravimetrique dans le bac numero 2 : l’eauplus dense que l’huile se situe en bas.

L’huile lorsqu’elle atteint le niveau superieur s’ecoule dans le tuyau de trop pleinnumerote 3.

L’eau remonte dans un tube separe (numero 4), elle est evacuee par un tuyau de trop pleinlorsque son niveau le permet.

Ce deshuileur a donc un fonctionnement tres simple qui necessite peu d’en-

tretien. Il faut cependant veiller a vider regulierement le bac collecteur d’huile.



III. Les differentes technologies

III.1. Compresseur a piston de refrigerateur menager

Le compresseur d’un refrigerateur menager est qualifie de moto-compresseurhermetique. En effet dans un refrigerateur le moteur est integre dans le com-presseur au sein d’une enveloppe metallique hermetique.

Vue en coupe d’un compresseur hermetique de marque Danfoss :

silencieux

@@

@@

@@

entree du

fluide

frigorigene

sortie du

fluide

frigorigene

pompe a huile

ressort de

suspension



On remarque que le fluide frigorigene arrivant depuis l’exterieur passe par le mo-teur, ce qui permet de le refroidir. Une fois comprime le fluide frigorigene passe par le si-lencieux de refoulement, puis passe dans le rechauffeur d’huile : on

fluidifie l’huile en la rechauffant, d’ou une amelioration de la lubrification. L’arbre

mecanique est perce, le passage ainsi cree sert de circuit d’huile de lubrifica-tion.

Le moteur est monte verticalement en appui sur des ressorts, le compresseur etant

lui-meme sur des appuis en polymere visco-elastique. Ces dispositions permettent d’absor-

ber l’essentiel des vibrations du moteur, et ainsi de reduire de maniere significative le bruitdu moteur.

III.2. Compresseur a piston de machine frigorifique

Vue eclatee d’un compresseur a pistons de marque Bitzer :

Les elements essentiels sont :

• le vilbrequin (arbre manivelle) pour lesquels deux technologies sont possibles

• les pistons

• la plaque a clapets

• la pompe et le filtre a huile pour la lubrification

• les vannes de service



Il existe deux technologies de vilbrequins qui sont associees a deux types de bielles :

On note :

• la presence de segments. Il existe en effet un ecart fonctionnel entre lepiston et sa chemise, l’etancheite est obtenue par le biais des segments.

• les bielles sont suivant le type de vilbrequin soit monobloc, soit en

deux parties liees entre elles par le biais de deux vis.

• les vilbrequins sont munis d’un circuit de lubrification.



Le circuit de lubrification est usine par percage et est bouche par des bouchons visses :

On remarque les bielles sont percees, ce qui permet de lubrifier l’axe des pistons.

La pompe a huile est du type engrenage interieur, l’huile est accumulee dans le

carter et est pompee au travers du filtre a huile :



La plaque a clapets fait l’objet d’une attention particuliere chez les fabricants, puisque ses ca-racteristiques influencent directement le rendement du compresseur.

Les clapets visibles sont les clapets de refoulement, ils sont fixes a la plaque a clapets par

l’intermediaire d’une tige filtee et d’un ecrou.

La vanne de service permet :

• l’isolement du compresseur pour cela il faut tourner le

carre de manoeuvre situe sous le capuchon en plastique

• le remplissage en fluide frigorigene de l’installation, ainsi que le

tirage au vide. Ceci par l’intermediaire de la valve Schraeder protegee

par un capuchon metallique.• le raccordement au reste de l’installation. Ici par un raccord a souder,

qui est lui-meme visse sur la vanne de service.

• la valve Schraeder peut aussi servir a la mesure ponctuelle des pressionsd’entree/sortie du compresseur.



III.3. Compresseur a lobes

Les compresseurs a lobes possedent plusieurs types de lobes : lobes classiques (2 ou 3) ou non. Leslobes non classiques (parfois appelles (( dents ))) sont apparus avec l’amelioration des moyens de calculset d’usinage (usinage sur commande numerique).

Coupe d’un compresseur a lobes (3) classiques :

On note la presence de pieces d’usure (en cuivre, plastique). Il existe en effet un frot-tement important entre les lobes et le bati. Attention le contact entre les lobes est nor-

malement du type contact sans glissement, comme pour des engrenagesa developpante de cercle.



Vue des (( lobes )) (non classiques) d’un compresseur Atlas Copco :

On remarque que le profil est absolument non trivial.



III.4. Compresseur a engrenage

Coupe d’un compresseur a engrenages :

Ce type de compresseur est surtout utilise en hydraulique de puissance.



III.5. Compresseur a vis

III.5..1 Forme des vis

Vue des vis d’un compresseur a vis frigorifique de marque Bitzer :

On retiendra que le profil des vis n’est absolument pas triangulaire.



III.5..2 Carter et tiroir

Vue du carter et du tiroir de regulation :

On remarque l’emplacement reserve aux vis et celui du tiroir de regulation



III.5..3 Economiseur et tiroir

Un des avantages du compresseur a vis est sa capacite a fonctionner a charge partielle.

Un autre avantage est la possibilite d’obtenir une pseudo-machine bi-etagee en froid par le biais

de l’economiseur :

Entree du

fluide frigorigene

EconomiseurSortie

du fluide frigorigene

Entree de l’huile

de lubrification

En plus du mecanisme classique de commande du tiroir par l’huile de lubri-fication, on note la presence d’une arrivee de fluide frigorigene supplementaire auniveau du tiroir. L’introduction de fluide frigorigene diphasique (avec des gouttes de liquide) permet de

refroidir le gaz a comprimer et d’augmenter le rendement du compresseur.



III.6. Compresseur scroll

Il s’agit d’un compresseur surtout utilise pour les machines frigorifiques. Un scroll

est constitue de deux spirales mobiles :

Le principe du compresseur scroll date du debut des annees 1900. Cepen-dant les difficultes de realisation necessitant des machines a commande numerique ont considerablementretarde l’apparition sur le marche du compresseur scroll.



La compression s’effectue en trois etapes :

• le gaz est aspire• la poche de gaz est comprimee entre les spi-rales

• le gaz comprime est refoule



III.7. Compresseur mono-vis

Vue d’une coupe d’un compresseur mono-vis de marque Compair :



IV. Complements sur le compresseur a piston

IV.1. Clapets discus

Il existe toujours un volume mort dans un compresseur a piston, il est essentiel

de le reduire au maximum. Une technologie developpee par certains fabricants pour reduirele volume mort est la technologie (( discus )).

Soit un compresseur de type discus :

Ici le piston s’eloigne de la plaque a clapet, le clapet d’admission est ouvert.

On trouve, dans un compresseur a piston de type discus :

• une plaque a clapets adaptee• un clapet annulaire d’aspiration

• un clapet de refoulement rigide qui se deplace en translation dont

la mise en position est assuree par un ressort (lame souple).

• un passage assurant la libre transmission de la pression derriere leclapet de refoulement.



IV.2. Description geometrique

Le piston varie entre le PMB et le PMH :

• PMB : Point Mort Bas : position du piston pour la-quelle le volume de la chambre de compres-sion est maximal.

• PMH : Point Mort Haut : position du piston pour laquelle le volume

de la chambre de compression est minimal.Le diametre du cylindre est appelle alesage, la distance PMB-PMH est ap-

pellee course. La cylindree d’un cylindre est egal au volume parcouru par le piston :

Cylindree = Courseπ.Alesage2

4

On appelle volume mort le volume qui n’est jamais parcouru par le piston, soit le volume

de la chambre au PMH.

On appelle debit theorique le volume balaye par le piston pendant une unitede temps. Si la vitesse de rotation est N(tr.s−1) alors on a la relation suivante :

Qtheorique = Cylindree.N

On definit le rendement volumetrique ηv comme etant le rapport entre ledebit reel et le debit theorique :

ηv =Qreel

Qtheorique



IV.3. Trace de principe du cycle dans le diagramme P − Vchambre

Le cycle d’un compresseur a piston est le suivant :

• 1 → 2 compression

• 2 → 3 refoulement a pression constante• 3 → 4 detente du gaz contenu dans l’espace mort• 4 → 1 aspiration

Il n’y a pas d’echange de matiere (systeme ferme) lors des etapes

1 → 2 et 2 → 3, contrairement aux deux autres etapes. Comme toutes les etapes ne sont pas en systemeferme, on ne considere pas le volume du gaz mais celui de la chambre de compression.

On distingue quatre types de compresseur : ideal, theorique simplifie, theorique,reel.

Le compresseur ideal :

• pas de pertes d’entree-sortie• volume mort nul• compression suivant une loi simple

On obtient le diagramme P − Vchambre suivant :

PMB

PMH

HP

BP 1

23

4Vchambre

P

Ce compresseur est tres eloigne de la realite en premier lieu a cause du fait qu’il existetoujours un volume mort. Le gaz contenu dans le volume mort se detent lors de

3 → 4. Ce qui conduit a une diminution importantedu rendement volumetrique.

Le deuxieme modele de compresseur est le compresseur theorique simplifie

• pas de pertes d’entree-sortie

• volume mort pris en compte• compression et detente suivant des lois simples



Dans le diagramme P − Vchambre on obtient :

PMBPMH

HP

BP 1

23

4Vchambre

P

Le rendement volumetrique est pour ce compresseur :

ηv = V1−V4V1−V3

On voit donc graphiquement l’influence tres importante de l’espace mort surle rendement volumetrique.

Note : Le travail sur un cycle est donne par l’aire du cycle. Ce modele relativement simple donne uneidee realiste du travail. Par contre le rendement volumetrique donne par ce modele n’est pas realiste. Ilfaut donc modifier ce modele.

Le troisieme modele de compresseur est le compresseur theorique

• pertes d’entree-sortie constantes• volume mort pris en compte

• compression et detente suivant des lois simples

Dans le diagramme P − Vchambre on obtient :

PMBPMH

HP

BP1

1’

23

4’4

Vchambre

P

Le rendement volumetrique devient :

ηv ≈V1′ − V4′

V1 − V3

Remarque : la precedente formule n’est pas tout a fait exacte, en effet le cylindre et le piston sontchauds. Le gaz aspire etant rechauffe lors de l’aspiration, le rendement volumetrique est legerement plusfaible que ce que donnerait la formule donnee.



Ce modele donne une valeur tout a fait acceptable du travail et du rendement volumetrique. Il estcependant assez lourd dans les calculs.

Enfin pour le compresseur reel, le diagramme P − Vchambre est :

PMBPMH

HP

BP1

1’

23

4’

4 Vchambre

P

Il apparaıt des oscillations de clapet qui conduisent a des pertes d’entree sortie non constantes. L’aire

de ce cycle donne le travail reel que l’on nomme travail indique (par le diagramme).

Toute la difficulte de la thermodynamique des compresseurs a piston est liee aux points suivants :

• instationnarite• systeme ouvert• compressions et detente non ideales• echanges de chaleur complexes• ...

Complement : demonstation relative au travail du piston. En thermodynamique, il est possible detraiter (( facilement )) les systemes dits fermes. Pour les systemes ouverts, il n’est possible de donner deselements que quand le systeme est stationnaire, ... Ce qui est le cas pour les turbines a vapeur, tur-boreacteurs... Dans le cas des compresseurs a piston l’instationnarite penalise toute approche theoriquesimple.

Dans le cas ou l’on dispose du diagramme P −Vchambre on a le droit d’ecrire que le travail du piston(pour un cycle) est donne par la formule suivante :

Wpiston = −∮

PdVchambre

En effet δWpiston =−→F fluide/piston.d−→x piston = −PSdxpiston = −PdVchambre

Ainsi on supprime une difficultee liee au systeme (fluide) ouvert en effectuant non pas le bilan sur lefluide mais sur le piston.



IV.4. Etude de la compression 1 → 2

La compression 1 → 2 se deroule en systeme ferme, il n’y a pas d’echange demasse.

La compression d’un compresseur parfaitement isole (+ hyposthese de reversibilite) est isen-tropique. A l’inverse la compression d’un compresseur parfaitement refroidi est isotherme.

Entre ces deux extremes on modelise souvent l’evolution par des compressions polytropiquespour lesquelles PV k = constante avec k le coefficient polytropique de la compression.

Le coefficient k prend les valeurs suivantes :

• k = 1 : compression isotherme

• k ∈]1, γ[ : compression polytropique de coefficient k

• k = γ : compression isentropique (adiabatique reversible)

Les evolutions sont les suivantes :

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175

Pre

ssio

nen

bar

abso

lu

Vchambre en L

isothermepolytropique : k=1.2

isentropique

Dans ce graphique le point commun est le suivant : P = 1bar et V = 0.167L

Le travail est donc nettement plus faible lorsque la compression est iso-therme.

Le travail du piston est le suivant : W1→2 = −∫ 2

1

PdVchambre =P2V2 − P1V1

k − 1si la compression

n’est pas isotherme. Pour une compression isotherme le travail est W1→2 = P1V1ln

(

V1

V2

)



IV.5. Cas a deux etages de compression

La compression est bi-etagee sur la plupart des compresseurs :

Entree SortieCompresseur BP

Refroidisseur

Compresseur HP

Cette disposition permet :

• d’augmenter le rendement en se rapporchant de la com-

pression isotherme• d’augmenter le taux de compression (il existe une

limite de taux de compression par etage)

• ...

La pression intermediaire est en general la suivante (resultat d’une optimisation energetique) :

Pi =√

HP.BP .

Le debit masse etant le meme a chaque etage, le debit volume est plus faible a l’etageHP qu’a l’etage BP ainsi la cylindree HP est plus faible que la cylindree BP.

IV.6. Courbe caracteristique d’un compresseur a piston

En pratique le compresseur a piston est quasi-volumetrique (par rapport a unemachine centrifuge de type pompe). On obtient la courbe caracteristique de fonctionnement suivante :

τ

Q

Qth

1

Avec τ le taux de compression defini par :

τ =HP

BP

Experimentalement on verifie que l’on a la relation suivante : ηv = a− b ∗ τ avec avariant entre 0.6 et 1, b variant entre 0.02 et 0.07.




1) Qu’est-ce qu’un compresseur bi-etage ?

2) Definissez une compression polytropique.

3) Qu’est-ce qu’un compresseur a vis ?

4) Quelle est la source des condensats dans une installation d’air comprime ?

5) Comment fonctionne un deshuileur gravimetrique?

6) Decrivez un compresseur de refrigerateur menager.

7) En quoi consiste la technologie (( discus )) ?

8) Qu’est-ce qu’un compresseur scroll ?

9) Pour augmenter le rendement d’un compresseur, il faut le refroidir ou l’isoler ? pourquoi ?

10) Quels sont, en plus du compresseur, les elements standard d’une installation d’air comprime ?

11) Quel est l’ordre de grandeur de la masse d’eau par m3 d’air dans les conditions atmospheriques ?


Cours 5

Machines Frigorifiques


II. Une machine connue : le refrigerateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

III. Le cycle frigorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

III.1. Presentation du cycle frigorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

III.2. Le diagramme des frigoristes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

III.3. Le cycle frigorifique dans le diagramme des frigoristes . . . . . . . . . . . . . 151

III.4. Exercice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

IV. Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

IV.1. Vue d’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

IV.2. Detenteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

IV.3. Pressostats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

V. Autres organes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

V.1. Vanne solenoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

V.2. Voyant liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

V.3. Filtre dessicant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

V.4. Bouteille anti-coup de liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

VI. Une machine frigorifique particuliere : la pompe a chaleur . . . . . . . . . . . . . . . 170

VI.1. Principe de la pompe a chaleur (PAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

VI.2. La PAC reversible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

144 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES

I. Introduction

Produire du froid, pourquoi ?

• conservation des aliments classiques : le froid reduit l’activite biologique(bacteries, virus, ...) et permet ainsi de conserver les aliments classiques.

• nouveaux aliments : le froid a permis le developpement de nou-veaux produits : glaces et sorbets.

• climatisation : en distribuant de l’eau glacee (en regime 7/12C), onpeut maintenir la temperature des locaux a 19C quelque soit les temperaturesexterieures.

• decoupe des caoutchouc : il est extremement difficile dedecouper meme grossierement les caoutchouc a temperature ambiante. Cependanta faible temperature (−50C et moins) les caoutchouc durcissent et leur decoupeest alors possible.

• cryochirurgie : la glace est moins dense que l’eau liquide, l’eau descellules en cristallisant augmente de volume et conduit a la mort des cellules suitea l’explosion des membranes cellulaires.

• liquefaction des gaz : l’azote et l’oxygene ne sont liquefiables qu’atres basse temperature.

• thermographie infrarouge : la moitie des cameras infra-rouges sont refroidies a basse temperature afin de limiter le bruit (dans les mesures)d’origine thermique.

• ...


COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 145

II. Une machine connue : le refrigerateur

Le refrigerateur menager est la machine frigorifique la plus simple et la plus

repandue.

Un fluide frigorigene via ses changements d’etats (gaz/liquide) permet de

faire passer la chaleur de la source froide (zone abasse temperature) vers la sourcechaude(zone a haute temperature).

Une vue schematique est la suivante :

Freezer

Grille noire

Compresseur

1

23

4

Le cycle frigorifique est le suivant :

• 1→2 : le fluide gazeux est comprime dans le compresseur.

• 2→3 : le fluide va passer progressivement de l’etat gazeux a l’etat liquide dans le

condenseur (la grille noire). Le fluide frigorigene doit transmettre pour

cela la chaleur liee au changement de phase a l’air de la piece.

• 3→4 : la pression du fluide diminue dans un detendeur capillaire(tube de petit diametre)

• 4→1 : le fluide s’evapore (ie passe de liquide a gaz) dans l’evaporateur(le (( freezer ))) et absorbe la chaleur de l’air du refrigerateur et des aliments.

De maniere generale, on prefere remplacer le detendeur capillaire par un (vrai)detendeur, c’est-a-dire un composant qui detend le fluide frigorigene et qui regule la bassepression.



III. Le cycle frigorifique

III.1. Presentation du cycle frigorifique

Une machine frigorifique de base comporte les elements suivants :

• un compresseur (vis, mono-vis, piston, scroll, ...)

• un condenseur

• un detendeur• un evaporateur

La disposition physique d’une machine frigorifique est la suivante :

Evaporateur

Condenseur

CompresseurDetendeur

HP : Haute Pression

BP : Basse Pression

1

23

4

Passage progressif du fluide de : liquide a gaz

Un (vrai) detendeur a besoin d’une information sur l’etat du fluide a la

sortie de l’evaporateur (entree du compresseur) pour pouvoir reguler l’installation. Pour cela le

detendeur est muni d’un bulbe :

Evaporateur

Detendeur

tube de liaison

Le bulbe contient du fluide frigorigene dont la temperature est celle de la

conduite du fluide frigorigene de l’evaporateur, ce qui determine la pression dans le bulbe.

Le detendeur se sert de cette pression pour reguler la detente du fluide frigorigene.



III.2. Le diagramme des frigoristes

Les frigoristes utilisent de maniere courante le diagramme log(P)-h :

log(P)

h

liquide

liquide + gaz

gaz

courbe de saturation

On peut tracer un ensemble de courbes caracteristiques dans ce diagramme, la premiere etant la

courbe d’isotemperature denommee (( isotherme )) :

log(P)

h

isotherme



L’isotherme est verticale dans la zone liquide, horizontale dans le melangeliquide+gaz, une courbe descendante dans la zone gaz.

Remarque : l’isotherme n’est horizontale (pour le melange liquide-vapeur) que pour lesfluides frigorigenes se comportant comme des gaz purs. On qualifie ces fluides frigorigenes

d’azeotropiques. Le cas des fluides zeotropiques depasse l’objectif de ce cours et sera traitedans le cadre du cours de machines frigorifiques en deuxieme annee.

zeotrope ou zeotropique : (du grec zeın (bouillir) et tropos (action de tourner))

se dit d’un melange liquide qui bout a temperature variable en perdant sa composition fixe.

La deuxieme courbe caracteristique est l’isentrope ou courbe de meme entropie :

log(P)

h

isen

trop

e

isen

trop

e

Les isentropes sont des courbes inclinees vers la droite. On rappel que la notation classique de

l’entropie est (( s )).



La troisieme courbe est la courbe caracterisant le poucentage de vapeur (en masse) dans le melange.

On definit le titre que l’on note x :

x =masse de la vapeur dans le melange

masse totale du melange

Ces courbes sont appellees isotitres :

log(P)

h

isot

itre

On trouve en general les isotitres pour x= 0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9. La courbe desaturation cote liquide correspond bien entendu a x=0 et la courbe de saturation cote gaza x=1.



On trouve ensuite les courbes d’isovolume (massique) ou isochores :

log(P)

h

isochore

Bilan :

log(P)

h

isotherme

isochore

isot

itre

isen

trop

e isen

trop

e



III.3. Le cycle frigorifique dans le diagramme des frigoristes

Soit la machine suivante :

Evaporateur

Condenseur

CompresseurDetendeur

HP : Haute Pression

BP : Basse Pression

1

23

4

Passage progressif du fluide de : liquide a gaz

Les evolutions thermodynamiques sont :

• 1 → 2 : proche d’une evolution isentropique• 2 → 3 : a pression constante• 3 → 4 : a enthalpie constante• 4 → 1 : a pression constante

Le cycle dans le diagramme des frigoristes est donc :

log(P)

h

1

2

4

3HP

BP

surchauffe a

l’aspiration : 5 a 8K

sous-refroidissement ala sortie ducondenseur :5 a 8K

Le trait discontinu correspond a l’isentrope passant par le point 1.



Le diagramme des frigoristes permettant d’obtenir l’enthapie du fluide frigorigene, on peut effectuer

quelques calculs, le debit massique du fluide frigorigene est note

m :

• la puissance frigorique est :

Qf=

m (h1 − h4)

• la puissance fournie au fluide frigorigene par le compresseur est :

W=

m (h2 − h1)

• la puissance calorifique a evacuer au condenseur est :

Qc=

m (h3 − h2)

• le COP (Coefficient Of Performance) est :

COP =

Qf

W=

h1 − h4

h2 − h1

On peut facilement exprimer le COP de carnot : COPcarnot :

• le bilan energetique donne : W + Qf + Qc = 0

• pour une machine reversible :

Qf

Tf+

Qc

Tc= 0

On en deduit : W = −Qf

[

1 +Qc

Qf

]

etQc

Qf= −

Tc

Tf

Soit COPcarnot =Qf

W=

Tf

Tc − Tf

ATTENTION : dans cette formule il faut exprimer Ten K (Kelvin)

Rappel : T (K) = 273.16 + θ(C)On definit :

• le rendement : η =COP

COPcarnot

• le taux de compression : τ =HP

BP

Le COPcarnot est donc tres eleve lorsque la temperature de condensation est proche de la

temperature d’evaporation, et diminue rapidement lorsque l’ecart de tempe-rature augmente. Les figures de la page suivante illustrent cette evolution.



On peut tracer l’evolution du COPcarnot pour Tf = 5C :

0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

CO

Pcarn

ot

Tc en C

COPcarnot pour Tf = 5C

On peut tracer l’evolution du COPcarnot pour Tc = 35C :

0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

CO

Pcarn

ot

Tf en C

COPcarnot pour Tc = 35C



III.4. Exercice

On considere une machine :

• fluide frigorigene : R134a

• temperature d’evaporation : Tf = 0C

• temperature de condensation : Tc = 50C

• surchauffe : SC = 12K

• sous-refroidissement : SR = 12K

• temperature en fin de compression : T2 = 70C

On va tracer pas a pas le cycle dans le diagramme log(P)-h suivant :

Note : ce diagramme a ete trace par le logiciel (( coolpack )) qui est gratuit et disponible sur internet.

On desire aussi determiner :

• le COPcarnot de ce cycle

• l’enthalpie au point 1,2,3 et 4

• la HP et la BP

• le taux de compression

• le COP du cycle

• le rendement du cycle



On connait les temperatures de condensation et d’evaporation, on peut donc calculer le COPcarnot :

COPcarnot =Tf

Tc − Tf=

273.16 + 0

50 − 0= 5.46

La premiere etape du trace consiste a tracer les iso-pressions du condenseur et de

l’evaporateur. Pour cela, on utilise la connaissance de la temperature de condensation et

de la temperature d’evaporation. De plus le R134a est un fluide azeotropique, ainsi

il y a une correspondance univoque entre la pression et la temperature sous la courbe desaturation. Des lors :

BP

HP

La BP est donc voisine de 3bar. La HP est comprise entre 10 et 20 bar. L’echelle

etant logarithmique, sa lecture n’est pas triviale.On a : Loga(20) − Loga(2)

∧

= 5.9cm et Loga(HP ) − Loga(2)∧

= 4.8cm

D’ou HP = 2 ∗(

202

)

4.8

5.9

!

= 13bar d’apres 5.7

Le taux de compression est donc : τ = HPBP = 4.3



Lire une echelle logarithmiqueOn se place en base a (a superieur strictement a 1,a=e (2.7183...) ou 10 par exemple).

loga(P1) loga(Pinc) loga(P2)

loga(P )

LP1−Pinc

LP1−P2

Les valeurs P1 et P2 sont connues et on desire connaıtre la valeur de Pinc.On a les relations :

LP1−Pinc= k (loga (Pinc) − loga (P1)) (5.1)

LP1−P2= k (loga (P2) − loga (P1)) (5.2)

k etant un coefficient du trace graphique

On peut ecrire 1k de deux manieres differentes d’ou :

1

k=

loga (Pinc) − loga (P1)

LP1−Pinc

=loga (P2) − loga (P1)

LP1−P2

(5.3)

Or loga (x) − loga (y) = loga

(

x

y

)

, ainsi :

loga

(

Pinc

P1

)

=LP1−Pinc

LP1−P2

loga

(

P2

P1

)

(5.4)

D’ou :

Pinc = P1 ∗ expa

[

LP1−Pinc

LP1−P2

loga

(

P2

P1

)]

(5.5)

Et comme expa(xy) = (expa(x))y

:

Pinc = P1 ∗(

expa

[

loga

(

P2

P1

)])

„

LP1−PincLP1−P2

«

(5.6)

Et finalement, la formule utilisee en page precedante :

Pinc = P1 ∗(

P2

P1

)

(

LP1−PincLP1−P2

)

(5.7)

Le resultat est independant de la base a choisie pour le logarithme et du coefficientk du trace graphique.



Ensuite on place le point 1 en utilisant la valeur de la surchauffe a savoir 12K, par decalage graphiquede l’isotherme 10C :

log(P)

h

BP

h1

BP

HP

isotherme Tf + SC

On en deduit l’enthalpie au point 1 : h1 = 410kJ.kg−1



On procede de meme pour placer le point 2 (T2 = 70C) :

log(P)

h

HP

BP

HP

h1 h2

isotherme T2

D’ou l’enthalpie au point 2 : h2 = 446kJ.kg−1.



Et encore de meme pour le point 3 (SR = 12K), le point 4 sera deduit en tracant la verticale passantpar le point 3 :

log(P)

h

HP

BP

HP

h1 h2h3

isotherme Tc − SR

D’ou l’enthalpie au point 3 et 4 : h3 = h4 = 250kJ.kg−1



Enfin on supprime les traits inutiles, pour ne laisser que le cycle :

Et on a :

• le COP : COP = h1−h4h2−h1

= 4.4

• le rendement : η = COPCOPcarnot

= 0.8



IV. Regulation

IV.1. Vue d’ensemble

sonde de temperature

filtre d’aspiration

bulbe du detendeurprise de pressiondu detendeur

bouteilleanti-coupde liquide

detendeur aegalisationexterne

vannesolenoide

voyant liquide

filtredeshydrateur

regulateurde vitesse

vannemanuelle reservoir

de liquide

pressostat differentiel

separateur d’huile

pressostats : PPP

BP

HP



IV.2. Detenteurs

Il existe 5 types de detendeurs :

• detendeur (a tube) capillaire• detendeur thermostatique a egalisation interne• detendeur thermostatique a egalisation externe• detendeur electronique a impulsions• detendeur electronique proportionnel

IV.2..1 Detendeur capillaire

Le detendeur capillaire est le detendeur le plus simple, il s’agit en fait d’un tube de petitdiametre qui provoque une forte perte de charge. Ce detendeur ne regulepas l’installation.

Il existe plusieurs fabricants/distributeurs de tubes capillaires. Refco (par exemple) commercialise

les tubes suivants (en bobines de 30m) :

φint en mm 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.25 1.3 1.4 1.5 1.6 1.8 1.9 2.0 2.3φext en mm 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.45 2.5 2.6 2.7 2.8 3.0 3.1 3.2 3.5

Les diametres etant faibles, il existe des outils pour verifier facilement les dimensionsdes tubes capillaires (documentation Refco) :



IV.2..2 Detendeurs thermostatiques

Les detendeurs thermostatiques sont desvannes commandees de maniere automatique enou-verture/fermeture de maniere continue. Le detendeur thermostatique cherche a obtenir

une surchauffe a la sortie de l’evaporateur fixe :

log(P)

h

1

surchauffe a

l’aspiration : 5 a 8K

La position de la vanne est commandee par la difference entre la pression du fluide

frigorigene qui regne dans le bulbe et la pression

• a l’entree de l’evaporateur : egalisation interne• a la sortie de l’evaporateur : egalisation externe

Le detendeur a egalisation interne est utilisable si la perte de charge de l’evaporateur est

faible (moins de 0,4bar), dans le cas contraire il faut utiliser un detendeur a egalisation externe.



Soit un detendeur thermostatique a egalisation interne :

Evaporateur

Detendeur

tube de liaison

Le bulbe contient un fluide frigorigene a l’etat de melange, le fluide qu’il contient est azeotro-

pique. Ainsi la temperature du bulbe impose la pression dans le bulbe :

log(P)

h

1

isotherme

Pbulbe



Coupe d’un detendeur thermostatique a egalisation interne de marque Emerson :

bulbe

capillaire de liaison

soufflet

vis de reglage

pointeau solidaire de la tige de commande

&%'$

AA

AA

AA

A

trou d’equilibrage

La position du souflet est imposee par les forces exercees par :

• la pression dans le bulbe (liee a la temperature a la sortie de l’evaporateur)

• la pression a l’entree de l’evaporateur• la force exercee par le ressort

La vis de reglage sert a regler la valeur de la surchauffe a atteindre.

Le detendeur peut etre :

• trop petit : la puissance frigorifique ne sera pas atteinte du faitd’un debit de fluide frigorigene insuffisant

• adapte : tout se passe bien• trop gros : le pompage (variation du debit) est tres important



Dans le cas ou la perte de charge de l’evaporateur est importante, il

faut utiliser un detendeur a egalisation externe. La pression n’est plus prise a l’entree

de l’evaporateur mais a la sortie de l’evaporateur, pour cela il faut rajouter une

prise de pression externe :

Evaporateur

Detendeur

tubes de liaison

On rajoute donc un tube depetit diametre dans le but de transmettre audetendeurla valeur de la pression a la sortie de l’evaporateur.

IV.2..3 Detendeurs electroniques

Historiquement pour les fortes puissances, on installait des vannes commandees par despilotes...

Cette technologie est en train de disparaıtre au profit des detendeurs electroniques.

Les detendeurs electroniques sont des vannes commandees par :

• un electro-aimant : detendeur electronique a impul-sions. La regulation s’effectue par variation du rapport cyclique. Le detendeurs’ouvre et se ferme regulierement, on fait varier le rapport du temps d’ouverturesur le temps du cycle (ouverture-fermeture).

• un moteur pas a pas : detendeur electronique propor-tionnel. La regulation s’effectue par ouverture/fermeture progressive de lavanne.



IV.3. Pressostats

Les pressostats servent a :

• la conduite de l’installation : pressostat differentiel d’huile ...

• la protection de l’installation : pressostat de securite HP ...

Schema de principe d’un pressostat de marque Danfoss :

Vis de reglage

contact HPcontact BPcontact commun

souffletXXXXXX

Le fluide frigorigene exerce un effort sur le soufflet, ce qui deplace la tige de com-mande. La tige de commande est liee avec le contact electrique mobile. On

note la presence d’un reglage (du niveau de pression de declenchement) par molette en partiesuperieure.

Il existe une multitude de pressostats :

• a rearmement manuel/automatique• HP/BP/differentiel

• pour fluide frigorigene/huile• mecanique/electronique

• ....



V. Autres organes

V.1. Vanne solenoide

Une vanne solenoide comporte un electro-aimant qui agit sur un pointeau/membrane

pour ouvrir ou fermer la vanne.

Coupe d’une vanne solenoide de marque Sporlan :

V.2. Voyant liquide

Un voyant liquide s’installe apres le condenseur. Il permet de controler l’etat du fluide :

presence ou absence de gaz. Les voyants liquides donnent en general une indica-tion sur l’humidite du fluide frigorigene par l’intermediaire d’une substance qui change

de couleur en fonction de sa teneur en eau.



V.3. Filtre dessicant

Un filtre dessicant fixe l’eau contenue dans le fluide frigorigene. L’eau est prejudiciable aplusieurs titres :

• formation de glace aux points froids qui empeche le passage dufluide frigorigene

• reaction chimique avec l’huile de lubrification entrainant la forma-tion d’acides

• corrosion

• ...

Il existe des filtres dessicants de tailles tres diverses, la masse du materiau absorbant

l’humidite allant de quelques grammes pour un refrigerateur menager a plusieurs kilo-grammes pour une installation de taille moyenne.

V.4. Bouteille anti-coup de liquide

Si la surchauffe est insuffisante (voire negative) a l’aspiration du compresseur, alors le

compresseur peut aspirer des gouttes de liquide. Il est possible que le compresseur aspire

un lot de gouttes voir meme un bouchon de liquide, dans ce cas le compresseur sera

endommage. Afin de supprimer ce risque, il est possible d’installer une bouteille anti-coup deliquide :

sortie entree

gaz

liquide



VI. Une machine frigorifique particuliere : la pompe a chaleur

VI.1. Principe de la pompe a chaleur (PAC)

Une pompe a chaleur est une machine frigorifique inversee, on ne s’interesse plus au froid pro-duit a l’evaporateur mais a la chaleur produite au conden-seur.

VI.2. La PAC reversible

Un cas particulier de PAC est la PAC reversible (d’apres une documentation Carrier) :

exterieur

exterieur

interieur

interieur

: cas ete

: cas hiver

mur

mur



Dans une pompe a chaleur reversible le fluide circule toujours dans le meme sens pourle compresseur. L’inversion du sens de circulation pour les condenseurs/evaporateurs se

fait par une vanne dediee dite vanne 4 voies d’inversion de cycle.

La vanne 4 voies d’inversion de cycle est pilotee par une electrovanne externe.

L’electrovanne commande par l’intermedaire du fluide frigorigene la position d’un ti-roir dans la vanne 4 voies, dont le mouvement se traduit par une inversion de cycle.

1

2

3 4

EV

• EV : electrovanne de la vanne pilote• 1 : refoulement du compresseur• 2 : aspiration du compresseur• 3 et 4 : entrees-sorties des condenseurs-evaporateurs



1) Quel est le schema de principe d’une machine frigorifique elementaire ?

2) Qu’est-ce que le bulbe d’un detendeur ? A quoi sert-il ?

3) Tracez-un diagramme log(P)-h elementaire ? Quelle est la signification des differentes courbes ?

4) Soit COPcarnot =Tf

Tc − Tf, completez le tableau suivant :

Tc (C) Tf (C) COPcarnot

40 10 9.4340 540 0

50 1050 550 0

5) Qu’est-ce qu’un filtre dessicant ?

6) Definissez le COP d’une machine frigorifique.

7) Quelle relation existe-t-il entre l’enthalpie en entree/sortie de l’evaporateur et la puissance frigo-rifique ?

8) Qu’est-ce que la surchauffe ?

9) Que regule un detendeur thermostatique ?

10) Quels sont les differents types de detendeurs electronique ?

11) Quel est le nom du composant permettant l’inversion de cycle dans une PAC reversible ?

12) Qu’est-ce qu’une PAC?

Cours 6

Complements

Contenu du coursI. Chaudieres et bruleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

I.1. Capacite gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

I.2. Production de l’eau chaude sanitaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

I.3. Evolution du rendement des chaudieres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

II. Reseaux de fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

II.1. Bouteille de decouplage hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

III. Pompes et ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

III.1. Caracteristiques de vannes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

IV. Compresseurs et machines frigorifiques : economiseur . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

174 COURS 6. COMPLEMENTS

I. Chaudieres et bruleurs

I.1. Capacite gaz

La capacite gaz est installee entre le detendeur et le bruleur. Elle sert a

creer un volume tampon a la pression d’alimentation, ce qui ameliore la stabilite de la

pression d’alimentation en gaz.

arrivee

de gazdetente capacite gaz bruleur et chaudiere

Le volume de la capacite (en L) est egal au millieme du debit de gaz en m3.h−1

Exemple : Soit une chaudiere gaz de puissance 72kW pour laquelle le rendement global est de 90%,quel est le volume de la capacite gaz a installer ?

On utilise le PCI du gaz naturel (10.4kWh.m−3(n)) pour determiner le debit de

gaz en fonctionnement nominal :

Q =P

ηPCI=

72

0.9 ∗ 10.4= 7.7m3.h−1

Le volume de la capacite gaz est donc de 7.7LLa capacite gaz est souvent constituee par une canalisation de fort diametre.

On desire que la capacite gaz soit taillee dans un tube de longueur 1.3m, quel doit etre son diametre ?

Le volume V d’un cylindre de diametre D et de longueur L est V =πD2L

4Des lors le diametre interieur de la canalisation doit etre superieur a :

D =

√

4V

πL=

√

4 ∗ 0.0077

π ∗ 1.3= 0.0869 = 8.7cm


COURS 6. COMPLEMENTS 175

I.2. Production de l’eau chaude sanitaire

Il existedeux modes principaux de production de l’ECS(Eau ChaudeSanitaire) : production instantannee ou production a accumulation

En production instantannee, la temperature de l’eau chaude varie fortement. Tandis

que le volume d’eau tampon en accumulation garanti une temperature a peu presconstante aux points de puissage.

Dans une installation a accumulation, la preparation de l’ECS et son stockage se fait dans un BECS

(Ballon Eau Chaude Sanitaire) :

isolation

sur toute

la peripherie

anodetrou pour sondede temperature

arrivee chaudiere

depart chaudiere

arrivee EFS

depart ECS

Il n’y a pas de contact direct entre l’eau du circuit de chauffage et l’ECS. L’echange

de chaleur entre les deux fluides se fait au travers de la paroi metallique duserpentin.

L’anode sacrificielle en magnesium va se dissoudre au cours du temps, en protegant le

reste du BECS de la corrosion.IUT d’Evry - Bretigny - Juvisy GTE 2007-2008


I.3. Evolution du rendement des chaudieres

Le rendement est : η =Putile

Pabsorbee

On a : Pabsorbee = Putile + Pperdue

D’ou : η =Putile

Pabsorbee=

Pabsorbee − Pperdue

Pabsorbee= 1 −

Pperdue

Pabsorbee

La puissance absorbee d’une chaudiere est l’energie fournie par le combustible.

Il existe deux sources de pertes :

• les pertes de chaleur au travers des parois vers la chaufferie

• les pertespar les fumees qui n’ont pas ete refroidies jusqu’a latemperaturede l’air de la chaufferie

Pour une chaudiere tres ancienne, la repartition est la suivante :

pertes par les fumees

pertes par les parois

energie utile

Le rendement tres faible (ici 50%) etait la consequence d’une absence d’isola-tion peripherique et d’un rejet de fumees a haute temperature.

Pour une chaudiere recente, la repartition est la suivante :

pertes par les fumeespertes par les parois

energie utile

Le rendement est alors eleve (94%). Pour atteindre un niveau aussi faible de pertes par lesfumees, il faut :

• une temperature des fumees en sortie de chaudiere faible (moins de 120C).

• supprimer l’effet de cheminee a l’arret du bruleur

A l’arret du bruleur, la paroi interieur de la chaudiere est chaude. La colonne d’airchaud dans la cheminee etant plus legere que la colonne d’air a l’exterieur dubatiment, il existe une circulation parasite d’air a l’arret du bruleur. Cette

circulation diminue le rendement de la chaudiere en augmentant les pertes par les fumees.



Pour supprimer la circulation d’air a l’arret, il est possible d’installer un volet d’air aressort :

En position ouverte, une vis de reglage bloque le volet d’air (qui pivotepar rapport a son axe) dans la position desiree (celle pour laquelle le debit

d’air est ideal).

A l’arret un ressort (non represente) maintient le volet d’air de maniere a bloquer le cir-cuit d’air.



II. Reseaux de fluides

II.1. Bouteille de decouplage hydraulique

On utilise une bouteille de decouplage hydraulique lorsque l’on desireseparer les circuits hydraulique de la production de chaleur (chaudiere) et de la distribution (pour lesradiateurs ...).

Les bouteilles de decouplage hydraulique se rencontrent en general pour desinstallations comportant plusieurs chaudieres et plusieurs circuits de distribution :

purg

eur

d’a

ira

flott

eur

dep

arts

reto

urs

evac

uat

ion

des

bou

es



III. Pompes et ventilateurs

III.1. Caracteristiques de vannes

On reprend l’exemple de la page 105 :

∆P cst

La vanne sert donc a regler la puissance d’emission du radiateur. Le diagramme aquatre cadrants permet de determiner l’influence de la vanne sur la puissance d’emission.

Dans le cas d’une vanne a caracteristique lineaire (Kv = Kv100 ∗ φ), on a :

φ

PPmax

qqmax

Kv

Kv100

1

1

1

1

4 1

3 2

Avec :

• 1 : l’influence de la vanne sur la puissance d’emission. Cettecourbe est tracee point par point

• 2 : la relation entre l’ouverture φ de la vanne et son Kv

• 3 : l’influence de la vanne sur le debit du sous-reseau considere

• 4 : la relation entre le debit traversant l’emetteur de chaleur etsa puissance d’emission (voir p43)



La puissance d’emission n’est donc pas lineaire en fonction de l’ouverture de lavanne (a caracteristique lineaire). On peut se servir du diagramme quatre cadrants pour rechercher la

caracteristique de la vanne ideale (celle qui donne une puissance d’emissionproportionnelle a l’ouverture).

On connait :

φ

PPmax

qqmax

Kv

Kv100

1

1

1

1

On recherche les points les uns a la suite des autres :

φ

PPmax

qqmax

Kv

Kv100

1

1

1

1



On trace la courbe qui passe par les differents points :

φ

PPmax

qqmax

Kv

Kv100

1

1

1

1

On supprime les traits inutiles :

φ

PPmax

qqmax

Kv

Kv100

1

1

1

1



La caracteristique de la vanne recherchee est donc une caracteristique tres eloignee de la

caracteristique lineaire :

φ

1

Kv

Kv100

1

Cette caracteristique est comparable a celle d’une vanne papillon :

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Kv

enm

3.s

−1.P

a−

1 2

Ouverture en tours

Caracteristique d’une vanne papillon

Kv

Ce type de vanne est idealise (pour les calculs) par le modele de la vanne acaracteristiqueexponentielle. On a alors : Kv = Kv100 ∗exp(n∗ (φ−1)) avec n un coefficient caracteristiquede la vanne. n est en general proche de 3.4.

Le graphique de la page suivante explique pourquoi n = 3.4 est un bon compromis :• Si n est inferieur a 3 alors le Kv a ouverture nul est eleve

• Si n est superieur a 4 alors le Kv a ouverture nul est tres faible, mais par

contre la caracteristique est trop raide



0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Kv

adim

ensi

onne

:K

v


Caracteristique d’une vanne exponentielle

Kv pour n = 1Kv pour n = 2Kv pour n = 3Kv pour n = 3.4Kv pour n = 4Kv pour n = 5Kv pour n = 6

Pour n=3.4, l’effet de l’autorite nominale (pour une ∆P constant) est :

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Deb

itadim

ensi

onne

q


Influence de l’autorite nominale sur le reglage du sous-reseau

an = 1an = 0.5an = 0.3an = 0.1



IV. Compresseurs et machines frigorifiques : economiseur

En page 130 se trouve une illustration d’un compresseur a vis et il apparaıt le terme economiseur.

Le schema de principe d’une machine frigorifique comportant un compresseur a visavec economiseur est le suivant :

1

23’

4’

3

4

5”

Echangeur de

chaleurCompresseur avec

economiseur

log(P)

h

1

23

4

3’

4’ 55’5”

2se


TD 1

Machines frigorifiques

Contenu du coursI. Trace de cycles frigorifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

I.1. Questions : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

I.2. Reponses : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

186 TD 1. MACHINES FRIGORIFIQUES

I. Trace de cycles frigorifiques

On considere une machine frigorifique qui fonctionne dans les conditions suivantes :

• temperature d’evaporation : Tf = 0C

• temperature de condensation : Tc = 50C

• surchauffe : SC = 12K

• sur-refroidissement : SR = 12K

• la compression est isentropique

I.1. Questions :

1) Determinez le coefficient de performance de la machine de Carnot correspondant a cette machine :COPcarnot

2) Pour chacun des fluides azeotropiques R21/R22/R23/R717, a l’aide leur diagramme enthalpique,determinez :

• les hautes et basses pressions : HP et BP

• le taux de compression : τ

• l’enthalpie a l’entree du compresseur : h1

• l’enthalpie a la sortie du compresseur : h2

• l’enthalpie a la sortie du condenseur : h3

• le coefficient de performance de la machine : COP

• le rendement de la machine : η

• la temperature en fin de compression : T2

I.2. Reponses :

1) Le COPcarnot ne depend que des temperatures, on a :

COPcarnot =Tf

Tc − Tf=

273, 16 + 0

50 − 0= 5.46

2) La demarche a suivre est exposee dans les pages 154 a 160.

On obtient le tableau suivant :

Fluide HP BP τ h1 h2 h3 COP η T2

Bar Bar - kJ.kg−1 kJ.kg−1 kJ.kg−1 - - C

R21 4 0.7 5.71 452 496 240 4.81 0.88 90R22 20 5 4 416 453 246 4.59 0.84 88R23 - - - - - - - - -R717 20 4 5 1500 1740 370 4.71 0.86 130

Rappel : le coefficient de performance de la machine est donne par :

COP =h1 − h4

h2 − h1

De plus la detente est isenthalpe d’ou h4 = h3 et ainsi :

COP =h1 − h3

h2 − h1


TD 1. MACHINES FRIGORIFIQUES 187

Remarques :

• le R23 ne convient pas pour ces conditions de fonctionnement

• la haute pression du R22 est tres elevee, il faudra eviter d’utiliser ce fluide.

• la temperature de fin de compression du R717 est elevee, attention au craquagede l’huile frigorifique.


188 TD 1. MACHINES FRIGORIFIQUES


TD 2

Hydraulique

Contenu du coursI. Debit dans une boucle simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

II. Debit dans une boucle ouverte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

III. Exercice complementaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

190 TD 2. HYDRAULIQUE

I. Debit dans une boucle simple

On considere une boucle simple :

On donne les courbes suivantes :

0

1

2

3

4

5

0 0.5 1 1.5 2

HM

Ten

mC

E

Debit Q en m3.h−1

GVMVPV

On demande de tracer les courbes de reseau des 5 cas du tableau et de completer le tableau :

cas PV MV GV

1 Q = 1.5m3.h−1

2 Q = 0.5m3.h−1

3 Q = 1m3.h−1

4 Q = 1m3.h−1

5 Q = 0.8m3.h−1


TD 2. HYDRAULIQUE 191

II. Debit dans une boucle ouverte

On considere un reseau ouvert :

La difference de niveau entre les surfaces libres est de 1m.

On donne les courbes suivantes :

0

1

2

3

4

5

0 0.5 1 1.5 2

HM

Ten

mC

E

Debit Q en m3.h−1

GVMVPV


192 TD 2. HYDRAULIQUE

On demande de tracer les courbes de reseau des 5 cas du tableau et de completer le tableau :

cas PV MV GV

1 Q = 1.5m3.h−1

2 Q = 0.5m3.h−1

3 Q = 1m3.h−1

4 Q = 1m3.h−1

5 Q = 0.8m3.h−1

III. Exercice complementaire

On considere un reseau ouvert a deux branches :

1

2

On a les relations suivantes (pour les reseaux isoles) :

∆P1 = 1 + 8Q21

∆P2 = 0.5 + 4Q22

Quelle est la relation entre ∆P et Q ?


TD 2. HYDRAULIQUE 193

Graphiquement, on obtient :

0

1

2

3

4

5

0 0.5 1 1.5 2

HM

Ten

mC

E

Debit Q en m3.h−1

reseau 1 seulreseau 2 seul

reseau 1 + reseau 2

Ce resultat est-il correct ?


Download - Technologie des systèmes thermiques - perso.crans.orgperso.crans.org/laffay/technologie.pdf · • adaptation réseaux - machine hydraulique et aéraulique, point de fonctionnement

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