Feuille de calculs annexes

Dans le programme ThermExcel, une feuille de calcul complémentaire totalement programmée peut être insérée dans le fichier de travail permettant de dimensionner les équipements complémentaires dans une installation thermique, a savoir :

• Le ou les vases d'expansion (fermé ou ouvert)
• La ou les soupapes de sécurité.
• La bouteille casse pression ou bouteille de découplage hydraulique.
• Le volume d'eau tampon dans une installation d'eau glacée pour assurer le bon fonctionnement des refroidisseurs de liquide.
• Le calcul automatique de la contenance en eau de l'installation, de la surface de calorifuge et de la peinture pour les travaux de sous-traitance par exemple.

Certains des éléments de calcul peuvent être retirés aisément de la feuille de travail.

Calcul vase d'expansion

Si on suit les documents techniques des fabricants, le volume du vase d'expansion est déterminé exclusivement en fonction du volume d'expansion du système hydraulique et de la pression d'azote du vase d'expansion.

Cette approche n'est pas bonne, le vase d'expansion ne sert pas seulement à recevoir l'eau par accroissement d'expansion, mais il agit également comme réservoir d'eau servant à compenser des pertes dues aux fuites sur le système hydraulique sur une certaine période de temps.

Avec le vase d'expansion ouvert traditionnel, le remplacement des pertes de fuite de l'eau a lieu automatiquement en raison de la hauteur du réservoir et donc par conséquent d'une pression statique plus élevée de remplissage d'eau.

Dans le cas d'un réservoir fermé à membrane, le volume d'azote tampon de l'autre côté du diaphragme doit compenser les pertes d'eau se produisant dans les conditions normales de fonctionnement.

Cependant c'est seulement possible quand :

• Une réserve d'eau suffisante complémentaire est accordée dans la détermination du dimensionnement du vase d'expansion
• La pression du système hydraulique même lorsque le système est froid est toujours plus importante que la pression statique.
• La relation entre la pression dans le système hydraulique et le diaphragme du réservoir d'expansion est tel que quel que soit les conditions de fonctionnement, il y aura toujours de l'eau disponible dans le réservoir d'expansion et qui en raison de la pression d'azote retournera dans le système hydraulique même en cas de fuite d'eau dans système hydraulique.
  

Afin de réaliser cette situation, le système de chauffage exige en conséquence l'installation d'un vase d'expansion plus conséquent et doit même dans l'état de l'installation à froid être rempli à une pression plus élevée que la pression initiale d'azote dans le vase d'expansion.

Les Fig. 1 et 2 expliquent les méthodes incorrectes précédentes de remplissage qui ne fournissent pas un bon approvisionnement en eau du réservoir.

1. La pression de remplissage dans l'installation et la pression initiale d'azote sont identique. Il n'y a aucune possibilité d'un approvisionnement du réservoir.
2. La pression initiale de remplissage de l'installation est plus grande que la pression d'azote. La perte d'eau est automatiquement substituée.

Quelle taille le réservoir de l'eau devrait-il être?

Il est recommandé que le réservoir contienne en plus 1% du volume entier de l'eau avec un minimum de 2 ou 3 litres quel que soit le cas du type de système hydraulique.

Etant donné que la pression initiale de l'azote n'est pas toujours identique à la pression statique du système hydraulique, il faut que soit :

• la pression du système hydraulique soit augmentée à la valeur de la pression du volume d'azote,
• la pression d'azote soit ajustée ou réduite à la pression de la hauteur statique du système hydraulique.

La première méthode est recommandée, car elle n'exige aucun outil spécial.

Le calcul du diaphragme d'un vase d'expansion peut être effectué très facilement en appliquant l'une des deux formules suivantes:

1°/ - Volume d'eau du système hydraulique (Ve) < = 300 litres:

2°/ - Volume d'eau du système hydraulique (Ve) > 300 litres:

• Vn = volume nominal du vase d'expansion en litres
  
• Ve = volume d'eau dans le système hydraulique
  
• P1= pression initiale en bar absolu (pa = hauteur statique du système de chauffage ou de la pression initiale choisie dans le vase d'expansion)
  
• p2 = pression finale en bar absolu (P2 = 2,0 +1,013 = 3,013)
• n = coefficient d'expansion de l'eau dans le système hydraulique en pourcentage (voir formule ci-dessous).

• p1 = masse volumique de l'eau à la température de remplissage en kg/m3
• p2 = masse volumique de l'eau à la température de fonctionnement de l'installation en kg/m3

Le résultat de la variation de volume en fonction de cette formule de calcul peut être obtenu avec le diagramme ci-dessous en fonction de la température en régime de fonctionnement.

Exemple de calcul :

• Ve = 1414,23 litres en volume d'eau dans l'installation
• P2 = 3,0 bar + 1,013 bar = 4,013 bar absolu en pression normale de fonctionnement
• Te = 90°C - Température d'eau en fonctionnement normal
• hauteur statique = 6 m
• P1 = 1,0 bar + 1,013 bar = 2,013 bar absolu - Pression initiale minimum = 0,6 bar - pression initiale sélectionnée en bar = 1,0
• n = 3,58 % d'expansion d'eau (10°C à 90°C) soit 50,66 litres en volume d'expansion d'eau
• fe = 2,01 (facteur de pression sur l'installation) = P2 / (P2 - P1)
• Vexp = 101,65 litres (Volume utile du vase d'expansion)
• 14,14 litres (1% du volume en eau de l'installation pour sécuriser les fuites d'eau occasionnelles dans le système hydraulique)
• Vn = 130,02 litres - Volume nominal du vase d'expansion = (50,66 + 14,14) * 2,01.
  

Comme vous pouvez voir dans cet exemple, bien que l'installation dispose seulement d'une hauteur statique de 6 m, elle est traitée comme si elle avait une hauteur statique de 10 m afin de satisfaire le calcul avec une pression initiale standard d'azote de 1,0 bar.

Maintenant, on peut calculer exactement la pression de remplissage exigée pour remplir le vase d'expansion du système. Cependant ce procédé est maladroit, il est recommandé d'opérer comme suit :

Le remplissage initial du système devrait être appliqué jusqu'à hauteur de la pression de tarage de la soupape de sécurité et le système de chauffage devrait être mis en service jusqu'à la température de fonctionnement maximum. De cette façon, l'eau en excès sera expulsée après que le système se refroidisse, le volume entier utilisable du vase d'expansion sera alors disponible. En même temps, un contrôle sur la fonction des dispositifs de sécurité aura été exécuté.

Vous devez faire attention pour vous assurer que la pression de système à froid soit au moins de 0,2 bar au-dessus de la pression de remplissage d'azote du vase d'expansion. L'aiguille rouge du manomètre de pression devrait être ajustée sur une pression de remplissage d'azote de la barre +0,2.

Pourquoi le réservoir d'approvisionnement en eau est-il si important?

Si l'installation de chauffage est remplie seulement à la pression initiale d'azote du vase d'expansion comme c'est généralement le cas, et que alors l'installation est mise en fonctionnement normal, l'expansion de l'eau exercée dans le vase d'expansion produit une pression plus élevée que la pression initiale d'azote du réservoir. Toutes les parties du système hydraulique sont donc en état surpressurisé. Cependant pratiquement tous les systèmes hydrauliques perdent de l'eau due à des fuites ou à des opérations de dégazage, particulièrement durant les premiers mois de fonctionnement.

En outre, chaque filetage ou équipement divers représente une fuite potentielle. Sur ces endroits, la vapeur d'eau se répand constamment, dépendant de la température et des propriétés d'étanchéité relatives à ces joints. L'eau qui s'échappe du système hydraulique par ce processus, est complétée par l'eau contenue dans réservoir d'expansion.

Si ensuite le système se refroidit en raison des conditions de fonctionnement telles que notamment en réduction de nuit ou durant les périodes demi saison par exemple, il y a insuffisamment d'eau pour maintenir le système totalement rempli et inévitablement la partie plus élevée du système de chauffage, souffrira des conditions à basse pression.

Cette basse pression, notamment aux endroits ou sont placés les dispositifs de dégazages automatiques même aux entrées d'air, contribue à un enrichissement de l'eau de chauffage par l'oxygène. Naturellement, il n'est pas nécessaire de demander aux experts d'expliquer dans le grand détail, les effets que l'oxygène et l'eau ont sur les composants tels que les canalisations en acier. Il est donc important que chaque système de chauffage, quelque soit l'emplacement ou des conditions de fonctionnement dispose d'une pression suffisante.

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