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rookie78Admin- Messages : 1131
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Isolation des chaudières, un "must"... ou pas!
Lun 15 Nov - 21:04
Salut,
Pour continuer notre revue des « chaudières » regardons de plus près les histoires d’isolation… Certains ne mettent rien, d’autres considèrent ce truc comme principalement décoratif et les derniers font beaucoup d’efforts pour l’optimiser… Pour trancher le débat, nous allons essayer de mettre quelques chiffres sur le phénomène.
• Le modèle :
Maintenant que nous sommes « experts » en échanges thermiques (voir post sur « Capacité d’évaporation d’une chaudière ») nous pouvons établir un modèle simplifié des pertes thermiques.
Note :
- Pour nos besoins et la précision requise nous allons de nouveau utiliser les formules plus simples s’appliquant aux « surfaces planes ».
- Nous nous limitons aux effets de conduction et en première approximation ne tenons pas compte des effets de rayonnement…
Rappelons donc la formule simplifiée:
P = U * A * (T2 -T1)
Avec P la puissance thermique transmise en W, U le coefficient d’échange thermique, en W/(m2x°K) ; A la surface d’échange en m2 ; T1 et T2 les températures respectivement de la source chaude et de l’air ambient en °K ou °C (la différence sera la même).
ET U = 1/R avec R la résistance thermique totale de la paroi.
R est défini à partir du coefficient thermique h.
Et lorsque la paroi comprend différentes couches ou effets, Rt= R1+R2+R3…
Le schéma ci-dessous représente un modèle courant avec couche de liège et lattes de bois.
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Nous avons donc :
- Une résistance « Ri » correspondant à l’interface eau chaude et cuivre et Ri=1/hi. Le phénomène est de type convection naturelle pour l’eau et dans ces conditions 100<hi<1000. Prenons donc une valeur moyenne de 600.
Note : En toute logique, nous devrions différencier la partie de la paroi au contact de l’eau de celle (ciel) au contact de la vapeur, le coefficient hv pour la vapeur étant environ 10 fois moins élevé que pour l’eau. Mais le niveau de cet interface eau/vapeur est mal défini (bouillonnement), la majorité de la paroi est malgré tout mouillée, et il faudrait tenir compte des effets de bord et transmission dans le cuivre. Pour simplifier nous considérerons donc que la totalité des parois sont au contact de l’eau. Sans doute une légère surestimation des pertes mais comme d’un autre côté nous négligeons les pertes par rayonnement, la précision globale devrait rester suffisante pour nos besoins…
- Une résistance « Rm » correspondant à la transmission à travers la paroi métallique. Rm=épaisseur/hm avec hm=390 pour le cuivre.
- Une résistance « Rl » correspondant à la transmission à travers la couche de liège. Rl=épaisseur/hl avec hl valant environ 0,04 (peut varier un peu selon la qualité).
- Une résistance « Rb » correspondant à la transmission à travers les lattes de bois. Rb=épaisseur/hb avec hb valant environ 0,14 (peut varier un peu selon le type de bois).
- Une résistance « Re » correspondant à l’interface paroi et air ambiant et Re=1/he. Le phénomène est de type convection naturelle pour l’air sur paroi verticale et dans ces conditions 4 < he <16. Prenons donc une valeur moyenne de 10.
• Les calculs sans isolation:
Pour faire un calcul, j’ai repris les caractéristiques de la chaudière construite pour ma « Der Seekadett » : Longueur de virole 130mm ; Ø virole 82mm; avec une surface de chauffe de 2dm2 ; fonctionnement sous 3bars mano.
Donc (tables vapeurs) : Température de l’eau 142°C ; enthalpie de vaporisation 2133J/gr d’eau.
Et nous faisons une chauffe par une belle journée de printemps avec une température ambiante de 20°C. La différence de température entre eau et air sera donc de 142-20=122°.
- La première partie du calcul consiste à calculer les surfaces de la virole et des fonds. Rien de sorcier.
- Ensuite nous calculons l’énergie « Ec » transmise à l’eau pour produire la vapeur en nous basant sur la valeur conventionnelle de 4g/dm2/mn. Ec = 2133 x 4 x 2 =17064J/mn. C’est l’énergie utile.
- Puis nous calculons les pertes vers l’atmosphère sans isolation. Nous aurons donc uniquement trois résistances thermiques entre l’eau et l’air : Ri (de l’eau au cuivre) ; Rm (la conductivité du cuivre) ; Re (de la paroi à l’air). Nous en déduisons la somme, c’est à dire la résistance totale Rt.
-Et nous calculons la puissance des pertes Pp avec notre formule magique, en W/m2/s.
- Nous appliquons alors cette puissance aux différents éléments de la cuve et calculons en fonction de leur surface l’énergie perdue par minute.
Tout ça résumé dans le tableau ci-dessous :
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Ep, les pertes totales, représentent en gros 1/5ème de l’énergie utile, Ec , que nous avions transmise à l’eau via notre foyer et que nous voulions utiliser pour la vaporisation !!! Vraiment pas négligeable. La pose d’une isolation me semble fortement indiquée !
On note également que les pertes par les fonds (Epf) représentent environ un quart des pertes totales.
• Les calculs avec isolation totale :
Toujours avec la même chaudière, isolons de manière très classique toutes les parois, fonds compris, avec une couche de liège de 2mm d’épaisseur et un lattage en bois lui aussi de 2mm.
A la résistance totale que nous avons calculée à l’étape précédente, il faut ajouter les résistances Rl (couche de liège) et Rb (couche de bois).
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Et ça marche ! nous avons divisé les pertes grosso-modo par deux. Elles ne représentent plus qu’environ 10% de l’énergie utile. Encore non-négligeable, mais une amélioration très nette.
On remarque que le liège (et non les lattes) est le principal facteur dans cette diminution, sa résistance étant presque 4 fois supérieure à celle du bois à épaisseur égale. Si l’on souhaite améliorer l’isolation, c’est donc avec l’épaisseur de liège qu’il faudra jouer…
• Les calculs avec isolation uniquement de la virole :
Isoler les fonds n’est pas toujours simple ou possible et bien souvent on n’isole que la virole. Voyons l’effet sur les pertes.
Nous devons donc utiliser deux résistances différentes celle avec isolation pour la virole et celle sans pour les fonds.
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Les pertes augmentent bien sur légèrement passant de 11 à 13%. Considérant les difficultés à isoler les fonds, c’est probablement acceptable…
• Conclusion, discussion & astuces :
- L’isolation d’une chaudière est donc fortement recommandé et devrait faire l’objet de beaucoup de soins dans la réalisation. Ce n’est pas que de la déco !
- Ne pas sur-dimensionner inutilement le Ø de la virole : La chaudière utilisée pour l’étude donnait l’autonomie voulue. Imaginons que l’on n’ait pas trouvé de tubes de Ø82mm et que l’on se rabatte sur un tube de Ø100mm. On va certes augmenter l’autonomie (nous n’en avions pas besoin) mais hélas dégrader sensiblement les performances thermiques : Les pertes vont passer de 19% à 25% (je vous laisse refaire le calcul à titre d’exercice…) !! C’est béta…
- A la place du liège, on peut utiliser avantageusement de la fibre de verre avec une face réflective en aluminium. Le coef « h » est documenté à 0,035, un peu mieux que le liège (0,04) mais surtout plus facile à travailler surtout pour l’isolation des fonds. Je l’ai utilisé sur ma dernière chaudière et les performances semblent au rendez-vous :
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- Pour diminuer les pertes il n’y a pas de recette miracle : Il faut augmenter l’épaisseur de la couche de liège. Par exemple, une couche de liège de 6mm au lieu de 2mm permet d’abaisser les pertes de 11% à environ 6%. Mais l’exercice devient un peu compliqué et l’encombrement ( diamètre fini) augmente sérieusement.
- Une astuce que je me souviens avoir vu sur le Forum mais je n’arrive pas à retrouver le post : Intercaler une lame d’air captif entre le liège et le lattage. A l’époque je n’y avais pas vraiment porté attention. Lourde erreur !!
L’air captif (sans effet de convection) a une conductivité pratiquement deux fois plus faible (h= 0,025) que le liège. Autrement dit, 1mm de lame d’air aura le même effet que 2mm de liège ! Ça ne coûte rien et on gagne en encombrement.
La réalisation proposée était très simple : Intercaler 3 ou 4 joncs métalliques entre le liège et les lattes et celles ci seront collées par points de cyano sur les joncs avant cerclage.
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En utilisant du fil de Ø2mm nous obtiendrons le même effet qu’en ajoutant 4mm de liège !
Je testerai sur ma prochaine chaudière. Et si l’auteur de ce post se reconnaît, les détails seront bienvenus…
Voilà donc ma petite revue des problèmes d’isolation de nos chaudières. Justifier ou modifier par quelques calculs simples ce que nous faisons souvent par « habitude » me semble toujours intéressant.
Pour continuer notre revue des « chaudières » regardons de plus près les histoires d’isolation… Certains ne mettent rien, d’autres considèrent ce truc comme principalement décoratif et les derniers font beaucoup d’efforts pour l’optimiser… Pour trancher le débat, nous allons essayer de mettre quelques chiffres sur le phénomène.
• Le modèle :
Maintenant que nous sommes « experts » en échanges thermiques (voir post sur « Capacité d’évaporation d’une chaudière ») nous pouvons établir un modèle simplifié des pertes thermiques.
Note :
- Pour nos besoins et la précision requise nous allons de nouveau utiliser les formules plus simples s’appliquant aux « surfaces planes ».
- Nous nous limitons aux effets de conduction et en première approximation ne tenons pas compte des effets de rayonnement…
Rappelons donc la formule simplifiée:
P = U * A * (T2 -T1)
Avec P la puissance thermique transmise en W, U le coefficient d’échange thermique, en W/(m2x°K) ; A la surface d’échange en m2 ; T1 et T2 les températures respectivement de la source chaude et de l’air ambient en °K ou °C (la différence sera la même).
ET U = 1/R avec R la résistance thermique totale de la paroi.
R est défini à partir du coefficient thermique h.
Et lorsque la paroi comprend différentes couches ou effets, Rt= R1+R2+R3…
Le schéma ci-dessous représente un modèle courant avec couche de liège et lattes de bois.
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Nous avons donc :
- Une résistance « Ri » correspondant à l’interface eau chaude et cuivre et Ri=1/hi. Le phénomène est de type convection naturelle pour l’eau et dans ces conditions 100<hi<1000. Prenons donc une valeur moyenne de 600.
Note : En toute logique, nous devrions différencier la partie de la paroi au contact de l’eau de celle (ciel) au contact de la vapeur, le coefficient hv pour la vapeur étant environ 10 fois moins élevé que pour l’eau. Mais le niveau de cet interface eau/vapeur est mal défini (bouillonnement), la majorité de la paroi est malgré tout mouillée, et il faudrait tenir compte des effets de bord et transmission dans le cuivre. Pour simplifier nous considérerons donc que la totalité des parois sont au contact de l’eau. Sans doute une légère surestimation des pertes mais comme d’un autre côté nous négligeons les pertes par rayonnement, la précision globale devrait rester suffisante pour nos besoins…
- Une résistance « Rm » correspondant à la transmission à travers la paroi métallique. Rm=épaisseur/hm avec hm=390 pour le cuivre.
- Une résistance « Rl » correspondant à la transmission à travers la couche de liège. Rl=épaisseur/hl avec hl valant environ 0,04 (peut varier un peu selon la qualité).
- Une résistance « Rb » correspondant à la transmission à travers les lattes de bois. Rb=épaisseur/hb avec hb valant environ 0,14 (peut varier un peu selon le type de bois).
- Une résistance « Re » correspondant à l’interface paroi et air ambiant et Re=1/he. Le phénomène est de type convection naturelle pour l’air sur paroi verticale et dans ces conditions 4 < he <16. Prenons donc une valeur moyenne de 10.
• Les calculs sans isolation:
Pour faire un calcul, j’ai repris les caractéristiques de la chaudière construite pour ma « Der Seekadett » : Longueur de virole 130mm ; Ø virole 82mm; avec une surface de chauffe de 2dm2 ; fonctionnement sous 3bars mano.
Donc (tables vapeurs) : Température de l’eau 142°C ; enthalpie de vaporisation 2133J/gr d’eau.
Et nous faisons une chauffe par une belle journée de printemps avec une température ambiante de 20°C. La différence de température entre eau et air sera donc de 142-20=122°.
- La première partie du calcul consiste à calculer les surfaces de la virole et des fonds. Rien de sorcier.
- Ensuite nous calculons l’énergie « Ec » transmise à l’eau pour produire la vapeur en nous basant sur la valeur conventionnelle de 4g/dm2/mn. Ec = 2133 x 4 x 2 =17064J/mn. C’est l’énergie utile.
- Puis nous calculons les pertes vers l’atmosphère sans isolation. Nous aurons donc uniquement trois résistances thermiques entre l’eau et l’air : Ri (de l’eau au cuivre) ; Rm (la conductivité du cuivre) ; Re (de la paroi à l’air). Nous en déduisons la somme, c’est à dire la résistance totale Rt.
-Et nous calculons la puissance des pertes Pp avec notre formule magique, en W/m2/s.
- Nous appliquons alors cette puissance aux différents éléments de la cuve et calculons en fonction de leur surface l’énergie perdue par minute.
Tout ça résumé dans le tableau ci-dessous :
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
Ep, les pertes totales, représentent en gros 1/5ème de l’énergie utile, Ec , que nous avions transmise à l’eau via notre foyer et que nous voulions utiliser pour la vaporisation !!! Vraiment pas négligeable. La pose d’une isolation me semble fortement indiquée !
On note également que les pertes par les fonds (Epf) représentent environ un quart des pertes totales.
• Les calculs avec isolation totale :
Toujours avec la même chaudière, isolons de manière très classique toutes les parois, fonds compris, avec une couche de liège de 2mm d’épaisseur et un lattage en bois lui aussi de 2mm.
A la résistance totale que nous avons calculée à l’étape précédente, il faut ajouter les résistances Rl (couche de liège) et Rb (couche de bois).
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Et ça marche ! nous avons divisé les pertes grosso-modo par deux. Elles ne représentent plus qu’environ 10% de l’énergie utile. Encore non-négligeable, mais une amélioration très nette.
On remarque que le liège (et non les lattes) est le principal facteur dans cette diminution, sa résistance étant presque 4 fois supérieure à celle du bois à épaisseur égale. Si l’on souhaite améliorer l’isolation, c’est donc avec l’épaisseur de liège qu’il faudra jouer…
• Les calculs avec isolation uniquement de la virole :
Isoler les fonds n’est pas toujours simple ou possible et bien souvent on n’isole que la virole. Voyons l’effet sur les pertes.
Nous devons donc utiliser deux résistances différentes celle avec isolation pour la virole et celle sans pour les fonds.
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Les pertes augmentent bien sur légèrement passant de 11 à 13%. Considérant les difficultés à isoler les fonds, c’est probablement acceptable…
• Conclusion, discussion & astuces :
- L’isolation d’une chaudière est donc fortement recommandé et devrait faire l’objet de beaucoup de soins dans la réalisation. Ce n’est pas que de la déco !
- Ne pas sur-dimensionner inutilement le Ø de la virole : La chaudière utilisée pour l’étude donnait l’autonomie voulue. Imaginons que l’on n’ait pas trouvé de tubes de Ø82mm et que l’on se rabatte sur un tube de Ø100mm. On va certes augmenter l’autonomie (nous n’en avions pas besoin) mais hélas dégrader sensiblement les performances thermiques : Les pertes vont passer de 19% à 25% (je vous laisse refaire le calcul à titre d’exercice…) !! C’est béta…
- A la place du liège, on peut utiliser avantageusement de la fibre de verre avec une face réflective en aluminium. Le coef « h » est documenté à 0,035, un peu mieux que le liège (0,04) mais surtout plus facile à travailler surtout pour l’isolation des fonds. Je l’ai utilisé sur ma dernière chaudière et les performances semblent au rendez-vous :
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- Pour diminuer les pertes il n’y a pas de recette miracle : Il faut augmenter l’épaisseur de la couche de liège. Par exemple, une couche de liège de 6mm au lieu de 2mm permet d’abaisser les pertes de 11% à environ 6%. Mais l’exercice devient un peu compliqué et l’encombrement ( diamètre fini) augmente sérieusement.
- Une astuce que je me souviens avoir vu sur le Forum mais je n’arrive pas à retrouver le post : Intercaler une lame d’air captif entre le liège et le lattage. A l’époque je n’y avais pas vraiment porté attention. Lourde erreur !!
L’air captif (sans effet de convection) a une conductivité pratiquement deux fois plus faible (h= 0,025) que le liège. Autrement dit, 1mm de lame d’air aura le même effet que 2mm de liège ! Ça ne coûte rien et on gagne en encombrement.
La réalisation proposée était très simple : Intercaler 3 ou 4 joncs métalliques entre le liège et les lattes et celles ci seront collées par points de cyano sur les joncs avant cerclage.
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
En utilisant du fil de Ø2mm nous obtiendrons le même effet qu’en ajoutant 4mm de liège !
Je testerai sur ma prochaine chaudière. Et si l’auteur de ce post se reconnaît, les détails seront bienvenus…
Voilà donc ma petite revue des problèmes d’isolation de nos chaudières. Justifier ou modifier par quelques calculs simples ce que nous faisons souvent par « habitude » me semble toujours intéressant.
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