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rookie78Admin- Messages : 1130
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Mesure des pertes thermiques d'une chaudière
Lun 15 Nov - 21:08
Salut,
Nous avons dans un poste précédent modélisé les pertes thermiques de nos chaudières et justifié ainsi la pose indispensable d’une bonne isolation.
L’utilisation d’un modèle est très utile pour « décortiquer » un phénomène, comprendre l’influence des différents paramètres et guider nos choix de réalisation.
Mais, tôt ou tard, il faut quand même vérifier par l’expérimentation la validité du modèle et de nos élucubrations et s’assurer que la réalisation répond à nos attentes.
Je vous propose donc aujourd’hui de mesurer les pertes réelles d’une chaudière. Je vois déjà quelques mines horrifiées !
Ça va être compliqué et il faut du matos… Et des formules compliquées…
Et bien non, c’est très simple et ne demande pas grand-chose ni en matériel de labo ni en connaissance mathématiques… En fait rien que tout vaporiste n’ait sous la main : Un thermomètre d’ambiance, un manomètre (il est en général déjà sur la chaudière), un chronomètre (une montre suffit, les plus modernes pourront utiliser la fonction adéquate de leur smart phone…), une copie des « Tables Vapeur » et... une calculette!
Nous allons utiliser le mano pour repérer la pression bien sûr mais aussi comme thermomètre pour mesurer à tout instant la température de notre chaudière. Il suffit de lire les tables vapeur. Nous savons que, dans un réservoir fermé, à une pression de vapeur correspond une et une seule température de l’eau. Voici l’extrait dans la plage de pressions qui nous concerne :
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• L’expérience :
J’ai utilisé ma dernière chaudière verticale, celle prise comme exemple dans la modélisation réalisée précédemment.
- Le poids de la chaudière vide, minoré du poids estimé de l’isolation est de 1,6kg (essentiellement du cuivre). La chaudière a été remplie avec 0,5kg d’eau.
- La soupape de sécurité a été remplacée par un bouchon.
- La vanne de sortie est fermée et bouchonnée par sécurité. Il est essentiel qu’il n’y ait aucune fuite de vapeur pour garantir la validité des mesures. Les chutes de pression ne doivent pouvoir être attribuées qu’à la baisse de température.
- La manip commence par une chauffe à 4,5 ou 5 bars.
- Déconnection du tank gaz et on s’installe confortablement dans l’atelier.
Me voilà donc prêt à débuter les mesures :
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- La température dans l’atelier est de 20°C et sans courants d’air.
- Le mano indique 4,5 b
- La pression baisse très doucement au fur et à mesure que la chaudière se refroidit sous l’effet des pertes. Lorsque le mano indique 4b, je déclenche le chrono … Et j’attends !
- Lorsque le mano indique 3,5b, je note le temps écoulé : 160 secondes. Et j’attends…
- Lorsque le mano indique 3b, je note le temps écoulé : 390 secondes. Et j’attends…
- Et ainsi de suite de 0,5 en 0,5b. J’arrête à 0,5b, l’indication de mon petit mano devenant illisible en dessous.
En tout, il m’aura fallu attendre 3 300secondes, soit 55mn pour passer de 4b à 0,5b. Longuet mais pas fatiguant…
La seule difficulté est la lecture de mon petit mano. Pas facile de juger si l’aiguille est pile-poil sur 4 ou 3,5, … L’expérience gagnerait beaucoup en précision et facilité d’exécution avec un mano plus grand et plus sérieux. Mais, bon, on peut s’en passer. J’ai refait l’expérience 3 fois et pris la moyenne des temps relevés pour améliorer la précision. Une petite matinée à glander…
Voilà donc le relevé de mes mesures :
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Et pour s’assurer que tout cela est cohérent, on peut en faire un petit graphique :
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Pas parfait, parfait, mais plutôt sympathique quand même : Il est logique que la température baisse plus vite lorsque l’écart avec l’environnement est le plus élevé.
Voilà l’expérience terminée… Pas trop compliqué... Nous avons tout ce qu’il nous faut pour la suite…
• Calcul des pertes :
Il reste à faire quelques calculs pour déterminer les pertes.
Pour cela, il nous faut savoir la quantité d’énergie stockée dans l’eau et le cuivre. On utilise ce que l’on appelle les « capacités thermiques massiques » et qui s’expriment en Joules/Kilo/°. On les trouve dans la littérature technique. Généralement notées « c ».
Note : En toute rigueur elles varient un peu en fonction de la température, mais pour notre petite expérience on se contentera des valeurs standards.
Voilà donc nos valeurs de référence pour nos calculs :
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La formule pour l’élévation de l’énergie « Q » en joule contenue sous forme de chaleur dans un corps de masse « M » et capacité « c » lorsqu’il passe d’une température T1 à T2 (T2 > T1) est simple :
Q = M x c x (T2-T1)
Pour nos calculs, nous allons prendre une valeur arbitraire de T1. Son choix n’aura pas d’influence sur le résultat que nous cherchons puisque nous travaillerons sur des écarts. La plus simple à choisir est 0°.
Donc, allons-y avec notre calculette. Notons Ect la valeur stockée dans le cuivre à la température t et Eet la valeur stockée dans l’eau à cette même température:
- Pression 4b, T2=150°C, T1=0°c, masse de cuivre 1,6kg, masse d’eau 0,5kg.
Ee150 = 0,5 x 4180 x (150-0) = 313 500j
Ec150 = 1,6 X 385 x (150 -0) = 92 400j
Le total Et150 = 313 500 + 92 400 = 405 900j
- Pression 3,5b, T2=146°C, T1=0° et mêmes masses d’eau et de cuivre :
Ee146 = 0,5 x 4180 x (146-0) = 305 140j
Ec146 = 1,6 X 385 x (146 -0) = 89 936j
Le total Et146 = 305 140 + 89 936 = 395 076j
- Et ainsi de suite pour chacun des points de mesure.
Voilà le résultat de ces calculs résumés dans un petit tableau :
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Et bien entendu, l’énergie totale stockée dans la chaudière baisse avec le temps.
Nous pouvons maintenant aborder la dernière étape du calcul. Pour cela nous allons poser que, pour de petites variations de la pression, les relations sont quasi-linéaires et procéder par interpolation :
- Entre 4b et 3,5b, la perte d’énergie est de (405 900 – 395 076) = 10 824J en 160 secondes. Les pertes sont donc de (10 824/160) x 60 = 4059j/mn
- Entre 3,5b et 3b, la perte d’énergie est de (395 076 - 384252) = 10 824J en (390-160)=230 secondes. Les pertes sont donc de (10 824/230) x 60 = 2 823j/mn
- Et donc à 3,5b nous estimons que les pertes sont la moyenne de celles entre 4 & 3,5b d’une part et entre 3,5 & 3b d’autre part. Soit (4 059 + 2 823)/2 = 3 441j/mn.
Nous répétons ce même calcul pour déterminer les pertes à 3b :
- Entre 3,5 et 3 b, la perte d’énergie est de (395 076 – 384 252) = 10 824J en 230 secondes. Les pertes sont donc de (10 824/230) x 60 = 2 823j/mn
- Entre 3b et 2,5b, la perte d’énergie est de (384 252 – 370 722) = 13 530j en (710-390)=320 secondes. Les pertes sont donc de (13 530/320) x 60 = 2 537j/mn
- Et donc à 3b nous estimons que les pertes sont la moyenne de celles entre 3,5 & 3b d’une part et entre 3 & 2,5b d’autre part. Soit (2823 + 2537)/2 = 2 680j/mn.
- Et ainsi de suite pour nos autres points de mesure.
Tout ça résumé dans le tableau ci-dessous :
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Et pour vérifier qu’il n’y a pas d’anomalies flagrantes nous en sortons une courbe des pertes en fonction de la pression de fonctionnement :
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Tout paraît cohérent…
Et retenons la valeur mesurée des pertes à 3bars : 2680j/mn.
• Comparaison avec la modélisation et analyse :
J'ai fait la modélisation de cette chaudière à 3bars et avec une température ambiante de 20°C, c'est à dire le calcul des pertes théoriques, selon laméthode décrite dans un post précédent :
Pertes théoriques sans isolation : 3 890j/mn
Pertes théoriques avec isolation totale (virole + fonds) : 2 383j/mn
Pertes théoriques avec isolation uniquement de la virole : 2 821j/mn
Bonne nouvelle : Les ordres de grandeur des pertes calculées et mesurées sont très comparables. Cela conforte et le modèle et la technique de mesure !
La différence entre pertes avec isolation totale modélisée et pertes mesurées est tout de même de l’ordre de 15%. Cela peut paraître important, mais :
- Lors de notre mesure, nous n’avons pas une isolation totale ! Il faudrait tenir compte de tous les points de fuite thermique qui persistent : Multiples bouchons, dôme et vanne principale, prises mano et niveau, long corps de brûleur, sortie du foyer qui tous restent non-isolés en contact direct avec l’air ambiant.
- Et par-dessus tout ça, le tube foyer (et ses tubes d’eau) traverse la cuve et fonctionne comme une cheminée !! (ce phénomène n’existera pas en fonctionnement, le foyer étant plus chaud que l’eau). Autant de facteurs non pris en compte lors de la modélisation.
- Sur ce modèle particulier, la décoration joue certainement contre l’isolation : Le haut de chaudière est recouvert d’une plaque laiton en contact direct avec le bord de cuve haute. Même chose pour la couronne intermédiaire et la base. Il serait sans doute plus correct de comparer la valeur mesurée avec la valeur calculée sans isolation des fonds. On est un peu mieux que ce que prédisait le modèle sans isolation des fonds, 2680 vs 2821, mais tout juste.
Cette méthode de mesure de la qualité de l’isolation me paraît donc tout à fait satisfaisante. Elle est simple à réaliser. Au-delà de la valeur absolue des pertes, on pourrait l’utiliser pour :
- Comparer différents types de chaudières.
- Évaluer différents modes d’isolation. Dans ce cas, l’idéal serait de faire une mesure sans isolation qui servirait de point de référence pour tester différentes solutions.
Si vous faites quelques mesures il serait intéressant de les publier et de comparer…
Et si vous le souhaitez (ou détestez la calculette…
), je peux vous envoyer le petit tableur EXCEL qui fera tous les calculs pour vous. Il vous suffira d’entrer les caractéristiques de votre chaudière (poids cuivre + poids eau) et les temps relevés… Contactez moi en MP…
Nous avons dans un poste précédent modélisé les pertes thermiques de nos chaudières et justifié ainsi la pose indispensable d’une bonne isolation.
L’utilisation d’un modèle est très utile pour « décortiquer » un phénomène, comprendre l’influence des différents paramètres et guider nos choix de réalisation.
Mais, tôt ou tard, il faut quand même vérifier par l’expérimentation la validité du modèle et de nos élucubrations et s’assurer que la réalisation répond à nos attentes.
Je vous propose donc aujourd’hui de mesurer les pertes réelles d’une chaudière. Je vois déjà quelques mines horrifiées !
Ça va être compliqué et il faut du matos… Et des formules compliquées…Et bien non, c’est très simple et ne demande pas grand-chose ni en matériel de labo ni en connaissance mathématiques… En fait rien que tout vaporiste n’ait sous la main : Un thermomètre d’ambiance, un manomètre (il est en général déjà sur la chaudière), un chronomètre (une montre suffit, les plus modernes pourront utiliser la fonction adéquate de leur smart phone…), une copie des « Tables Vapeur » et... une calculette!
Nous allons utiliser le mano pour repérer la pression bien sûr mais aussi comme thermomètre pour mesurer à tout instant la température de notre chaudière. Il suffit de lire les tables vapeur. Nous savons que, dans un réservoir fermé, à une pression de vapeur correspond une et une seule température de l’eau. Voici l’extrait dans la plage de pressions qui nous concerne :
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• L’expérience :
J’ai utilisé ma dernière chaudière verticale, celle prise comme exemple dans la modélisation réalisée précédemment.
- Le poids de la chaudière vide, minoré du poids estimé de l’isolation est de 1,6kg (essentiellement du cuivre). La chaudière a été remplie avec 0,5kg d’eau.
- La soupape de sécurité a été remplacée par un bouchon.
- La vanne de sortie est fermée et bouchonnée par sécurité. Il est essentiel qu’il n’y ait aucune fuite de vapeur pour garantir la validité des mesures. Les chutes de pression ne doivent pouvoir être attribuées qu’à la baisse de température.
- La manip commence par une chauffe à 4,5 ou 5 bars.
- Déconnection du tank gaz et on s’installe confortablement dans l’atelier.
Me voilà donc prêt à débuter les mesures :
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
- La température dans l’atelier est de 20°C et sans courants d’air.
- Le mano indique 4,5 b
- La pression baisse très doucement au fur et à mesure que la chaudière se refroidit sous l’effet des pertes. Lorsque le mano indique 4b, je déclenche le chrono … Et j’attends !
- Lorsque le mano indique 3,5b, je note le temps écoulé : 160 secondes. Et j’attends…
- Lorsque le mano indique 3b, je note le temps écoulé : 390 secondes. Et j’attends…
- Et ainsi de suite de 0,5 en 0,5b. J’arrête à 0,5b, l’indication de mon petit mano devenant illisible en dessous.
En tout, il m’aura fallu attendre 3 300secondes, soit 55mn pour passer de 4b à 0,5b. Longuet mais pas fatiguant…
La seule difficulté est la lecture de mon petit mano. Pas facile de juger si l’aiguille est pile-poil sur 4 ou 3,5, … L’expérience gagnerait beaucoup en précision et facilité d’exécution avec un mano plus grand et plus sérieux. Mais, bon, on peut s’en passer. J’ai refait l’expérience 3 fois et pris la moyenne des temps relevés pour améliorer la précision. Une petite matinée à glander…
Voilà donc le relevé de mes mesures :
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Et pour s’assurer que tout cela est cohérent, on peut en faire un petit graphique :
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Pas parfait, parfait, mais plutôt sympathique quand même : Il est logique que la température baisse plus vite lorsque l’écart avec l’environnement est le plus élevé.
Voilà l’expérience terminée… Pas trop compliqué... Nous avons tout ce qu’il nous faut pour la suite…
• Calcul des pertes :
Il reste à faire quelques calculs pour déterminer les pertes.
Pour cela, il nous faut savoir la quantité d’énergie stockée dans l’eau et le cuivre. On utilise ce que l’on appelle les « capacités thermiques massiques » et qui s’expriment en Joules/Kilo/°. On les trouve dans la littérature technique. Généralement notées « c ».
Note : En toute rigueur elles varient un peu en fonction de la température, mais pour notre petite expérience on se contentera des valeurs standards.
Voilà donc nos valeurs de référence pour nos calculs :
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La formule pour l’élévation de l’énergie « Q » en joule contenue sous forme de chaleur dans un corps de masse « M » et capacité « c » lorsqu’il passe d’une température T1 à T2 (T2 > T1) est simple :
Q = M x c x (T2-T1)
Pour nos calculs, nous allons prendre une valeur arbitraire de T1. Son choix n’aura pas d’influence sur le résultat que nous cherchons puisque nous travaillerons sur des écarts. La plus simple à choisir est 0°.
Donc, allons-y avec notre calculette. Notons Ect la valeur stockée dans le cuivre à la température t et Eet la valeur stockée dans l’eau à cette même température:
- Pression 4b, T2=150°C, T1=0°c, masse de cuivre 1,6kg, masse d’eau 0,5kg.
Ee150 = 0,5 x 4180 x (150-0) = 313 500j
Ec150 = 1,6 X 385 x (150 -0) = 92 400j
Le total Et150 = 313 500 + 92 400 = 405 900j
- Pression 3,5b, T2=146°C, T1=0° et mêmes masses d’eau et de cuivre :
Ee146 = 0,5 x 4180 x (146-0) = 305 140j
Ec146 = 1,6 X 385 x (146 -0) = 89 936j
Le total Et146 = 305 140 + 89 936 = 395 076j
- Et ainsi de suite pour chacun des points de mesure.
Voilà le résultat de ces calculs résumés dans un petit tableau :
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Et bien entendu, l’énergie totale stockée dans la chaudière baisse avec le temps.
Nous pouvons maintenant aborder la dernière étape du calcul. Pour cela nous allons poser que, pour de petites variations de la pression, les relations sont quasi-linéaires et procéder par interpolation :
- Entre 4b et 3,5b, la perte d’énergie est de (405 900 – 395 076) = 10 824J en 160 secondes. Les pertes sont donc de (10 824/160) x 60 = 4059j/mn
- Entre 3,5b et 3b, la perte d’énergie est de (395 076 - 384252) = 10 824J en (390-160)=230 secondes. Les pertes sont donc de (10 824/230) x 60 = 2 823j/mn
- Et donc à 3,5b nous estimons que les pertes sont la moyenne de celles entre 4 & 3,5b d’une part et entre 3,5 & 3b d’autre part. Soit (4 059 + 2 823)/2 = 3 441j/mn.
Nous répétons ce même calcul pour déterminer les pertes à 3b :
- Entre 3,5 et 3 b, la perte d’énergie est de (395 076 – 384 252) = 10 824J en 230 secondes. Les pertes sont donc de (10 824/230) x 60 = 2 823j/mn
- Entre 3b et 2,5b, la perte d’énergie est de (384 252 – 370 722) = 13 530j en (710-390)=320 secondes. Les pertes sont donc de (13 530/320) x 60 = 2 537j/mn
- Et donc à 3b nous estimons que les pertes sont la moyenne de celles entre 3,5 & 3b d’une part et entre 3 & 2,5b d’autre part. Soit (2823 + 2537)/2 = 2 680j/mn.
- Et ainsi de suite pour nos autres points de mesure.
Tout ça résumé dans le tableau ci-dessous :
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Et pour vérifier qu’il n’y a pas d’anomalies flagrantes nous en sortons une courbe des pertes en fonction de la pression de fonctionnement :
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Tout paraît cohérent…
Et retenons la valeur mesurée des pertes à 3bars : 2680j/mn.
• Comparaison avec la modélisation et analyse :
J'ai fait la modélisation de cette chaudière à 3bars et avec une température ambiante de 20°C, c'est à dire le calcul des pertes théoriques, selon laméthode décrite dans un post précédent :
Pertes théoriques sans isolation : 3 890j/mn
Pertes théoriques avec isolation totale (virole + fonds) : 2 383j/mn
Pertes théoriques avec isolation uniquement de la virole : 2 821j/mn
Bonne nouvelle : Les ordres de grandeur des pertes calculées et mesurées sont très comparables. Cela conforte et le modèle et la technique de mesure !
La différence entre pertes avec isolation totale modélisée et pertes mesurées est tout de même de l’ordre de 15%. Cela peut paraître important, mais :
- Lors de notre mesure, nous n’avons pas une isolation totale ! Il faudrait tenir compte de tous les points de fuite thermique qui persistent : Multiples bouchons, dôme et vanne principale, prises mano et niveau, long corps de brûleur, sortie du foyer qui tous restent non-isolés en contact direct avec l’air ambiant.
- Et par-dessus tout ça, le tube foyer (et ses tubes d’eau) traverse la cuve et fonctionne comme une cheminée !! (ce phénomène n’existera pas en fonctionnement, le foyer étant plus chaud que l’eau). Autant de facteurs non pris en compte lors de la modélisation.
- Sur ce modèle particulier, la décoration joue certainement contre l’isolation : Le haut de chaudière est recouvert d’une plaque laiton en contact direct avec le bord de cuve haute. Même chose pour la couronne intermédiaire et la base. Il serait sans doute plus correct de comparer la valeur mesurée avec la valeur calculée sans isolation des fonds. On est un peu mieux que ce que prédisait le modèle sans isolation des fonds, 2680 vs 2821, mais tout juste.
Cette méthode de mesure de la qualité de l’isolation me paraît donc tout à fait satisfaisante. Elle est simple à réaliser. Au-delà de la valeur absolue des pertes, on pourrait l’utiliser pour :
- Comparer différents types de chaudières.
- Évaluer différents modes d’isolation. Dans ce cas, l’idéal serait de faire une mesure sans isolation qui servirait de point de référence pour tester différentes solutions.
Si vous faites quelques mesures il serait intéressant de les publier et de comparer…
Et si vous le souhaitez (ou détestez la calculette…
), je peux vous envoyer le petit tableur EXCEL qui fera tous les calculs pour vous. Il vous suffira d’entrer les caractéristiques de votre chaudière (poids cuivre + poids eau) et les temps relevés… Contactez moi en MP…Permission de ce forum:
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