Contrôle de niveau d'eau thermodynamique

Détecter le niveau de l’eau présente dans une chaudière en navigation n’est pas aisé ! De nombreuses solutions ont été essayées, cellule photo-électrique sur le tube de niveau, résistances dans la cuve, caméra transmettant l’image du tube, etc… Compliqué et rarement probant.
Le système proposé repose sur les principes fondamentaux de la thermodynamique et sur ce bon vieux diagramme de Mollier. Pas d’électronique…

• Système :
Considérons le montage décrit dans la vue ci-dessous :
- Un réservoir « A » légèrement incliné est placé nettement au-dessus du niveau d’eau nominal « N » désiré dans la chaudière. Un tube plongeur « T1 » part du point haut du réservoir « A » et descend jusqu’au niveau « N ». Un second tube « T2 » relie le point bas du réservoir « A » au bas de la chaudière.
- Un second réservoir « B » hermétique et rempli d’eau (avec un petit ciel) est placé à l’intérieur du réservoir « A ».

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• 1ère situation : Niveau d’eau dans la chaudière inférieur à « N » :
La vapeur pénètre dans le réservoir « A ». Elle se condense et retourne à la chaudière via le tube « T2 ». Il s’établit une circulation. Bien que le tube « A » ne soit pas isolé, la température dans le réservoir « A » et donc celle du réservoir « B » va rapidement se stabiliser à une valeur très proche de celle régnant dans la chaudière. La pression de vaporisation « Pb1 » développée par l’eau dans le réservoir « B » sera donc celle correspondant à cette température, très proche de la pression « Pc » de la chaudière. Pb1 ≃ Pc.


• 2ème situation : Niveau d’eau dans la chaudière supérieur à « N » :
Elle est décrite sur la vue ci-dessous.

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Le bas du tube « T1 » plonge dans l’eau. La vapeur ne peut plus circuler dans le réservoir « A » qui se remplit d’eau et la circulation est interrompue. Il ne se passe plus rien… Sauf que le tube « A » n’étant pas isolé et sans circulation, sa température va chuter et entraîner celle de la température du réservoir « B ». La pression de vaporisation « Pb2 » développée par l’eau dans le réservoir « B » sera donc celle correspondant à cette température, inférieure à celle régnant dans la chaudière. Donc la pression « Pb2 » sera inférieure à la pression « Pc » de la chaudière. Pb2 < Pc.

• Analyse :
Le changement de niveau d’eau de la situation « + haut que N » à « + bas que N » se traduit donc par un différentiel de pression ∆P= Pb1 – Pb2.

Quel peut-être l’ordre de grandeur de ∆P ?
- Prenons le cas d’une chaudière fonctionnant sous 4 bars mano (5bars absolus). Un passage par le diagramme de Mollier (ou les tables « Vapeur ») indique une température de 152°C. Ce seront aussi à très peu de chose la pression et la température régnant dans le réservoir « B » lorsque le niveau est bas. Donc Pb1=4beff. Et Tb1=152°C.
- Lorsque le niveau est « haut » et sans circulation, une baisse de température de 20° des réservoirs « A » & « B » devrait assez rapidement se produire. Tb2 devient donc 132°C et la pression Pb2 correspondante (Tables) chute à 2beff.
- ∆P = Pb1 – Pb2 = 2b, différentiel de pression très suffisant pour piloter une vanne (semblable à un régulateur de chauffe).

Bien noter que l’on ne détecte pas un niveau absolu, mais des situations « +Haut que N » ou « +Bas que N ».

Quels sont les temps de réponse ?
- Ils dépendent essentiellement de l’inertie thermique des réservoirs « A » & « B ».
- La montée en température (sous circulation de vapeur) sera rapide, de l’ordre de 5 à 10 secondes.
- Le refroidissement sera sans doute plus lent puisque qu’à l’inertie thermique des réservoirs s’ajoute celle de l’eau contenu dans « A » et qu’il se fait par rayonnement dans l’air ambiant. De l’ordre de 30 secondes.

• Applications :
- La première est celle représentée sur les schémas pour assurer la régulation du niveau d’eau maximum d’une chaudière équipée d’une pompe d’alimentation. Dans ce cas, la vanne pilotée ouvre ou ferme une dérivation sur la sortie de pompe : Soit la dérivation est fermée et la pompe débite, via le clapet d’alimentation, dans la chaudière ; soit la dérivation est ouverte et la pompe débite en circuit à pression atmosphérique dans la bâche (ou le lac). La position du tube plongeur « T1 » détermine le niveau nominal. Tenir compte de l’inertie thermique et des temps de réponse durant les essais pour régler cette position.

- La seconde (non dessinée) est d’utiliser le dispositif pour piloter une vanne coupe-gaz de manière à s’assurer que la chauffe est interrompue lorsque le niveau d’eau dans la chaudière sans pompe atteint un seuil critique. Dans ce cas, l’entrée du tube plongeur « T1 » (et donc le niveau « N ») sera positionnée en partie basse de la chaudière.

• Réalisation :
Comme toujours dans ces dispositifs simples, il y a quelques règles à respecter. Un exemple fonctionnel :
- Pour le réservoir « B », un tube léger Øext 9mm, ep.05mm avec une longueur de 25mm (environ 1cm3).
- Pour le réservoir « A », tube léger de Øint = Øext « B » + 4mm
- Tube plongeur « T1 », Øint de 4mm
- Tube de liaison « T2 », Øint de 2,5mm
- Le réservoir « A » doit être placé au minimum 30mm au-dessus du niveau « N » (Distance « D » sur le dessin) et légèrement incliné (15°).
- Le retour du tube « T2 » doit se faire au minimum 10 à 15mm en dessous du niveau « N ». (en fond de cuve si application coupe-gaz).
- L’ensemble des réservoirs «A » & « B » doit être positionné à l’écart des sources de chaleur, dans un endroit ombré et ventilé pour favoriser le refroidissement et donc diminuer le temps de réponse.
- Le réservoir « B » doit être parfaitement étanche et rempli (seringue) via la vanne V2 avant chaque utilisation en laissant un petit ciel (équivalent 2 ou 3 gouttes).
- La vanne V1 permet de vérifier durant le fonctionnement et les tests la présence de vapeur ou d’eau dans le circuit.
- Le mano (optionnel) permet de vérifier l’état du système, non pas le niveau absolu, mais la situation « +haut » ou « + bas » que « N » (passage de 2 à 4 b dans l’exemple ci-dessus).
- Enfin, il est commode de monter le tube plongeur « T1 » via un presse-étoupe ce qui permettra d’en ajuster la hauteur selon les résultats des tests en navigation. La souplesse et longueur du tube « T2 » devraient permettre de petits ajustements.

Sur le vue ci-dessous, un exemple de mise en oeuvre sur une chaud!ère à charbon. les cadrans sur la droite sont ceux d'un mano double mesurant les pressions "Chaudière" & "Bulbe".

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• La vanne pilotée :
- Comme mentionné dans le texte ci-dessus, ce peut être un simple régulateur du même type que ceux utilisés couramment pour régler la chauffe. Ne pas oublier éventuellement de fermer la dérivation « veilleuse ».
Le système sera assez facile à régler, fonctionnera correctement avec une précision très acceptable si la pression dans la chaudière est relativement constante (bonne adéquation de la capacité de production de vapeur versus la consommation du moteur). Ce qui devrait être la majorité des cas…
Que se passe-t-il s’il advient une chute brutale transitionnelle de pression dans la chaudière ?
- Si le système était en situation « +haut que N » (chaudière pleine) : Il n’y a pas de circulation et la température du réservoir « B » ne va pas brutalement changer. Pas d’effet à court terme.
- Si le système était en situation « +bas que N » (remplissage en cours par exemple) : Il y a circulation. La température de la vapeur et donc du réservoir « B » vont baisser et cet effet risque d’être interprété comme un changement de situation et le remplissage sera interrompu. Toutefois, il faut que la baisse de pression chaudière soit importante ! Dans l’exemple ci-dessus, le tout était réglé pour une pression chaudière Pc=4 beff et la vanne pilote tarée pour détecter un changement de 2b. Il faudrait donc que Pc chute à 2beff pour provoquer le changement d’état de la vanne. Pas gênant si ce n’est que transitoire, et si ça dure, il vaudrait mieux revoir toute l’installation…
Pour minimiser cet effet on peut bien sûr tarer la vanne pour répondre à un différentiel de pression plus important, 3b par exemple. L’effet négatif de ce réglage sera d’augmenter le temps de réponse lors du refroidissement sans circulation.
Les puristes souhaitant éliminer totalement ce phénomène pourront réaliser une vanne pilotée un peu plus sophistiquée où la commande n’est plus simplement la pression du réservoir «B » mais le différentiel Pb/Pc .