Pression de fonctionnement

Salut,

Un truc que l’on entend souvent :
« Pour réduire ma consommation d’eau, je préfère fonctionner avec une faible pression dans la chaudière ». Vrai ou faux ? …

Posé comme ça, le problème n’a pas vraiment de réponse … De quelle consommation parle-t-on ?
- Pour aller d’un point A à un point B ?
- A la même vitesse ou pas ?
- Ou alors de la consommation pendant par exemple 1mn ? Oui, mais à quelle vitesse de rotation ? Et avec quelle puissance en sortie ?

Avant de fournir des éléments de réponse, il faut bien comprendre comment s’établit la vitesse d’un navire :
- La résistance à l’avancement ne dépend que de la vitesse du navire et de la forme de sa coque. C’est à dire que pour un navire donné la puissance nécessaire pour le propulser à une vitesse donnée est toujours la même et ne dépend ni du moteur ni de l’hélice.
- L’ensemble moteur/hélice devra être capable de délivrer cette puissance et la vitesse constante sera atteinte lorsque la puissance délivrée sera égale à la puissance de résistance de la coque. Si l’on augmente la puissance délivrée, la vitesse va augmenter jusqu’à ce que la résistance à l’avancement équilibre ce nouveau niveau de puissance et vice-versa si on baisse la puissance délivrée.
Très simple tout ça, mais cela va mieux en l’explicitant.

• Alors prenons notre bateau qui sera le même durant toutes nos manips. Il est propulsé par un moteur de 3,5cc alimenté avec de la vapeur à 2b chaudière. Le choix de l’hélice est tel qu’il navigue dans ces conditions à une vitesse stabilisée de 3km/h, l’hélice tournant à 1 000trs/mn. La vanne vapeur principale est totalement ouverte.
Et en utilisant VapCalc pour faire l’analyse, on note :
- Une puissance délivrée par le moteur de 7,6W. C’est aussi la résistance à l’avancement à cette vitesse (aux pertes près sur l’arbre, rendement hélice, etc…)
- Une consommation d’eau de 4,6gr/mn

• Poussons les feux et montons la pression chaudière à 4b. Même moteur, hélice, etc… Et regardons ce que nous donne VapCalc :
- Une consommation d’eau de 7gr/mn.
Nettement plus effectivement !!! … Oui, mais ça ne veut rien dire et cette situation n’existera pas en navigation !
- A cette pression et vitesse de rotation, la puissance délivrée est passée à 15,2W ! Résultat, l’hélice va tourner plus vite, la vitesse du bateau va fortement augmenter (peut-être même passer par la vitesse critique) jusqu’à ce que puissance délivrée et puissance de résistance s’équilibre… La comparaison avec un fonctionnement sous 2b à 3km/h n’a donc aucun sens.
- Si ce qui nous intéresse est la consommation pour aller de A à B, oui la conso par mn est plus élevée sous 4b mais on mettra beaucoup moins de temps puisque l’on navigue plus vite… A voir le résultat ( sans doute un peu défavorable, le couple résistant augmentant très vite avec la vitesse).

• Pour obtenir une comparaison valide, il nous faut jouer avec la cylindrée du moteur. Toujours avec VapCalc, refaisons le calcul avec un moteur de 1,8cc. Même vitesse du bateau et de rotation de l’hélice.
- La puissance délivrée est de 7,8W dans le même ordre de grandeur qu’avec le 3,5cc sous 2b. Ce cas sera donc réalisable en navigation.
- La consommation est de 3,6gr/mn. Tiens, ça c ‘est intéressant, significativement moins qu’avec le schéma précédent !

Donc pour réduire la conso vapeur à une vitesse imposée, il faut augmenter la pression et diminuer la cylindrée. On pourrait dire que plus la pression est élevée, plus importante est l’énergie contenue dans la vapeur et meilleure son utilisation.

• Pour utiliser le moteur de 3,5cc sous 4b et obtenir une navigation identique à celle sous 2b, il n’y a qu’une solution : Laminer la vapeur de 4 à 2b au sortir de la chaudière, c’est à dire faire baisser la pression et le débit en fermant partiellement la vanne. On retrouvera alors les mêmes puissance et consommation que dans le schéma initial. Quel intérêt alors ? Pourquoi ne pas sortir directement sous 2b ?

• On dit en général « Modélisme Vapeur » pour parler de nos activités… Pour être complet, nous devrions parler de « Vapeur vive » … Au contraire d’un gaz comprimé inerte par essence, la vapeur a une vie compliquée, naissant liquide, travaillant gazeuse et finissant sa vie liquide. Et beaucoup de choses peuvent lui arriver en cours de route. Le pire est d’avoir une vapeur qui s’humidifie avant d’avoir fini son travail dans les cylindres. Le ratio volumique entre une goutte d’eau et son équivalent vapeur est autour de 1 800 ! Je vous laisse imaginer la quantité de vapeur qu’il faudra sucer dans la chaudière pour combler le vide laissé par la condensation de gouttelettes dans les cylindres et la consommation d’eau équivalente. Ce phénomène aura d’autant plus de chances de se manifester que la pression sera plus basse.
On admet couramment qu’entre la sortie de la chaudière et l’entrée dans les cylindres, la pression chute de 0,8 à 1b. Si nous démarrons à 2b, il y a de grandes chances que nous finissions à 1b et là, la qualité de la vapeur devient très, très douteuse.

• L’idéal est donc d’avoir un ensemble vapeur (chaudière + moteur + hélice) correctement dimensionné et permettant de faire fonctionner le moteur a la bonne vitesse sous la bonne pression. Au pire, il est quand même préférable de partir sous une pression plus importante et de la laminer : Au passage, vous surchaufferez un poil la vapeur ce qui ne peut qu’être tout bénéfice sur sa qualité.

• Pour s’assurer de la qualité de la vapeur, les « pros » utilisent la surchauffe, la faisant repasser par le foyer ou la cheminée. Ils se réservent ainsi une bonne marge pour conserver une vapeur bien sèche.

En conclusions :
- On ne gagne rien sur la consommation en réduisant la pression de fonctionnement nominal pour une vitesse donnée. Bien au contraire.
- Les fabricants moteur en France préconisent en général une pression chaudière de 3b.
- En Angleterre, la norme est plutôt de 60PSI (4,1b).

Personnellement, j’essaye de tarer mes ensembles (régulateur et soupape) vers 3,5b. Ce qui, compte tenu des cycles de chauffe, m’assure une pression de fonctionnement entre 2,8 et 3,2b (à condition bien sûr que la chaudière soit bien dimensionnée… Mais c’est une autre histoire).

Note : Compte tenu de tout ce qui précède, pourquoi ne pas fonctionner sous des pressions plus élevées de 8 voir 10 ou 12b ? Certains le font dans des applications bien définies. Mais ces pressions élevées ont d’autres conséquences :
- Sécurité et test des chaudières : Sous 24b en test, les cuves vont se déformer ou il faudrait considérablement épaissir les enveloppes avec de sérieuses conséquences sur le poids…
- Conception des moteurs : Les forces engendrées sur les pistons, bielles, paliers vont s’accroître fortement et nos petits moteurs ne sont pas dimensionnés pour encaisser ça ! En laiton, l’usure sera trop rapide.
Comme toujours dans nos activités, ces chiffres de 3 à 4b représentent un compromis…

Bonjour et merci !
C'est limpide et instructif