Soutirage du combustible:Phase gazeuse ou liquide?

Lors de discussions sur les installations « vapeur », on entend parler de soutirage du « gaz » en phase « liquide » plutôt qu’en phase «vapeur»… Certains ont essayé cette technique et ont abandonné… D’autres en sont des inconditionnels… Chaque méthode a ses aficionados !
Le but de ce mémo est d’expliquer les concepts et conséquences pratiques de ces deux méthodes, aussi valables l’une que l’autre selon les applications.

• Le tank à gaz :
Ce n’est qu’un réservoir contenant le combustible (butane, propane ou un mélange) sous forme liquide avec une partie libre, le « ciel ». Et pour le moment considérons toutes les vannes fermées.

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Dans un réservoir fermé, lorsque la température d’ébullition (ou de vaporisation) d’un liquide est atteinte, il se crée un équilibre entre la partie vapeur et la partie liquide. C’est exactement le même phénomène physique que pour nos chaudières, à la différence que la température d’ébullition de nos combustibles est beaucoup plus basse que celle de l’eau : - 42°C pour le propane et -1°C pour le butane. Et donc la vaporisation se fera tout naturellement à température ambiante sans avoir à chauffer.
A chaque température ambiante (donc température de vaporisation Tv) correspond une pression dite de vapeur saturante (Pvs) et cette pression est la même que le tank soit au ¾ plein ou au ¾ vide. Le tableau ci-dessous résume les valeurs pour le propane, le butane et leurs mélanges classiques en fonction de la température.

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• Soutirage en phase « gazeuse » :
La vanne « A » est ouverte et le gaz s’échappe vers le brûleur. La pression chute et pour retrouver l’équilibre gaz/liquide décrit ci-dessus, le processus de vaporisation va reprendre.  Mais la vaporisation est un phénomène endothermique, c’est à dire qu’il consomme de la chaleur. La chaleur latente de vaporisation du butane, propane et mélanges des deux est de l’ordre de 350 à 400kj/kg, environ 7 fois plus faible que celle de l’eau (2 260Kj/kg) mais malgré tout très loin d’être négligeable.
- La seule source de chaleur disponible est celle stockée au sein même du liquide. Le liquide (et le réservoir) va donc se refroidir. Un petit calcul approximatif pour fixer les idées :
Prenons un réservoir de Ø55mm et de longueur 90mm. La capacité utile est d’environ 60grs de butane liquide. Imaginons qu’il soit parfaitement calorifugé, c’est à dire aucun échange de chaleur avec le milieu ambiant. La chaleur latente de vaporisation est d’environ 365kj/kg à 15°C. Pour vaporiser la totalité du liquide il faut donc lui apporter une quantité de chaleur Qt :
Qt= 365 x 0,06=22kj
La chaleur Qs stockée dans le liquide et pouvant être restituée est donnée par la formule :
Q = m x C x ΔT avec m la masse, C la capacité calorifique et ΔT la baisse de température. On en déduit le ΔT nécessaire pour libérer la quantité de chaleur Q : ΔT=Q/(m*C). C pour le butane liquide est d’environ 2,26kj/kg /°.
Donc : ΔT=22/(0,06*2,26) = 162° !!! Nous partons de 15°, la température finale devrait être de -147°C… Impossible bien sûr, la vaporisation s’arrêtera à 0°. Et en faisant le calcul à l’envers on s’aperçoit que ne seront vaporisés qu’environ 1/10ème de la masse initiale du butane.(Calcul un peu extrême ne tenant pas compte de la chaleur stockée dans le métal du réservoir, etc...).

Résumons. Dans le cas d’un soutirage en phase gazeuse :
- Si la température ambiante est suffisante et le soutirage pas trop rapide, la demande de « chaleur » sera au moins partiellement satisfaite par un apport extérieur via les parois du réservoir. Il y aura malgré tout probablement une légère baisse de la température du tank.
La conséquence immédiate du refroidissement est la baisse de la pression de vapeur saturante (voir tableau ci-dessus) et donc de la pression du gaz envoyé au brûleur.
- Si le soutirage est important (« gros » gicleur au brûleur) la chute de température est telle que la surface du tank givrera. Et si l’on opère avec du butane il n’y aura plus de vaporisation du tout ! Phénomène aggravé si la température ambiante est de type « hivernal ».

Le soutirage en phase gazeuse, très simple à réaliser, ne sera donc une solution viable que pour les navigations sous des températures ambiantes raisonnables et des brûleurs de taille modérée (60 à 70grs/h ?). Rassurez-vous, c’est le cas de beaucoup d’installations bien conçues où brûleur/chaudière/moteur/hélice sont en adéquation et une localisation du tank près de la chaudière favorise l’apport extérieur de chaleur par rayonnement et/ou conduction via platine et châssis par exemple.

Note : Pour répondre à ce problème, certains essayent de chauffer le réservoir de diverses manières : Bain d’eau chaude, boucle de tuyauterie vapeur autour du tank, etc… Pas simple à réaliser et difficile de contrôler la température avec précision, ce qui peut engendrer un sérieux risque de sécurité : La pression de vapeur saturante augmente très vite avec la température notamment pour le propane et les mélanges. Avec d’ailleurs l’effet pervers que la pression augmentant le débit fera de même et l’effet de refroidissement s’aggravera…

• Soutirage en phase « liquide » :
La solution au givrage du tank décrit ci-dessus est évidente : Il suffit de ne pas faire la vaporisation du liquide à l’intérieur du tank!
Il faut donc soutirer du liquide et forcer la vaporisation en utilisant une source de chaleur externe. Or des sources de chaleur externes au tank, il en existe deux sur toutes les installations, « gratuites » et facilement accessibles dès lors que la chauffe est en service : Les gaz brûlés dans la cheminée et l’environnement immédiat du brûleur.

- Vanne « A » fermée et vanne « B » ouverte. Le liquide est éjecté par la pression « Pvs » régnant dans le ciel. Une (ou plusieurs) boucle du tuyau contenant le liquide est exposée à la source de chaleur externe et l’on force ainsi une vaporisation « flash ». Le combustible, dorénavant en phase vapeur, est alors dirigé vers le brûleur.
- La pression motrice « Pvs » restera pratiquement constante durant toute la durée du tirage. Il se produira bien une vaporisation dans le tank pour compenser l’accroissement du volume du ciel. Mais 1cm3 de liquide générant environ 270cm3 de gaz (selon les conditions de température du tank), cette vaporisation ne concernera qu’une faible quantité de liquide (quelques cm3 au pire) et l’effet de refroidissement associé sera quasiment négligeable. En reprenant l’exemple précédent, la quantité de chaleur nécessaire à cette vaporisation serait inférieure à 0,05kj et la baisse de température de l’ordre de 0,5°C.
Cette solution est donc très séduisante ! Plus de limitation sur le débit du brûleur et navigation par temps froid moins incertaine.

Il faudra quand même prendre en considération quelques facteurs lors de la réalisation d’une telle installation :
- Le gaz issue de la vaporisation « flash » sera probablement plutôt chaud ! Avant de l’envoyer vers régulateurs et autres vannes, il sera prudent de le refroidir pour éviter d’endommager joints & membranes. On doit pouvoir serrer la conduite de gaz vaporisé entre deux doigts sans se brûler…
- La pression du gaz généré dépendra d’un tas de paramètres pas vraiment maîtrisés :  Débit dans les tubes, intensité de la chauffe, pertes de charge dans les tubes et le radiateur, etc… Pour éviter de gaver inutilement le brûleur il pourrait être nécessaire de prévoir un système de régulation de la pression « brûleur ». Un simple détendeur classique devrait suffire.
- Le soutirage se faisant en fond de tank, le risque d’entraîner des débris et dépôts variés est fortement augmenté. Des systèmes de filtrage devraient être considérés.
- Il faut « amorcer » le processus, c’est à dire créer nos sources de chaleur externes avant de pouvoir soutirer en phase liquide. Et donc le système devrait prévoir le départ de chauffe en phase gazeuse avant de basculer sur le soutirage en phase liquide.
- Le volet « sécurité » doit faire l’objet de beaucoup d’attention ! Envoyer la phase liquide directement au bruleur et l’allumer ainsi serait très délicat ! Rappelez-vous qu’une goutte de liquide donne 270 fois son volume en gaz… Et là c’est la version lance-flamme ou « flash »…
- Attention aux longues périodes d’inactivité, chaudière en pression, brûleur éteint et veilleuse en stand-by. Si notre source de chaleur externe a plus ou moins disparu, le ré-allumage du brûleur risque d’être un peu violent…

Vous trouverez dans la section  « Informations pratiques - Phase liquide » différentes  réalisations. Elles sont toutes opérationnelles.

Marcel.