Et si on parlait de la cheminée et de son tirage????

Hello!
Voilà un moment que l'on parle de tirage dans les  cheminées de nos chaudières à gaz , et depuis le temps que ça me titille l’encéphale de manière térébrante, il a fallu que je me renseigne chez les Huns et chez les Zôtres!
Comme d'hab', les expériences et commentaires de chacun sont les bienvenus pour nous éclairer sur ce sujet.  

Le tirage, c'est quoi ?
Tout simplement une colonne chaude de gaz brûlés de faible densité dans un environnement plus froid et plus lourd. Tout l'art est de conserver ce déséquilibre afin d'obtenir un apport d'air frais au niveau du foyer, nécessaire à une bonne combustion.

Il nous faut distinguer la différence entre chauffe au gaz et chauffe au charbon.

1-La chauffe au charbon requiert bien d'autres considérations qui n'ont rien à voir avec la chauffe au gaz.
Imaginons ce qui se passe au dessus d'un foyer de charbon.
Le charbon se consume et dégage de la chaleur. Pour cela, il a besoin d'air.
La fumée , résultat de la combustion, se dilate et comme elle est plus légère que l'air elle s'envole plus ou moins vite dans le conduit. Tout va bien !
La masse volumique de l'air à 20°C est de1,293kg/cm² .
Celle d'une fumée  @ 200°C est de 0,760 Kg/cm² .
On comprend de suite que si on met une colonne de fumée sur le plateau d'une balance et une colonne d'air frais sur l'autre plateau, le plateau penchera du coté du plus lourd : l'air frais.
Premier effet : l'air frais alentour, pousse sur l'air chaud du conduit et le force vers l'extérieur. Principe du tube en U.
On en conclu donc que plus l'air est chaud d'un coté , plus il aura tendance à monter, par rapport à  l'air ambiant, dont la température ainsi que la masse volumique ne change pas.
On comprend aussi que plus la différence de température est importante et plus la colonne d'air chaud  montera vite.
Et encore ; que plus la colonne d'air chaud est haute, plus la différence entre les deux colonnes est importante et plus la vitesse d’échappement des gaz brûlés augmente.
Ce sont ces trois facteurs interdépendants qui déterminent le tirage dans ce cas précis.
La différence de pression entre la pression atmosphérique et la pression hydrostatique
de la colonne chaude.
La différence de température  entre les deux colonnes.
La longueur de cette colonne  .
Dans l'industrie,  la cheminée est profilée de façon à augmenter la vitesse des gaz refroidis avant la sortie. (Effet Venturi)

C'est aussi ce qui explique que faire des grillades dans la cheminée de la maison en été n'est pas gagné d'avance.  
La cheminée de notre maison a moins de rendement en été qu'en hiver, parce que la différence de température entre l'extérieur et le conduit  n'est pas assez importante. Il peut même s'inverser au départ, l'air extérieur étant plus lourd que dans la cheminée, il se rabat, on enfume la maison, et on se fait engueuler !  
On va pas faire trop long, parce que je sens qu'il y en a qui ont déjà un tirage difficile !  

La dépression ou le tirage est déterminé par la différence de densité entre la colonne d'air chaud et celle d'air froid , multipliée par la hauteur du conduit.  
Facile.

Pour ceux qui aiment les chiffres :
Pch = h x (air - gaz)
où,
Pch = tirage de la cheminée [Pa]
h    = fauteur de la cheminée [m]
air et gaz = masses volumiques de l'air à la température extérieure et des fumées

On peut dire que plus la cheminée est haute, plus les fumées chaudes prennent de la vitesse, plus le tirage est important. Le tirage de la cheminée de la maison existe bien dans ce cas précis.
Mais sur une chaudière au charbon embarquée (loco ou bateau) réelle ou modèle, la hauteur de la cheminée est limitée par la force des choses :ponts, tunnels,... et l'emploi de la formule ci-dessus est inapproprié.
Dans une chaudière au charbon, on l'a vu, il faut aider au tirage en faisant passer de la vapeur dans le conduit de cheminée afin de créer mécaniquement un courant ascendant,  qui maintient la vitesse de la colonne chaude, et qui, en créant une dépression au dessus du foyer amène plus d'air frais à celui-ci.  
C'est le problème qui occupe Bobino et Jacky avec leur ensemble de chauffe!

2-Tout ça c'est bien beau , mais quid de nos petites chaudières avec un brûleur à gaz et un conduit de 40 mm de diamètre ?
Au départ, nous avons  la vitesse de sortie du gaz par le gicleur qui entraîne l'air de combustion, ce qui n'est pas le cas du charbon.
En sortie du brûleur, un gaz qui en s'enflammant va se dilater et vouloir s'échapper du coté le plus facile vers lequel il est entraîné : la cheminée.
Le foyer étant sous pression à ce moment, la demande d'air frais ainsi que la pression atmosphérique extérieure entraîne les fumées vers la sortie.
Si, en plus,  on se réfère à la formule proposée ci-dessus, on se rend vite compte que la longueur de la cheminée n'a aucune, mais alors, absolument aucune influence sur le tirage. Contrairement à ce qu'on entend ici ou là ! Ce n'est pas 10 ou 20 cm de tuyau en plus et les quelques dixièmes  de millibars gagnés qui vont augmenter la différence de pression entre les deux colonnes, et subséquemment notre fameux tirage.
Sur nos chaudières à gaz, le tirage au sens propre ne s'applique pas . L'apport d'air frais pour la combustion se fait et se régule au niveau du brûleur même.
Par contre le diamètre du conduit aura lui, une influence importante .
Trop petit (ex : 10/15mm) et les gaz brûlés auront du mal à s’évacuer, ou pire refoulerons.
Mais trop grand (ex:>60mm) , ils s'accumuleront sans vitesse et risque m^me d'étouffer la flamme.
L'expérience qui nous concerne à prouvé que selon la taille et le nombre de brûleurs un conduit de 30 à 50 mm est le bon compromis !  

C'est un autre problème de savoir le bon rapport entre la vitesse de la flamme, sa bonne combustion et la rétention de chaleur afin de récupérer un maximum d'énergie.
Il y a certainement des calculs savants , utilisés à l'échelle 1 dans l'industrie, et qui sont nécessaires , mais on peut se rassurer qu'à notre échelle, ils ne disent plus grand chose ou alors, qu'ils disent ce que l'on veut bien leur faire dire.


A vue de nez, ce que nous, nous recherchons pour un rendement optimum :
-Il ne faut pas que ça pique pas le nez en sortie de cheminée : mauvais mélange air/gaz =
mauvaise entrée d'air primaire & foyer trop petit.
-Il ne faut pas que la flamme refoule à l'entrée du foyer :  tubes bouilleurs trop prés de
l'entrée, la flamme n'a pas le temps de se former et d'atteindre sa vitesse, diamètre
du foyer trop faible, ou autres.
-Il faut pouvoir tenir sa main en sortie du conduit de cheminée: combien de temps ? A
quelle  distance ? C'est la théorie du fût de canon , (ou du c .. de  Fanon...!) si les gaz qui sortent sont exagérément chauds c'est que l'on gaspille de l'énergie pour rien ou bien que l'échange de chaleur n'est pas bon (conduit trop large, encrassement du foyer par exemple ou chaudière entartrée).
A contrario, pas de chaleur en sortie et on doit probablement chauffer de la ferraille pour rien.
Si la cheminée est trop longue il peut aussi y avoir refroidissement avant la sortie et donc, diminution du tirage.
(On a tous connu des grandes cheminées qui tiraient assez mal.)    

Si tous ces facteurs sont réunis, alors , on doit pouvoir considérer que l'ensemble est bien fait et qu'il est performant.
Mais je ne chercherais pas le « tirage », dans la chauffe au gaz.

Pour ma part, je me suis livré à quelques expériences sur une chaudière (sans retour de flamme)  et j'ai fait débiter la sortie vapeur dans le bas de la cheminée.
Foyer de 40mm et conduit cheminée de 30mm. Brûleur de 35/100
Avec une machine de +/- 6,5cc, lorsque je pousse celle-ci à fond, la détente de la vapeur dans le conduit perturbe et souffle la flamme du brûleur.
Dans une autre chaudière à retour de flamme avec un conduit de 40mm, le diamètre de la cheminée  permet le passage de la vapeur simultanément avec les gaz brûlés = il ne se passe rien que l'on puisse noter à l’œil nu.La flamme doit malgré tout être perturbée.
(et pas "perteburnée", comme dit JPA aprés un excellent Médoc primé!  )
J'ai fait la même chose en mettant la sortie vapeur en haut de la cheminée , la flamme du brûleur ne bronche pas.

Conclusion : La différence entre les deux modes de chauffe , c'est qu'à la source, le foyer du charbon , est statique, et nécessite de penser à un bon tirage, alors que pour le gaz, il est dynamique, et se démerde tout seul.

Palsembleu ! Encore une rumeur de bassins terrassée par l’immarcescible Guilde des Vaporistes du Cercle des Vaporistes !
Mâtin ! Quel Forum !

Cordialement!