Remplissage chaudière & déshuileur

Salut,

Un petit message innocent de « KBIO » :

« Souvent je vois des Vaporistes qui, au le bord de l’eau, se plaignent de leur "condenso-dés-huileur », parce que dès qu’ils mettent en route, celui-ci se remplit et fait contre pression sur la machine…
Bien sur l’accessoire est voué aux gémonies alors que le problème vient peut-être d’ailleurs. Un peu comme le bonhomme qui voit de la fumée noire sortir de son pot d’échappement et qui décide qu’il faut le changer, certain que le problème vient de là !...»
Peux-tu me quantifier ce truc-là ? »

  Ayant tendance à rester au frais par ces fortes chaleurs, je me suis donc exécuté ! Le nettoyage du jardin et la tonte attendront des températures plus clémentes… Ce qui est décrit ici ne vaut que pour les chaudières horizontales mais les mêmes précautions peuvent servir pour une chaudière verticale.

Nous avons deux choses à étudier : La notion de remplissage et la dilatation thermique de l'eau.

• Remplissage d’un réservoir cylindrique horizontal :
  Lorsqu’on remplit une chaudière horizontale, on a pour habitude de dire qu’il faut la remplir aux 3/4. Mais aux 3/4 de quoi ? Du volume total ou est-ce la hauteur d’eau comparée au diamètre ? Qu’est-ce que cela fait comme différence ?
Le problème est décrit dans la vue ci-dessous.

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On voit sur le dessin que lorsque le réservoir se remplit au-dessus de la moitié, il n’y a plus proportionnalité entre l’augmentation du volume et la hauteur de l’eau dans la cuve. La formule liant hauteur et volume partiel Vp est (avec H hauteur de remplissage, L longueur de la cuve et R son rayon) :
Vp = L(R²Arccos((R-H)/R) – (R-H)√(2RH-H²))
  Le graphique représentant cette fonction montre clairement la non-linéarité. Bon pas de panique pour les calculs ! Je vous ai fait un tableau donnant le pourcentage de ciel en fonction du pourcentage de remplissage H/D.

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Prenons comme exemple une cuve de Ø=100mm et longueur L=140mm (dimensions intérieures). Sa contenance totale est 1 100cm³.
- Interprétation 1 : Si je veux la remplir aux ¾ en pensant « volumes », c’est à dire laisser un ciel de 25% du volume total, la hauteur de remplissage H devra être (cf. tableau) de 70% du diamètre soit 70mm. Le volume d’eau embarqué sera de 1100 x 75%= 825 cm³.
- Interprétation 2 : Si je la remplis à une hauteur de ¾ du diamètre, H/D=75%, H=75mm et le ciel sera (cf. tableau) de seulement 20% du volume total. Le volume d’eau embarqué sera de 1100 x 80%= 880cm³.
Dans la manip « 2 » on embarque certes un peu plus d’eau (55 cm³, soit 7% de plus), mais la surface de l’eau s’est nettement rapprochée du dôme d’extraction de la vapeur, de 5mm… Ce qui est beaucoup !

Note : Il faudrait tenir compte du tube central, des tubes bouilleurs pour déterminer le volume réel d’eau embarqué. Ça ne changerait pas le principe et nous les avons laissés de côté pour simplifier les calculs.

• Dilatation thermique de l’eau :
  Comme tout corps que l’on chauffe, l’eau se « dilate », c’est à dire qu’à masse constante son volume augmente. L’eau a toutefois par rapport à un solide deux caractéristiques particulières : Elle se contracte de 0 à 4°(!!) et son coefficient de dilatation est élevé et varie très sensiblement avec la température. Ce qui rend les calculs directs avec ce paramètre assez fastidieux puisqu’il faudrait l’intégrer sur le domaine de température concerné. Se méfier également des tables variées et diverses trouvées sur le Net, leur utilisation n’est pas toujours ni très intuitive ni bien expliquée, chacun ayant son propre truc.
Le plus fiable et le plus simple je pense est de passer par la masse volumique de l’eau. Là nous avons des tables simples et bien établies.
Nous avons au départ un volume V₁ d’eau à une température T₁ et avec une masse volumique Mᵥ₁. A la température T₂, la masse volumique est Mᵥ₂ et le volume devient V₂.
Soit M la masse d’eau qui bien sûr ne change pas durant la chauffe. Par définition on a :
M = Mᵥ₁ x V₁ = Mᵥ₂ x V₂
Et on en déduit simplement : V₂ = (Mᵥ₁/Mᵥ₂ ) x V₁
Sur la vue suivante, vous trouverez les valeurs des masses volumiques de l’eau à différentes températures et pressions usuelles de nos chaudières :

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  Reprenons notre exemple. Nous avions rempli la chaudière au ¾ du diamètre. Le volume V₁ était de 880cm³. C’était une belle journée de printemps et la température était de 20°C. La masse volumique lors du remplissage était donc (cf. table) de Mᵥ₁= 998,29.
Chauffe terminée, pression mano à 3bar, la température de l’eau est à 144°C et la masse volumique à cette température (cf table) est de Mᵥ₂= 922,2 (les unités des masses volumiques nous importent peu puisque nous en faisons le rapport).
Le volume V₂ = (Mᵥ₁/Mᵥ₂ )x V₁= (998,29/922,2) x 880 = 953cm³
Une belle augmentation de 8% !
Et où sera le niveau dans la cuve ?
- Le remplissage en volume devient 953/1100 = 87% et donc le ciel est réduit à 13% du volume total !
- Et en reprenant la table de correspondance %hauteur/%ciel, le niveau dans la cuve sera de 81% du diamètre, soit 81mm. Le niveau est remonté de 6mm.

  Ce qui nous rapproche dangereusement de l’orifice de sortie vapeur de la chaudière avec une surface d’évaporation très réduite… Bonjour les grosses bulles. Ce ne sera plus du primage, mais carrément des bouchons d’eau qui seront expulsés ! Il faudra évacuer pas mal d’eau avant de retrouver un ciel raisonnable de bonne vapeur saturée. Eau qui se retrouvera (si le moteur n’a pas calé) dans le "condenso-dés-huileur ».

Note : En toute rigueur nous devrions tenir compte de la dilatation de la cuve partiellement compensée par celle du tube central et des bouilleurs… Les phénomènes de dilatation du cuivre compte-tenu de son coefficient et de la faible plage de température sont toutefois d’une magnitude plus de 10 fois inférieure aux effets de dilatation de l’eau et sont donc négligés dans ce calcul.

• Conclusion :
  Tant que l’on s’obstinera à trop remplir les chaudières, on aura des soucis avec le "condenso-dés-huileur ». L’idée que l’on a ainsi plus d’autonomie est probablement erronée, puisqu’une quantité non négligeable d’eau sera évacuée sans produire de vapeur. Et on aura consommé du gaz pour rien en la chauffant…

Un bon compromis semble être de laisser un ciel de 30% en volume, c’est à dire (cf. table) de remplir aux 2/3 (66%) de la hauteur. Dans ces conditions et en reprenant le calcul précédent :
Volume d’eau embarqué : 1 100 x 70% = 770cm³.
Volume de l’eau à 3bar mano : (998,29/922,2) x 770 = 833cm³
Ciel à température : (1100 – 833)/1100 = 24%
Hauteur à température (cf tables) : 71% du diamètre soit 71mm.
Un ciel en température et une distance du niveau d’eau au dôme d’extraction vapeur confortables.

Merci Rookie!
C'est exactement ce que je voulais dire! C'est tellement mieux expliqué quand c'est toi qui le fait!
Je pense à quelqu'un en particulier   qui regardera le niveau de sa chaudière avent d'incriminer le "Condenso-Dés-huileur" à présent!
Buvez frais, mais buvez!
Cordialement.

Merci Rookie,

Après lecture, je viens d'abaisser le niveau de remplissage de la chaudière que je suis en train de dessiner !

Welcome!! Content que ça serve à quelque chose... Y a plein de petits trucs comme ça un peu vicieux dans la vapeur et qu'il est facile d'oublier et de sous ou sur-estimer...

Bonjour à tous
ROOKIE a raison . Le but d'une chaudière étant de produire de la vapeur et non du brouillard .
On s'assure de l' absence d'eau à l'arrivée de l'utilisateur en installant des purgeurs sur les tuyauteries . Au départ , dans la chaudière , on installe un cyclone pour les grosses ou un dévésiculateur ( demister chez les Anglo saxons ) : une sorte de grosse éponge à récurer .
Mais dans l'entrainement de l'eau interviennent bien des facteurs . en premier lieu la teneur en sels de l 'eau qui est maitrisée par le taux de purge . Ce facteur ne nous concerne pas il suffit de choisir notre eau . Par contre d'autres facteurs limitent la qualité de la vapeur. ce sont des règles empiriques qui sont le savoir faire du fabricant .
Les taux de vaporisation rapportés au volume libre au dessus de l'eau et a la surface de l'eau sont pris en compte selon la pression .
Pour en revenir à nos chaudières il faut , à mon avis installer un surchauffeur , même modeste et constater jusqu'à quel débit il surchauffe : c'est la limite à ne pas dépasser si on ne veut pas remplir vite fait le déshuileur.

Bonsoir,
Un cyclone dans la chaudière ? Peux-tu nous dire comment ça fonctionne ? A l'extérieur, sur la conduite vapeur je comprends, mais dedans, je ne vois pas ...

Bonjour ,
Je n'ai vu de cyclone séparateur d'eau que sur une grosse unité ( plusieurs de tonnes de vapeur à l'heure )  dans une raffinerie . C'est comme pour un dépoussiéreur ou un modèle récent d'aspirateur domestique mais devant résister à la pression . Je ne crois pas que l'effet cyclone  puisse être efficace à notre échelle . Dans nos chaudières je pense que le seul moyen de  limiter le primage est  , en plus d'avoir un volume  libre suffisant au dessus de l'eau  pour que la faible vitesse de la vapeur aidant , l' eau entraînée ait le temps de retomber .
Un parcours entre des chicanes pour les chaudières à tubes de fumée ou une sortie de vapeur à l'opposé de l' entrée unique l'émulsion dans le ballon ( en regroupant les tubes bouilleurs  avant ) devrait optimiser la production de vapeur .
Pour faire avancer la conception de nos chaudières il est indispensable que des mesures chiffrées de production de vapeur permettent de les  comparer . Cela est faisable avec une précision honorable  même à l'aide d' une vieille balance Roberval.