Isolation des chaudières, un "must"... ou pas!

Salut,

Pour continuer notre revue des « chaudières » regardons de plus près les histoires d’isolation… Certains ne mettent rien, d’autres considèrent ce truc comme principalement décoratif et les derniers font beaucoup d’efforts pour l’optimiser… Pour trancher le débat, nous allons essayer de mettre quelques chiffres sur le phénomène.

• Le modèle :
Maintenant que nous sommes « experts » en échanges thermiques (voir post sur « Capacité d’évaporation d’une chaudière ») nous pouvons établir un modèle simplifié des pertes thermiques.

Note :
- Pour nos besoins et la précision requise nous allons de nouveau utiliser les formules plus simples s’appliquant aux « surfaces planes ».
- Nous nous limitons aux effets de conduction et en première approximation ne tenons pas compte des effets de rayonnement…

Rappelons donc la formule simplifiée:
P = U * A * (T2 -T1)
Avec P la puissance thermique transmise en W, U le coefficient d’échange thermique, en W/(m2x°K) ; A la surface d’échange en m2 ; T1 et T2 les températures respectivement de la source chaude et de l’air ambient en °K ou °C (la différence sera la même).
ET U = 1/R avec R la résistance thermique totale de la paroi.
R est défini à partir du coefficient thermique h.
Et lorsque la paroi comprend différentes couches ou effets, Rt= R1+R2+R3…

Le schéma ci-dessous représente un modèle courant avec couche de liège et lattes de bois.

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Nous avons donc :
- Une résistance « Ri » correspondant à l’interface eau chaude et cuivre et Ri=1/hi. Le phénomène est de type convection naturelle pour l’eau et dans ces conditions 100<hi<1000. Prenons donc une valeur moyenne de 600.

Note : En toute logique, nous devrions différencier la partie de la paroi au contact de l’eau de celle (ciel) au contact de la vapeur, le coefficient hv pour la vapeur étant environ 10 fois moins élevé que pour l’eau. Mais le niveau de cet interface eau/vapeur est mal défini (bouillonnement), la majorité de la paroi est malgré tout mouillée, et il faudrait tenir compte des effets de bord et transmission dans le cuivre. Pour simplifier nous considérerons donc que la totalité des parois sont au contact de l’eau. Sans doute une légère surestimation des pertes mais comme d’un autre côté nous négligeons les pertes par rayonnement, la précision globale devrait rester suffisante pour nos besoins…

- Une résistance « Rm » correspondant à la transmission à travers la paroi métallique. Rm=épaisseur/hm avec hm=390 pour le cuivre.
- Une résistance « Rl » correspondant à la transmission à travers la couche de liège. Rl=épaisseur/hl avec hl valant environ 0,04 (peut varier un peu selon la qualité).
- Une résistance « Rb » correspondant à la transmission à travers les lattes de bois. Rb=épaisseur/hb avec hb valant environ 0,14 (peut varier un peu selon le type de bois).
- Une résistance « Re » correspondant à l’interface paroi et air ambiant et Re=1/he. Le phénomène est de type convection naturelle pour l’air sur paroi verticale et dans ces conditions 4 < he <16. Prenons donc une valeur moyenne de 10.

• Les calculs sans isolation:
Pour faire un calcul, j’ai repris les caractéristiques de la chaudière construite pour ma « Der Seekadett » : Longueur de virole 130mm ; Ø virole 82mm; avec une surface de chauffe de 2dm2 ; fonctionnement sous 3bars mano.
Donc (tables vapeurs) : Température de l’eau 142°C ; enthalpie de vaporisation 2133J/gr d’eau.
Et nous faisons une chauffe par une belle journée de printemps avec une température ambiante de 20°C. La différence de température entre eau et air sera donc de 142-20=122°.
- La première partie du calcul consiste à calculer les surfaces de la virole et des fonds. Rien de sorcier.
- Ensuite nous calculons l’énergie « Ec » transmise à l’eau pour produire la vapeur en nous basant sur la valeur conventionnelle de 4g/dm2/mn. Ec = 2133 x 4 x 2 =17064J/mn. C’est l’énergie utile.
- Puis nous calculons les pertes vers l’atmosphère sans isolation. Nous aurons donc uniquement trois résistances thermiques entre l’eau et l’air : Ri (de l’eau au cuivre) ; Rm (la conductivité du cuivre) ; Re (de la paroi à l’air). Nous en déduisons la somme, c’est à dire la résistance totale Rt.
-Et nous calculons la puissance des pertes Pp avec notre formule magique, en W/m2/s.
- Nous appliquons alors cette puissance aux différents éléments de la cuve et calculons en fonction de leur surface l’énergie perdue par minute.

Tout ça résumé dans le tableau ci-dessous :

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Ep, les pertes totales, représentent en gros 1/5ème de l’énergie utile, Ec , que nous avions transmise à l’eau via notre foyer et que nous voulions utiliser pour la vaporisation !!! Vraiment pas négligeable. La pose d’une isolation me semble fortement indiquée !
On note également que les pertes par les fonds (Epf) représentent environ un quart des pertes totales.

• Les calculs avec isolation totale :
Toujours avec la même chaudière, isolons de manière très classique toutes les parois, fonds compris, avec une couche de liège de 2mm d’épaisseur et un lattage en bois lui aussi de 2mm.
A la résistance totale que nous avons calculée à l’étape précédente, il faut ajouter les résistances Rl (couche de liège) et Rb (couche de bois).

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Et ça marche ! nous avons divisé les pertes grosso-modo par deux. Elles ne représentent plus qu’environ 10% de l’énergie utile. Encore non-négligeable, mais une amélioration très nette.
On remarque que le liège (et non les lattes) est le principal facteur dans cette diminution, sa résistance étant presque 4 fois supérieure à celle du bois à épaisseur égale. Si l’on souhaite améliorer l’isolation, c’est donc avec l’épaisseur de liège qu’il faudra jouer…

• Les calculs avec isolation uniquement de la virole :
Isoler les fonds n’est pas toujours simple ou possible et bien souvent on n’isole que la virole. Voyons l’effet sur les pertes.
Nous devons donc utiliser deux résistances différentes celle avec isolation pour la virole et celle sans pour les fonds.

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Les pertes augmentent bien sur légèrement passant de 11 à 13%. Considérant les difficultés à isoler les fonds, c’est probablement acceptable…

• Conclusion, discussion & astuces :
- L’isolation d’une chaudière est donc fortement recommandé et devrait faire l’objet de beaucoup de soins dans la réalisation. Ce n’est pas que de la déco !
- Ne pas sur-dimensionner inutilement le Ø de la virole : La chaudière utilisée pour l’étude donnait l’autonomie voulue. Imaginons que l’on n’ait pas trouvé de tubes de Ø82mm et que l’on se rabatte sur un tube de Ø100mm. On va certes augmenter l’autonomie (nous n’en avions pas besoin) mais hélas dégrader sensiblement les performances thermiques : Les pertes vont passer de 19% à 25% (je vous laisse refaire le calcul à titre d’exercice…) !! C’est béta…
- A la place du liège, on peut utiliser avantageusement de la fibre de verre avec une face réflective en aluminium. Le coef « h » est documenté à 0,035, un peu mieux que le liège (0,04) mais surtout plus facile à travailler surtout pour l’isolation des fonds. Je l’ai utilisé sur ma dernière chaudière et les performances semblent au rendez-vous :

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- Pour diminuer les pertes il n’y a pas de recette miracle : Il faut augmenter l’épaisseur de la couche de liège. Par exemple, une couche de liège de 6mm au lieu de 2mm permet d’abaisser les pertes de 11% à environ 6%. Mais l’exercice devient un peu compliqué et l’encombrement ( diamètre fini) augmente sérieusement.
- Une astuce que je me souviens avoir vu sur le Forum mais je n’arrive pas à retrouver le post : Intercaler une lame d’air captif entre le liège et le lattage. A l’époque je n’y avais pas vraiment porté attention. Lourde erreur !!
L’air captif (sans effet de convection) a une conductivité pratiquement deux fois plus faible (h= 0,025) que le liège. Autrement dit, 1mm de lame d’air aura le même effet que 2mm de liège ! Ça ne coûte rien et on gagne en encombrement.
La réalisation proposée était très simple : Intercaler 3 ou 4 joncs métalliques entre le liège et les lattes et celles ci seront collées par points de cyano sur les joncs avant cerclage.

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En utilisant du fil de Ø2mm nous obtiendrons le même effet qu’en ajoutant 4mm de liège !
Je testerai sur ma prochaine chaudière. Et si l’auteur de ce post se reconnaît, les détails seront bienvenus…

Voilà donc ma petite revue des problèmes d’isolation de nos chaudières. Justifier ou modifier par quelques calculs simples ce que nous faisons souvent par « habitude » me semble toujours intéressant.

Toute correction ou autres suggestions seront les bienvenues…

Hello !

Chauffe Marcel ! Si je ne la sortais pas là, je n'en aurai plus l'occasion !
Encore une démo simple et expliquée avec brio !

J'aurais cru que l'on avait plus de perte sans isolation et surtout que la différence entre - avec isolation et sans isolation= 8% - aurait été plus importante. Comme quoi, l'imagination ,c'est bien mais les chiffres sont sans appel !
L'isolation de ce que tu appelles la virole et que j'appelle tout bêtement le dessus est aussi loin de ce que j'imaginais. J'aurais cru que tout foutait le camp par là !
Bref! c'est plus clair et ça permet de mieux comprendre comment et pourquoi isoler sa chaudière. Tout gain d'énergie est bon à prendre.

Ca me confirme aussi dans l'idée , qu'avec une petite laine par une soirée fraiche quand on prend l'apéro sous le chêne , on a moins de perte de chaleur et ça permet de diminuer la charge en combustible ! ... Dommage !

JPA a fait une chaudière qui est l'acmé de l'isolation avec une épaisseur de balsa de 100 mm sous une paroi d'aluminium ! On doit avoir une photo quelque part mais je te suggère de la mettre dans tes cahiers lorsque tu mettras à jour !
Pour l'instant, JPA a lâchement fuit la pluie et se dore au soleil de Corse! Feignant ! Profites-en !

Une question pratique : avec quoi colles-tu ton isolation sur la chaudière ??

Encore merci et bien cordialement.

KBIO a écrit:Hello !
J'aurais cru que l'on avait plus de perte sans isolation et surtout que la différence entre - avec isolation et sans isolation= 8% - aurait été plus importante. Comme quoi, l'imagination ,c'est bien mais les chiffres sont sans appel !
L'isolation de ce que tu appelles la virole et que j'appelle tout bêtement le dessus est aussi loin de ce que j'imaginais. J'aurais cru que tout foutait le camp par là !

- Je sais cela fait beaucoup de chiffres à digérer, mais il faut aussi se méfier des pourcentages et de leur interprétation... Pourcentage de quoi?      
La bonne façon de regarder le truc c'est que les pertes qui représentaient 20% de la chaleur transmise par le brûleur, diminuent pratiquement de moitié avec l'isolation. Sans isolation les pertes sont estimées à 3172 J/mn. Elles tombent à 1943 J/mn avec une isolation totale. Une diminution de plus de 40%. Et ça, cela vaut la peine de le gagner.

- Ce que j'appelle la virole c'est le tube de la cuve... Mauvais terme??? Et oui c'est par là que se sauvent la majorité des calories 75% des pertes totales.

Pour coller la fibre j'ai utilisé des points de mastic silicone haute température, le truc qui sert à faire les joints sur les fours, cuisinières, poêles, etc... Sec ça colle dur.

Comme toujours les sujets traités par Rookie78 sont très instructifs et nous guident vers de meilleures performances en comprenant pourquoi !

Thanks rookie78  ...... finding you the offer ... . 


" The good way to look at the thing is that the losses which represented 20% of the heat transmitted by the burner, are reduced practically by half with the insulation. Without insulation, losses are estimated at 3172 J / min. They fall at 1943 J / min with total insulation. A decrease of more than 40%.  And that is worth earning it ".


Is  an excellent understanding of what we can achieve by proper insulation 


One point here, for new boilers it would be advantageous to ensure all boiler bushings/tappings are machined with x twice the height for protrusion so the insulation can be placed without issue


Derek 

Hello,
Très intéressante cette étude sur la comparaison de l'efficacité thermique entre chaudière isolée ou pas ! L'exemple pris concernait une pression de fonctionnement de 3 bars pour une température ambiante de 20°C, ce qui engendrait une perte d'énergie de 20%. En prenant d'autres paramètres est-ce que l'on retrouve, à peu près, ces 20% de perte ou bien est-ce que ces 20% fluctuent de manière sensible avec d'autres paramètres ? Il serait intéressant de refaire ces calculs avec d'autres paramètres de température (10°C, 15°C, 20°C, 25°C) et de pression (2 bars, 3 bars, 4 bars...). Je n'ai pas ma règle à calcul avec moi, mais cela devrait être facile avec le programme à Rookie. Petite rectification pour Kbio : l'isolation de ma chaudière est réalisée avec des baguettes de balsa de section 10x10, ce qui fait une épaisseur de 10 mm et non pas "100 mm". La chaudière nue (sans isolation) fait 200 mm de long pour 100 mm de diamètre avec foyer interne traversé par des tubes bouilleurs.

Salut JPA,

Les pertes fluctuent bien sûr un peu selon les conditions imposées puisque dans la formule de base la puissance transmise est proportionnelle à l'écart de température entre eau et air.
Si on prend les cas extrêmes de ce que tu proposes pour comparer avec l'exemple que j'avais choisi :
- 4 bars mano donc 5 Bars absolus, temp eau=150°C, temp. ambiante: 10°C. Donc écart temp= 140°C. Pertes = 3640J. 21%
- 3 bars mano donc 4 bars absolu, temp eau = 142°C, temp ambiante: 20°C. Donc écart temp = 122°C. Pertes= 3172J 19%
- 2 bars mano donc 3bars absolu, temp eau = 132°C. temp ambiante = 25°C. Donc écart temp = 107°C. Pertes = 2782J 16%

A la précision des calculs, elles restent dans le même ordre de grandeur et dans tous les cas un traitement sérieux de l'isolation s'impose.

Excellente présentation comme d'habitude
Pour mes chaudières j'ai l habitude de les entourer de liège de 5mm recouvert de tôle de 2/10 environ récupéré sur des bidons.
Y aurait il un avantage a ajouré au maximum le liège et à polir façon miroir la tôle coté chaudière pour réfléchir le rayonnement infrarouge vers la chaudière ?
Je sais c'est tordu comme idée ...

Salut Scyllias91,

5mm de liège c'est bien... La tôle de 2/10ème ne va pas arrêter grand chose je pense, plutôt faire radiateur; la polir serait sûrement un petit plus.
Si je comprends bien ce que tu proposes tu suggères de percer la couche de liège avec un maximum de trous, remplaçant ainsi le liège par de l'air. Et je peux voir la logique basée sur ce que j'ai présenté: L'air ayant un coefficient plus faible que le liège, on devrait augmenter la résistance thermique moyenne de cette couche et donc minimiser les pertes.

Cette idée originale appelle quand même quelques commentaires et réserves:
- L' air est un bon isolant à condition d'être sous forme d'une lame captive sans aucune circulation et donc aucun phénomène de convection. Cette condition d'étanchéité me semble assez difficile à réaliser en pratique dans le schéma que tu proposes et nous serons bien loin d'avoir des lames d'air.
- Le modèle simple que j'ai utilisé est celui pour parois planes organisées en couches. Certainement un peu approximatif pour nos cuves cylindriques. Mais le pari fait dans ce calcul est que l'approximation et donc erreurs induites seront du même ordre de grandeur entre les calculs avec et sans isolation et donc l' écart (pertes) restera significatif.
- Avec une couche de liège percée de multiples trous, nous créons un tas de nouvelles surfaces d'échange, petits cylindres d'air qui ont des interfaces directes avec la surface de la chaudière, les parois des trous du liège et la tôle de protection...Là je pense que le modèle est complètement à la ramasse et ne veut plus dire grand chose... Je crains qu'en fait on crée des ponts thermiques directs entre la cuve et la tôle radiateur... Et les pertes par rayonnement direct entre cuve nue et tôle ne seront sûrement plus négligeables...

Donc intuitivement, personnellement, je crains que ça ne marche pas... Pour en être sûr, il faudrait faire quelques mesures...

Bonjour à tous
ROOKIE a raison , l ' atr est un bon isolant à condition de ne pas pouvoir bouger .