La cheminée et son tirage!

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La cheminée et son tirage!

Message par KBIO le Sam 10 Mar - 8:30

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 du bulbe un peu laborieux !  

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 30 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. Mais trop grand (ex:>60mm) , ils s'accumuleront sans vitesse et risque même 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 !
Truc : ouvrir doucement le bruleur au départ, afin de laisser se réchauffer le conduit et ouvrir ensuite en grand quand c’est bien chaud. Ça évite le retour de flamme. (si la chaudière est bien pensée).

Bon à savoir :
Pour une combustion stoechiométrique (c'est à dire une combustion complète du gaz utilisant tout l'oxygène de l'air), il faut 11,8 litres d'air pour brûler 1 gramme de butane. Ce qui signifie qu'un brûleur de 100 g/heure aura besoin de 19,66 litres d'air par minute.
Si le mélange est trop pauvre en air il y aura formation de monoxyde de carbone (cas de la flamme qui pique le nez) et une partie du gaz va ressortir sans être brûlé.
Si le mélange est trop riche en air il y aura formation de dioxyde de carbone et une partie de l'oxygène s'échappera par la cheminée.
Ce volume d'air trop important va refroidir le foyer et affecter le rendement. Dans la pratique on admet un excès d'air de 5 à 10 % par rapport au volume stoechiométrique afin que chaque molécule de gaz ait une chance de rencontrer sa molécule d'air.
Raison pour laquelle, on met une bague de réglage d’arrivée d’air secondaire sur la périphérie du bruleur.
A comparer avec les 2 / 9 % de volume de gaz par volume d’air pour un bon mélange de combustion.
On s'aperçoit que les volumes d'air qui transitent dans le foyer de la chaudière sont assez considérables et il faut en tenir compte dans les modèles fermés (type remorqueurs ou autre) afin de prévoir des ouvertures largement suffisantes.
Pour calculer la dimension des ouvertures, on prend la consommation de gaz à la seconde & on calcule son volume à la pression du tank, on rajoute 95 % de volume d’air à la mème pression et on calcule la surface adaptée au débit. On fait ça pour calculer le débit des fleuves.
Autre source d'influence sur le tirage de la cheminée les courants d'air aux alentours de la cheminée : des superstructures trop importantes peuvent générer des perturbations lorsque le modèle se déplace, de même le vent qui peut "coiffer" la cheminée et éventuellement de perturber la sortie des gaz brulés.

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 pire, qu'ils disent ce que l'on veut bien leur faire dire. On voit large et on ne dit rien à personne.


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. Prévoir ± 5 cm )
-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 , ils sortent trop vite, ou bien que l'échange de chaleur n'est pas bon (conduit trop large, encrassement du foyer par exemple ou chaudière entartrée).
A contrario, très peu 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, ralentissement d'échappement des gaz. (peu probable).
(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 rechercherais 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 après 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  !
Mâtin! Quel Forum!

Cordialement!
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