RAPPELS THORIQUES 1 2 2 bis 3 4

RAPPELS THÉORIQUES 1 2 2 bis 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 - La température La chaleur spécifique La puissance Le rendement La pression La vitesse, le débit Les gaz La combustion Le brûleur Le corps de chauffe Le circulateur Electricité Chapitre II II

1 - La température • Définition : La température manifeste l’énergie thermique due à l’agitation des constituants de la matière. RAPPELS THÉORIQUES Il existe plusieurs échelles de mesure Les plus connues sont : - l’échelle de la température. Celsius (°C) Kelvin (K) Fahrenheit (°F) • L’unité légale : l’échelle Kelvin (K) Celsius (°C) Fahrenheit (°F) 373 100 212 273 0 32 - 273 - 459 Chapitre III 0 Absolu

• Pour passer d’une échelle à l’autre : Entrez cette valeur dans la formule pour obtenir °C °C RAPPELS K °C+273 °F (9/5 x°C) +32 K °F K - 273 5/9 (°F-32) +273 THÉORIQUES 9/5 (K-273) +32 Chapitre III Exemple : La température départ chauffage d’une chaudière est de 57°C. Transformez cette valeur en : - degrés Kelvin - degrés Fahrenheit Détailler l’explication du tableau Solutions

2 - La chaleur RAPPELS THÉORIQUES • Définition : La chaleur est l’énergie thermique contenue dans un système. Il existe plusieurs unités de mesure de la chaleur. - le joule (J) Les plus connues sont : - la calorie (Cal) - le kilowatt heure (KWh) - la thermie (Th) • L’unité légale : est le joule. Chapitre III

• Pour passer d’une échelle à l’autre : Entrez cette valeur dans la formule pour obtenir J J RAPPELS Cal KWh Th Cal x 4, 18 KWhx 3, 6 x 10+6 Thx 4, 18 x 10+6 KWhx 860 x 103 Thx 10+6 Cal J / 4, 18 KWh J/3, 6 x 10 -6 ou KJ / 3, 6 x 10 -3 Cal/0, 86 x 10 -6 ou Kcal/0, 86 x 10 -6 Th J / 4, 18 x 10 -6 Cal x 10 -6 ou Kcal x 10 -3 THÉORIQUES Chapitre III Exemple : Transformez 20 Kcal en : - Joules - Thermie - Kilowatt heure Détailler l’explication du tableau Th x 1, 16 KWhx 0, 86 Solutions

• Pour passer d’une échelle à l’autre : Entrez cette valeur dans la formule pour obtenir J J RAPPELS Cal KWh Th Cal x 4, 18 KWhx 3, 6 x 10+6 Thx 4, 18 x 10+6 KWhx 860 x 103 Thx 10+6 Cal J / 4, 18 KWh J/3, 6 x 10 -6 ou KJ / 3, 6 x 10 -3 Cal/0, 86 x 10 -6 ou Kcal/0, 86 x 10 -6 Th J / 4, 18 x 10 -6 Cal x 10 -6 ou Kcal x 10 -3 THÉORIQUES Chapitre III Th x 1, 16 KWhx 0, 86 Solutions Vous disposez d’une valeur en Th que vous souhaitez convertir en Cal. Entrez votre valeur dans la formule, sur la ligne Cal, et calculez Convertisseur d’unités Nota : vous disposez d’un convertisseur d’unité : vous entrez une valeur, et elle se transforme automatiquement dans l’unité que vous souhaitez. Pour en savoir plus, cliquez sur le bouton ci-contre.

• Pour calculer la quantité de chaleur accumulée dans un corps (Q) : Q = m x C x DT RAPPELS Q : Quantité de chaleur (J) m : masse du corps (kg) C : Chaleur spécifique du corps (J / kg / Degré)* DT : Élévation de température du corps (K) * pour l’eau C = 4185 J / kg / Degré THÉORIQUES Exemple : Calculer la chaleur accumulée dans 3 litres d’eau portée de 18°C à 60°C : Chapitre III Solutions - Joules Calcul automatique

2 bis - La chaleur spécifique • Définition : La chaleur spécifique d’un corps est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 degré, 1 kilogramme de ce corps. • Caractéristiques de l’eau : Chaleur spécifique : 4185 J/Kg/degré RAPPELS THÉORIQUES Sous un atmosphère : Masse volumique à 20°C : 998, 2 Kg/m 3 Masse volumique à 80°C : 971, 8 Kg/m 3 • Calculer une température de mélange : Chapitre III Si l’on mélange 2 volumes d’eau à différente température, quelle sera la température finale ? m x C x (T-T 0) = m 1 C x (T 1 -T 0) + m 2 x. C x (T 2 -T 0) De cette équation, après développement, on conclu : m 1 x T 1 + m 2 x T 2 T= Calcul m 1 + m 2 automatique T = température finale du mélange. Exemple : on rempli une baignoire avec 80 litres d’eau à 60°C Solution et 55 litres à 20°C. Quelle sera la température finale du mélange ?

3 - La puissance • Définition : La puissance est l’énergie dépensée (ou absorbée) par unité de temps. Cette notion caractérise la capacité à produire un effort dans un temps plus ou moins long. RAPPELS THÉORIQUES Les unités utilisées sont : le watt (W) ou kilo. Watt (k. W) la thermie par heure (th/h) 1 th/h = 1, 16 k. W Chapitre III • L’unité légale : est le watt.

• Appliquée à un carburant (le gaz), c’est la quantité de chaleur produite par une unité de temps. Les différents gaz sont caractérisés par un pouvoir calorifique (Hi) indiquant l’énergie contenue par unité de volume (ou de masse) du gaz. P = Hi x V/t V : Volume de gaz consommé t : Temps pendant lequel le volume V a été consommé V/t : Débit volumique de gaz (ou Qv) RAPPELS THÉORIQUES Chapitre III Exemple : G 20 : Hi = 34, 02 x 10 KJ/m 3 Quel est le débit gaz d’une chaudière dont la puissance fournie est de 24 KW ? Solution

4 - Le rendement • Définition : Le rendement est le rapport entre l’énergie fournie à un système et l’énergie restituée. Il caractérise l’efficacité d’un système à restituer l’énergie sous une autre forme. RAPPELS THÉORIQUES • Application à une chaudière : Rendement utile (ou rendement chauffage). C’est le rapport entre la puissance fournie par la chaudière sous forme d’eau chaude et la puissance absorbée (combustion du gaz). Ru = Pu/Pf Chapitre III Exemple : Une chaudière de puissance utile = 24 KW, puissance absorbée (ou puissance fournie) = 26, 6 KW. Quel est le rendement utile de cette chaudière ? Solution • Rendement de combustion (ou rendement indirect). C’est un rendement exprimé par rapport aux pertes par les fumées. Rg = 100 pertes par chaleur sensible Les pertes par chaleur sensible tiennent compte du taux CO 2 et des températures de fumées.

5 - La pression • Définition : La pression est la masse exercée par unité de surface : P = M/S (Pression = Masse/Surface) • L’unité légale : est l’échelle le Pascal (Pa). RAPPELS THÉORIQUES Plusieurs autres unités pratiques sont utilisées : - le millimètre de colonne d’eau (mm CE), - l’atmosphère (atm) - le kilogramme par centimètre carré (Kg/cm 2), - le bar (b) Pa Chapitre III Pa b atm mm CE Kg/cm 2 10 -5 0, 987 x 10 -5 0, 102 1, 02 x 10 -5 0, 987 10200 1, 02 10330 1, 033 b 105 atm 1, 013 x 105 1, 013 mm CE 9, 81 x 10 -5 9, 68 x 10 -5 Kg/cm 2 98100 0, 981 0, 968 10 -4 10000

6 - La vitesse, le débit • Définition : la vitesse caractérise un déplacement linéaire par unité de temps L’unité légale : m/s RAPPELS THÉORIQUES Chapitre III Le débit est le déplacement par unité de temps d ’un volume ou d ’une masse L’unité légale : m 3/s pour un volume kg/s pour une masse

7 - Les gaz • Définition : Les gaz sont répartis en 3 familles Famille 1 : gaz manufacturés (air butané, air propané, …) Famille 2 : gaz naturels type H (G 20 - méthane) gaz naturels type L (G 25 - groningue) Famille 3 : gaz de pétrole liquéfié (GPL - butane propané) RAPPELS THÉORIQUES • Les pressions de distributions de chaque famille sont déterminées par des normes avec tolérance mini ou maxi. D’une famille à l’autre, la pression est différente. • Un appareil est défini pour fonctionner avec une ou plusieurs familles de gaz. Chapitre III Lors du passage d’une famille à l’autre, il est nécessaire d’effectuer une opération dite de changement de gaz (changer les injecteurs de rampe, …). • Un code indique les gaz pour lesquels un appareil est défini. Exemple : catégorie gaz II 2 E+3+, II 2 H 3+, … Dans ce code, le premier chiffre indique le nombre de familles de gaz utilisables avec l’appareil, et les indications en indice définissent le ou les gaz pour chaque famille. II 2 E+3+,

7 - Les gaz • Catégories gaz 1 a : gaz de la première famille, à pression fixe 2 H : gaz de la deuxième famille, du groupe H, à pression fixe 2 L : gaz de la deuxième famille, du groupe L 2 E : gaz de la deuxième famille, du groupe E RAPPELS THÉORIQUES Chapitre III 2 E+ : gaz de la deuxième famille , du groupe E, défini pour deux pressions d ’alimentations différentes sans intervention sur l ’appareil. 3 B/P : gaz de la troisième famille, à pression fixe 3 P : gaz de la troisième famille, défini uniquement pour le propane 3 B : gaz de la troisième famille, défini uniquement pour le butane 3+ : gaz de la troisième famille , défini pour deux pressions d ’alimentations différentes sans intervention sur l ’appareil.

RAPPELS • Les caractéristiques des gaz : sont connues. Les plus importantes sont : - le pouvoir calorifique supérieur (Hs) : Quantité de chaleur produite par la combustion de 1 m 3 de gaz (ou de 1 Kg), l’eau produite lors de la combustion étant supposée condensée. - Le pouvoir calorifique inférieur (Hi) : idem Hs mais l’eau produite est supposée à l’état vapeur. THÉORIQUES • Les caractéristiques de quelques gaz (les plus utilisés) : Hi(MJ/m 3) Hs(MJ/m 3) Densité/air Chapitre III Mini mbar Maxi G 20 (méthane) 34, 02 37, 78 0, 555 17 20 25 G 25 (groningue) 29, 25 32, 49 0, 612 20 25 30 G 30 (butane) 116, 09 125, 81 2, 075 25 29 35 G 31 (propane) 88, 00 95, 65 1, 55 25 29 35 * mbar (Pression de distribution)

8 - La combustion • Définition : La combustion est une réaction chimique avec dégagement de chaleur. Inflammation Gaz + Air Produits de combustion + chaleur RAPPELS • La combustion complète du méthane donne : THÉORIQUES CH 4 + 202 + N 2 Oxygène Azote CO 2 + Gaz carbonique 2 H 2 O Vapeur d’eau + N 2 + chaleur Azote air Chapitre III Une combustion complète (ni d’excès d’air, ni défaut d’air) est dite stoechiométrique. C’est la combustion idéale, mais qui en pratique, est difficile à réaliser.

• La combustion avec accès d’air : C’est le cas le plus courant : l’air disponible pour la combustion est supérieur à la quantité nécessaire pour assurer une bonne combustion. De ce fait, l’air en excès se retrouve dans les produits de la combustion. RAPPELS THÉORIQUES • La combustion incomplète (manque d’air) : L’air n’est pas suffisant pour assurer la combustion de l’ensemble du combustible : Il reste des imbrûlés dans les produits de la combustion qui, en se combinant à l’oxygène de l’air, constituent des gaz polluants, voir mortels. CO : monoxyde de carbone : gaz mortel s’il dépasse un taux donné dans la pièce (maux de tête à partir de 100 ppm). Chapitre III Le CO se produit lorsqu’il y a manque d’air : brûleur ou corps de chauffe encrassés, entrées d’air de la pièce bouchées ou trop faibles, cheminée de section trop réduite, ou pas assez haute, erreur d’injecteurs de rampe gaz, …

les Nox : oxydes d’azote. Le terme Nox regroupe plusieurs gaz issus de la combustion : NO, NO 2, … Les Nox se forment avec la température, l’excès d’air, le temps de passage à travers le front de flamme. La difficulté est de réduire les Nox sans augmenter le CO. RAPPELS THÉORIQUES Chapitre III La technique la plus utilisée est le brûleur à pré-mélange total (pas d’air secondaire) qui permet de réduire la combustion à un “tapis” de flammes très courtes. Les molécule passent très vite à travers le front de flammes et les Nox n’ont pas le temps de se former. Ce type de brûleur doit être refroidi pour éviter la destruction des tôles inox de sortie de flamme du fait de la flamme beaucoup plus proche que sur un brûleur traditionnel.

• Définition : - CO 2 total : volume en m 3 (n) de dioxyde de carbone résultant de la combustion complète de 1 m 3 (n) de gaz s’exprime en m 3 (n) CO 2 / m (n) gaz. - CO 2 max : teneur maximale en CO 2 des produits de combustion rapporté au pouvoir fumigène sec pour gaz naturel : environ 12%, Butane/Propane : environ 14%. RAPPELS THÉORIQUES - Vapeur : d’eau totale volume de vapeur d’eau (en m 3 (n)) produite par la combustion complète de 1 m 3 (n) de gaz. s’exprime en m 3 (n) CO 2 / m 3 (n) gaz. - Air : volume d’air nécessaire à la combustion complète théorique du 1 m 3 (n) de gaz. Chapitre III Air théorique CO 2 total CO 2 max H 2 O Total Gaz naturels : gaz de Russie 9, 5 1, 01 11, 8 1, 98 Groningue 8, 9 0, 95 11, 82 GPL : Propane commercial 23, 5 3, 06 14, 1 3, 77 Butane commercial 30, 7 4, 04 14, 3 4, 82

• Les mesures de combustion : Le point de mesure (température de fumée, taux de CO 2, CO, …) doit être effectué dans des conditions précises pour être significatives et comparables. - Dans un appareil atmosphérique : ? - Dans un appareil étanche : ? L’appareil de mesure doit être étalonné par rapport à l’air ambiant. RAPPELS THÉORIQUES Pour convertir CO 2 en O 2 ou inversement : O 2 = 21 (1 - CO 2 mesuré) CO 2 max Chapitre III • Application : - pour gaz naturel : - pour propane : CO 2 mesuré O 2 = 21 x (111, 8 ) CO 2 mesuré O 2 = 21 x (114, 1 )

• La température de rosée : Lors de la combustion une quantité importante de vapeur d’eau se dégage et est évacuée par les fumées. Néanmoins, si les fumées sont refroidies à un niveau suffisamment bas, cette vapeur peut se condenser dans la chaudière et produire des condensations très acides du fait de la combinaison avec d’autres composants des fumées. La température de rosée dépend de l’excès d’air. RAPPELS THÉORIQUES • Quelques valeurs : Chapitre III Température de rosée combustion Sans excès d’air Excès d’air 40% Gaz naturels : gaz de Russie 59, 2°C 52, 7°C Groningue 58, 8°C 52, 5°C GPL : Propane commercial 53, 9°C 48, 0°C Butane commercial 53, 6°C 47, 5°C

9 - Le brûleur • Définition : Le brûleur assure la combustion : pour se faire, il doit créer un mélange parfait entre l’air et le gaz. Un bras de brûleur : Air primaire RAPPELS THÉORIQUES Air secondaire Gaz Chapitre III c b a • C’est un venturi avec : - Un convergent dans lequel sont collectés l’air et le gaz (partie a). - Un col où la vitesse est maximum (partie b). - Un divergeant dans lequel l’air et le gaz vont étroitement se mélanger (c). plus : - Une sortie de flamme qui va stabiliser la flamme dans la chambre de combustion. • L’air nécessaire à la combustion est amené de 2 façons : - L’air primaire est entraîné par le flux de gaz à travers le venturi - L’air secondaire entoure le bras de brûleur.

10 - Le corps de chauffe • Définition : Sa fonction est de capter la chaleur issue de la combustion et de la transmettre au circuit d’eau primaire. Le corps de chauffe traditionnel est composé de tubes d’eau en série (2 ou 4 tubes en général) sur lesquels sont brasées des ailettes. RAPPELS THÉORIQUES Chapitre III

RAPPELS • Les ailettes absorbent la chaleur par convection et la transmettent aux tubes par conduction. La forme de l’ailette est calculée pour être la plus efficace possible : - un bord d’attaque le plus long possible pour un échange optimum (1) - surface d’ailette réduite dans les zones les plus chaudes mais maximum dans les zones froides - zones embouties pour diriger les flux de fumées, accélérer la vitesse et augmenter la convection - épaulements pour garantir l’écartement entre ailettes lors de l’assemblage. THÉORIQUES Les ailettes sont brasées sur les tubes d’eau. Le contact entre ces deux éléments est déterminant. Sans ce brasage l’ailette est incapable de transmettre la chaleur, même si elle est insérée à force sur le tube. Chapitre III Zones embouties encoche pour baguette de brasage Bord d’attaque convection conduction épaulements

• Les tubes d’eau La chaleur issus de la combustion est captée par l’ailette et transmise au tube d’eau par conduction et convection. Le tube étant porté à haute température transmet la chaleur au circuit primaire par conduction. RAPPELS THÉORIQUES Deux paramètres vont permettre de garantir l’efficacité de l’échange : - la vitesse de circulation (cette vitesse doit être suffisamment élevée) - le type d’écoulement : pour un bon échange, il faut un écoulement dit “turbulent”, c’est à dire un brassage d’eau important pour que tout le volume soit chauffé. Pour obtenir cette condition, un “turbulateur” est placé dans le tube d’eau. Il a pour effet de communiquer un mouvement hélicoïdal de l’eau dans le tube. Chapitre III ailettes turbulateur Tube d’eau Débit eau froide Débit eau chaude convection conduction convection

11 - Le circulateur • Définition : Le circulateur est caractérisé par 2 données, étroitement liées : - Le débit - La hauteur manométrique totale Ces données sont fournies à l’installateur sous forme d’une courbe débit / pression en sortie chaudière (a). RAPPELS THÉORIQUES • Le calcul des pertes de charge de l’installation : permet de tracer une autre courbe (b) qui, en la superposant à la courbe de pompe, détermine le point de fonctionnement, C’est à dire le débit dans la configuration. • La hauteur manométrique totale Chapitre III représente la différence de pression entre le refoulement et l’aspiration de la pompe. - Une HMT trop élevée entraîne un fonctionnement à débit réduit, et donc un écart de température trop élevé entre départ et retour chauffage. - Une HMT trop faible, par contre, peut engendrer des bruits de circulation.

12 - Electricité • La loi d ’Ohm U=Rx. I U : tension (Volt) R : résistance (Ohm) I : intensité (Ampère) RAPPELS THÉORIQUES Chapitre III • puissance dissipée par effet joule P=Ux. I P : puissance (Watt) 2 Comme U = R x I, on peut aussi écrire : P = R x I • Energie absorbée W = R x I 2 x t W : énergie absorbée par le composant de résistance R t : temps pendant lequel le composant est traversé par le courant I. Mesurer une tension Fin du chapitre Mesurer une intensité Mesurer une résistance