Développement de prototypes

 Premier prototype

Après validation du cahier des charges par la direction technique du groupe POUJOULAT, un premier prototype de conduit échangeur à triple paroi (CETP) a été réalisé sur la base d’un élément droit de 1000 mm de la gamme de conduit étanche DUALIS PGI, comme représenté par la vue et le schéma de la Figure 2.6. Les diamètres intérieur, intermédiaire et extérieur sont respectivement de 80 mm, 130 mm et 180 mm. À l’image des solutions de la gamme CONFORT PLUS, les piquages d’entrée et de sortie de l’air de ventilation sont situés en partie haute du conduit et leur diamètre est de 125 mm. Enfin, 2 chicanes métalliques sont soudées verticalement sur les 2/3 de la hauteur du conduit intérieur pour inciter l’air de ventilation à descendre puis à remonter dans la calandre.

Prototype 1 80-130-180 mm

Figure 2.6 : Vue et schéma du premier prototype de conduit échangeur à triple paroi

Dès les premiers essais, il apparaît que ce premier prototype engendre des pertes de charge importantes sur l’air de ventilation (cf. courbe 1 de la Figure 2.10). De plus, compte tenu des faibles diamètres des tubes et de l’absence d’ailettes, les surfaces d’échange du côté des fumées et de l’air de combustion sont assez modestes et valent respectivement 0,27 m² et 0,28 m². Une nouvelle géométrie est alors définie en accord avec la direction technique de POUJOULAT de manière à réduire les pertes de charge et à augmenter la surface d’échange des prochains prototypes du conduit échangeur.

 Évolution des prototypes

Tout d’abord, il est décidé de conserver la taille du diamètre du conduit intérieur, soit 80 mm, pour ne pas perturber l’évacuation des fumées. De plus, aucun traitement n’est apporté sur la surface interne du tube intérieur, ce qui permet de conserver une maintenance habituelle pour ce type de conduit. En outre, Les piquages conservent un diamètre de 125 mm, mais ils sont à présent situés en partie haute et basse du conduit pour limiter les pertes de charge sur l’air de ventilation. Ensuite, il est proposé d’augmenter la longueur, mais compte tenu des contraintes industrielles de fabrication d’une telle pièce en un seul élément, celle-ci vaut au maximum 1245 mm. Enfin, 8 ailettes sont soudées sur la face externe du conduit intérieur, sur toute la longueur disponible entre les piquages, soit 620 mm, de manière à augmenter la surface d’échange entre les fumées et l’air de ventilation.

AC FC AC

AC FC

AV AV

AC

FC : fumées de combustion AC : air de combustion AV: air de ventilation

1000 mm

Enfin, les diamètres des tubes intermédiaire et extérieur sont définis de sorte que pour un débit volumique fixé, les pertes de charge linéaires sur l’air de ventilation et sur l’air de combustion restent similaires respectivement à celles des gaines du réseau de ventilation et à celles de l’espace annulaire d’amenée d’air de combustion du conduit PGI 80-130. La méthode de dimensionnement utilisée consiste alors à retenir les valeurs des diamètres des tubes intermédiaires et extérieur qui permettent de conserver la valeur du diamètre équivalent Deq entre les différentes sections de passage de l’air de ventilation et de l’air de combustion, comme détaillé ci-dessous.

Expression du diamètre équivalent pour une conduite de forme quelconque

Pour un fluide de masse volumique ρ circulant à la vitesse v dans une conduite de forme quelconque de diamètre hydraulique Dhyd = 4 S / P et de coefficient de perte de charge linéaire λlin, la perte de charge linéaire jlin, exprimée en [Pa/m], peut s’écrire en fonction du débit volumique qv = v S, de la section de passage S et du périmètre P, suivant l’expression :

8 ²

Le diamètre équivalent Deq de cette conduite de forme quelconque correspond par définition [Sacadura, 1993] au diamètre de la conduite circulaire qui affiche la même perte de charge jlin pour le même débit qv = v Seq de fluide, circulant à la vitesse v au travers de la section circulaire équivalente Seq = π Deq2

En égalant les expressions (2.6) et (2.7), il est alors possible d’exprimer le diamètre équivalent Deq uniquement en fonction de la section S et du périmètre P d’une conduite de forme quelconque.

5

Les diamètres équivalents des conduites dans lesquelles circulent l’air de ventilation et l’air de combustion avant leur entrée dans le conduit échangeur sont tout d’abord calculés. Puis les diamètres équivalents des espaces annulaires de passage de ces deux fluides au sein du prototype sont évalués.

Enfin, le rapport des diamètres équivalents obtenus pour les différentes veines de passage de chaque fluide est effectué. Ainsi, pour que les pertes de charge linéaires soient conservées lors du changement de section de passage pour un fluide en écoulement, il faut que le rapport des diamètres équivalents respectifs soit égal à 1.

En pratique, les diamètres retenus sont ceux qui donnent des ratios légèrement supérieurs à 1, et offrent à ce titre un bon compromis entre la réduction des pertes de charge, le respect des contraintes de faisabilité du constructeur et un encombrement global modéré. Les diamètres qui ont été retenus et validés par l’industriel grâce à cette méthode pour les tubes intérieur, intermédiaire et extérieur des prochains conduits échangeurs valent respectivement 80 mm, 180 mm et 230 mm.

Le Tableau 2.3 donne les ratios des diamètres équivalents obtenus pour le premier et pour les nouveaux prototypes de conduit échangeur.

Tableau 2.3 : Ratios des diamètres équivalents pour les différents prototypes

Ratio des Deq [-] Premier prototype 80-130-180 mm

Nouveau prototype 80-180-230 mm

Air de ventilation 0,7 1,0

Air de combustion 1,2 1,3

Ces nouvelles dimensions permettent ainsi de réduire de façon significative les pertes de charge sur l’air de ventilation, comme le montrent les courbes 2 et 3 de la Figure 2.10, et dans une moindre mesure aussi sur l’air de combustion. De plus, compte tenu de l’allongement du conduit et de la présence d’ailettes, les surfaces d’échange du côté des fumées et de l’air de combustion sont augmentées et valent à présent respectivement 0,87 m² et 0,58 m².

Vue des nouveaux prototypes

La Figure 2.7 donne une vue des nouveaux prototypes de conduit échangeur réalisés. Les prototypes 2 et 3 se distinguent uniquement par le fait que les piquages sont opposés dans un cas et sont du même côté dans l’autre. Le prototype 2’ est quant à lui identique en tout point au prototype 2, mais il ne possède pas le tube extérieur de diamètre 230 mm. Il a été réalisé pour permettre la caractérisation thermique du prototype 2, comme cela sera précisé dans la suite.

Prototype 2’

80-180 mm

Prototype 2 80-180-230 mm

Prototype 3 80-180-230 mm Figure 2.7 : Vue des nouveaux prototypes de conduit échangeur à triple paroi

La Figure 2.8 donne ensuite une représentation du passage des différents fluides dans le prototype de conduit échangeur à triple paroi n°2. L’air de ventilation peut récupérer de la chaleur du côté des fumées, mais aussi du côté de l’air de combustion, qui s’échauffe le long des éléments de conduit précédents avant d’entrer dans le conduit échangeur.

1245 mm

Ce type de conduit échangeur à triple paroi (CETP) permet donc à la fois d’évacuer les fumées de combustion (FC), de chauffer l’air de ventilation (AV) et d’admettre l’air de combustion (AC).

aucun fluide fumées de combustion air de ventilation air de combustion 3 fluides Figure 2.8 : Représentation du passage des différents fluides au sein du prototype n°2 de CETP

Positionnement du CETP

L’objectif du conduit échangeur est de récupérer des calories sur le conduit d’évacuation des fumées de combustion. Or, la température des fumées décroît au fur et à mesure qu’elles s’élèvent dans le conduit. Pour bénéficier du plus fort potentiel de récupération de chaleur, le conduit échangeur doit donc être positionné au plus près de la buse de sortie des fumées du poêle à granulés.

Encombrement du CETP

Comme le conduit échangeur doit être situé au plus près du poêle et qu’il est relié à des gaines de ventilation au niveau des piquages haut et bas, il est important d’un point de vue esthétique qu’il soit placé dans un local technique. L’accès à ce local technique doit alors être suffisant pour effectuer les différentes opérations de maintenance nécessaires. Avec un diamètre extérieur du conduit échangeur de 230 mm et en tenant compte de l’espace nécessaire au raccordement et au passage des gaines de ventilation, le local technique doit présenter des dimensions minimum de 500 mm en largeur et de 400 mm en profondeur, sur toute la hauteur de la pièce.

AC AC

AC AC

FC AC

AV

AV

AV

AC AC FC AC

AV

AV