Les bouilloires à eau chaude
Après avoir déterminé la surface totale de la radiation intérieure d'une bâtisse et disposé les radiateurs à leur place respective — ainsi que les tuyaux de distribution, maîtres-tuyaux et retours — il faut calculer la capacité de la bouilloire et déterminer le modèle de celle-ci qui convient le mieux à l'édifice.
A venir jusqu'en 1925-1930, les bouilloires en fonte ou bouilloires rondes (round boilers) avec sections horizontales superposées, étaient pour ainsi dire exclusivement employées pour les installations de chauffage d'une capacité n'excédant pas 1,000 pieds carrés de radiation. (Fig. 115).
Fig. 115.— Nomenclature des diverses parties d'une bouilloire à eau chaude, ronde, en fonte.
Pour les installations d'une certaine importance et surtout lorsque la hauteur de la cave le permettait, on avait recours à la bouilloire carrée (square boiler) avec sections verticales juxtaposées à la suite les unes des autres. Les sections de ces bouilloires sont reliées entre elles par des bagues doubles-coniques et retenues ensemble par des tiges de fer boulonnées à l'extérieur. (Fig. 116).
Fig. 116.— Agencement des sections d'une bouilloire carrée, à sections verticales.
Pour les grosses installations on employait de préférence les bouilloires rectangulaires. Les chaudières tabulaires (tubular boilers), pour le chauffage à eau chaude, ne firent leur apparition qu'en 1930 ; elles sont de plus courte durée que les bouilloires en fonte.
La capacité de toutes les bouilloires à eau chaude est basée sur un degré de chaleur moyen de 180° au moment où l'eau quitte la bouilloire ; pour les bouilloires à vapeur en fonte, cette capacité est basée sur 2 lbs de pression, et pour les chaudières en acier, sur 15 lbs de pression.
BOUILLOIRES VERTICALES
A partir de 1920 la capacité fut établie sur une même base pour toutes les bouilloires en fonte de fabrication canadienne ; elles furent classées par numéros allant de 1 à 10. Leur capacité en pieds carrés (gross rating) comprend les tuyaux de transmission et la capacité nette (net rating), c'est-à-dire la surface totale en pieds carrés de tous les radiateurs.
Pour les petites installations, telles que pour les cottages, garages, logements individuels et boutiques, on emploie pour le chauffage des réchauffeurs d'eau (jacket heaters) dont la capacité varie de 100 à 400 pieds carrés de (Fig. 117).
Fig. 117.— Réchauffeur d'eau
(jacket heater) utilisé comme système de chauffage à eau chaude dans les petites
installations.
Pour le chauffage des résidences, des maisons à deux ou trois logements (plain-pied) et maisons de rapport de quatre à six pièces dont le soubassement est habité, on emploie encore avec avantage les bouilloires rondes dont la capacité varie comme suit :
AVANTAGES DE LA BOUILLOIRE EN FONTE
Les bouilloires en fonte à sections horizontales ou verticales ont l'avantage d'être démontables, ce qui facilite leur transport et leur installation sur les lieux.
Cette construction facilite aussi le remplacement des sections endommagées, au besoin, et permet d'augmenter ou de réduire à volonté la capacité de la bouilloire même, en ajoutant ou retranchant une ou deux sections.
Pour le chauffage à eau chaude, les bouilloires en fonte sont limitées à une pression de 39 lbs par pouce carré. Il faut toutefois faire exception pour les réchauffeurs d'eau (jackets heaters) qui sont construits pour répondre à la pression de l'aqueduc et éprouvés à deux fois leur pression de charge (operating pressure).
On peut employer les bouilloires en fonte pour le chauffage à vapeur à basse pression. Leur pression de charge permise étant de 15 lbs par pouce carré, ces bouilloires conviennent parfaitement, car on utilise en moyenne 2 livres de pression au maximum pour le chauffage ordinaire et beaucoup moins en utilisant le vide (vacuum).
INDICATEURS DE PRESSION ET DE TEMPÉRATURE
Dans un système à eau chaude fermé ou à vapeur, toutes les bouilloires doivent être munies d'un thermomètre avec plongeur qui est placé directement sur le dessus de la bouilloire ou de la chaudière pour indiquer la température de l'eau et son point d'ébullition.
Le manomètre, dont nous avons parlé précédemment, est placé directement sur la bouilloire ou près du contrôle d'alimentation d'eau pour un système fermé de chauffage à eau chaude.
Ce dispositif indique la pression qui s'exerce sur l'appareil par la tête ou pesanteur de l'eau, ainsi que la pression attribuable à la dilatation qui se produit à l'approche du point d'ébullition, et que nous appellerons, en y joignant celle de la tête d'eau: la pression de charge. (Fig. 112c).
TÊTE D'EAU SUR LA BOUILLOIRE
La pression atmosphérique se faisant sentir sur toute surface liquide est de 14.7 lbs par pouce carré.
Le poids d'une colonne d'eau d'un pied de hauteur et d'un pouce carré, à 32° Fahrenheit, étant de 62.418 livres, en divisant par 144", on obtient 0.4334 de pouce carré. Pour toutes fins pratiques, cette fraction est réduite à 0.434.
On trouvera donc la pression, ou tête d'eau, sur une bouilloire ou dans un réservoir à eau chaude installé dans une bâtisse à plusieurs étages, en multipliant la hauteur de la conduite d'eau se rendant au réservoir placé au dernier étage et qui alimente le système — ou la hauteur au niveau du radiateur le plus élevé dans un système fermé — par la valeur constante de 0.434 admise d'une manière générale.
Ainsi, la pression ou tête d'eau sur un réchauffeur d'eau ou réservoir à eau chaude installé dans la cave pour desservir une bâtisse à 10 étages de 10 pieds chacun sera:
100' x 0.434 = 43.4 lbs par pouce carré.
La tête d'eau sur la bouilloire d'un système fermé pour une bâtisse à 6 étages de 10 pieds chacun sera:
60 pds x 0.434 = 26 lbs par pouce carré.
PRESSION DE CHARGE PERMISE
Nous avons vu que la pression de charge comprend la pression occasionnée par la tête d'eau, plus la pression attribuable à l'expansion de l'eau à l'approche de son point d'ébullition.
La pression de charge permise dans une bouilloire à eau chaude en fonte pour un système ouvert est de 15 lbs par pouce carré à son point d'ébullition, soit 212°.
Dans tout système fermé avec réservoir d'expansion à coussin d'air, le point d'ébullition de l'eau en vase clos étant plus élevé, on obtient un degré de température supérieur à 212°.
Dans ce système, la pression de charge permise sera de 30 lbs par pouce carré — y compris la pression due à la tête d'eau — avec une température maximum de l'eau à 250°.
TEMPÉRATURE ET VÉLOCITÉ DE L'EAU
Dans un système de chauffage à eau chaude par gravité, il est d'usage d'assumer à 180° la température de l'eau à son départ de la bouilloire.
Du fait qu'il se produit une perte de chaleur de 20° à travers les radiateurs la température de l'eau dans tout le système garde une moyenne de 170°, soit 180° près de la fournaise et 160° dans les radiateurs éloignés.
Si la température de la chambre est de 70°, la différence entre la température de l'air ambiant et la chaleur de l'eau sera de 100°. L'eau, à son retour à la bouilloire, marquera 160°.
En supposant un radiateur de 38" de hauteur avec une radiation de 1.34 pieds carrés, la chaleur émise par pied carré par heure sera de:
1.34 X 100° = 134 B.T.U.
Avec un système fermé, si l'on assume la température à 200° à son départ de la bouilloire, la température du radiateur sera de 190°—70°, la température de la chambre, donnant une différence de 20°, et l'eau retournera à la bouilloire à 180°.
Par l'utilisation d'une pompe de circulation, on peut obtenir une pression plus grande que dans un système par gravité et un mouvement plus rapide de l'eau chaude. Ceci permet une perte de chaleur moindre à travers les radiateurs et les tuyaux de transmission, de sorte que la quantité de chaleur émise en B.T.U. s'en trouve augmentée.
Dans un système à circulation forcée, en assumant une température de 210° pour l'eau à son départ de la bouilloire, elle aura une chaleur moyenne de 200° au radiateur et de 195 ° à son retour à la bouilloire.
Par conséquent, ce dernier système permettra d'employer des radiateurs de plus petite dimension et des maîtres-tuyaux de diamètre plus petit que dans un système à gravité.
CHAUFFAGE À EAU CHAUDE AVEC CIRCULATION FORCÉE
Le système de chauffage à circulation forcée a pour avantage de fournir aux radiateurs une température d'eau plus élevée, avec une circulation plus rapide, et par là une émission de chaleur en B.T.U. plus grande, tout en réduisant le nombre ou le diamètre des tuyaux de distribution. (Fig. 118).
Fig. 118.— Installation complète d'un système de chauffage à eau chaude à circulation forcée, et à un seul tuyau, montrant l'agencement de la pompe de circulation, du réservoir à coussin d'air (petit) et du réservoir destiné à assurer le service domestique d'eau chaude (gros).
La disposition de ce système est la même que pour un système fermé par gravité, avec réservoir à coussin d'air; la circulation de l'eau est activée par une pompe placée à l'arrivée du maître-tuyau de retour à la bouilloire.
La circulation de l'eau se faisant plus rapidement, on peut utiliser dans ce système des tuyaux de distribution plus petits, ce qui contribue à réduire le volume d'eau à réchauffer; il en résulte une diminution dans le coût de l'installation qui compense le prix d'achat de la pompe, et aussi une économie dans le chauffage.
CHARGE TOTALE SUR LE SYSTÈME
Nous basant sur le degré de chaleur de l'eau fournie aux radiateurs, soit 160° pour un système à gravité, 180° pour un système fermé et 200° pour un système avec circulation forcée et bouilloire matelassée en amiante et magnésie.
Il suffira, pour établir la charge totale sur la bouilloire, d'additionner le nombre de B.T.U. requis pour chaque chambre et de diviser ce total par 160 pour un chauffage par gravité, ou 180 pour un chauffage fermé, ou 200 pour un système à circulation forcée, ou encore par 250 pour un chauffage à vapeur.
On obtiendra ainsi, répétons-le, la charge totale en pieds carrés de radiation que doit supporter la bouilloire sous considération.
Si, par ailleurs, la radiation a été établie d'après le nombre de pieds carrés de radiation de chaque radiateur, la somme de la radiation de tous les radiateurs, multipliée par 160, 180, 200 ou 250, nous donnera la charge totale en B.T.U. que devra supporter la bouilloire. La bouilloire doit avoir au moins 20% de plus que la radiation totale pour compenser la perte de chaleur subie par la tuyauterie, la friction ou le frottement les raccords, etc.
Dans un système à gravité, l'eau circule à une vitesse d'environ 5 pieds à la seconde. Dans un système fermé, elle circulera deux fois
plus vite, à cause de l'augmentation du degré de température et de la pression attribuable à l'expansion de l'eau au moment où elle oscille autour du point d'ébullition, alors que dans un système à circulation forcée, la vitesse de l'eau sera de 5 à 10 fois plus grande sous l'impulsion de la pompe rotative intercalée dans le circuit.
LES POMPES DE CIRCULATION
Les pompes de circulation peuvent être construites de deux façons: il y a d'abord les pompes à hélice (propeller); en second lieu, on trouve des pompes centrifuges.
Toutes sont agencées de manière que la circulation puisse aussi se faire à travers la pompe lorsqu'elle arrête de fonctionner.
Il se fabrique actuellement différents genres de pompes de circulation, pour activer la marche de l'eau dans un système fermé, dont voici les plus en usage pour les habitations :
1° La pompe Crâne, qui se pose sur une conduite horizontale, à l'arrivée du maître-tuyau de retour à la bouilloire. Le moteur est placé directement au-dessus du corps de la pompe et travaille verticalement, l'hélice tournant dans un plan horizontal.
Le moteur électrique est fixé sur un socle surplombant la pompe à laquelle il est relié par 4 boulons à l'intérieur de ressorts qui amortissent les vibrations. L'arbre (shaft) du moteur est relié à celui de la pompe par un ressort à boudin servant de joint universel. (Fig. 119).
Fig. 119.— Pompe de circulation typique.
2° II y a aussi la pompe dite "M.-H. Cir-culator", fabriquée par la Société Minneapolis Honeywell ;
3° la "B. G. Booster", de Bell & Gosset, aux États-Unis, et enfin,
4° la pompe de circulation Trush et la pompe Reco. Cette pompe se pose indifféremment sur une conduite verticale ou horizontale; le moteur disposé horizontalement est attaché sur une équerre fixée à la pompe et qui lui sert de socle.
CAPACITÉ DES POMPES DE CIRCULATION
Les pompes de circulation que nous venons de mentionner peuvent travailler sous une tête d'eau (static pressure) n'excédant pas 50 lbs par pouce carré.
Leur capacité peut varier de 20 à 120 gallons à la minute avec un moteur électrique de 110 volts, 60 cycles, de 1/6 à 1/3 de force. Ce débit leur permet d'alimenter de 500 à 5,000 pieds carrés de radiation selon le degré de chaleur émise en B.T.U.
On peut toujours établir d'une manière arbitraire la capacité de ces pompes, en utilisant la table qui suit.
Le rendement d'une pompe de circulation dépend de la tête d'eau, du nombre et du diamètre des tuyaux de distribution et de leurs retours. Les pompes sont d'ordinaire classées d'après le diamètre nominal des tuyaux qu'elles desservent.
Pour la conversion d'un système à gravité en système à circulation forcée, on emploie une pompe de capacité plus forte que celles indiquées ci-dessus.
INSTALLATION DE LA POMPE DE CIRCULATION
Un système de chauffage à eau chaude à circulation forcée doit être installé de la même façon qu'un système par gravité. Nous avons étudié plus haut la disposition des maîtres-tuyaux de ce dernier.
Nous avons vu aussi qu'il fallait installer la pompe de manière que le système puisse fonctionner par gravité durant l'intervalle où l'eau des radiateurs, ayant atteint la température requise, ne nécessite pas le fonctionnement de celle-ci en attendant que l'eau ait dégagé sa chaleur.
La circulation de l'eau étant de 5 à 20 fois plus rapide dans un système forcé que dans un système par gravité, le tuyau de la pompe de circulation n'a pas besoin d'avoir le même diamètre que celui du maître-tuyau de retour à la bouilloire.
Dans certaines conditions toutefois un tuyau de diamètre correspondant à la capacité de la pompe, ou à la charge totale de la radiation, sera relié au maître-tuyau de retour ; sur ce dernier, on raccorde la pompe dont la sortie débouche dans une ouverture séparée, placée au bas, sur le côté de la bouilloire.
Fig. 120.— Installation d'un système à eau chaude, à circulation forcée, montrant les raccords spéciaux qui permettent le chauffage de l'eau pour service domestique à même la fournaise l'hiver et par un réchauffeur d'eau l'été. Un clapet de contrôle (angle flow valve) empêche l'eau de circuler à rebours lorsque la pompe s'arrête.
Afin d'empêcher la pression créée par la pompe de refouler l'eau dans le maître-tuyau de retour de la bouilloire, un clapet de retenue. (flow control valve) sera placé à l'intérieur du tuyau de retour entre les brides qui le relient à la bouilloire.
Se fermant lorsque la pompe fonctionne et ouvrant lorsqu'elle s'arrête, ce clapet laisse libre cours à l'eau du retour venant par gravité se réchauffer dans la bouilloire pour être de nouveau refoulée dans les tuyaux de distribution, soit sous l'impulsion de la pompe, soit par sa propre densité. (Fig. 121).
Fig. 121.— Position relative du clapet de retenue sur le tuyau de retour.
L'illustration ci-dessous donne une idée du clapet que l'on intercale entre ces brides garnies de deux anneaux en cuir ou en caoutchouc qui servent à les rendre étanches. (Fig. 122).
Fig. 122.— Clapet de retenue
disposé entre les brides et garnitures (gaskets) sur Tune des branches du tuyau
de
retour.
ÉCONOMIE COMPARATIVE DU SYSTÈME À GRAVITÉ ET DU SYSTÈME À CIRCULATION FORCÉE
Si l'on fait une comparaison entre les deux systèmes, au point de vue de l'économie et du coût de l'installation, on se rend vite compte que le système par gravité est beaucoup plus économique pour une habitation de dimensions restreintes.
L'augmentation de coût occasionnée par l'installation de la pompe, son entretien et son remplacement lorsque nécessaire, atteint un chiffre de beaucoup plus élevé que l'économie réalisée en employant des tuyaux de diamètre plus petit.
Pour une résidence privée, un bon système par gravité, avec réservoir fermé et contrôle automatique de la chaleur, donne les meilleurs résultats, comparativement à la somme que représente son installation.
Si la bâtisse comporte une allonge, ou si elle est beaucoup plus longue que large et à plusieurs étages, il y a un très grand avantage d'employer le système à circulation forcée — en autant que ce système sera installé de manière à fonctionner par gravité lorsque le besoin de la pompe ne se fait pas sentir.
Le barème ou table ci-dessus nous démontre clairement les avantages du système fermé avec réservoir à coussin d'air sur le système à réservoir ouvert et sur le système à circulation forcée.
Ce barème nous permet également de faire le choix des radiateurs d'après le nombre de pieds carrés correspondant au degré de chaleur auquel l'eau de la bouilloire peut être portée.
ISOLATION DES BOUILLOIRES
Nous avons vu qu'un pied carré de la surface d'un radiateur en fonte émet 1.65 B.T.U. à l'heure pour chaque degré de différence qui existe entre la chaleur de l'eau qu'il contient et la température de l'air ambiant.
II en sera ainsi de la surface extérieure de la bouilloire. Celle-ci émettra comme tout radiateur 1.65 B.T.U. par degré de différence entre la chaleur de son eau et la température de l'air ambiant.
Ainsi, si l'eau de la bouilloire est à 180° alors que la température de la chambre est à 70°, la fournaise subira une déperdition de chaleur de 100 B.T.U. pour chaque pied de sa surface.
Si l'eau est à 197°, comme dans un système fermé, la perte sera de 180 B.T.U. cependant que dans un système à circulation fermée, elle sera de 200 B.T.U.
En multipliant ce chiffre par le nombre de pieds carrés de la surface extérieure de la bouilloire, on trouvera une perte de chaleur qui pourra atteindre plusieurs milliers de B.T.U. en certains cas. C'est autant de chaleur que les radiateurs ne peuvent utilement transmettre à l'édifice.
Afin de donner à la bouilloire son plein rendement, on enveloppe sa surface extérieure d'un matelas isolant d'au moins 1" d'épaisseur, fait d'un mortier d'amiante et de 85% de magnésie.
Ce mortier est placé sur un treillis en fil de fer galvanisé, le tout enduit d'une seconde couche de mortier à base d'amiante et magnésie de 1/2", offrant une surface unie que l'on recouvre enfin d'un coton.
On donne à cette enveloppe deux couches de peinture à l'huile afin de pouvoir la nettoyer à l'eau. (Fig. 123).
Fig. 123.— Isolation des bouilloires et tuyaux d'amenée afin de conserver la chaleur et d'économiser le combustible.
Blocs d'amiante
On emploie aujourd'hui avec avantage des blocs de 1" d'épaisseur faits d'amiante et magnésie à 85%. Ces blocs ont 6" de largeur et 36" de longueur ; on les pose verticalement sur le parement de la bouilloire en les maintenant en place au moyen de fils de fer galvanisé que l'on dispose à tous les pieds de hauteur autour de la bouilloire.
Tous les joints sont ensuite comblés avec du ciment d'amiante, puis on crépit la surface entière d'un enduit d'amiante et magnésie afin de rendre cette surface plus unie et plus résistante. Un coton collé, que l'on peinture à deux couches afin de pouvoir le laver de temps à autre, complète le travail d'isolation.
Le ciment d'amiante est composé de fibres d'amiante, de magnésie et d'un adhésif spécial, qui le rendent facile à mélanger et à étendre. On se sert d'une truelle rectangulaire pour l'étendre, l'aplanir et lui donner une surface unie qui ne se fendillera pas. Ce ciment d'amiante est vendu en sacs de 100 lbs.
ISOLATION DES TUYAUX D'AMENÉE
Les tuyaux d'amenée peuvent aussi être recouverts d'une enveloppe cellulaire d'amiante et magnésie à 85%.
Les enveloppes de ce genre sont d'ordinaire vendues en sections de 36" de longueur et 7/8" d'épaisseur pour les tuyaux de 3/4" à 1½" de diamètre, de 11/32" d'épaisseur pour les tuyaux de 2" à 3½", et de 1 1/8" d'épaisseur pour ceux de 4" à 6" de diamètre.
Les sections sont semi-circulaires et revêtues d'un coton que l'on colle en ayant soin de combler les joints avec du ciment d'amiante. (Fig. 123).
L'isolation de la bouilloire et des tuyaux d'amenée se traduit par une économie de combustible qui peut atteindre environ 10% de la consommation annuelle.
La chaleur qui est confinée à la bouilloire et dans les tuyaux n'étant plus exposée aux pertes de chaleur radiante, ni exposée aux refroidissements dus aux courants d'air est, de ce fait, utilisée à son maximum de rendement.
