Chauffage à vapeur à pression sous-atmosphérique (vacuum)
Les chaudières à vapeur
Afin de différencier les divers appareils de chauffage, nous avons précédemment employé le mot bouilloire pour désigner l'appareil de chauffage à eau chaude, et nous avons classé les bouilloires en deux catégories:
1° La bouilloire ronde ou verticale,
et 2° la bouilloire horizontale ou carrée, qui peut aussi être employée pour le chauffage à vapeur à basse pression, c'est-à-dire celui où la pression de la vapeur oscille autour de 2 livres, la pression maximum n'excédant pas 15 livres.
Ces bouilloires en fonte sont utilisées dans les petites installations de chauffage à vapeur, d'une capacité allant de 1,000 à 2,000 pieds carrés de radiation ; on les munit d'un régulateur de tirage, d'un manomètre et d'une soupape de sûreté.
Pour les installations de chauffage à vapeur d'une certaine importance, on emploie les chaudières en acier. On classe les chaudières à vapeur en deux catégories:
1° La chaudière tubulaire, qui est munie de tubes au travers desquels passe la flamme provenant des gaz en combustion (Fig. 151) ;
Fig. 151.— Chaudière à vapeur
tubulaire du type industriel.
La flamme passe à travers les tubes et
réchauffe l'eau qui les entoure.
2° La chaudière dite aquatubulaire, qui se compose d'une chemise d'eau à laquelle se relient des tubes remplis d'eau dont une série, située près du foyer de combustion, est léchée directement par la flamme, tandis que la série supérieure est exposée à sa haute chaleur. (Fig. 152).
SYSTÈMES MODERNES DE CHAUFFAGE À VAPEUR À BASSE PRESSION
Ces dernières années, avec l'élimination presque complète du chauffage au charbon, divers types de fournaises à l'huile et au gaz ont conquis la faveur du public et des entrepreneurs en construction.
La plupart sont très compactes et élégamment construites. Les fabricants s'ingénient à les rendre économiques en favorisant la combustion parfaite de l'huile et en utilisant au maximum les B.T.U. sur le plus long parcours possible des gaz chauds produits par la combustion.
A cette fin, on a recours surtout à deux principes déjà connus, mais dont l'application est très efficacement poussée:
1° permettre par de multiples passes et d'amples surfaces de chauffe aux gaz brûlants de transmettre à l'eau le maximum de chaleur en multipliant leur passage dans des carneaux ou tubes de fumée ;
2° empêcher par des contrôles thermostatiques ce qui reste de ces gaz de se perdre au dehors en s'engouffrant dans la cheminée avant d'avoir cédé le plus fort de leur chaleur à la bouilloire.
Fig. 152a.—Installation à vapeur à basse pression comportant deux chaudières, dont une de relève.
LES FOURNAISES "FRÊCO"
152b.— Chaudière à vapeur Fréco, à basse pression pour habitation.
152c.— Chaudière Fréco, type économique de grande capacité, pour institutions, édifices publics et commerciaux.
152d.— Détails de construction d'une chaudière Fréco à car-neaux multiples, pour le chauffage à vapeur à basse pression, utilisée dans les habitations.
L'un des meilleurs exemples que nous connaissions de l'utilisation maximum des passes multiples et de toutes les surfaces possibles de chauffe dans une fournaise de prix modéré, se trouve dans la fournaise fabriquée par la Compagnie Fréco, de Charny, P.Q., dont le succès lui a valu certains imitateurs.
Il s'agit d'une chaudière tubulaire tout acier, d'un dessin sobre, mais qui, pour son poids, permet d'obtenir un rendement très élevé, grâce à l'ingénieuse disposition de ses boîtes à fumée ; celles-ci assurent en effet dans les tubes ou carneaux trois passes contraires de gaz chauds avant leur entrée dans la cheminée.
Citons parmi les autres avantages qui ont permis à cette fournaise de s'avérer très économique:
a) l'accessibilité remarquable de tous ses organes vitaux ;
b) son poids relativement léger ;
c) la facilité d'en remplacer les tubes lorsqu'à près plusieurs années ceux-ci doivent être changés ;
d) sa facilité d'entretien. Comme tous les appareils susceptibles de supporter une pression intérieure plus ou moins forte, cette fournaise est construite pour répondre aux spécifications de l'A.S.M.E. concernant les chaudières à vapeur.
Cette fournaise est fabriquée en plusieurs modèles de diverses capacités.
Ainsi, le modèle des Séries 22 et 25, pour résidences, est fabriqué pour répondre aux spécifications suivantes:
Comme on peut s'en rendre compte, c'est un appareil de chauffage très efficace. Il est muni de tous les contrôles réglementaires et peut s'adapter indistinctement au chauffage à l'eau chaude et au chauffage à vapeur.
Lorsqu'on installe une de ces fournaises dans une maison neuve, elle est généralement pourvue d'un serpentin qui permet d'obtenir de 3 à 12 gallons d'eau chaude à la minute pour les besoins du ménage sans qu'il soit nécessaire d'installer un réservoir à proximité de la fournaise.
Ces installations sont conçues pour fonctionner à l'huile, mais elles peuvent aisément et à peu de frais s'adapter au chauffage au gaz naturel ou artificiel.
Par l'examen de notre fig. 152d, on se rendra compte que le système tubulaire de la fournaise permet aux gaz chauds d'effectuer plusieurs passes au milieu de la masse d'eau à réchauffer. En outre, l'eau baigne trois des parois latérales du foyer et recueille à ce point une forte quantité de B.T.U. pour le chauffage.
MODÈLES COMMERCIAUX
Pour les édifices commerciaux, les fournaises de ce type sont fabriquées en deux grandes séries. L'une, la Série 32, comprend des appareils dont la capacité varie de 2030 à 3050 pieds carrés pour l'eau chaude, et de 1120 à 1685 pieds carrés pour la vapeur.
Voici un tableau qui en donne les spécifications:
La Série 36, par ailleurs, est produite en cinq modèles dont les capacités s'échelonnent de 3390 à 6830 pieds carrés pour l'eau chaude, et de 1870 à 3800 pieds carrés pour la vapeur.
Enfin, pour les installations importantes d'institutions ou immeubles commerciaux, on trouve les Séries 43 et 49 dont les spécifications suivantes expriment toutes les caractéristiques essentielles:
On peut se rendre compte, par l'examen de notre fig. 152c, de l'aspect extérieur de cette fournaise super-économique que l'on trouve installée dans un nombre croissant d'immeubles commerciaux, d'églises et d'institutions importantes.
RÉGLAGE THERMOSTATIQUE DU TIRAGE
II est important que le maximum de la chaleur produite par la combustion s'applique aux radiateurs par l'intermédiaire de l'eau ou de la vapeur qui les alimente.
Si les B.T.U. se perdent au dehors en s'engouffrant trop rapidement dans le tuyau de la cheminée, on subira une perte de rendement qui pourra atteindre des centaines et même des milliers de dollars dans les installations importantes.
Pour cette raison, lorsqu'il s'agit d'installations de ce genre, on a cherché à automatiser le principe de la "clé de poêle" qui, dans les habitations, lorsqu'on se chauffait au bois, se réglait à la main.
Cette clé permet de réduire le tirage une fois que la combustion est bien amorcée et de garder ainsi à l'intérieur du foyer la plus forte proportion possible de B.T.U.
De façon qu'elle puisse agir automatiquement, divers systèmes ont été fabriqués dont l'ECONO-FLO est l'exemple le plus typique que nous connaissions. Il s'agit d'un volet scientifiquement conçu pour laisser passer le minimum requis de tirage dans la cheminée lorsqu'il est fermé et qui est actionné par un élément thermostatique, c'est-à-dire influencé par la chaleur.
Au départ du brûleur, les gaz enflammés sont relativement froids, ce qui laisse l'élément inactif et le volet parallèle à la direction du tuyau.
Mais à mesure que s'élève la température des gaz à leur sortie de la fournaise, où se trouve installé l'appareil, l'élément bi-métalique commence à agir.
L'un des deux métaux dont est fait cet élément est moins dilatable et demeure comparativement rigide, tandis que l'autre, sous l'effet de sa dilatation, imprime au volet une inclinaison d'autant plus forte que la chaleur est intense. Il s'ensuit que, peu à peu, le volet se place presque perpendiculairement par rapport au tuyau et retarde ainsi la fuite des gaz chauds par la cheminée.
On estime que, dans certains cas, ce dispositif peut faire économiser jusqu'à 20 pour cent du combustible brûlé dans la fournaise.
RENDEMENT DES CHAUDIÈRES À VAPEUR
Le rendement d'une chaudière à vapeur est le rapport qui existe entre le nombre de calories nécessaires pour chauffer l'eau à évaporer, et celui des calories dégagées par le combustible.
Afin que ce rendement atteigne son maximum, il convient que les surfaces de chauffe soient disposées de manière à ce que la flamme les lèche le plus avantageusement possible.
On appellera donc ces surfaces de chauffe, selon leur disposition et leur distance du foyer: directes ou semi-directes, et indirectes ou semi-indirectes.
Fig. 152e.— Chaudière aquatubulaire. L'eau circule dans des tubes multiples que la flamme vient lécher à son passage.
CAPACITÉ DES CHAUDIÈRES À VAPEUR
La capacité des chaudières à vapeur se calcule d'après leur surface de chauffe, dont la superficie totale, divisée par 10, nous donne le pouvoir de la chaudière en H.P. ou chevaux-vapeur. Ainsi, une chaudière de 100 pieds carrés de surface de chauffe nous donnera 10 HP.
II ne faut pas confondre le H.P. (horse power) et le C.V. (cheval-vapeur européen). Le premier est la puissance nécessaire pour élever 75.9 kilogrammes à 1 mètre en une seconde; le C.V. 75 kilogrammes.
La surface de chauffe est proportionnelle à la surface de la grille du foyer, qui doit être d'au moins 1/20 de la première. Ainsi une chaudière de 225 pieds de surface de chauffe aura une capacité de 22½ H.P. avec une surface de grille de 11¼ pieds carrés.
La capacité en pieds carrés de radiation d'une chaudière à vapeur s'obtient en multipliant sa surface de chauffe par la surface de la grille du foyer.
Ainsi, une chaudière dont la surface sera de 200 pieds carrés, et qui sera munie d'une grille de 9 pieds carrés de surface, donnera une capacité de 1,800 pieds de radiation pour un système de chauffage à vapeur. Cette capacité, multipliée par 1.5, nous donnera la radiation équivalente pour un chauffage à eau chaude, soit 2,700 pieds de radiation.
SOINS À APPORTER AUX CHAUDIÈRES À VAPEUR
Condition de l'eau
II ne faut jamais faire de feu dans une bouilloire avant d'en vérifier le niveau de l'eau; nombre de bouilloires ont été détruites à la suite du manque d'eau.
Si le niveau de l'eau est très bas, on doit immédiatement couvrir le feu avec de la cendre pour l'atténuer, et laisser la bouilloire se refroidir avant de la remplir.
En introduisant de l'eau froide dans une bouilloire très chaude, on peut causer de sérieux dommages par suite de la contraction subite du métal qui s'ensuit.
Dépôts et incrustations.— Dans les bouilloires horizontales à tubes de retour, on devra ouvrir de temps à autre les trous à main (hand holes) et enlever les dépôts qui reposent au fond de la chaudière.
Q.— Comment procède-t-on au nettoyage des tubes d'une chaudière horizontale ?
R.— On souffle généralement la suie et les cendres qui s'accumulent à l'intérieur des tubes en ayant recours à un souffleur à vapeur ; ou encore on en fait le ramonage à l'aide d'une brosse d'acier pourvue d'un long manche.
Lorsqu'on se sert du souffleur à vapeur, il faut que la vapeur employée soit bien sèche pour éviter de faire prendre la rouille à l'intérieur de ces tubes. Ce nettoyage doit avoir lieu le plus souvent possible.
Q.— Comment doit se faire le nettoyage des chaudières ?
R.— Le chauffeur doit profiter de ce que la chaudière est ouverte pour en faire une inspection des plus minutieuses.
Il enlèvera les incrustations et autres dépôts des parois et plus particulièrement du fond de la chaudière. Il fera la même chose dans les dômes à vapeur et sur les tubes, partout où il apercevra de ces écailles, incrustations et dépôts.
On se sert à cette fin d'un marteau de briqueteur ou épinçoir. De plus, on doit laver le fond de la chaudière pour en faire disparaître toute trace de boue. L'inspection des étais (braces) et tirants (rods) consiste à en faire le sondage afin de s'assurer qu'ils ne sont pas affaiblis par la rouille.
Aux deux extrémités de la chaudière, les tubes doivent être examinés, de même que tous les joints, afin de dépister les fuites et fissures.
Soupape de sûreté
On doit fréquemment actionner la soupape de sûreté, qui est sujette à coller à son siège et dont la protection deviendrait de ce fait inefficace. Lorsque le manomètre indique la pression à laquelle la bouilloire est limitée, il faut voir à ce que la soupape de sûreté fonctionne normalement.
Indicateur d'eau
II faut vérifier souvent l'indicateur en verre pour s'assurer du réel niveau de l'eau dans la bouilloire. En même temps, on devra voir à ce que les robinets d'épreuve fonctionnent.
Surfaces de chauffe
On doit apporter un soin particulier au nettoyage des plaques d'acier exposées au feu ainsi que des tubes, carneaux et raccordements. L'oxydation de ces parties peut en provoquer la perforation avec danger d'explosion consécutive.
On doit en toute circonstance tenir propres les manomètres, les soupapes et tubes indicateurs en verre, ainsi que le dessus de la bouilloire, et voir à ce qu'il n'y ait pas d'eau qui dégoutte sur les surfaces d'acier et les fasse rouiller; enfin tenir la chambre des bouilloires en bon état.
Isolation des chaudières
Comme pour les bouilloires à eau chaude, il est préférable de recouvrir la chaudière à vapeur d'amiante et de magnésie de la façon que nous avons indiquée à la fig. 36 section Le chauffage à l'huile ; cette précaution a pour effet de faire donner un meilleur rendement aux appareils et d'économiser en conséquence la consommation de combustible.
CHAUFFAGE À VAPEUR À BASSE PRESSION SOUS VIDE (Vacuum)
Le chauffage à vapeur sous vide avec température de vapeur constante, présente, entre autres avantages, celui d'assurer mécaniquement la purge d'air du système et de ramener la température des radiateurs à un degré suffisamment éloigné du point où la poussière se carbonise en partie.
Ce système est muni d'une pompe à vide; qui crée une dépression fixe dans le système ; il se produit dans ce dernier une circulation du fluide comparable à celle du système à vapeur à pression plus élevée — tout en gardant la simplicité du système à basse pression.
Les différentes compagnies qui se spécialisent dans la fabrication des appareils de chauffage, de leurs contrôles et accessoires, ont cherché à régler l'émission de chaleur des radiateurs en fonction de la température intérieure et extérieure des pièces où ils sont installés.
Différents dispositifs permettent de déterminer la quantité de vapeur admise dans les conduites et les radiateurs.
INSTALLATION D'UN CHAUFFAGE À VAPEUR SOUS VIDE
Le chauffage sous vide avec température de vapeur variable — comme pour tout système de chauffage à vapeur à basse pression — utilise une chaudière, une tuyauterie, des radiateurs et raccords de fabrication absolument courante.
Fig. 153.— Installation typique de chauffage à vapeur à pression très basse (8 onces), dont voici les principaux dispositifs:
1.—maître-tuyau de vapeur; 2.—tuyau de renvoi de 2"; 3.—tuyau collecteur de retour; 4.—maître-tuyau de retour à pas moins de 24" au-dessus de la ligne d'eau de la bouilloire; 5.—purgeur d'air Dunham; 6.—clapet d'arrêt de l'air; 7.—clapet de retenue dont le disque est placé presque horizontalement; 8.—raccord de retour à la bouilloire placé à 2" sous la ligne d'eau; 9.—extrémité du maître-tuyau de retour; 10.— purgeur à radiateur Dunham; 11.—commande automatique du tirage; 12.—registre du tuyau; 13.—clé manuelle du tuyau; 14.—clapet de retenue; 15.—récipient de sédimentation (scale pocket); 16.—niveau de l'eau dans la bouilloire; 17.—-robinet de radiateur sans presse-étoupe.
Fig. 154.— Purgeur d'air Dunham qui s'installe sur le tuyau de retour.
À l'admission de la vapeur, chaque radiateur comprend un robinet (ou plutôt une soupape puisqu'elle est munie d'un clapet) qui doit être d'une étanchéité parfaite et pourvu d'un diaphragme de réglage ; à la sortie de l'eau de condensation, le radiateur est muni d'un purgeur d'eau avec raccord de 3/8" au tuyau de retour ou d'égouttement.
Le purgeur a pour but d'assurer l'écoulement de l'eau de condensation et de s'opposer à l'entrée de la vapeur dans la tuyauterie de retour. On en distingue deux sortes: les purgeurs à résistance et les purgeurs à membrane dilatable.
Fig. 155.— Installation d'un système de chauffage à vapeur moderne à un seul tuyau pour résidences.
Les purgeurs à résistance sont composés d'un corps en bronze raccordé d'un côté au radiateur au moyen d'une bague de réduction ou tampon avec ouverture excentrique (ex-centric bushing), et de l'autre à la canalisation de retour. Ce corps est pourvu à l'intérieur d'une garniture amovible en laiton écroui, composée d'un disque sur lequel viennent s'assembler des rondelles calibrées, le tout assemblé et maintenu par un ressort et une clavette. C'est le type du purgeur fabriqué par la Cie Dunham. (Fig. 156).
Fig. 156.— Purgeur d'air de radiateur: 1—corps ; 2—tampon ; 3—disque ; 4—garniture ; 5—raccord-union ; 6—bague filetée.
Le purgeur à résistance peut aussi être garni d'un diaphragme thermostatique se composant de deux disques en laiton écroui assemblés en sens inverse et très sensibles à la chaleur. C'est de cette façon que sont agencés les purgeurs Webster.
Le purgeur à membrane dilatable est constitué de membranes en forme de capsules superposées contenant un liquide très volatile, dont le point d'ébullition suit le point d'ébullition de l'eau aux différentes pressions.
Le radiateur étant plein de vapeur, le purgeur offre une barrière infranchissable à celle-ci qui ne peut pénétrer dans la canalisation de retour, quelle que soit la différence de pression régnant entre les conduites d'aller et de retour. Ce purgeur est de marque Sylphon.
SOUPAPES DES RADIATEURS À VAPEUR
Différents fabricants ont perfectionné des soupapes à modulation pour les radiateurs; ces soupapes permettent l'admission progressive de la vapeur suivant la position de leur clapet.
On garnit en plus l'ouverture du raccord de la soupape au radiateur d'un petit disque troué (orifice dise) ne permettant le passage qu'au volume de vapeur requis par la surface de chauffe du radiateur.
Ce dispositif a amené l'élaboration d'un système de contrôle de vapeur dans les tuyaux de transmission, breveté par la Cie Webster, et d'après lequel un de ces petits disques est placé à l'arrivée de la vapeur à chaque radiateur, ainsi qu'aux endroits les plus propices des branches de distribution du système.
CHAUFFAGE SOUS VIDE À TEMPÉRATURE DE VAPEUR VARIABLE
Depuis quelques années, on a cherché à régler l'émission de la chaleur des radiateurs en fonction de la température extérieure. Différents dispositifs de contrôle ont été conçus pour commander la pompe à vide, permettant d'obtenir un vide variable et de régler ainsi la quantité de vapeur admise dans les conduites et les radiateurs.
Un perfectionnement qui date de 1932, connu sous le nom de contrôle différentiel Dunham, permet de faire varier automatiquement le débit de la température de la vapeur, grâce à une soupape ou robinet détendeur commandé par un dispositif thermostatique qui enregistre la température moyenne des locaux.
L'émission de chaleur des radiateurs s'adapte ainsi d'une façon continue aux variations des pertes de chaleur de la bâtisse.
La figure de la page suivante donne une idée exacte de ce système. (Fig. 158).
Fig. 158.— Le panneau de contrôle actionne la soupape automatique qu'il ouvre ou ferme selon la demande du sélecteur automatique et des thermostats installés dans les pièces à chauffer.
LES POMPES À VIDE
Les pompes à vide sont de deux sortes:
1 ° les pompes à piston, activées par la vapeur, aspirantes et foulantes, et,
2° les pompes centrifuges accouplées directement à un moteur électrique.
Les premières ne sont employées que dans les très grandes installations où l'on utilise la vapeur pour fin autre que le chauffage, comme, par exemple, dans les hôtels (pour les cuisines et la buanderie), et dans l'industrie.
La pompe centrifuge aspire l'eau d'un réservoir collecteur appelé bâche, et où s'accumule l'eau de condensation des retours, et la refoule dans une lance (nozzle) qui produit le vide dans la canalisation du retour.
Cette lance est un petit tuyau relié à un tube d'égouttement pour en régulariser le débit. La bâche est une caisse en métal servant à recevoir des liquides dans une industrie quelconque ; dans le cas qui nous occupe, elle sert à recevoir l'eau provenant de la condensation de la vapeur.
La même eau peut circuler en court-circuit. En effet, lorsque les eaux de condensation sont aspirées également par la lance (nozzle), il en résulte un accroissement du volume de l'eau contenue dans la bâche ; un dispositif à flotteur, placé dans cette dernière, permet à la pompe de refouler cet excédent d'eau directe ment dans la chaudière pour l'alimenter.
La pompe ne travaille que par intervalles — en moyenne quelques heures seulement par jour. La durée de son fonctionnement est de quelques minutes à la fois, la cadence de fonctionnement dépendant de la température et de la vapeur distribuée. (Fig. 159).
Fig. 159.— Pompe différentielle Dunham. Cet appareil maintient la vapeur en circulation à différentes pressions sous-atmosphériques ; il aspire l'air du système et retourne l'eau de condensation à la bouilloire ou à la bâche (réservoir collecteur).
Fig. 160.— Purgeur différentiel Dunham. Ce dispositif élimine plus rapidement l'air et l'eau de condensation: 1 mécanisme thermostatique ; 2 corps du purgeur ; 3 garniture ; 4 couvercle ; 5 garniture du couvercle ; 6 siège de la soupape à flotteur ; 7 assemblage de la soupape du flotteur ; 9 flotteur ; 10 carter ; 11 tampon de purge ; 12 vis d'assemblage.
RÉGULARISATION AUTOMATIQUE
Les divers appareils de régularisation automatique, utilisés dans les systèmes modernes de chauffage à vapeur sous vide, comprennent des thermostats de coupure, comportant un organe dilatable et des contacts platinés.
Cet appareil agit sur les commandes, vannes motorisées, détendeurs, etc. ; les variations de température des différents locaux sont enregistrées sur les thermostats placés aux endroits les plus propices de l'immeuble.
Par un simple réglage manuel ou automatique des principales soupapes de contrôle, la vapeur peut être distribuée en quelques minutes dans toute la bâtisse, à toute température, variant de 218° à 133° F.
COMPARAISON ENTRE LE CHAUFFAGE À VAPEUR SOUS VIDE ET LE CHAUFFAGE À EAU CHAUDE
Le chauffage à eau chaude ne peut normalement servir qu'aux constructions de deux à cinq étages et quelquefois à six étages. On peut cependant l'utiliser dans les édifices en établissant des zones de 4 à 5 étages à la fois.
Au Canada, le chauffage à eau chaude est surtout utilisé dans les habitations, les résidences, les immeubles à bureaux et magasin.
Avec les nouveaux dispositifs de contrôle de la chaleur, de circulation et de sécurité, ce chauffage donne entière satisfaction dans la plupart des locaux.
L'eau chaude présentait autrefois un très grand avantage sur la vapeur: elle peut en effet circuler dans le système à diverses températures, suivant la chaleur requise, alors que, sans contrôle, la vapeur se maintenait à une température constante de 240° aux radiateurs.
De nos jours le chauffage à vapeur à vide, avec dispositifs de contrôle et de zonage, permet de régler avec une facilité relative la température de la vapeur — soit de 218.5°, équivalant à une pression atmosphérique de deux livres (vapeur chaude), à 133°, équivalant à une pression sous-atmosphérique de 25 pouces de vide donnant pour ainsi dire une vapeur plutôt tiède.
Le système à vapeur donne un rendement normal avec des radiateurs plus petits que pour l'eau chaude, de là une économie dans l'installation.
On peut dire en résumé que la
vapeur est utilisée avec avantages dans les sanatorium et autres édifices
publics.
Cependant dans les endroits d'habitation où l'on veut avoir le
maximum de confort, le système à l'eau chaude ne peut être remplacé. Il est
simple d'installation, souple et sûr dans son fonctionnement.
La masse d'eau sert de stabilisateur de température en évitant les hausses et baisses brusques dans la température des appartements.
