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Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologi

Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologie chauffage : Pertes de charges ; calculs et dimensionnements Page 1 sur 20 LES PERTES DE CHARGE DANS LES TUYAUTERIES Initiation au calcul Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologie chauffage : Pertes de charges ; calculs et dimensionnements Page 2 sur 20 Sommaire : 1. Constance du débit 2. Pertes de charge 2.1 Pertes de charge linéaire 2.2 Pertes de charge localisées 2.3 Hauteur manométrique 3. Vitesse limite de l’eau 4. Débit d’eau dans l’installation 4.1 Les corps de chauffe 4.2 Les tuyauteries 5. Principe de calcul en installation bitube 5.1 Calcul des pertes linéaires 5.2 Calcul des pertes singulières 5.3 Méthode de calcul 5.4 Tableaux divers 5.4.1 tableau de travail vierge 5.4.2 idem pour calcul des ζ 5.4.3 Valeurs de γv²/2g pour l’eau à 80°c 5.4.4 Tableau simplifié des pertes de charges singulières 5.4.5 Tableau simplifié des pertes de charges singulières 5.4.6 Abaque tubes synthétiques 5.4.7 Abaque tubes en cuivre 5.4.8 Abaque tuyaux acier filetables 5.4.9 Abaque tuyaux acier soudés Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologie chauffage : Pertes de charges ; calculs et dimensionnements Page 3 sur 20 CALCUL DES TUYAUTERIES. 1/ Constance du débit. Lors de l'écoulement en régime permanent de l'eau dans un tuyau, le débit (m³/s) est constant. Si la canalisation est plus étroite, le liquide doit aller plus vite et vice-versa. q = S.v avec > q = débit (m³/s) > S = section du tuyau ( m²) > v = vitesse de l'eau (m/s) Exemple: de l'eau s'écoulant à travers une section de 1 m² à la vitesse de 2m/s donne un débit de 2m³/s. 2/ Pertes de charge. Lorsqu'une certaine quantité d'eau circule à travers une installation, cela provoque un frottement. Les molécules d'eau frottent + ou - contre la paroi intérieure de la tuyauterie en fonction de la rugosité de cette dernière. Lors du passage dans les coudes, le fluide subit un changement de direction; dans les réductions, la même quantité de fluide doit passer dans un diamètre inférieur, etc... L'ensemble de ces frottements est appelé: les pertes de charge ou pertes de pression. Dans une installation, la circulation d'un fluide en circuit fermé (par ex. le chauffage domestique à eau) n'est rendue possible que si ces pertes de charge sont compensées par une pompe de circulation ( circulateur ). Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologie chauffage : Pertes de charges ; calculs et dimensionnements Page 4 sur 20 2.1/ Pertes de charge linéaires. La résistance à l'écoulement de l'eau dans un tuyau sera d'autant plus grande que: 1. Sa section ou son diamètre est petit. En effet, un petit tuyau est presque un bouchon, il s'oppose fortement au passage du liquide. 2. Sa rugosité intérieure est grande. En effet, tous ces grains de matière créent des turbulences et donc un écoulement désordonné de l'eau, ce qui augmente les pertes. Il faudra donc prendre en considération la matière du tuyau. 3. Sa longueur est grande. Il est effectivement plus difficile à l'eau de traverser 10 mètres de tuyau que quelques centimètres. 4. La vitesse du fluide est grande; créations de plus grandes turbulences. Des abaques nous donnent la valeur de la perte de charge R' pour 1 m. de tuyau suivant sa nature (acier, cuivre, P.V.C…) , son diamètre, le débit et la vitesse de l'eau. Il suffira alors de multiplier par la longueur L du tuyau pour obtenir la perte de charge linéaire totale R. (Unité: mm CE.) 2.2/ Pertes de charge localisées. ζ γv² /2g en mm CE. Lorsque l'eau rencontre sur son parcours un obstacle local tel que vanne, té, coude, chaudière, corps de chauffe..., il se crée des turbulences causant également des pertes de pression. Ces pertes dépendent de : > la nature de l'obstacle : ζ > d'un coefficient proportionnel au carré de la vitesse de l'eau: γv²/2g. 2.3/ Hauteur manométrique d'une installation. (H en mm CE) Nous venons de voir qu'il y a des pertes de pression le long du parcours de l'eau dans les tuyauteries. D'autre part, l'eau a besoin de pression à la sortie de la chaudière pour pouvoir circuler dans l'installation. Cette pression sera donnée, soit par la différence de poids volumique entre les colonnes d'eau chaude et d'eau froide ( thermosiphon ), soit par une pompe de circulation. Cette pression motrice est également donnée en mm CE, on l'appelle « hauteur manométrique de l'installation. » Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologie chauffage : Pertes de charges ; calculs et dimensionnements Page 5 sur 20 Puisque nous avons des pertes de pression compensées par une pression motrice, il faut que, pour chacun des circuits (radiateurs, boiler, aérothermes ou autres corps de chauffe), la hauteur manométrique soit égale à la somme des pertes de charge linéaires et localisées. Ce qui nous donne: H = R + ζ γv²/2g. Remarque: Afin que la chaleur se répartisse dans les locaux conformément au calcul des corps de chauffe, il faut équilibrer les différents circuits de manière à ce qu'ils présentent une perte de charge identique. (Que dirait l’occupant du 14ème étage si il devait attendre que les appartements d’un niveau inférieur soient chauffés et que les vannes thermostatiques de ceux-ci se ferment avant de pouvoir espérer être chauffé à son tour !!!) Pour équilibrer les circuits, nous pouvons jouer sur les diamètres des tuyauteries ou avec des vannes dites « d’équilibrage ». 3/ Vitesse limite de l'eau. Afin d'assurer avec un minimum d'eau un maximum de transport de chaleur, nous avons intérêt à augmenter la vitesse de circulation de l'eau dans les tuyauteries. Toutefois, il est conseillé de respecter une vitesse limite au-dessus de laquelle il y aurait des risques de vibrations, de coups de bélier et, par le fait même, de bruit dans l'installation. Cette vitesse limite supérieure est de 1m/s (0.25 m/s à l'entrée des radiateurs). Il est également conseillé de ne pas travailler à des vitesses trop faibles de manière à ne pas augmenter exagérément la section et afin de limiter les pertes de chaleur dans ces tuyauteries. Vannes d’équilibrage hydraulique Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologie chauffage : Pertes de charges ; calculs et dimensionnements Page 6 sur 20 4/ Débit d'eau dans l'installation 4.1 Les corps de chauffe: Si un corps de chauffe doit fournir Q Wh/h dans un local (valeur donnée par le calcul et la sélection des radiateurs) nous savons que: Q = q.c. (te-ts) avec: Q = puissance de cdc.(corps de chauffe) Wh/h c = chaleur massique de l'eau (c= 1,16 Wh/l°K) te = T° d'eau entrée cdc. (°c) ts = T° d'eau sortie cdc. (°c) q = débit d'eau (l/h) De cette formule on déduit : q = Q/c.∆t Afin de tenir compte des déperditions dans les tuyauteries et pour faciliter les calculs, nous prendrons: q = Q/∆t 4.2 Les tuyauteries : Lorsqu’une tuyauterie alimente plusieurs corps de chauffe, il suffit d'additionner les débits nécessaires à ces différents corps de chauffe en partant du plus éloigné vers le plus rapproché de la chaudière. 5. Principe de calcul en installation bitube. 5.1 Calcul des pertes linéaires. Les tuyauteries pour eau de chauffage sont calculées de manière à ce que la perte de charge continue ou linéaire dans les différents tronçons du réseau soit limitée à environ 20mm CE/m avec une vitesse limite maximum de 1m/s. Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologie chauffage : Pertes de charges ; calculs et dimensionnements Page 7 sur 20 Exemple : Soit à calculer la perte de charge linéaire d'un tuyau d'acier; de cu; de P.V.C de 5m (aller + retour) traversé par un débit de 600 l/h. Remarque: travailler avec les abaques propres à chaque type de tuyauterie. Solution avec tuyauterie en acier (abaque page suivante) - pointer le débit en abscisse ( horizontale) en m³/h q = 600 l/h ou 0,6 m³/h - partir verticalement jusqu'à la valeur limite R= 20mm CE/m. →on tombe entre 1/2'" et 3/4" pour la section - choisir le diamètre immédiatement supérieur ( ici 3/4" ) - Pour un débit de 0,6 m³/h dans un tuyau de 3/4" de section, vous lisez sur l'ordonnée (verticale) une perte de charge linéaire R' = 14 mm CE/m - Sur les transversales de vitesses, on relève v = 0,45 m/s (nécessaire pour calculer γv²/2g) - Pour 5 m de tuyau: R’ = 5.R’ = 5.14 = 70mmCE Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologie chauffage : Pertes de charges ; calculs et dimensionnements Page 8 sur 20 Pierre Dessers Ingénierie thermique - coordination sécurité Cours de technologie chauffage : Pertes de charges ; calculs et dimensionnements Page 9 sur 20 5.2 Calcul des pertes de charges singulières R = ζ.γv²/2g Avec : R = perte de charge en mm de colonne d’eau ζ = Coefficient caractérisant la nature de la résistance locale γv²/2g = pression dynamique de l’eau en mm de colonne uploads/Litterature/ pertes-de-charge-et-dimensionnement.pdf