vase d`expansion.

Expansion des circuits fermés
Expansion des circuits fermés :
I. Rôle :
Tous les circuits hydrauliques (chauffage, eau glacée ou autres…) sont soumis à
des fluctuations de température plus ou moins importantes. Une des
caractéristiques des liquides oblige ceux-ci à ce dilater en cas d’ élévation de leur
température, ou à ce contracter en cas de diminution de celle-ci. Afin de
minimiser les fluctuations de pression dans les circuits fermés, le rôle du vase
d’expansion consiste à absorber la variation de cette masse.
II. Principe :
Un vase clôt est divisé en deux par une membrane en caoutchouc déformable.
Une partie du vase est en relation avec le circuit hydraulique, l’autre partie est
mise sous pression par un gaz neutre (azote). Tous gaz étant compressible,
l’azote se déformera pour absorber les fluctuations de volume du circuit
hydraulique.
Soupape de
sécurité
Vers circuit
hydraulique
Membrane
déformable
H2 0
N2
état du vase en
fonctionnement normal
III. Dimensionnement :
1)
Circuit eau chaude :
Tout d’abord, il est nécessaire de déterminer le volume d’expansion du liquide
contenue dans le circuit hydraulique. Il sera donc nécessaire de connaître les
caractéristiques thermophysiques du fluide utilisé (notamment les variations de
masse volumique en fonction de la température).
Nous prendrons comme exemple une installation de chauffage à eau ayant les
caractéristiques de fonctionnements suivantes :
Chaudfroidclim
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Expansion des circuits fermés
- θ allé chauffage : 90°C,
- θ retour chauffage : 70°C,
- θ de l’eau installation arrêtée : 20°C,
- Hauteur géométrique du bâtiment : 15m (le vase d’expansion sera installé
au point le plus bas de l’installation.
- La soupape de sécurité installée déclenche à une pression de 6bar.
- le volume de l’installation (V) étant connue : V= 3,5 m3.
a) Calcul du volume d’expansion (Vex ) :
On supposera la température moyenne de l’eau (circuit en fonctionnement)
correspond à une moyenne arithmétique entre l’allé et le retour.
θm =
90 + 70
= 80°C.
2
Dans cette configuration, le vase d’expansion doit assur er la variation du volume
entre l’arrêt de l’installation à θ=20°C et le régime nominal θ=80°C.
Vmin = m.vmin (ϑ min) = V
m=
V
v min(ϑ min)
Vmax = m.vmax (ϑ max) = V .
Vex = Vmax − Vmin = V .
v max (ϑ max)
vmin (ϑ min)
v max (ϑ max)
vmin (ϑ min)
−V
v

max (ϑ max)
Vex = V .
− 1
v

 min (ϑ min)

V = volume de l’installation ( m 3 ),
Vex = volume d’expansion ( m 3 ),
Vmin = volume minimum de l’installation ( m 3 ),
Vmax = volume maximum de l’installation ( m 3 ),
Vex = volume d’expansion ( m 3 ),
Chaudfroidclim
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Expansion des circuits fermés
vmin(ϑmin) = volume massique à la température minimum (
m3
),
kg
m3
vmax(ϑmax) = volume massique à la température maximum (
),
kg
D’après les caractéristiques thermophisyques de l’eau :
3
-3 m
vmin(ϑ=20°C) = 1,002.10
kg
3
m
vmax(ϑ=80°C) = 1,029.10-3
kg
 1,029.10 -3


(ϑ =80 °C )

Vex = 3,5.
− 1 = 0,0943m 3 → 94,3litres
-3
 1,002.10 (ϑ = 20°C ) 


b) Pression de gonflage du vase d’expansion (Pg) :
Le vase étant situé en partie basse de l’installation, il devra supporter en
fonctionnement normal toute la hauteur statique de liquide :
15m
Pression statique à
l’aspiration de la
pompe.
Sachant que la masse volumique de l’eau est sensiblement égale à 1000 kg
m3
, il
est possible de calculer la pression minimum au point bas :
P = ρ .g .h = 1000 × 9,81 ×15 = 147150Pa → 1, 47bar
Il est nécessaire de rajouter à cette à cette pression de potentiel, une légère
surpression de manière à faciliter les purges d’air en partie haute, ici nous nous
rajouterons par exemple 0,5 bar.
Pg = 1, 47 + 0,5 = 1,97bar
Le gonflage du vase d’expansion se fera à 1,97 bar, vase déconnecté du circuit
hydraulique. Une fois le vase gonflé, celui-ci sera reconnecté à l’installation
Chaudfroidclim
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Expansion des circuits fermés
hydraulique. Il est à noté que contrairement aux idées reçus la mise en place
d’une vanne d’isolement sur le vase est indispensable.
En relation avec la
pression, atmosphérique
Membrane
déformable
En relation avec le
circuit hydraulique
Membrane
déformable
1,97 bar
H2 0
N2
N2
Etat au gonflage
Etat en fonctionnement normal
c) Détermination du volume total du vase d’expansion :
D’après la loi des gaz parfait si la température d’un gaz ne varie pas, ce qui est le
cas de l’azote présent dans le vase, il est possible d’écrire l’égalité suivante :
P1 ×V1 = P2 ×V2
En rappelant que les pressions sont en valeur absolue.
Analysons le comportement du vase en cas de variation du volume du circuit
hydraulique :
Pg
Vex
Vt
Pmax
Vt -Vex
Etat au gonflage
Etat avant déclanchement
de la soupape
Rappelons que la pression maximum correspond à la pression de déclenchement
de la soupape (6 bar).
Pg × Vt = Pmax × (Vt − Vex)
Chaudfroidclim
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Vt =
Pmax
× Vex
Pmax − Pg
Ne pas oublier de mettre les valeurs Pmax et Pg en pression absolue.
( 6 + 1)
Vt =
× 94,3 = 163,79 ≈ 164litres
(6 + 1) − (1,97 + 1)
Le volume total du vase sera de 164 litres.
Il est tout de même nécessaire de préciser que cette méthode néglige les forces
exercées par la membrane en caoutchouc.
2) Circuit d’eau glacée :
Le résonnement précédent peut être appliqué aux réseaux d’eaux glacées, à la
différence que la pression de l’eau glacée augmente lorsque l’installation est à
l’arrêt. Les contraintes auxquelles le vase d’expansion est soumis sont identiques
à l’exemples précédents, mais se font en sens inverse.
Nous pouvons prendre comme exemple, l’installation précédente en changeant
uniquement le régime de température :
- θ allé eau glacée : 6°C,
- θ retour eau glacée : 12°C,
- θ de l’eau installation arrêtée : 35°C,
et en gardant constante les autres variables :
- Hauteur géométrique du bâtiment : 15m (le vase d’expansion sera installé
au point le plus bas de l’installation.
- La soupape de sécurité installée déclenche à une pression de 6bar.
- le volume de l’installation (V) étant connue : V= 3,5 m3.
a) Calcul du volume d’expansion (Vex ) :
On supposera la température moyenne de l’eau (circuit en fonctionnement)
correspond à une moyenne arithmétique entre l’allé et le retour de l’eau.
θm =
6 + 12
= 9°C.
2
Chaudfroidclim
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Expansion des circuits fermés
Dans cette configuration, le vase d’expansion doit assurer la variation du volume
entre l’arrêt de l’installation à θ=35°C et le régime nominal θ=9°C.
vmin(ϑ=9°C) = 1.10-3
m3
kg
vmax(ϑ=35°C) = 1,006.10-3
m3
kg
v

max (ϑ max)

Vex = V .
− 1
v

 min (ϑ min)

 1,006.10-3


(ϑ =35°C )

Vex = 3,5.
−
1
= 0,021m3 → 21litres

-3
 1.10 (ϑ =9°C )



b) Pression de gonflage du vase d’expansion (Pg) :
La pression de gonflage reste identique à l’exemple précédent, soit 1,97bar.
c) Détermination du volume total du vase d’expansion :
D’après la démonstration précédentes, le volume total du vase d’expansion est
exprimé par la relation suivante :
Vt =
Pmax
× Vex
Pmax − Pg
en rappelant que Pmax et Pg sont exprimés en pression absolue.
Vt =
( 6 + 1)
× 21 = 36,48 ≈ 37litres
(6 + 1) − (1,97 + 1)
Il est intéressant de comparer ici la taille des vases d’expansion fonctionnant sur
des circuits identiques, mais soumis à des régimes de températures différents.
Volume total du vase sur le circuit de chauffage, fonctionnant sur un régime
d’eau à 90/70°C : 164 litres.
Volume total du vase sur le circuit d’eau glacée, fonctionnant sur un régime d’eau
à 6/12°C : 37 litres.
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