L’ALUMINIUM

Dans la conception d’une chaudière gaz à condensation il est important de choisir le matériau qui réunit le plus grand nombred’avantages pour la fabrication de l’échangeur de chaleur. L’alu-minium silicium réunit aujourd’hui le maximum de caractéristiques favorables pour répondre aux enjeux de la construction de chaudières monobloc de moyenne et forte puissance.

Il s’agit d’un métal dont la découverte attribuée au danois Christian Oersted, est relativement ré-cente (XIXème siècle). En 1827, Friedrich Wöhler (1800-1882) a produit pour la première fois de

l’aluminium pur par réduction de chlorite d’alumi-nium à l’aide de potassium. L’aluminium, après des mises au point successives, fut exposé comme nouveau métal lors de l’Exposi-tion Universelle de Paris en 1855.

C’est le métal le plus fréquemment rencontré sur la croute terrestre et qui présente des caractéristi-ques telles qu’il retient l’attention de domaines in-dustriels les plus divers (Emballage, Aéronautique, Automobile, Artificier, Peintures antirouille).L’industrie de l’emballage exploite tout particulière-ment ses qualités de dilatation pour la réalisation de feuilles d’emballage d’une épaisseur de 0,004 mm (laminé) voire même de 0,0004 mm (martelé) pour le conditionnement de tablettes de chocolat.

L’aéronautique, l’automobile et d’autres tirent un grand avantage de sa légèreté (2,702 g/cm3) sous forme pure ou en alliage qui permet d’obtenir des pièces environ trois fois moins lourdes que si elles étaient réalisées en acier ou en cuivre.

Selon les utilisations et les caractéristiques recher-chées il existe des alliages à base de Zinc, Cuivre, Silicium ou Magnésium.

Dans les alliages cités ci-avant, l’aluminium-silicium présente des caractéristiques particulièrement favo-rables à une utilisation dans le chauffage.

Ces alliages du groupe AlSi (Aluminium-Silicium) ont une composition proche de l’eutectique qui leur confère une excellente aptitude à la coulée. Un Eu-tectique est un mélange de deux corps purs qui fond et se solidifie à une température constante, contrai-rement à d’autres mélanges. Cet alliage se comporte en fait comme un corps pur du point de vue de la fusion avec de très bonnes caractéristiques de coulabilité.Cette aptitude à la coulée trouve toute son application dans la réalisation de corps de chaudières avec des géométries très complexes qui augmen-tent les surfaces d’échange et améliorent le passage du fluide caloporteur. L’objectif étant de favoriser le transfert de chaleur dans un volume très compact.

le matériau d’avenir pour les échangeurs de chaleur des chaudières gaz à condensation de grande puissance

l’Aluminium-Silicium et le chAuffAge

excellent coefficient de conductivité

exemple de cArActériStiqueS dimenSionnelleS et de poidS de lA gAmme c 230 eco de de dietrich

MatériauxConduCtivité therMique

(W.M-1.K-1)valeurs pour une teMpérature de 20 °C

acier 46acier inoxydable (18% chrome, 8% nickel)

26

aluminium (pureté de 99,9%)

237

Matériaux Masse voluMique(g/CM3)

acier 7,3acier inoxydable 8aluminium (alliage) 2,7

Pour l’aluminium, le coefficient de trans-mission de la chaleur est 5 fois meilleur que celui de l’acier, et 7 fois supérieur à celui de l’inox.

L’aluminium conduisant nettement mieux la chaleur, en choisissant ce ma-tériau, on peut notablement réduire les surfaces d’échange pour une même puis-sance transmise au circuit de chauffage.

A puissance équivalente les corps de chauffe aluminium sont donc nettement plus compacts.

L’aluminium, très léger, est souvent choisi dans l’aéronautique ou l’automobile pour réduire le poids des équipements : il est en effet 3x plus léger que l’acier inoxydable ou le cuivre.

Au-delà de la compacité des échangeurs aluminium, lié à la bonne conductibilité ther-mique du matériau, on bénéficie donc également de réductions de poids significati-ves par rapport à l’emploi d’autres matériaux. Il devient donc possible de concevoir des chaudières peu encombrantes et avec des poids au mur ou au sol très réduits, d’où une plus grande latitude de configuration d’installation en chaufferie.

0,54 M² au sol Poids à vide = 200kg / 217 kW Soit moins de 1 kg / kW

2 Retour chauffage

1 Départ chauffage

4 Robinet de remplissage et de vidange /connection pour deuxième retour R 1 1/4

6 Buse de fumées Ø 150 mm

3 Arrivée gaz R 1 1/4

5 Ecoulement des condensats siphon livré Ø 32 mm ext.

7 Entrée d'air comburant

1190 450

61

A

1200

1070

160 125305 140140 121

176

1

2

AC230-85 ECO

1309

R 1 1/4

R 1 1/4

2 3

61

316

152

5

4

C230_F0001

C 230 -... ECO K3/DIEMATIC-m3

C230-130 ECO1309

R 1 1/4

R 1 1/4

C230-170 ECO1309

R 1 1/4

R 1 1/4

C230-210 ECO1324

R 1 1/2

R 1 1/2

2 Retour chauffage

1 Départ chauffage

4 Robinet de remplissage et de vidange /connection pour deuxième retour R 1 1/4

6 Buse de fumées Ø 150 mm

3 Arrivée gaz R 1 1/4

5 Ecoulement des condensats siphon livré Ø 32 mm ext.

7 Entrée d'air comburant

1190 450

61

A

1200

1070

160 125305 140140 121

176

1

2

AC230-85 ECO

1309

R 1 1/4

R 1 1/4

2 3

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316

152

5

4

C230_F0001

C 230 -... ECO K3/DIEMATIC-m3

C230-130 ECO1309

R 1 1/4

R 1 1/4

C230-170 ECO1309

R 1 1/4

R 1 1/4

C230-210 ECO1324

R 1 1/2

R 1 1/2

poidS réduit

une réSiStAnce phySique inégAlée

exemple de cArActériStiqueS dimenSionnelleS et de poidS de lA gAmme c 230 eco de de dietrich

Absence de points fAibles qui Assure lA longévité du corps de chAuffeDans la construction des corps de chauffe en acier ou en acier inoxydable les assemblages par soudure, les pliages, les parties embouties sont autant de zones sensibles qui sont exposées aux contraintes liées au fonctionnement d’une chaudière.Les changements de températures liés au fonctionnement de la chaudière sont à l’origine de tensions dans les matériaux. Ces contraintes physiques, plus particulièrement localisées aux sou-dures et sertissages, fragilisent les métaux.

Un corps de chaudière par éléments en Aluminium-Silicium avec une épaisseur de matériau homogène ne comporte ni pliages, ni soudures et présente en conséquence des caractéristiques de résistance à la corrosion particulièrement favorables à une uti-lisation en condensation. Ceci est d’autant plus apprécié que le principe de condensation amène à mettre en contact les surfaces métalliques avec les condensats, par nature acides et donc par-ticulièrement corrosifs pour les métaux, surtout s’ils sont sollici-tés ou fragilisés.

résistAnce mécAnique idéAle pour optimiser le principe de retour bAsse tempérAtureL’homogénéité du matériau AlSi et sa flexibilité autorisent une utilisation avec des différentiels de températures importants (jusqu’à 30 K) entre le départ et le retour de la chaudière sans risque de fatigue du matériau dû à ces chocs thermiques répétés tout au long d’une saison de chauffe et qui pourraient provoquer des ruptures d’éléments.

Ce phénomène de différentiel de température entre le départ et le retour est souvent le résultat d’un fonctionnement au quoti-dien d’une installation où le changement de débit dans les cir-cuits secondaires est occasionné par des ouvertures-fermetures de vannes trois voies.

Cela permet une exploitation maximale du rendement de la chaudière : ne craignant pas les chocs thermiques, on peut dé-

finir des retours basse température favorisant la condensation des gaz de combustion à l’intérieur de l’échangeur, donc l’effet de récupération de chaleur.

une résistAnce chimique le destinAnt à lA condensAtionDans une chaudière à condensation, tous les points singu-liers sont d’autant plus exposés qu’ils sont en contact avec les condensats, acides et donc particulièrement corrosifs pour les métaux.

La bonne résistance de l’aluminium à la corrosion est due à la capacité de sa surface à devenir passive, c’est-à-dire inerte à la corrosion. Naturellement, au contact de l’eau ou de l’oxygène, une couche d’oxyde d’aluminium protectrice et non poreuse se forme: l’alumine, ou « couche de passivation ».

C’est cette propriété de l’aluminium qui protège la surface d’échange du corps de chauffe en contact des fumées contre l’agressivité des condensats et rend ce métal très adapté au prin-cipe de condensation. Dans la phase de condensation, le ruis-sellement des condensats sur la surface d’échange assure un auto-nettoyage du corps en AlSi en évitant les dépôts de résidus et d’imbrûlées qui pourraient faire obstacle au bon transfert de chaleur, tout en préservant la couche auto-protectrice de l’alumi-nium qui garantit sa bonne résistance à la corrosion.

De plus, l’aluminium est peu sensible aux corrosions par pi-quage souvent liées à l’utilisation d’eau de remplissage forte-ment minéralisée. L’inox par exemple craint les concentrations en chlorures supérieures à 100mg/L (selon son type). Le cuivre quant à lui, craint particulièrement les sulfates qui engendrent des percements rapides.

L’aluminium est également inerte à l’air, la couche d’alumine permettant de le protéger efficacement de l’oxydation par l’oxy-gène.

Pour fonctionner de manière optimale, une chaudiè-re nécessite une eau propre et de qualité compatible avec le contact aux métaux la constituant. Cela est commun à toutes les chaudières utilisant l’eau com-me fluide caloporteur, quelque que soit leur principe (classique, eau surchauffée, vapeur, condensa-tion…) et leur matériau constitutif (acier, inox, cuivre ou aluminium).

La qualité de l’eau d’une installation de chauffage se mesure via des paramètres spécifiques, tels que (entres autres) :

• le pH (niveau d’acidité ou d’alcalinité de l’eau), • la dureté (teneur en calcaire dissout), • la conductivité (approximation de sa minéralisation totale), • le taux de chlorures, de sulfates, etcCes éléments peuvent varier selon les régions, le moyen d’approvisionnement en eau (réseau de dis-tribution public, forage, eau de pluie…) ainsi que les matériaux et l’état des canalisations la véhiculant.

Certains paramètres sont à vérifier systématique-ment quel que soit le matériau constitutif de la chau-dière (absence de particules abrasives en suspen-sion dans l’eau, éviter les eaux trop calcaires, etc). A l’inverse, le contrôle du pH est essentiel mais les valeurs à respecter varient. En effet, de manière gé-nérale les métaux se corrodent en présence d’acide, mais chaque métal a une résistance particulière, et une plage de pH définie doit être respectée pour évi-ter sa corrosion rapide et irréversible.

On voit sur ce tableau pourquoi il est habituel de mettre en place un traitement de l’eau protecteur sur un réseau de chauffage : l’acier et la fonte, classi-quement utilisés en plomberie et chauffage, se cor-rodent facilement au contact de l’eau, le pH de l’eau de ville (compris entre 6,5 et 9 par obligation de po-tabilité, mais dépasse très rarement 8,5) n’étant pas naturellement compatible avec ces alliages.

A l’inverse, l’aluminium présente une bonne résis-tance à des pH neutres voir acides. C’est un des mé-taux les plus résistants à la corrosion, sa plage de tolérance au pH est vaste. Il supporte bien le contact avec l’eau, y compris en l’absence de traitement.

L’utilisation de l’aluminium ainsi que le principe de récupération de chaleur par condensation sont cependant des avancées techniques récentes. Les préconisations de pH élevés, ancrées dans les ha-bitudes d’exploitation et dans les textes de bonnes pratiques, ont été établies avant ces orientations techniques et n’ont pas pu les prendre en compte.

La recommandation d’un pH supérieur à 9,7 -critère simple à contrôler, et de mise en œuvre facile (ajout de soude dans l’eau du réseau, par exemple)- est toutefois incompatible avec l’aluminium : sa couche de passivation se dissout quand le pH dépasse 8,5. Il devient alors sensible à la corrosion et se dégrade d’autant plus vite que le milieu est alcalin. C’est donc en souhaitant protéger les autres matériaux de l’ins-tallation de chauffage que l’on fragilise l’aluminium, parfois jusqu’au percement.

Heureusement, la méthode ancestrale de traitement à la soude et/ou aux tanins des réseaux de chauf-fage est révolue. Des avancées techniques dans le domaine du traitement de l’eau ont vu le jour avec des inhibiteurs de corrosion bien plus performants pour les alliages de fer (fonte, acier…) ainsi que pour le cuivre. Les installations modernes sont d’ailleurs de plus en plus « multi-matériaux » et les traitements ont évolué en ce sens. Les molécules actuelles, telles que phosphates et molybdates, bien démocratisées actuellement, sont totalement compatibles avec un corps de chauffe en aluminium.

Les préconisations de traitement de l’eau pour l’em-ploi d’une chaudière en aluminium-silicium restent donc de l’ordre du bon sens :

• Comme pour toutes les autres chaudières, une eau peu dure et moyennement minéralisée évitera la formation de dépôts nuisant au bon échange ther-mique.

• Quant à la corrosion, ce type d’équipement suppor-terait tout à fait une eau non traitée, mais les autres métaux constitutifs du réseau en pâtiraient. Il faut donc simplement choisir un traitement compatible avec l’aluminium (n’augmentant pas le pH de l’eau).

lA chAudière en Aluminium-Silicium et lA quAlité de l’eAu de l’inStAllAtion de chAuffAge

• Pour une installation sur réseau existant, vérifier la compatibilité du traitement (simple mesure du pH). S’il s’avère supérieur à 8,5 une simple vidange suivie d’un reconditionnement suffit, ce qui est dans tous les cas fortement recommandé pour éviter d’em-bouer la nouvelle chaudière avec les particules et résidus présents dans l’installation ancienne.

Par le respect d’une mise en œuvre dans les règles de l’art il sera possible d’exploiter pleinement les avantages d’une installation performante avec un générateur en aluminium-silicium. Les propriétés principales qui font de l’aluminium-si-licium un matériau de choix sont sa faible densité, sa résistance mécanique, sa résistance à la corrosion, sa longévité, sa ductilité, sa formabilité et sa conduc-tivité. Par ailleurs, sa recyclabilité pratiquement à l’infini et sans pertes de caractéristiques, couronne ses nombreuses caractéristiques particulièrement avantageuses dans le domaine de l’échange de cha-leur et tout particulièrement au déploiement de la technologie de la condensation gaz.

En raison de cette combinaison unique de proprié-tés, bon nombre de fabricants de chaudières aupa-ravant fidèles à d’autres matériaux, commencent à l’adopter. Il s’agit donc bien d’un matériau d’avenir dans le monde du chauffage.

L’ALUMINIUM PRÉSENTEUNE BONNE RÉSISTANCEA DES PH NEUTRES VOIRE ACIDES