Cours Hydrau

Universit de la RochellePle Sciences et Technologie Dpartement Gnie Civil et Mcanique

COURS DHYDRAULIQUE des Rseaux de Chauffage

Master Gnie Civil et Mcanique

2005 - 2006

L.CHATELLIER M. ABADIE

Hydraulique Master 1 - Gnie Civil et Mcanique

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Table des Matires1. FLUIDES REELS ........................................................................................................................................ 4 1.1. SOLIDES ET FLUIDES ............................................................................................................................... 4 1.2. FLUIDE PARFAIT ..................................................................................................................................... 4 1.3. FLUIDE REEL .......................................................................................................................................... 5 1.3.1. Fluides newtoniens ....................................................................................................................... 5 1.3.2. Viscosit........................................................................................................................................ 5 1.3.3. Equations ...................................................................................................................................... 6 1.3.4. Ecoulements laminaires et turbulents ........................................................................................... 6 1.3.5. Perte de charge............................................................................................................................. 7 2. RESEAUX HYDRAULIQUES ................................................................................................................... 7 2.1. DEFINITIONS GENERALES ....................................................................................................................... 7 2.2. CANALISATIONS ..................................................................................................................................... 8 2.2.1. Tubes en acier............................................................................................................................... 9 2.2.2. Tubes en cuivre ........................................................................................................................... 10 2.2.3. Tubes en matire plastique synthtique ...................................................................................... 11 2.2.4. Calorifuge ................................................................................................................................... 12 2.2.5. Reprage ..................................................................................................................................... 13 2.3. CRITERES DE DIMENSIONNEMENT DES TUYAUTERIES ........................................................................... 14 2.3.1. Gnralits.................................................................................................................................. 14 2.3.2. Critres ....................................................................................................................................... 14 2.4. TYPOLOGIE DES RESEAUX .................................................................................................................... 15 2.4.1. Raccordement en parallle ou bitube ......................................................................................... 15 2.4.2. Raccordement en srie ou monotube .......................................................................................... 18 2.5. DILATATION DU RESEAU ...................................................................................................................... 19 2.5.1. Dilatation longitudinale.............................................................................................................. 19 2.5.2. Dilatation diamtrale.................................................................................................................. 20 2.6. DILATATION DE LEAU ......................................................................................................................... 20 2.6.1. Petites installations : .................................................................................................................. 21 2.6.2. Grosses installations : ................................................................................................................ 25 2.6.3. Influence de la position du systme............................................................................................. 26 2.7. EQUIPEMENTS COMPLEMENTAIRES....................................................................................................... 28 2.7.1. Soupape....................................................................................................................................... 28 2.7.2. Disconnection ............................................................................................................................. 28 2.7.3. Purges ......................................................................................................................................... 29 2.7.4. Vidanges ..................................................................................................................................... 30 2.7.5. Filtres et dsemboueurs .............................................................................................................. 31 2.7.6. Traitement de leau..................................................................................................................... 32 2.8. CIRCUITS FERMES ................................................................................................................................. 33 2.8.1. Equation gnrale....................................................................................................................... 33 2.8.2. Pertes de charge ......................................................................................................................... 36 2.8.3. Rsistance hydraulique, mthodes graphiques ........................................................................... 37 2.9. CIRCUITS OUVERTS .............................................................................................................................. 39 2.9.1. Description ................................................................................................................................. 39 2.9.2. Equation gnrale....................................................................................................................... 39 2.9.3. Caractristique, reprsentation graphique................................................................................. 40 3. TYPES DE POMPES................................................................................................................................. 40 3.1. POMPES CENTRIFUGES .......................................................................................................................... 40 3.1.1. Type de roue ............................................................................................................................... 41 3.1.2. Nombre de roues......................................................................................................................... 42 3.1.3. Arbre moteur et arbre pompe ..................................................................................................... 42 3.1.4. Type de moteur............................................................................................................................ 42 3.1.5. Position des orifices.................................................................................................................... 43 3.1.6. Nombre de pompes...................................................................................................................... 43 3.1.7. Vitesse de rotation ...................................................................................................................... 43 3.2. POMPES A CANAL LATERAL .................................................................................................................. 44

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Hydraulique Master 1 - Gnie Civil et Mcanique3.3. POMPES VOLUMETRIQUES .................................................................................................................... 45 3.3.1. Pompes mouvement de translation .......................................................................................... 45 3.3.2. Pompes rotatives......................................................................................................................... 45 3.4. EXEMPLES DE POMPES .......................................................................................................................... 46 4. POMPES CENTRIFUGES ....................................................................................................................... 51 4.1. HAUTEUR MANOMETRIQUE .................................................................................................................. 51 4.2. PUISSANCE HYDRAULIQUE ................................................................................................................... 51 4.3. CINEMATIQUE DE LECOULEMENT - TRIANGLE DES VITESSES ............................................................... 51 4.4. PUISSANCE MECANIQUE - THEORIE D'EULER ........................................................................................ 52 4.5. CARACTERISTIQUE D'UNE POMPE ......................................................................................................... 52 4.6. CAVITATION ......................................................................................................................................... 53 4.7. RENDEMENT ......................................................................................................................................... 53 4.8. COUPLAGE DE POMPES ......................................................................................................................... 54 4.8.1. Couplage en srie ....................................................................................................................... 54 4.8.2. Couplage en parallle................................................................................................................. 54 4.9. ROGNAGE DES ROUES ........................................................................................................................... 54 5. LOIS DE SIMILITUDE ............................................................................................................................ 55 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 6. ANALYSE DIMENSIONNELLE ................................................................................................................. 55 GRANDEURS ADIMENSIONNELLES ........................................................................................................ 55 FONCTIONNEMENTS SEMBLABLES ........................................................................................................ 55 AUTRES GRANDEURS CARACTERISTIQUES ............................................................................................ 56 CONSEQUENCES PRATIQUES ................................................................................................................. 57

ASSOCIATION POMPE ET RESEAU ................................................................................................... 58 6.1. SELECTION DUNE POMPE ..................................................................................................................... 58 6.2. POINT DE FONCTIONNEMENT ................................................................................................................ 58 6.3. CHOIX DU COUPLAGE DE POMPES ......................................................................................................... 58 6.4. REGLAGE DU DEBIT .............................................................................................................................. 58 6.4.1. Association Vanne-Rseau.......................................................................................................... 59 6.4.2. Variation de vitesse de rotation de la pompe.............................................................................. 60

7.

REFERENCES ........................................................................................................................................... 61

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1. Fluides rels1.1. Solides et fluidesLorsque la matire se trouve ltat solide, les molcules occupent une place bien dtermine en se contentant dexcuter des oscillations autour de leur position moyenne. Lattraction des molcules entre elles est considrable. Lorsque la matire se trouve ltat gazeux, les molcules sont dans un tat dagitation continuelle. Au cours de leur mouvement, les molcules se heurtent mutuellement. Entre deux chocs successifs, une molcule dcrit une trajectoire en ligne droite et la distance correspondante est appele libre parcours moyen . Bien que les molcules soient certainement loin dtre sphriques, on considre une sphre dite de protection autour du centre de chaque molcule. On admet quaucune autre molcule ne pourra jamais pntrer dans la sphre de protection. Chaque gaz prsente ses propres valeurs du libre parcours moyen, du diamtre de la sphre de protection et du nombre de chocs entre molcules par seconde en fonction des conditions de temprature et de pression. Dans un liquide, les molcules sont galement trs rapproches mais, par contre, elles sont libres de se dplacer. La notion de libre parcours moyen nexiste donc pas dans les liquides. Les liquides sont caractriss par une masse volumique relativement importante et sont pratiquement incompressibles, l'inverse des gaz. Les liquides et les gaz ont des proprits communes et constituent ce que lon dsigne plus gnralement par fluide. On distingue des corps intermdiaires entre les fluides et les solides tels que les boues, les btons ou de nombreux matriaux lorsquils sont en fusion. Par exemple le verre, solide lastique a priori, prsente des proprits fluides sil est tudi sur de trs longs intervalles de temps (certains le qualifient de solide visqueux).

1.2. Fluide parfaitDans le cas de solides rels, traits par la thorie de llasticit, les contraintes sont lies aux dformations par des relations linaires. Dans les fluides, au contraire, les contraintes tangentielles dpendent de la vitesse laquelle la dformation sest effectue et, en consquence, sont nulles dans un fluide au repos. Dans la mesure o la limite dlasticit na pas t dpasse un solide reprend sa forme initiale lorsque lon cesse de lui exercer des efforts. Les fluides nont pas cette mmoire et tendent occuper le volume qui leur est offert. Par contre, la forme du tenseur des contraintes est identique pour les solides et les fluides. On peut le dcomposer en un tenseur diagonal, isotrope, contenant uniquement le terme de pression p au point considr, additionn d'un tenseur dit de viscosit. Lorsque ce tenseur de viscosit est nul, soit quand les contraintes tangentielles sont nulles et que les contraintes normales quilibrent la pression, on dit que le fluide est parfait. Dit plus simplement, un fluide parfait subit uniquement les forces de pressions, normales, et ne subit aucune force lie au cisaillement.

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1.3. Fluide rel 1.3.1. Fluides newtoniensContrairement au fluide parfait, un fluide rel est sensible aux contraintes tangentielles, on parle alors de fluide visqueux. On distingue fluides dits newtoniens et fluides non newtoniens. On dfinit comme fluide newtonien tout fluide pour lequel le tenseur des contraintes est en dpendance linaire avec le tenseur des taux de dformations et le gradient de temprature. Pour les fluides non newtoniens, des lois plus complexes rgissent la dpendance entre contraintes et dformations. Toutefois certains fluides non newtoniens sont relativement bien identifis et tudis, comme les fluides dilatants, ou pseudoplastiques. Pour d'autre, comme les matriaux thixotropes, les dformations dpendent de la manire dont les contraintes sont appliqus dans le temps, car certaines modifications microscopiques ne sont pas instantanes. On s'intressera ici aux fluides rels newtoniens, largement prsents dans la nature et l'industrie.

1.3.2. ViscositPour un fluide newtonien en coulement unidirectionnel, la contrainte tangentielle au point observ est proportionnelle au gradient de vitesse local selon toute direction normale au mouvement du fluide (on s'intresse donc ici de nouveau aux contraintes tangentielles).

=

V n

est appel coefficient de viscosit dynamique et sexprime en [Pa s] ; une ancienne unit est lePoise (P) ; 1P = 0,1 Pa s. Dans les liquides, mu diminue lorsque la temprature augmente, et inversement pour les gaz. On dfinit le coefficient de viscosit cinmatique nu par

=

ou est la masse volumique du fluide. Le coefficient sexprime en [m2 s-1), et anciennement en stokes (St) ; 1St= 10-4m2s-1.

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1.3.3. EquationsLes quations rgissant lcoulement dun fluide newtonien sont lquation de continuit

r + div( V ) = 0 tlquation de conservation de quantit de mouvement, dite de Navier-Stokes

r r r r r r V r 1 r + V grad (V ) = grad ( p) + g + V + grad (divV ) t 3 r r r r V r 1 r + V grad (V ) = grad ( p) + g + V tr div(V ) = 0

Dans le cas dun coulement incompressible :

Lquation de conservation de lnergie nest pas aborde ici

1.3.4. Ecoulements laminaires et turbulentsLes coulements laminaires et turbulents ont t mis en vidence pour la premire fois par Reynolds. Lexprience consistait observer le mouvement dun fluide lintrieur dun tube de verre dans lequel on introduisait un liquide color. Dans cette exprience on constate quaux faibles vitesses le filet color reste stable sur toute la longueur du tube. Lcoulement est dit laminaire. Lorsque la vitesse augmente, le filet color se mlange avec le fluide initial aprs avoir parcouru une certaine distance. Lcoulement devient instable et imprdictible au-del de ce point. Il est dit turbulent. Le rgime dcoulement turbulent nest pas prdictible et sa comprhension fait appel des notions de statistiques et dchelles des mouvements en prsence, entre autres. La modlisation analytique de la turbulence est lun des grands sujets de recherche en mcanique des fluides. Lcriture adimensionnelle des quations de Navier-Stokes fait apparatre un groupement remarquable dans les termes lis la viscosit: le nombre de Reynolds.

Re =

VL

O V est une vitesse reprsentative de lcoulement (vitesse amont, vitesse dbitante,) et L une dimension caractristique du domaine considr (diamtre dun tube, corde dune aile...). Le nombre de Reynolds est donc dfini diffremment selon le problme et compare limportance relative des forces dinertie et de viscosit pour une configuration donne. Lorsque le rgime dun coulement devient turbulent ce nombre est dsign par Reynolds critique. Pour lcoulement dans une canalisation de section circulaire, lcoulement est laminaire si le nombre de Reynolds reste infrieur 2000 (viscosit prpondrante). Au-del de ce nombre de Reynolds critique, les forces dinerties ne sont plus ngligeables et lcoulement passe en rgime de transition, puis en rgime turbulent. Dans lexemple du tube, comme dans bien dautres, la transition la turbulence nest pas effective dans lensemble de lcoulement. Celle-ci apparat une certaine distance de lentre du tube, en fonction du nombre de Reynolds ainsi que de la rugosit du tube.

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1.3.5. Perte de chargeEn hydraulique, on utilise la charge plutt que la pression afin de saffranchir des termes de masse volumique et de pesanteur. Cette pratique fait rfrence pression statique dune colonne de fluide, proportionnelle sa hauteur. La charge est donc analogue une hauteur et scrit par division dun terme de pression par le poids volumique g du fluide. En rgime laminaire comme en rgime turbulent, une partie de lnergie mcanique du fluide est transforme en nergie calorifique lors du contact avec les parois et obstacles. Dans les canalisations ceci conduit des pertes de pression, ou pertes de charge. On distingue les pertes de charge linaires, en conduite, proportionnelles la longueur de la conduite, et les pertes de charges singulires, localises, dues la prsence des nombreux lments intgrs au rseau. Dune manire gnrale, tout obstacle, organe de mesure ou de rgulation, jonction ou changement de section, conduit une perte de charge singulire. Les situations les plus courantes sont les suivantes largissement brusque, sortie dune conduite ; rtrcissement brusque, entre dune conduite ; diaphragme, vanne ; changement de section brusque ou continu, convergent, divergent ; coude et changement de direction, jonction. On remarquera que le fonctionnement mme dune vanne est bas sur lexistence des pertes de charges singulires.

2. Rseaux hydrauliquesOn se limitera dans ce chapitre au transport et la distribution de chaleur au moyen dun liquide caloporteur (les rseaux de chauffage) mais les principes dvelopps sont, pour la plupart, gnralisables aux installations eau glace, aux circuits de refroidissement

2.1. Dfinitions gnralesRseau : Ensemble des canalisations et des appareils assurant la circulation du fluide Tronon : Partie du rseau dans laquelle lcoulement du fluide est homogne. Un tronon se caractrise par un dbit et un diamtre constants sur toute sa longueur. Circuit : Ensemble de tronons permettant une particule de fluide de partir dun point commun, la pompe en gnral, et dy revenir.

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Hydraulique Master 1 - Gnie Civil et Mcanique Le fonctionnement dun circuit caloporteur peut tre dcrit selon quatre phases : Au point A, le liquide reoit une quantit de chaleur sensible qui lve sa temprature de T1 T 2, Le liquide est transport du point A au point B, Au point B, le liquide cde la quantit de chaleur reue au point A, ce qui rduit sa temprature de T2 T1, Le liquide est transport du point B au point A, ce qui ferme le cycle.

T2

P (kW)

A

B

P (kW)

T1 P = qm.cp.(T2-T1)

qm (kg/s)

Figure 1 : Fonctionnement des circuits caloporteurs Dans une installation eau chaude, A reprsente la production de chaleur (chaudire) et B lutilisation de la chaleur (batterie chaude dun ventilo-convecteur). Dans une installation eau glace, B reprsente la production de froid (groupe de production deau glace) et A lutilisation du froid (batterie froide dun ventilo-convecteur). On considre en gnral que lchange de chaleur lors du transport de fluide entre A et B est ngligeable. En pratique, il y a de nombreuses utilisations qui sont raccordes en parallle ou en srie entre les deux tubes. Dans tous les cas, on appelle la canalisation aller celle o le fluide circule de la production vers les utilisations, et retour celle o le fluide circule des utilisations vers la production. Historiquement, leau circulait naturellement, par gravit, dans les premires installations de chauffage central (principe du thermosiphon) mais ce principe impose une localisation de la production en dessous des utilisations et dautres obligations comme lutilisation de tuyauterie de gros diamtre. De plus lquilibrage dun tel systme est trs complexe. Depuis les annes 1960, lassociation de pompes lectriques et de rgulateurs permet de saffranchir de telles limites.

2.2. CanalisationsLes canalisations doivent rsister la pression et la temprature rgnant dans linstallation, on distingue : Pression nominale PN : pression effective correspondant lutilisation normale de llment (bars), PN6, PN10 par exemple, gnralement une temprature de 20C Pression maximale admissible PMA : pression effective maximale quun lment peut supporter de faon permanente une temprature donne. -8-

Hydraulique Master 1 - Gnie Civil et Mcanique Pression maximale de service PMS : pression effective maximale quun lment peut supporter de faon exceptionnelle une temprature donne (on choisira toujours une PMA des lments > la PMS la mme temprature). Pression dessai (ou dpreuve) : pression effective laquelle est soumis un lment ou plusieurs lments, ou une installation complte pour vrifier son aptitude lusage (rsistance, tanchit ou dformation). La norme de rfrence pour les tubes est NF E 29.002.

2.2.1. Tubes en acierCe sont les tubes les plus couramment utiliss dans les rseaux importants. Ils font lobjet des normes (NF A 49.111, NF A 49.112, NF A 49.115, NF A 49.141, NF A 49.142, NF A 49.145). La dsignation normalise fait appel au diamtre extrieur et lpaisseur. Exemple : NF A 49.145 26,9-2,3. Il est cependant dusage courant de dsigner un tube par les valeurs des diamtres intrieur et extrieur en valeur approche (20-27). Abusivement, on fait parfois appel la rfrence du filetage correspondant au diamtre du tube (3/4). Tableau 1 : Caractristiques des tubes en ACIERNormes Tempratures admissibles Tubes filets PMA Tubes lisses Filetable Domaines d'utilisation NF A 49-145 NF A 49-146 de -10 110 C C 10 bars 16 bars 16 bars 25 bars OUI NON EFS, ECS, Vapeur BP, Air Comprim Section Ancienne Epaisseur Epaisseur Intrieure Appellation (mm) (mm) (mm) 8*13 12*17 15*21 20*27 26*34 33*42 40*49 50*60 66*76 80*90 102*114 2.0 2.0 2.3 2.3 2.9 2.9 2.9 3.2 3.2 3.2 3.6 4.5 4.5 70.9 136.8 219.0 390.6 611.4 1052.1 1418.6 2281.7 3815.5 5345.6 9008.8 13416.6 19138.0 2.3 2.3 2.6 2.6 3.2 3.2 3.2 3.6 3.6 4.0 4.5 4.5 4.5 NF A 49-141 de -10 200 C C NF A 49-112 de -15 3200 C C

Selon Temprature avec max=36 bars NON ECHT, Vapeur HP

De (mm) 13.5 17.2 21.3 26.9 33.7 42.4 48.3 60.3 76.1 88.9 114.3 139.7 165.1 168.3 219.1 273 323.9 355.6 406.4

DN 8 10 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 150 200 250 300 350 400

Filetage 1/4 3/8 1/2 3/4 1 11/4 11/2 2 21/2 3 4 5 6

Section Section Section Epaisseur Epaisseur Intrieure Intrieure Intrieure (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 62.2 125 204 370 585 1018 1379 2215 3728 5140 8709 13417 19138 2.0 2.0 2.0 2.3 2.3 2.6 2.6 2.9 2.9 3.2 3.6 4.0 4.5 5.9 6.3 7.1 8.0 8.8 70.9 137 235 391 665 1087 1459 2333 3882 5346 9009 13623 19931 33751 53256 75331 90579 118725

2.0 2.3 2.6 2.6 2.9 2.9 3.2 3.6 4.0 4.5

411.9 665.1 1086.9 1459.0 2332.8 3881.5 5345.6 9008.8 13622.6 19930.6

Selon la srie laquelle ils appartiennent, les tubes sont filetables ou non filetables (paisseur rsiduelle fond de filet insuffisante). Les tubes sans soudure ont un cot plus lev, on les rserve aux rseaux haute pression. Les tubes courant, sans protection particulire, sont dits en acier noir . Ce sont les tubes classiquement utiliss en chauffage. Les tubes protgs par un revtement de zinc (acier galvanis) sont interdits en chauffage cause du risque de corrosion engendr par les couples zinc-cuivre en circuit ferm. Ces deniers sont utiliss en EFS et ECS sil ny a pas de cuivre en amont.

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Hydraulique Master 1 - Gnie Civil et Mcanique Les assemblages sont raliss : Par soudure au chalumeau avec mtal dapport ou larc pour les plus gros diamtres, Par soudo-brasage au chalumeau avec mtal dapport cuivreux, Par filetage au pas conique de gaz selon la norme NF E 03.004 avec pices intermdiaires en fonte ductile, et Par brides soudes dans le cas des gros diamtres ou en haute pression.

2.2.2. Tubes en cuivreLes tubes en cuivre font lobjet des normes NF A 51.120, NF A 49.150, EN 10240, EN-ISO 1461. On les dsigne par leur diamtre extrieur et leur paisseur mais comme leur paisseur est de 1mm quelque soit le diamtre, on omet souvent de lindiquer. Attention, cette paisseur peut tre abaisse 0.8mm pour limiter les cots. Les tubes en cuivre ne sont utiliss que pour les petits rseaux de chauffage (maison individuelle par exemple). Leur rsistance la pression est videmment plus faible que pour les tubes acier (pression dclatement de lordre de 5 fois la PMS) Tableau 2 : Caractristiques des tubes en CUIVREDe (mm) 6 8 10 12 14 16 18 20 22 28 32 36 40 52 Epaisseur (mm) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Di (mm) 4 6 8 10 12 14 16 18 20 26 30 34 38 50 Section Intrieure (mm) 13 28 50 79 113 154 201 254 314 531 707 908 1134 1963 PMA (bars) 220 146 110 88 73 62 55 48 44 33 29 25 23 17 PMS (bars)

85 70 60 50 45 40 35

Le contact direct du cuivre (ou alliage de cuivre) et de laluminium (ou alliage daluminium) est interdit (raccord intermdiaire en fonte ou en acier). Le cuivre est naturellement peu sujet corrosion, cependant, il existe des sries spciales dsulfures qui vitent des phnomnes locaux de corrosion perforante. Il existe aussi des tubes recouverts dun film plastique, ils sont utiliss en climatisation pour le transport deau glace afin dviter loxydation sous leffet des condensats. Les tubes frigorifiques sont plus pais afin de rsister de fortes pressions et ont en outre un meilleur tat de surface. Les assemblages sont raliss par brasure avec un alliage de cuivre et dargent (embotement aprs largissement de lun des tubes, ou manchon lisse) ou par collet battu avec pice intermdiaire en laiton. Il existe galement de nombreux procds dassemblage utilisant des systmes de serrage par bagues coniques en mtal ou en Tflon (cot lev).

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2.2.3. Tubes en matire plastique synthtiqueLutilisation de ces tubes est en forte progression, les matriaux utiliss sont : Polychlorure de vinyle (PVC ou PVCU pression ) NF T 54003, NF T 54013, NF T 54014, NF T 54016, NF T 54017, NF T 54029 Polychlorure de vinyle surchlor (PVCC) NF T 54014 Polypropylne (PP) Polythylne rticul (PER) NF T 54072 Polybutne (PB) On notera que la normalisation de ce type de tubes est encore incomplte. La norme dimensionnelle est la NF T 54002. Les autres produits sont soumis aux Avis Techniques du CSTB, au Cahier des Prescriptions Techniques n15du CSTB. Ces tubes sont rpartis selon plusieurs classes : Classe 0 : utilisation en rseaux de chauffage eau chaude Basse Pression et Basse Temprature (90 en permanence, 110C en pointes accidentelles), Classe ECFS : utilisation en rseaux dEFS-ECS. En ECS, le tube doit supporter un service continu de 60 80C et des pointes 100C avec une dure de vie de 50 ans. Classe 2 : utilisation en plancher chauffant eau chaude 50C (pointes 65C). La dsignation des tubes doit prciser la matire, le diamtre extrieur et lpaisseur. Tableau 3 : Caractristiques des tubes en PERDe (mm) 10 12 16 20 25 Epaisseur (mm) 1 1 1.5 2 2.5 Di (mm) 8 10 13 16 20 Section Intrieure (mm) 50 79 133 201 314 PMA (bars)

6 bars 60 et 4 C bars 90 C

Tableau 4 : Caractristiques des tubes en PVCCTemprature ( C) 5 20 PMA (bars) 16 16 De (mm) 12 16 20 25 32 40 50 63 75 90 110 160 40 12 PN16 60 80 8 4 Di (mm) 90 100 5 20 40 2.25 0.65 25 25 20 Section Epaisseur Intrieure (mm) (mm) 1.4 1.8 2.3 2.8 3.6 4.5 5.6 7.1 PN25 60 80 16 6 Di (mm) 9.2 12.4 15.4 19.4 24.8 31 38.8 48.8 90 100 3.5 1 Section Intrieure (mm) 66 121 186 296 483 755 1182 1870

Epaisseur (mm)

2.4 3.0 3.7 4.7 5.5 6.6 8.1 11.8

27.2 34.0 42.6 53.6 64.0 76.8 93.8 136.4

581 908 1425 2256 3217 4632 6910 14612

La caractristique principale dun tube en matire plastique est sa rsistance mcanique la pression. Il existe en effet un phnomne de fluage sous leffet de la pression du fluide. Le fluage se manifeste par une dformation au cours du temps pression constante, pouvant conduire terme la rupture. Il est d'autant plus important que la temprature est leve.

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Hydraulique Master 1 - Gnie Civil et Mcanique La pression effective dans le tube et la contrainte dans le matriau sont relies par :

De e = p 2e Pour une dure de vie donne, on doit donc dterminer les couples limites temprature-PMA assurant la durabilit long terme de la canalisation. On demande habituellement une PMA temprature dutilisation dau moins 4 6 bars pour les classes 0 ou 2, et 6 10 bars pour la classe ECFS. Une autre particularit des tubes en matire plastique est leur coefficient de dilatation thermique leve (acier : 12.10-6 K-1) : PVCC : 65.10-6 K-1 PVCU : 70.10-6 K-1 PER : 140.10-6 K-1 PP : 150.10-6 K-1 Cela conduit des prcautions lors de la conception des rseaux (fixations, pose sous gaine dans les parties encastres en dalle). Tableau 5 : Utilisation des tubes en matire plastiqueMatire PVC PVCU PVCC PP PER barre PER couronne Utilisations EU, EP EF sous pression ECS, chauffage BT EFS, ECS EFS, ECS, chauffage BT, eau glace Sols chauffants

Attention, certains tubes comme le PER sont peu tanches loxygne, cela peut conduire une dissolution de loxygne dans leau et une corrosion des parties mtalliques du rseau (on rajoute parfois une couche mince daluminium de 0.5 1mm, PER-alu-PER, pour empcher la pntration doxygne. Les assemblages sont raliss par : Des pices mtalliques intermdiaires utilisant des bagues coincement conique ou un systme de sertissage avec un outil spcifique, et Des procds de soudure plastique sur plastique par fusion 260C (PP et PE essentiellement). Les raccords font lobjet dune identification selon la classe des tubes auxquels ils sont destins : 1 toile : classe 2, 2 toiles : classe ECFS, et 3 toiles : classe 0.

2.2.4. CalorifugeLe calorifugeage des canalisations transportant de leau chaude est indispensable afin dviter les pertes en lignes (traverse des zones non chauffe). Pour les petits diamtres, on utilise des lments prfabriqus (mousse souple de Noprne, mousse rigide de PVC ou de polyurthane). Pour les plus gros, on dispose de coquilles en laines minrale, en mousse de polyurthane ou en polystyrne

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Hydraulique Master 1 - Gnie Civil et Mcanique extrud. Le calorifuge est ensuite protg par un revtement plastique ou textile enduit. LE CCTG Gnie Climatique impose une conductivit thermique infrieure ou gale 0.04 W/m.K. Tableau 6 : Epaisseur minimale disolantDe (mm) < 60 70 114 139 250 > 250 Epaisseur (mm) 30 40 50 60

2.2.5. RepragePour faciliter les oprations de contrle et de maintenance, un code de reprage des canalisations en fonction de la nature du fluide transport a t tabli (NF ISO X 08100). Tableau 7 : Code couleurFluide eau potable ECS eau chauffage eau chauffage surch. vapeur BP vapeur HP fioul gaz naturel Fond (L=2De de part et d'autre) vert jaune vert jaune vert jaune vert jaune mtallis mtallis marron clair jaune orang Anneau moyen d'identification (L=2De) gris clair gris clair noir noir rouge orang vif bleu violet vif rose moyen Petit anneau d'tat (L 1.5 m ) et leur vitesse spcifique faible ( N s < 80 tr/min ) Si lon sintresse aux autres types de machines tournantes, les turbomachines hlicodes ont des proprits opposes :

< 0.3,

> 0.7,

Ds < 1 m, N s > 110 tr/min.Les turbomachines hlicocentrifuges ont des caractristiques intermdiaires.

Figure 32: Caractristiques des diffrentes turbomachines (source [3]) Ces coefficients et grandeurs fournissent donc des moyens simples didentification du type de turbomachine le plus adapt au rseau tudi. De plus ils permettent de dimensionner rapidement la solution choisie en fonction des contraintes de charge, puissance ou dbit. En revanche, il est toujours ncessaire de vrifier que les conditions dutilisation sont sres, on cherchera notamment prvenir tout risque de cavitation. Dun point de vue diffrent, connaissant par exemple la courbe manomtrique dune pompe particulire, les lois de similitude permettent de dterminer sil est plus intressant de coupler plusieurs de ces pompes ou de choisir un modle de plus grande dimensions, ou multi-tag. Ces lois permettent galement de dterminer un rgime de rotation diffrent du rgime nominal de la pompe si celui-ci nest pas adapt au rseau considr. Ces choix font intervenir des critres vidents de performance, mais aussi de cot, lachat comme lutilisation.

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6. Association pompe et rseau6.1. Slection dune pompePour tre adapte un rseau donn, une pompe, ou un ensemble de pompes, doit pouvoir fournir une hauteur manomtrique gale ou suprieure la somme des pertes de charges du circuit pour un dbit donn. On crit donc, pour un circuit ferm : H mt = J = Rq v2 . Dans le cas dun rseau ouvert, on a :

H mt = h + J +

V2 = h + R' q v2 , 2g

h reprsentant la somme des hauteurs de chute compenser. Le terme de pression dynamique doit tre prise au dbouch (section ouverte) du circuit le plus dfavoris.

6.2. Point de fonctionnementLe point de fonctionnement dune association pompe-rseau est dtermin partir des caractristiques H mt q v du rseau et de la pompe, qui sont travers par le mme dbit de fluide. On identifie donc le point vrifiant : H mt (q v ) pompe = H mt (q v ) rseau , qui est dfini comme tant le point de fonctionnement de lensemble pompe-rseau. Ce point correspond lintersection de la courbe de pompe et de la courbe caractristique du rseau.

H mtPompe

H mtrelle Rseau

P.F.

qvN qv obtenu

qv

Figure 33:Point de fonctionnement d'un ensemble pompe-rseau

6.3. Choix du couplage de pompesLe couplage de pompes pour installation dans un rseau doit permettre de maximiser le dbit ou la hauteur manomtrique. Pout un rseau ferm peu rsistant, on prfrera un couplage parallle, alors que pour un rseau ouvert on fortement rsistant le couplage srie est plus avantageux. Dans tous les cas, contrairement lassociation libre de pompes, le couplage au sein dun rseau ne fournira la somme exacte ni des dbits, ni des hauteurs manomtriques, mais fournira une valeur infrieure. Ceci est du au caractre convexe de la caractristique dun rseau.

6.4. Rglage du dbitAfin de pallier une ventuelle sous-estimation des pertes de charge dans le rseau, ou pour compenser le vieillissement des lments, la pompe choisie est en gnral surdimensionne par

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Hydraulique Master 1 - Gnie Civil et Mcanique rapport au dbit souhait dans le rseau. Il convient alors de ramener le dbit obtenu initialement celui souhait.

6.4.1. Association Vanne-RseauOn peut utiliser pour cela une vanne de rglage monte en srie ou en parallle avec le rseau. Celleci impose une perte de charge singulire ajustable, de type J vanne = Rvanne q v2 , pour une ouverture donne. Dans le cas dun montage en srie avec le rseau, la perte de charge due la pompe sajoute a celle du rseau, on choisit donc une vanne qui permet dobtenir un nouveau point de fonctionnement au dbit souhait et on a la relation:

J vanne (qv souhait ) = H mt (q v souhait ) J rseau (qv souhait )Comme q v souhait < q v PF , on a une hauteur manomtrique suprieure celle au point de fonctionnement initial et une perte de charge du rseau infrieure celle au point de fonctionnement initial. Lajout de la perte de charge due la vanne augmente donc logiquement la rsistance du rseau afin de rduire artificiellement le dbit. La puissance consomme par la pompe augmente avec le dbit, donc ladjonction dune vanne permet de rduire sensiblement la puissance consomme, malgr laugmentation de la rsistance. On peut aussi considrer que la vanne transforme la pompe en une pompe quivalente de hauteur manomtrique rduite de J vanne .

H mtPompe

Vanne+Rseau Rseau R

H mt H mt V+R PF H mt R H mtV

P.F.

Rvanne < RVanne

qvV+R qv PF

qv

Figure 34: Caractristique d'une association Vanne-Rseau en srie Dans le cas dun montage en parallle o la vanne est dans une branche additionnelle, on dit quelle bipasse le dbit superflu. On a donc galit entre la hauteur manomtrique, la perte de charge du rseau et la perte de charge de la vanne, car ces trois branches sont alors montes en parallle. Cette possibilit de passage additionnelle tend diminuer la perte de charge initiale et donc repousser la pompe vers un point de fonctionnement dbit suprieur. La puissance consomme par la pompe est donc suprieure celle au point de fonctionnement initial dans le cas dun montage de vanne en parallle.

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H mtVanne Pompe P.F. Rseau R

H mt PF H mtV//Rqv V qv R qv PF qv V//R

Rvanne > RVanne//Rseau

qv

Figure 35: Caractristique d'une association Vanne-Rseau en parallle

6.4.2. Variation de vitesse de rotation de la pompeOn peut logiquement obtenir un dbit infrieur au dbit au point de fonctionnement initial en rduisant la vitesse de rotation de la pompe, car on montr que dbit et hauteur manomtrique sont respectivement proportionnels la vitesse de rotation et son carr. La variation de vitesse de rotation dune pompe se caractrise donc par une simple dformation de sa courbe caractristique selon les axes qv et H mt , qui permet de trouver un nouveau point de fonctionnement, au dbit recherch.

H mtRseau Pompe 1

H mt PF H mt

Pompe 2

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