L'expansion-dilatation de l'eau

Sous l'effet de l'élévation de sa température l'eau d'un circuit fermé augmente de volume, il se dilate induisant une augmentation de sa pression.
Cette dilatation, expansion, doit être régulée, absorbée, sans quoi les matériels constituants l'installation hydraulique peuvent rompre et ce même si la soupape 'fait son job'.
En fonction de la puissance de l'installation, des pressions à gérer et du degré de précision souhaité, plusieurs systèmes sont utilisés.

Les divers systèmes

- Le vase d'expansion sous pression à charge d'azote constante
- Le groupe de maintien de pression à bâche ouverte
- Le groupe de maintien de pression à vessie et compresseur d'air

Le vase d'expansion sous pression à charge d'azote constante

Les vases d'expansion à charge d'azote constante sont disponibles dans pratiquement toutes les configurations, du petit domestique au moyen collectif/tertiaire avec une limite de température moyenne fixée à 70°
Sur les bâtiments de grandes hauteurs, il n'est pas souhaitable d'installer ce type de matériel, en effet en exploitation intense de pression et de température, bien souvent c'est la membrane qui se déchire ou qui avec le temps devient poreuse.

Dimentionnement vase d'expansion sous pression d'azote constante

Pour dimensionner la capacité/volume de ce matériel (Vv), il faut connaitre les élément techniques suivants:
- Va : contenance totale en eau installation (litres)
- Tv : température moyenne de fonctionnement (°C)
- Cod : coefficient de dilatation moyen de l'eau sans antigel
- Pst : pression statique de l'installation (m/ce)
- Pt : pression de tarage des soupapes (bar)
- Vd : volume dilaté (litres)
- Rs : rendement du système
- Vv : volume du vase d'expansion (litres)

Contenance de l'installation en litres (Va)
Si vous ne connaissez pas la contenance totale de l'installation, cette dernière peut être estimée en fonction du type d'émetteurs suivant le tableau ci-dessous.

Exemple : puissance exploitée 500 kW - radiateurs acier 10/kW = 500 x 10 = 5 000 litres


Coefficient de dilatation moyen de l'eau sans antigel (Cod)
La valeur de ce coefficient est donné par le tableau et la courbe ci-dessous.

La pression statique en m/ce (Pst)
La pression statique c'est la colonne d'eau de l'installation mesurée en mètres (m/ce).
C'est la hauteur de l'installation entre le point bas au niveau du raccord du vase d'expansion et le point haut de l'équipement le plus haut du circuit.

La température moyenne de fonctionnement en °C (Tv)
C'est la température moyenne du fluide caloporteur résultant des températures 'départ/retour' du circuit.
Exemple : Td 80° Tr 60° d'ou Tv = 80 + 60 / 2 = 70°

La pression de tarage de la soupape de sécurité en bar (Pt)
C'est la valeur de déclenchement de l'ouverte de la soupape de sécurité en cas de montée excessive de la pression de service.
Généralement pour les petites et moyennes puissances, il s'agit de la valeur réglée par le fabricant en standard.
Pour les installations de grandes puissances cette valeur de tarage est adaptée au conditions spécifiques d'exploitation puis l'organe de réglage est plombé.

Les calculs d'un vase d'expansion
Le volume utile d'un vase doit être égal au volume d'expansion total de l'installation à la température d'exploitation la plus élevée.
Comme seulement une partie du vase peut contenir de l'eau, on parle de volume utile.
La première étape des calculs et de déterminer le rendement du système (Rs)
Plus faible est Rs plus grand est le volume utile.

Avec ce type de matériel, c'est la pression qui varie dans le circuit, celle du vase est prédéterminée et stable, la vessie adsorbe l'excédent de pression en se déformant, quant la pression baisse, la vessie restitue l'énergie emmagasinée, en fait c'est un 'ressors'
Généralement la pression dans le vase d'expansion coté azote est réglée à 500 g au dessus de la pression statique de l'installation.

Groupe de maintien de pression à bâche ouverte

Un groupe de maintien de pression à bâche ouverte est constitué de pompes de surpression, d'un déverseur et d'une bâche de disconnexion.

Fonctionnement, régulation du système :
Lorsque la pression augmente dans le circuit (3) au delà de la valeur de tarage du déverseur (5), généralement entre 200 et 300 g au dessus de la hauteur statique de l’installation, ce dernier s'ouvre et déverse l'excédent d'eau dans la bâche (4)
Lorsque la pression baisse un pressostat (7) détecte cette valeur et enclenche en fonction du besoin, une ou les deux pompes (6) de maintien.
Ces pompes aspirent l'eau contenue dans la bâche et la refoule dans le circuit tant que le pressostat ne détecte pas le point de valeur de consigne.
S'il en est doté, un remplissage automatique par électro-vanne de bâche évite la rupture éventuelle du niveau d'eau de la bâche.

Inconvénient :
Avec ce système la bâche est ouverte à la pression atmosphérique et donc l'eau quelle contient est en contact permanent avec l'air ambiant.
De fait, l'eau par ses aller/retour entre le circuit et ladite bâche introduit de l'oxygène dans ce dernier ce qui peut induire des problèmes de corrosion si le circuit n'est pas suivi par des analyses d'eau régulières et conditionné avec les produits neutralisants nécessaires.

Avantages:
- facilité d’installation car système modulaire
- réglages limités et aisés
- disconnexion intégrée et fonction de surpression vis à vis du réseau d’alimentation 'eau de ville'
- pas de limite de puissance
- pas de limite de pression
- pression constante dans l’installation +- 0.5 bar
- remplissage automatique de la bâche possible
- choix du matériel constructif de la bâche, PPHD, PEHD, acier galvanisé, inox, etc...

Dimensionnement
S'agissant des déterminations de volume de l'installation et d'expansion, les calculs restent identiques que pour un vase à pression constante d'azote.
Devant la multitude de combinaison de matériels constituant le groupe de maintien, il convient de se rapprocher d'un fabriquant qui déterminera selon les besoins technico-financiers le bon couple surpresseur/bâche.

Ci dessous et titre indicatif, un extrait de la documentation technique des MODULES D’EXPANSION Eau chaude - Eau glacée de la Société SALMSON pour la sélection d'un groupe de maintien de pression gamme EXPANSON-H.

Groupe de maintien de pression fermé à vessie en butyle et compresseur d'air

Un groupe de maintien de pression à vessie et compresseur d'air est constitué d'un vase contenant une vessie généralement en butyle, d'un compresseur d'air et d'une électro-vanne de chasse d'air.

Fonctionnement, régulation du système :
Lorsque la pression augmente dans le circuit (3) au de la de la valeur de réglage du pressostat (7), généralement entre 200 et 300 g au dessus de la hauteur statique de l’installation, l'électro-vanne (6) s'ouvre et chasse une partie de l'air contenu dans le vase et ce jusqu'au rétablissement de la valeur attendue dans le circuit.
Lorsque la pression baisse le circuit (3), le pressostat (7) détecte cette valeur et enclenche le compresseur d'air qui compense cette baisse jusqu'au rétablissement de la valeur attendue dans.
S'il en est doté, un remplissage automatique par électro-vanne du vase évite la rupture éventuelle du volume d'eau.
Certain de ces systèmes peuvent être équipés d'un contrôle du poids d'eau contenu dans le vase et ainsi régulé plus finement, de l'ordre de ± 0,1 bar par rapport à la valeur de consigne.

Inconvéniant :
La membrane en butyle est le point faible de ce système.
Il est vivement conseillé l'installation d'une bouteille tampon entre le circuit et le vase lui même ce qui réduira:
- le contact direct entre le circuit dont une température élevée est mauvais pour la vessie
- le phénomène d'embouage en partie basse du vase par chasses régulières de la partie basse de la bouteille tampon.

Avantages:
- le circuit n'est pas oxygéné
- facilité d’installation car système monobloc ou modulaire
- réglages limités et aisés
- disconnexion intégrée et fonction de surpression vis à vis du réseau d’alimentation 'eau de ville'
- pression constante dans l’installation +- 0.1 bar
- remplissage automatique du vase possible
- mise en parallèle de plusieurs modules possible

Dimensionnement
S'agissant des déterminations de volume de l'installation et d'expansion, les calculs restent identiques que pour un vase à pression constante d'azote.
Il convient de se rapprocher d'un fabriquant qui déterminera selon les besoins technico-financiers le bon matériel.
Ci dessous et titre indicatif, un extrait de la documentation technique des MODULES D’EXPANSION Eau chaude - Eau glacée de la Société FLAMCO pour la sélection d'un groupe de maintien de pression de la gamme Flexcon M-K/U.