quelques généralités sur les chaudières

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Construire sa propre chaudière est possible à condition de respecter certaines règles et de maîtriser la brasure ...
Voici un modèle complexe construit pat Paul Fonlupt.

réglementation :

Construire sa chaudière c'est bien, être en règle c'est encore mieux !
Comme vous ne construire pas une chaudière de plus de 25 litres, vous n'êtes pas obligé de la déclarer mais elle doit absolument être testée au moins au double de sa valeur de fonctionnement. Son utilisation est de votre entière responsabilité.

Une obligation cependant : signaler à la DRIRE (Direction Régionale de l'Industrie, de la Recherche et de l'Environnement) tout accident pouvant se produire.

A lire ces recommandations sur le site de la CAV :
https://www.cav-escarbille.com/chaudiere/index.htm

en partant de la chaudière pour essais, quelques "idées" ...



... quelques idées venues lors de son utilisation

réglage de la pression

Il est vrai que cette chaudière va monter très vite en pression et, parfois, vous en donner plus que souhaité, par exemple pour tester un moteur de 1 ou 2 cm3 dont on aimerait voir le rendement à 1 bar.

Dans ce cas, il faut jouer avec le brûleur : monter rapidement en pression puis diminuer le niveau de la flamme ...Voir les premiers essais dans l'album.

eau

Habitant une île volcanique, je n'ai pas de problème avec l'eau du robinet que j'utilise car elle n'est pas calcaire.
Ce n'est pas le cas dans ben des régions et il est alors conseillé d'employer de l'eau déminéralisée comme pour les fers à repasser à vapeur : le calcaire va entartrer la tuyauterie et le siège de la soupape ...d'où mauvais fonctionnement.

Je pense qu'en utilisant de l'eau de pluie ce doit être tout bon. J'en mettais bien dans ma batterie ! On peut aussi, de temps en temps mettre un produit anti-calcaire vendu pour les cafetières électriques.


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niveau

Cette chaudière n'en possède pas et il  faudra, avant chaque essai - à limiter dans le temps -  penser à l'alimenter.

Comment évaluer la consommation d'eau ?

Un truc que j'utilise encore pour cette chaudière : on dessine la chaudière en coupe et on dessine des lignes horizontales tous les 1 ou 2 mm. Réglet et calculette permettent de déterminer le volume à chaque niveau des traits.
Remplissage de la chaudière, utilisation, refroidissement ... On plonge une baguette de bois exotique (le seul qui garde la trace du niveau d'eau), et on mesure . Il suffit alors de regarder le tableau qu'on s'est composé et qui va donner en fonction de la mesure faite la consommation réalisée.

Pas très orthodoxe mais suffisamment précis pour avoir une bonne idée de la consommation..

Pour les matheux, des calculs intéressants en allant sur cette page : http://www.maths.ac-aix-marseille.fr/debart/ts/volume_integrale.html

Une remarque importante de Paul : "Pendant les essais avec un moteur déterminé, il est intéressant de noter le temps de marche en gardant un niveau minimum ; ceci pour éviter de tourner sans eau !"


on peut aussi, et encore se faciliter la vie :


remplir la chaudière à ras du trop-plein, fonctionner, laisser refroidir puis refaire le plein avec la pipette (celle qui sert aux "avionneurs" et qui est graduée) : la quantité d'eau ajoutée correspond à celle utilisée.
Petit inconvénient : on est obligé à remplir la chaudière à chaque essai et au démarrage, on a toujours beaucoup de condensats ce qui fausse la lecture ...

J'aime bien quand je m'aperçois que je n'écris pas pour rien. Ce paragraphe ajouté il y a peu n'était pas encore en ligne et Philippe n'a pas manqué de me donner sa méthode :
"Pour ma part j'utilise une méthode plus simple et sans calcul pour trouver la consommation  d'eau :
1* je remplis la chaudière jusqu'au débordement du trop plein
2* je fais l'essai et après refroidissement...
3* ... je complète le plein avec une "grosse" seringue médicale et, quand il y a à nouveau débordement, je connais aussitôt la consommation.""



"petites" considérations  sur les chaudières


C'est peut-être le moment de placer quelques considérations générales sur les chaudières car, là aussi, on sera vite amené à vouloir les concevoir en fonction de la place disponible, de l'implantation, de la cylindrée du moteur, de l'autonomie espérée, du mode de chauffage, ... Là encore, je me contente de vous livrer le fruit de mes lectures.

Mes sources principales : l'ouvrage VAPORISMES, des articles de MRB dont celui, indispensable et très complet, du n° 245 de novembre 1983 écrit par Adrien Sentz ; ainsi que quelques échanges sur les forums ou avec Paul Fonlupt .

les chaudières horizontales

Il en existe un certain nombre de types dont voici les principaux utilisés en modélisme vapeur (source MRB n° 245) :
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chaudière à tubes d'eau
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autre chaudière à tubes d'eau
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chaudière de type Scott
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chaudière à tubes de flamme
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chaudière à foyer central
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chaudière à retour de flamme



pour le plaisir ...
à voir aussi la galerie de Paul Fonlupt...

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Photo de l'Escarbille
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Revue anglaise

Mon ami Eric Gauthier, le "bon dessinateur" du site, a écrit un excellent article sur les chaudières, notamment sur les verticales que je n'ai pas évoquées. A consulter sur :
http://pagesperso-orange.fr/maquettes.ge/article/pages/page6n10.htm

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les matériaux


Pour nos petites chaudières, il est aisé d'utiliser le cuivre ou le laiton que l'on doit braser.

le tube de la chaudière:
Il doit avoir une épaisseur en rapport avec le diamètre pour diminuer les risques générés par la pression. On admet que pour une pression de moins de 3 bars, l'épaisseur doit être du diamètre :100 ; de 3 à 7 bars, il faudra 2 diamètres : 100 et de 7 à 10 bars, ce sera 3 diamètres :100.

Comme je me contente de pressions inférieures à 3 bars, des tubes dont l'épaisseur est de 1 mm conviennent très bien. Mais, problème !
Alors que le cuivre est le meilleur des conducteurs, il devient pratiquement impossible d'en trouver de cette épaisseur dans les dimensions souhaitées. Alors va pour le laiton (voir TARTAIX qui livre au cm !) dont la résistance dans le temps sera moins bonne.

Sinon, bien outillé, on peut faire comme Jean-Paul Bourdillat qui va décolleter un tube de cuivre de 2mm d'épaisseur pour le ramener à 1.2 ! (MRB n°544) : "les parois d'échange doivent être le plus mince possible." (A.S)

Je suis d'ailleurs très content de son travail puisque lors d'une rencontre à Paris, il m'a fait cadeau de la chaudière ...!

les tubes d'eau sont pour les amateurs comme moi, les plus utilisés. Ils seront obligatoire en cuivre.

Une précision de Patrick LECLERE:
"Il est interdit d'utiliser du laiton dans les appareils à vapeur sous pression. Le laiton est cassant et le zinc qui entre dans sa composition est hydrolisé, le laiton devenant poreux et fragile. Dans les faits,  pour du modélisme , une chaudière prototype fonctionnant très peu de temps, le risque est insignifiant."


remplissage de la chaudière


Quand l'eau se met à bouillir, de grosses bulles se forment et, si le niveau supérieur est trop près de la prise de vapeur, on va envoyer vers le moteur une vapeur fortement saturée d'eau.
Pour éviter cet inconvénient où le moteur ne tournera pas en s'engorgeant et où on remplira trop vite le déshuileur, 3 moyens sont utilisés :

. réglage du niveau maximum de la chaudière lors du remplissage aux 3/4
. limitation du passage de petites bulles grâce à une "grille" sous la prise de vapeur
. passage du tube d'alimentation du moteur sous la chaudière pour la sécher un peu

Petite étude avec une future chaudière dont les dimensions intérieures du tube en laiton d'épaisseur 1 mm sont de 4.8 cm pour le diamètre et 8 cm de longueur utile.
Cliquez pour agrandir l'imagePetite étude avec une future chaudière dont les dimensions intérieures du tube en laiton d'épaisseur 1 mm sont de 4.8 cm pour le diamètre et 8 cm de longueur utile.

C'est la surface d'une des faces x par la longueur qui détermine le volume.
Le niveau de remplissage devra donc se situer aux 3/4 de cette surface.
Le moyen le plus simple pour vérifier que le niveau est atteint est de placer, à bonne hauteur, une virole : l'eau débordera par cette virole une fois le remplissage terminé.

J'ai fait pas mal de bêtises dont celle-ci : placer ma virole aux 3/4 de la hauteur de la chaudière d'où ... le premier inconvénient cité plus tôt !

Comment déterminer exactement le bon emplacement de la virole, ou comment connaître h ?

La surface totale d'une face est de 18.08 cm², la surface qui doit rester libre en est le 1/4, soit 4.52 cm² qui correspondent à la moitié du remplissage au dessus de AB.
J'ai cherché des heures sur le Net comment déterminer h en connaissant l'aire du segment circulaire ... négatif ! Aussi, une solution simpliste.

Il suffit de considérer que cette surface de 4.52 cm² correspond à celle d'un rectangle de longueur 4.8 cm et de largeur (l) de 0.94 cm.
D'où on obtient une hauteur égale à :
1/2 diamètre + l + épaisseur de la chaudière, ce qui donne pour l'exemple : 2.4 + 0.94 + 0.1 = 3.34 arrondis à 3.5.

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En appliquant strictement cette cote, on sera un peu en-dessous du niveau souhaité, mais le niveau utile de la chaudière sera près de 108 cm3.
Mise en place sur le croquis d'une virole piquée à la cote.

Attention : cette quantité d'eau ne sera pas à utiliser entièrement !*

Il faut en effet qu'il en reste au fond de la chaudière , ce qu'on appelle le
"volume de garde"**, sinon, si on chauffe sans une goutte d'eau, gare aux soudures !
Un volume d'eau de 1/5 du volume utile semble correct.
Dans le cas de cette petite chaudière, on ne pourra en fait compter que sur 86 cm3 d'eau.


Cliquez pour agrandir l'imageUn peu plus précis en utilisant ce lien fourni parStan du forum Passion-Usinages: http://www.1728.com/verttank.htm

avec lequel il sera possible, en entrant ses données dans un tableau, d'obtenir immédiatement h en fonction du diamètre :

1 - introduire dans la première case (liquid level) une donnée approximative (ici, 3.5 pour commencer)
2 - dans la seconde (tank diameter), noter le diamètre intérieur du cylindre, ici 4.8
3 - dans la troisième (tank lenght), inscrire le chiffre 1 : tranche de 1 cm ou 1 m
Il suffit de faire ensuite varier la donnée 1 jusqu'à ce qu'on arrive à 75% ou le plus proche possible ; cote de 3.37
Une seconde page concerne les chaudières verticales.

Charly, sur le même forum m'a fourni un autre lien : http://debart.pagesperso-orange.fr/ts/volume_integrale.html le site de Patrice DEBART.


avec lequel on obtient
un coefficient de 0.7. En faisant D x 0.7 on obtient h =3.36, très proche finalement de mes 3.34** ...

chaudière à tubes d'eau


Comme cette chaudière pour les essais, c'est le type de chaudière qui est plébiscitée par les constructeurs débutants. Mais pourquoi cette disposition particulière des tubes avec une entrée plus haute que l'autre ?

"Pour favoriser la circulation de l'eau, les tubes doivent être inclinés sur l'horizontale, et la sortie du tube dans la chaudière doit être plus élevée que son entrée pour provoquer une circulation par thermo-siphon (eau chaude plus légère que l'eau froide). Adrien Sentz

Ainsi, on fait circuler l'eau et, ce faisant, les échanges entre gaz chauds du foyer et eau à vaporiser sont améliorés.
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même pour la toute petite chaudière de la voiturette, ce principe a été respecté



Depuis d'autres documents plus explicites on été trouvés chez Gems SUZOR qui expliquait bien mieux que moi !
. les avantages de l'ajout de tubes
    . augmentation de la surface de chauffe
    . circulation rapide de l'eau devant les parties exposées à la chaleur
. les conditions :
    . l'eau doit être prise dans la partie basse et dirigée vers une partie plus haute pour obtenir le phénomène de thermo-siphon

Pour les 4 premières chaudières les flammes seront verticales, pour la dernière elles pourront être horizontales.
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la cylindrée du moteur

Il faut la connaître avant de passer aux calculs qui suivant.
Voici un document Excel que me fait parvenir aimablement Laurent GAUDIN et qui supprime tout risque d'erreur.


calcul de la cylindrée d'u moteur

tableur : du calcul de la cylindrée aux besoins caloriques


Voici un tableur offert par Jean-Marie TRIVIDIC que l'on pourra enregistrer  :

Un document qui évite la répétition de calculs fastidieux ... la seconde feuille donne accès aux données utiles.
Documentation supplémentaire offerte par Jean-Marie :

Caractéristiques de la vapeur d'eau, et éléments de constructions des échangeurs :
http://jm.trividic.perso.sfr.fr/Modelisme_et_vapeur/Thermo_Echangeurs.pdf

Document : description des chaudières marines (« S/S France » ; pétroliers VLCC) :

http://jm.trividic.perso.sfr.fr/Modelisme_et_vapeur/Chaudieres_Marines

Aperçu d'un circuit fermé, introduction à la propulsion marine à vapeur :Le circuit monohydrique :

http://jm.trividic.perso.sfr.fr/Modelisme_et_vapeur/Circuit_monohydrique.pdf

la surface de chauffe


Cliquez pour agrandir l'imageUne formule barbare qui permet de la calculer (S) mais ...
... mais qui m'a bien ennuyé car, il me manquait toujours une donnée pour l'appliquer , notamment le nombre de tours ... Ce problème vient d''être réglé avec la fabrication d'un compte-tours simple mais efficace.

Evaporation retenue de 4 g d'eau par dm2.






Depuis, j'en ai fabriqué un autre, plus facile à mettre en oeuvre et à lecture digitale.

Construction et mode d'emploi en se rendant dans l'album : cliquez sur la photo.
Cliquez pour agrandir l'imagea et b sont des extraits de "VAPORISMES" de Pierre DUBARRY de LASSALLE, que l'on peut encore se procurer chez Steam Le Hobby.

Si on considère la formule ci-dessus et le tableau ci-contre, connaissant le nombre de tours de notre moteur à une pression donnée, on va pouvoir calculer la surface de chauffe nécessaire.

La parole à Paul :

'La surface de chauffe est toujours la même , soit toutes les surfaces qui sont soumises à la flamme directe , au rayonnement et aux gaz très chauds ...
Pour calculer la surface de chauffe , on calcule la surface de tous les tubes qui sont soumis à la chaleur . 
Pour modifier la surface de chauffe , il faudrait isoler des tubes d'eau ou de fumée mais à ce moment pourquoi les construire .

Dans les chaudières réelles, on change les pastilles des brûleurs, on modifie un peu la pression de fuel, on augmente le nombre de brûleurs, une pompe de circulation d'eau de chaudière améliore considérablement les échanges ainsi qu'une circulation forcée d'air et des récupérateur de calories pour les gaz d'échappement .





"Pour nous, on régule la pression de gaz ( ou son débit )"

Je pense aussi à un autre truc : faire des essais avec des gicleurs de différents diamètres (0.2, 0.3); cela devrait donner un déplacement plus important donc plus fiable au robinet de gaz ... Forets en commande !

Attention : pour le tableau b, il s'agit de la pression absolue, celle obtenue au niveau de la mer. Pour nos manomètres, il s'agit de la pression mano qui est supérieure de 1 : si on lit une pression de 1 sur le manomètre, la pression absolue est de 2 !
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Quant à "réguler la pression du gaz (ou son débit)", le robinet du réservoir le permet d'une façon plutôt sûre si j'en crois les premiers essais...
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Voici toute la surface qui va recevoir la chaleur (on ne compte pas le serpentin qui sert à "sécher la vapeur").
un exemple concret avec la chaudière pour essais

Cette chaudière a un tube de diamètre extérieur 63 sur 130 de long. Si on calcule la surface exposée à la chaleur, soit la moitié du tube, on obtient 12858,3 mm².
3 tubes bouilleurs de 8 de diamètre extérieur et de 100 de long donnent une surface exposée de 753.6 mm².
La surface de chauffe est donc de 13612 mm² ou 1,36 dm²


Mais, si elle convient pour la plupart des essais effectués, il n'en sera peut être pas de même pour d'autres moteurs car alors, il faudra calculer la surface de chauffe nécessaire à un fonctionnement particulier (cylindrée, nombre de tours), de la pression envisagée et du temps d'utilisation escompté ... Dans ce cas, il faut appliquer la formule notée ci-dessus !

Exemple d'un tableau à confectionner où on peut entrer ses propres données : Modifiez les données en plaçant le moteur de 3.6 cm3 tournant à 1000 tours par minute. On voit que la surface de chauffe est largement suffisante ... un peu trop même, mais cela permet de multiples essais !

calcul de la surface de chauffe

tester la chaudière


Une chaudière est une bombe emplie d'eau à très haute température. Il faut donc la tester pour voir s'il n'existe pas de problème d'étanchéité et si elle supporte la pression.
Pour être sûr de soi et ne pas représenter un danger, la tester à 2 ou 3 fois la pression d'utilisation prévue.

Cliquez pour agrandir l'imageJusqu'à ce jour, je faisais comme j'avais lu, notamment chez André Lecomte : chauffage de la chaudière à la lampe à souder.

Tous les accessoires sont démontés et on ferme leurs ouvertures, on remplit entièrement la chaudière d'eau en chassant l'air et on place un gros manomètre. Ensuite, on approche la flamme du chalumeau et ... après un bref instant, la pression monte très vite. Dès qu'on va arriver à la pression voulue, écarter la flamme, puis revenir, puis écarter, ... pendant au moins un quart d'heure.
Si une soudure est ratée, la pression ne montera pas. Par contre avec une micro-fuite la pression peut monter sans qu'on s'en aperçoive. Il fat donc tester plusieurs fois.

La seule photo qui me reste de ce type de test est celle des essais de la chaudière de la voiturette (pas prudent pour le mano !) . Là, j'avais utilisé le manomètre à monter et atteint et maintenu la pression de 4 bars (fonctionnement prévu à 1 bar pour un démarrage à 1.5 ou 2)...
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Finalement, je ne suis pas très fier quand je procède à ce genre d'essai et j'ai décidé de construire cette pompe qui me servira à tester l'étanchéité à froid grâce à cette pompe qui reste à ... construire !




Il en aura fallu du temps, mais la voici prête et fonctionnelle. Facile à construire, plan, utilisation et trucs pour l'usinage en cliquant sur la photo.

un nouveau truc

Un nouveau truc appris au cours d'une conversation avec Jean-Paul BOURDILLAT pour vérifier si la chaudière ne fuit pas, tout au moins dans un premier temps ...
Il suffit de la mettre au soleil après remplissage. La pression monte rapidement et on verra facilement si on a une fuite. De plus, elle reste maniable ... en prenant de précautions toutefois !

et un autre

qui vient de Patrick LECLERE :
"Au USA j'ai vu plusieurs modélistes qui faisaient comme quand j'étais gamin pour trouver les fuites dans les chambres à air des vélos. La chaudière est immergée dans un bac d'eau et gonflée à l'air comprimé à 1 ou 2 bars. C'est très rapide (pas de remplissage, ni de dégazage puis de séchage). Une fois toutes les fuites éliminées il passent à l'épreuve hydraulique. Il semblerait que pratiquement 100% des fuites sont éliminées par le seul essai à l'air comprimé à basse pression."
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un lien à consulter

Trouvé par Jean-Pierre DUBANT, il concerne la construction d'une bien belle chaudière et de son brûleur :

http://modelsteam.myfreeforum.org/archive/copper-boiler-scratch-build-project.o_tt_37902.html

autre documentation

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Un document que l'on peut télécharger chez Jean-Marie TRIVIDIC :

le lien suivant mène au chapitre "Chaudières" destiné aux formations Marines (BEP/Bac Pro) :
http://trividic.perso.neuf.fr/Chaudieres_marines

surchauffe par laminage de la vapeur 

Pour obtenir le maximum d'une chaudière non pourvue d'un tube de surchauffe, voici un truc vraiment intéressant et performant : le laminage de la vapeur.

Cliquer sur l'image pour accéder au fichier PDF.

le moteur, la chaudière, l'hélice, la coque ou ... l'inverse : une suite logique


Moteur construit, chaudière adéquate ... et pourquoi ne pas aller jusqu'au bout et mesurer la puissance de notre moteur.

Un exercice facilité par la construction d'un banc d'essai que l'on découvrira en allant voir l'album qui est consacré à ce petit exercice.

Chaudière OK, moteur OK ... et l'hélice si on construit un bateau, et son déplacement.
A moins qu'on ne commence par ces choix avant de construire le moteur et la chaudière !

Une démarche expliquée dans un nouvel album concernant la propulsion des bateaux.

album terminé ...

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