Calcul du diamètre d'un conduit de fumée

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Comment calculer le tirage d'un conduit de fumée ?
Formules du tirage et du dimensionnement
Tirage théorique selon la hauteur et la température des…
Explications détaillées et calcul dans Mecaflux
Questions fréquentes

Comment calculer le tirage d'un conduit de fumée ?

Le tirage naturel d'un conduit de fumée est la différence de pression créée par la différence de masse volumique entre les fumées chaudes, plus légères, et l'air extérieur plus froid : il vaut la hauteur du conduit multipliée par g et par l'écart de masse volumique. Un conduit de 10 m avec des fumées à 200 °C produit environ 45 Pa de tirage. Ce tirage doit couvrir les pertes de charge du conduit et du générateur et assurer la vitesse minimale d'éjection des fumées imposée par la réglementation ; le diamètre se déduit du débit de fumées et de cette vitesse.

Formules du tirage et du dimensionnement

Tirage théorique : ΔP_t = H × g × ( ρ_air − ρ_fumées )

ρ ≈ ρ₀ × 273273 + T Tirage disponible = ΔP_t − ΔP_{pertes de charge} D = √( 4 × Q_vπ × V )

ΔP_t : tirage théorique, en pascals (Pa) ; 1 mm de colonne d'eau = 9,81 Pa
H : hauteur du conduit entre l'entrée des fumées et le débouché, en mètres ; g = 9,81 m/s²
ρ_air, ρ_fumées : masses volumiques de l'air extérieur et des fumées à leur température moyenne dans le conduit, en kg/m³
ρ₀ : masse volumique à 0 °C (air : 1,293 kg/m³, fumées : 1,25 à 1,35 selon le combustible) ; T : température en °C
ΔP_{pertes de charge} : pertes régulières du conduit et singulières (coudes, té de raccordement, chapeau, débouché)
D : diamètre intérieur du conduit, en m ; Q_v : débit volumique de fumées à leur température, en m³/s ; V : vitesse d'éjection retenue, en m/s

Tirage théorique selon la hauteur et la température des fumées

Air extérieur à 20 °C (ρ = 1,204 kg/m³), fumées assimilées à de l'air chaud (ρ₀ = 1,293 kg/m³)
Température des fumées	ρ fumées	Tirage pour H = 5 m	H = 10 m	H = 20 m
100 °C	0,946 kg/m³	13 Pa	25 Pa	51 Pa
150 °C	0,834 kg/m³	18 Pa	36 Pa	73 Pa
200 °C	0,746 kg/m³	22 Pa	45 Pa	90 Pa
300 °C	0,616 kg/m³	29 Pa	58 Pa	115 Pa

Explications détaillées et calcul dans Mecaflux

Le logiciel mecaflux permet le calcul du tirage et des dimensions de conduit de fumée mais pour ceux qui ne disposent pas du logiciel,

voici la méthode de calcul utilisée pour l'évaluation du diamètre des conduits de fumées, du tirage de conduit et du débit de fumées, en fonction de la puissance, du type de chaudière et de son rendement. Cette methode de détérmination des diametres de conduits de fumée est basé sur le DTU qui est téléchargeable sur ce lien:

Aide au Dimensionnement de Conduits de Fumée :DTU 12/75 (P 51-701) valable uniquement en tirage naturel et pour S P inst > 75 th/h

objectifs : Dimensionnement des caractéristiques dimensionnelles des Cheminées (Hauteur, diamètre) Respect des règles relatives à la pollution et à l'environnement (teneur en SO 2 .)

Attention: Le logiciel, ainsi que la DTU detaillée plus haut, ne sont valides que pour des puissances > 75 th/h (87 KW)

Interface de calcul de conduit de fumée intégrée à mecaflux standard (détails en bas de page) Le dimensionnement de diamètre de conduit de fumée ou cheminées, doit respecter les règles relatives à la pollution, fixant une vitesse d'évacuation en fonction de la teneur en soufre, mais aussi le principe de tirage, calculable par Bernoulli , dépendant des pertes de charge régulières et pertes de charge singulières du conduit de fumées , de la hauteur de cheminée et de la différence de température entre l'entrée et la sortie de conduit d'évacuation de fumées. dimensionner conduit fumée

Logiciel valide uniquement pour des puissances > 75 th/h (87 KW)

Ce qui nous intéresse en premier lieu dans notre calcul et dimensionnement de conduit de fumées ou cheminées , c'est la vitesse minimale d'émission de fumées. La vitesse minimale devant être respectée, nous vérifierons si le système générateur et évacuation de fumée réalisent cette condition de tirage . Nous n'aborderons donc ici que les règles de vitesses minimales d'émissions que doit assurer le conduit en fonction de la teneur en soufre des fumées. Mais la réglementation des émissions de fumées dépasse largement ce cadre.

La vitesse minimale de sortie des fumées du conduit, doit être, pour la puissance nominale de la plus petite chaudière débitant seule dans le conduit, supérieure ou égale à la vitesse minimale d'émission définie ci-dessous :

Type de marche des générateurs	Puissance au brûleur [th/h]_/PCI	Teneur en soufre « x » du combustible [g/th]_/PCI
Type de marche des générateurs	Puissance au brûleur [th/h]_/PCI	< 0,10	0,10 < x < 1	1 < x < 2	2 < x
Tout ou Rien	P < 8000	2	2	5
Tout ou Rien	P > 8000	2	3	6
Continu		3	3	6
Modulée	P < 8000	4	6	9	9
Modulée	P > 8000	4	6	9	12

Marche Tout ou Rien :Le générateur fonctionne à son allure nominale ou ne fonctionne pas
Marche continue :La puissance au brûleur n'est jamais inférieure à 66 % de la puissance nominale.
Marche modulée :La puissance au brûleur peut être inférieure à 66% de la puissance nominale.

Connaissant maintenant la vitesse minimum d'évacuation de fumée nous avons besoins du débit de fumée pour connaitre la bonne dimension de conduit.

une estimation du débit de fumée (en l'absence de données constructeur chaudière) peut être calculée d'après la puissance de la chaudière ou générateur et l'excès d'air.

Pour réaliser la combustion de manière efficace, pour chaque combustible il ya un montant théorique de l'air qui doit être livré avec certains excès.

l'excès d'air peut être estimé d'après le type de générateur

Valeurs d'excès d'air moyen :

Charbon : e = 70 %
Fioul : e = 45 %
Gaz : e = 30 %
Buches bois: e = 50 %
Granules: e = 30 %

le débit de fumées sera estimé suivant la formule suivante:

Avec q_m _fumées:[kg/h], e:% excès d'air, P :Puissance au brûleur [th/h]_/PCI

Comme vous l'avez certainement noté le débit de fumées est donné ici en débit masse, pour le convertir en débit volumique nous devons connaitre la masse volumique moyenne des fumées. Une table de la masse volumique estimée des fumées en fonction de la température est fournie dans mecaflux. Mais pour ne pas vous laisser en plan si vous ne possédez pas mecaflux voici la masse volumique de la fumée a 150 °:0.9 kg/m3 et a 50 °1.1 (environs) La température est donc primordiale pour estimer la masse volumique de la fumée dans le conduit.

Cette masse volumique est aussi nécessaire pour calculer la vitesse de déplacement réelle de la fumée dans le conduit, car la norme de vitesse minimum et el débit de fumée de la chaudière ne nous disent pas si le tirage thermique du conduit fonctionnera!

Donc la température d'entrée de conduit est nécessaire pour aller plus loin. La température du fluide(fumée) est donnée par la constructeur ou par défaut par le tableau suivant:

*Rendement* de combustion hc	*Combustible*	*Excès d'air en %*
*Rendement* de combustion hc	*Combustible*	*5 %*	*15 %*	*30 %*	*45 %*	*60 %*
*96 %*	*Gaz*	95	88
	*Fioul*	*103*	95
*94 %*	*Gaz*	*142*	132	*118*	*107*	98
	*Fioul*	*156*	*142*	*127*	*115*	*105*
*92 %*	*Gaz*	*190*	*176*	*157*	*143*	*131*
	*Fioul*	*208*	*190*	*170*	*153*	*140*
*90 %*	*Gaz*	*238*	*220*	*198*	*179*	*164*
	*Fioul*	*260*	*238*	*212*	*191*	*175*
*88 %*	*Gaz*	*286*	*264*	*236*	*215*	*197*
	*Fioul*	*310*	*286*	*254*	*229*	*209*
*86 %*	*Gaz*	*332*	*308*	*275*	*250*	*230*
	*Fioul*	*362*	*332*	*297*	*268*	*244*

En fonction du rendement, du combustible et de l'excès d'air, on obtient l'écart de température entre les fumées sortie chaudière et la température extérieur.

la température extérieur est prise égale à :

. 18 °C pour les chaudières ne fonctionnant qu'en HIVER

. 30 °C pour les chaudières fonctionnant toute l'année

Exemple :

Si h_c = 94 % pour du gaz avec 15 % d'excès d'air, on obtient, pour une chaufferie fonctionnant toute l'année :

Temp = (132 - 30)

Temp= 102 °C à l'entrée de la cheminée.

la température moyenne dans le conduit est légèrement inferieure à la température d'entrée car la fumée refroidie au contact des parois du conduit. on estimera la perte de température en fonction de la longueur et du type de conduit suivant les chutes de température approximatives suivantes :

- 3 °C/ml pour les carneaux tôle
- 1,5 °C/ml pour les carneaux maçonnés
- 0,8 °C/ml pour les carneaux calorifugés

La température moyenne dans le conduit sera approximativement égale à( température d'entrée + température sortie)/2. (ceci n'est qu'une approximation car en réalité la moyenne de température évolue différemment)

Grâce à notre température moyenne nous sélectionnerons la masse volumique moyenne dans le conduit, donc nous pourrons estimer le diamètre approximatif de conduit qui réalisera la vitesse demandée par la règle de pollution en faisant :

section m²=(débit masse X masse volumique moyenne )/vitesse minimum d'évacuation de fumées.

Pour vérifier que notre système fonctionne il nous faut vérifier si le tirage thermique provoqué par la différence de masse volumique entre l'air extérieur et la masse volumique moyenne de la fumée dans le conduit réalisent le tirage.

Pour cela nous utiliserons la formule de Bernoulli qui donne la relation entre les énergies de pression statique dynamique

il en ressort que la différence de pression due à la différence de masse volumique entre l'extérieur et l'intérieur du conduit produit une différence de vitesse. cette différence de pression est la pression motrice

cette pression motrice est diminuée par la pression résistante: les pertes de charge du conduit et de la chaudière et aussi de la dépression dans le local de chaufferie(environ2.5 pascals par absence de vent)

La vitesse réelle dans le conduit peut donc être évaluée ainsi:

vitesse= racine²(((pression motrice - effet resistant)X2)/masse volumique moyenne dans le conduit)

on vérifiera donc que cette vitesse est bien supérieur a la règle de pollution.

avec Mecaflux standard:

la méthode de dimensionnement et calcul de conduit de fumées citée ci-dessus est reprise par le logiciel mecaflux dans le menu outil / conduits de fumées. Cet outil permet de vite connaitre et estimer le diamètre de conduit et sa longueur en fonction des paramètres de l'installation de chauffage.

Le logiciel mecaflux permet le calcul du diamètre de conduit de fumées en fonction des différents paramètres comme le rendement de chaudière, la teneur en soufre, la hauteur du conduit, la perte de charge, la dépression dans le local de chaufferie ou la température d'entrée dans le conduit de fumée...

Attention: Ce logiciel, ainsi que la DTU detaillée plus haut, ne sont valides que pour des puissances > a 75 th/h (87 KW)

mode calcul conduit fumées avec parametres optionnels

Questions fréquentes

Quelle vitesse de fumées faut-il respecter au débouché ?

Le DTU 12/75 (P 51-701) impose, pour les générateurs de plus de 75 th/h (87 kW), une vitesse minimale d'émission de 2 à 12 m/s selon le mode de marche de la chaudière (tout ou rien, continu, modulé), sa puissance et la teneur en soufre du combustible : le tableau détaillé figure plus bas sur cette page. Une vitesse trop faible disperse mal les polluants et favorise le refoulement.

Pourquoi un conduit de fumée refoule-t-il ?

Quand le tirage disponible est insuffisant : conduit trop court ou trop froid (fumées refroidies, conduit extérieur non isolé), pertes de charge trop fortes (coudes, section trop faible, encrassement), débouché mal placé dans une zone de surpression due au vent, ou arrivée d'air de combustion insuffisante dans le local.

Un conduit plus gros tire-t-il mieux ?

Pas forcément. Un diamètre plus grand réduit les pertes de charge, mais il abaisse la vitesse et laisse les fumées se refroidir, ce qui diminue le tirage et favorise la condensation (point de rosée des fumées de gaz vers 55 °C). Le bon diamètre est celui qui respecte la vitesse minimale d'éjection au plus petit régime de la chaudière.

Comment dimensionner le conduit de fumée de ma chaudière ?

L'outil conduit de fumées de Mecaflux Standard calcule le débit et la température des fumées à partir de la puissance, du combustible, du rendement et de l'excès d'air de votre chaudière, puis le tirage, les pertes de charge et le diamètre nécessaire pour respecter la vitesse d'émission, suivant la méthode du DTU 12/75 valable au-delà de 87 kW en tirage naturel. Pour une chaufferie à mettre en conformité ou un conduit collectif à justifier, Mecaflux réalise l'étude de votre projet, ou vous propose une formation sur le logiciel appliquée à votre propre installation.