Le mélange par injection revisité : première partie

Lorsque la « renaissance rayonnante » nord-américaine a pris racine à la fin des années 1980, presque toutes les chaudières utilisées dans les systèmes hydroniques étaient des chaudières « classiques ». Cette désignation signifie que ces chaudières ne sont pas destiné fonctionner dans des conditions susceptibles de provoquer une condensation soutenue des gaz de combustion. Des exemples de chaudières conventionnelles comprennent celles équipées d'échangeurs de chaleur à tubes d'eau en fonte, en acier ou en cuivre.

Pour les chaudières fonctionnant au gaz naturel ou au propane, la condensation des gaz de combustion commence à des températures d'entrée d'eau inférieures à environ 130 ºF. Les chaudières fonctionnant au mazout #2 à faible teneur en soufre ont des températures de point de rosée plus basses, de l'ordre de 110 ºF.

Alors, comment faire correspondre une chaudière qui a besoin de ces températures d'entrée d'eau minimales avec un panneau de plancher radiant qui pourrait n'avoir besoin que de 105 ºF d'eau d'alimentation à la charge nominale, et de températures d'eau encore plus basses en charge partielle ? La réponse est un ensemble de mixage qui fait deux des choses:

1. Il mélange l'eau à température plus élevée de la chaudière conventionnelle avec une partie de l'eau revenant du panneau radiant pour créer une température d'eau d'alimentation souhaitée pour les circuits du panneau radiant.
2. Il maintient la température de l'eau d'entrée de la chaudière suffisamment élevée pour éviter autant que possible une condensation soutenue des gaz de combustion.

Il existe au moins six configurations matérielles différentes qui peuvent répondre à ces exigences. Les configurations les plus connues impliquent des vannes 3 voies actionnées soit par des actionneurs thermostatiques, soit par des actionneurs à moteur électrique.

Les mitigeurs motorisés à 4 voies peuvent également être utilisés avec des chaudières conventionnelles ayant une faible résistance au débit (par exemple, sectionnelles en fonte). Lorsqu'il est correctement appliquéles mitigeurs motorisés à 4 voies peuvent éliminer le besoin d'un circulateur entre le mitigeur et la chaudière. Cela n'est possible avec aucun type de vanne mélangeuse à 3 voies.

Presque tous les systèmes utilisant des vannes mélangeuses à 3 ou 4 voies nécessitent que tout le débit allant au système de distribution passe par la vanne. Cette exigence dicte souvent la taille du tuyau du corps de vanne. Par exemple, une charge à basse température nécessitant 400 000 BTU/h et fonctionnant à une baisse de température de conception de 20 ºF nécessiterait un débit de 40 GPM à travers la vanne mélangeuse. Cela implique une taille minimale de port de valve de 2 pouces. Une exigence de charge de 1 000 000 Btu/h nécessiterait une vanne d'au moins 4 pouces. Ces vannes mélangeuses plus grandes sont disponibles, mais elles sont chères.

L’alternative : Mélanger un jet d’eau chaude avec un jet plus froid pour obtenir la température souhaitée ne doit pas nécessairement avoir lieu dans une valve. Elle peut avoir lieu dans un tee, un réservoir, un séparateur hydraulique ou tout autre « conteneur » où entrent deux flux et sort un flux mélangé. Le nom de ce concept est le mélange par injection.

Aussi simple que cela puisse paraître, le mélange par injection n’a pas été aussi largement compris ou appliqué dans les systèmes hydroniques que l’utilisation de vannes mélangeuses. C'est regrettable, car il a de nombreuses applications potentielles dans les systèmes hydroniques anciens et modernes.

L'une des applications « classiques » du mélange par injection concerne les systèmes dans lesquels une chaudière conventionnelle alimente un système de distribution à basse température, comme le montre la figure 1.

FIGURE 1

L'eau chaude de la boucle de la chaudière s'écoule dans le té au point A. La pompe d'injection crée un flux qui déplace une partie de cette eau chaude vers le point B, où elle est poussée dans un autre té et se mélange à l'eau plus froide revenant des émetteurs de chaleur. Un débit égal d'eau froide revient du point C au point D, où il se mélange au débit d'eau chaude restant dans la boucle de la chaudière. Ce deuxième point de mélange en D augmente la température de l'eau retournant à la chaudière. Si elle est correctement contrôlée, cette température est suffisamment élevée pour empêcher une condensation prolongée des gaz de combustion dans la chaudière.

Le système de la figure 1 utilise un circulateur hydronique standard avec un moteur à condensateur permanent (PSC), régulé par un contrôleur de vitesse variable comme dispositif de contrôle de l'injection. Plus le circulateur fonctionne vite, plus le débit d'injection au point B est élevé et plus la température d'alimentation mixte vers les émetteurs de chaleur est élevée.

Les deux paires de tés rapprochés en (A, D) et (B, C) assurent la séparation hydraulique entre la pompe d'injection à vitesse variable et les autres circulateurs du système. C'est un détail important, car il permet à la pompe d'injection de fonctionner comme si elle était dans un circuit isolé, séparé de toute influence du circulateur de la chaudière ou du ou des circulateurs de distribution.

Le contrôleur qui fait fonctionner la pompe d'injection fait varier la forme d'onde CA envoyée au moteur de la pompe. Cela permet de contrôler la vitesse depuis l'arrêt complet jusqu'à la pleine vitesse. La vitesse à un instant donné dépend des réglages du contrôleur d'injection. Il peut être configuré pour fournir une température de consigne au niveau du capteur de température d'alimentation, ou réguler la « température cible » au niveau de ce capteur en fonction d'une commande de réinitialisation extérieure.

Le contrôleur surveille également la température d'entrée de la chaudière et, si nécessaire, ralentit le débit d'injection pour maintenir cette température au niveau ou au-dessus d'un point de consigne utilisateur, comme 130 ºF pour une chaudière conventionnelle au gaz.

Soupapes d'injection

Bien que l'utilisation d'un circulateur à vitesse variable comme dispositif de contrôle de l'injection soit la forme de mélange par injection la plus courante en Amérique du Nord, ce n'est pas la seule option. Les vannes modulantes à 2 voies peuvent également servir de dispositifs de contrôle de l'injection. La vanne peut être régulée par un actionneur thermostatique non électrique ou équipée d'un moteur d'actionneur actionné par un contrôleur électronique.

La figure 2 montre comment une vanne motorisée peut être utilisée pour réguler le débit d'eau chaude d'un réservoir de stockage thermique vers un système de distribution à circulation.

FIGURE 2

Lorsqu'une vanne est utilisée comme dispositif de contrôle de l'injection, il doit y avoir un moyen de créer une pression différentielle suffisante à travers la vanne pour forcer le débit nécessaire à la traverser. Dans la figure 2, cette pression différentielle est créée par la vanne de limitation de débit. La pression au point A est supérieure à la pression au point B en raison de la chute de pression à travers la soupape de limitation de débit. La pression plus élevée en A est transférée à travers le réservoir vers le côté entrée de la soupape d'injection.

Un robinet à soupape est généralement utilisé pour la vanne de limitation de débit. Cependant, tout type de vanne d'équilibrage pourrait potentiellement être utilisé.

La soupape de limitation de débit doit être correctement réglée pour une performance optimale de la soupape d'injection. Le réglage idéal est tel que la vanne d'injection soit complètement ouverte tout en laissant passer le débit d'injection nécessaire aux conditions de charge de conception. Cela permet de « mapper » la plage complète de course de la vanne d’injection à la plage complète d’apport de chaleur nécessaire au système de distribution.

Le débit d'injection nécessaire à la charge de conception peut être calculé à l'aide de la formule 1.

Formule 1 :

Où:

fi = débit d'injection à la charge de conception (gpm)

qdesign = taux de transfert de chaleur à la charge de conception (Btu/h)

Ti = température du fluide « chaud » injecté (ºF)

Tr = température du fluide « froid » revenant du système de distribution à la charge de conception (ºF)

k = 493 pour l'eau, 477 pour 30 % de propylène glycol, 450 pour le propylène glycol

Par exemple, supposons que de l'eau « chaude » provenant de n'importe quelle source soit disponible à 125 ºF et que la température de l'eau revenant du système de distribution, à la charge de conception, est de 96 ºF. La puissance calorifique de charge nominale du système de distribution doit être de 50 000 Btu/h, et le système fonctionne avec de l’eau. Le débit d’injection requis est :

Ce débit d'injection pourrait être facilement géré par une vanne d'injection de 3/4″.

Une vanne à soupape motorisée avec un clapet à pourcentage égal convient bien comme vanne d'injection. Il en va de même pour un robinet à tournant sphérique avec un insert caractérisé. Le bouchon à pourcentage égal dans le robinet à soupape ou l'insert caractérisé dans un robinet à tournant sphérique permet au débit d'augmenter lentement à mesure que la vanne commence à s'ouvrir, et progressivement plus rapidement à mesure que la vanne continue vers sa position complètement ouverte. Cela permet un contrôle stable et précis, en particulier dans des conditions de faible charge.

Comment faire correspondre une chaudière qui a besoin de ces températures d'entrée d'eau minimales avec un panneau de plancher radiant qui pourrait n'avoir besoin que de 105 ºF d'eau d'alimentation à la charge de conception, et de températures d'eau encore plus basses en charge partielle ? La réponse est un assemblage de mixage.

Un mot d’avertissement s’impose. Lorsque le mélange par injection est utilisé avec une chaudière, la température de l'eau chaude reste relativement constante, avec peut-être une variation de 10 à 15 ºF lorsque le brûleur de la chaudière s'allume et s'éteint. Cependant, lorsque le mélange par injection est utilisé avec un réservoir de stockage thermique, la température de l’eau « chaude » injectée peut varier beaucoup plus. Plus la température de l'eau d'injection est basse, plus le débit d'injection requis pour maintenir un taux de transfert de chaleur donné est élevé. La formule 1 peut être utilisée pour étudier cet effet en utilisant différentes valeurs de (Ti). Si l'objectif est d'obtenir un transfert de chaleur de charge nominale lorsque le réservoir de stockage thermique est à sa température de fonctionnement la plus basse, assurez-vous que la vanne mélangeuse d'injection est dimensionnée pour le débit requis.2

Il existe plusieurs autres applications dans lesquelles le mélange par injection peut être utilisé. Nous y reviendrons dans la rubrique Hydronics Workshop du mois prochain.