Les boues dans les systèmes de chauffage

Derrière ce phénomène très ordinaire qu’est l’oxydation, nous nous emploierons à décrire successivement les canaux d’entrée de ce glouton, son association avec les corps ferreux, les désordres générés, et les différentes méthodes préventives et curatives pour réduire voire supprimer ces effets.

L’oxygène présent dans l’air dispose de plusieurs moyens d’accès pour s’infiltrer dans une installation ; étudions les différentes filières suivies par notre molécule d’oxygène pour s’introduire dans une installation de génie climatique ou un réseau industriel. Nous en avons identifié six :

• Une mauvaise étanchéité des raccords, qui restent poreux à l’air bien qu’étanches à l’eau. On ne peut que constater une baisse de la qualité sur les raccords du fait d’une pureté du métal médiocre et d’une épaisseur qui décroît d’année en année, économie oblige.

• Les matériaux de synthèse qui, sans « barrière anti oxygène » sont poreux à l’air. La densité de ces matériaux et leur micro structure souvent alvéolaire favorise les entrées parasites, principalement dues à des pressions différentielles favorables à la pénétration de l’air. Cette porosité, fréquente il y a encore quelques années, a été supprimée par une génération de tubes qui intègrent désormais souvent une fine couche d’aluminium en leur sein, afin de bloquer ce phénomène.

• Le remplissage de l’installation au travers de l’oxygène dissous dans l’eau. L’oxygène (comme le gaz carbonique), présent naturellement dans l’eau va se libérer sous l’effet de la chaleur ; la loi de Henry décrit que la solubilité d’un gaz diminue avec la température.

Par exemple sous 2 bars et à la température de 20 °C, 1 m³ d’eau retient 35 litres d’air ; si ce volume d’eau est chauffé à 80 °C sous cette même pression, l’eau ne peut contenir que 17 litres d’air ; l’eau aura donc libéré 35 – 17 = 18 litres d’air.

Ce même remplissage peut créer des poches d’air s’il est réalisé trop vite ; l’air alors emprisonné se dissoudra progressivement dans l’eau par effet d’augmentation de pression.

• La présence de calcaire dans l’eau de remplissage qui favorise les dépôts.

Il faut savoir que le dépôt de 1 mm de tartre entraîne environ 7 % de consommation éner-

De fréquentes variations de pression provoquées par un vase d’expansion sous-dimensionné, défectueux, ou mal gonflé, qui vont entraîner :

• - des rejets d’eau par la soupape de sécurité,
• - des aspirations d’air,
• - des appoints d’eau pour compenser les pertes, qui introduiront automatiquement une certaine quantité d’air dissous.

Sur les surfaces de séparation en contact avec un point « chaud », des microbulles se rassemblent. Par exemple, contre une chambre de combustion dont la paroi est à température élevée, les microbulles ont une tendance naturelle à se rassembler.

Le phénomène d’oxydation

La présence d’oxygène en milieu humide génère une réaction d’oxydoréduction des parties métalliques (couramment appelée corrosion). Ces oxydes métalliques vont eux-mêmes s’accumuler en certains points de l’installation et s’agglomérer pour former des « boues ferromagnétiques ». Ces boues vont alors stagner en particulier dans les corps de chauffe et, de fait, réduire l’irrigation de la portion embouée. Ceci conduira inéluctablement à des contraintes thermiques pouvant provoquer des fissures ; citons entre autres :

Les foyers de chaudière

Situés dans les émetteurs comme par exemple les radiateurs, la puissance sera diminuée, et la surface « chaude » sera progressivement réduite.

Les radiateurs

Les désordres occasionnés

Au-delà des phénomènes de corrosion exposés ci-dessus, d’autres effets collatéraux peuvent se présenter et agir de manière nuisible sur l’installation.

• Le bruit

Les poches d’air accumulées dans l’installation vont jouer le rôle de caisse de résonance et provoquer des « glou-glou ». Ces sons, si désagréables en pleine nuit par leur faible discrétion, ont la vertu de prévenir de la présence d’air. Au-delà des tuyauteries, ce phénomène, lorsqu’il est localisé dans les aubes d’une pompe, peut engendrer des destructions totales de la roue par l’implosion successive des microbulles.

• La chute de performance des échanges thermiques

Merveilleux isolant, l’air emprisonné dans les conduites va diminuer les surfaces d’échanges, faire chuter les performances et contribuer à l’inconfort des occupants.

• Le coût d’exploitation de l’installation

L’amalgame des particules générées par l’oxydation va créer une épaisseur contre les parois des tuyauteries, qui créera une résistance additionnelle de la paroi, réduisant ainsi l’efficacité thermique du système. Par ailleurs, l’effet secondaire induit sera que les occupants demanderont plus de température pour un niveau de confort attendu identique.

Les méthodes préventives et curatives

Rappel sur les réglementations en vigueur

Les installations concernées doivent respecter :

• - l’article 39 du décret n° 2001-1220 du 20 décembre 2002 relatif aux eaux destinées à la consommation humaine, à l’exclusion des eaux minérales ;
• - la circulaire du 26 avril 1982 et la circulaire du 2 mars 1987 rappellent la liste des additifs pouvant être introduits dans les circuits de chauffage utilisés dans les traitements thermiques des eaux destinées à la consommation humaine pour les échangeurs simple échange.

Approche préventive

Avant toute chose, dès la conception d’une installation, il convient de respecter les règles de l’art afin d’éviter certains pièges à air, et sélectionner correctement les organes en charge de leur élimination.

• • Purgeur de qualité en point haut monté avec une vanne manuelle (les purgeurs doivent être adaptés au volume d’eau à purger et à la vitesse d’élimination de l’air souhaitée) ;
• • absence de contre-pente sur les réseaux horizontaux ;
• • pas de piquage en attente en position haute ;
• • vase d’expansion correctement dimensionné.

Rappel de calcul d’un volume d’expansion

Lors de la mise en service, il convient également de veiller à des procédures adéquates.

• • Remplissage lent des réseaux sans montée en pression ;
• • Vanne ouverte en position haute jusqu'à apparition de l'eau ;
• • Pression statique de l'installation légèrement supérieure à la dépression en entrée de pompe (NPSH) ;
• • Suivi des remplissages afin d'une part de soigner les fuites, et d'autre part de supprimer les entrées d'eau et donc d'air dans l'installation.

Le volume d'expansion est donné par la formule :

Ve = Vi × (Cdm – Cdr)

où

Ve = volume d’expansion, en litre
Vi = volume d'eau de l'installation à la température de remplissage, en litre
Cdm = coefficient de dilatation de l'eau à la température maxi dans l'installation
Cdr = coefficient de dilatation de l'eau à la température de remplissage de l'installation

Cette approche nécessite que les dimensions du pot soient correctement calculées, que le pot soit correctement situé (et accessible) et qu'il soit régulièrement nettoyé...

Considérant que ces trois postulats sont respectés (statistiquement rare), il subsiste néanmoins une réserve de taille… Que deviennent les particules légères en suspension ?

Nous rencontrons nombre d’installations anciennes équipées, jamais nettoyées, qui figurent tout au plus la bonne conscience lors de l’exécution des travaux… mais qui n’ont pas permis d’éviter l'ensemble des désordres occasionnés par les boues de chauffage.

Tableau : Paramètres de dilatation à partir d’une eau à 4 °C (3,98 °C précisément) et sans antigel

Mais la vigilance doit nous guider pour ne pas confondre les règles de l'art avec les « us et coutumes ».

Efficacité du pot de décantation

Son principe de fonctionnement repose sur l'effet gravitaire : plus la particule en suspension est lourde, plus elle tendra à descendre en bas du pot, sous réserve que la vitesse à l'intérieur du pot soit très faible.

Suivi technique d’une approche préventive

Le CSTB nous rappelle que le contrôle doit faire l'objet d'une fiche de suivi, comptabilisée et archivée (document écrit) qui devra mentionner les indications suivantes :

• - le relevé du compteur d'eau d’appoint,
• - la teneur en fer total,
• - la teneur en cuivre.

Il est hélas fréquent que la réalité du terrain soit très éloignée de cette préconisation de bon sens. Ceci conduira donc à se préoccuper de corriger les désordres après coup, ce qui est toujours plus difficile et coûteux que de s’en préoccuper au départ !

Approche curative

Préalable 1

Prendre en charge la globalité d'une installation est plus efficace que de la traiter partiellement. Cette règle de bon sens semble avoir été oubliée de bon nombre d’intervenants.

Préalable 2

Assurer ou faire assurer un service complet et régulier de maintenance est plus garant d'une meilleure efficacité qu'une action « coup de poing ».

Préalable 3

Un système dit curatif peut être de fait assimilé à une approche préventive lorsqu'il est installé sur une installation neuve.

Les séparateurs d'air

Ils servent à éliminer en continu l’air contenu dans les circuits hydrauliques d’une installation. Souvent, la partie active est formée par un ensemble de surfaces réticulaires disposées en rayon. Ces éléments créent un tourbillon qui favorisent la libération des micro-bulles et leur adhérence sur ces surfaces. Les bulles, qui se fondent entre elles, augmentent alors de volume jusqu'à ce que la poussée hydrostatique soit en mesure de vaincre la force d’adhérence à la structure. Elles peuvent alors s'élever par le purgeur d’air automatique à flotteur.

Les solutions par centrifugation

Ces systèmes basés sur la technique du Vortex sont constitués d’un pot dans lequel est monté un système de canalisation tangentielle du flux qui permettra, tel l'essoreuse à salade, de projeter sur la périphérie du pot les particules lourdes en suspension.

Cette solution simple présente deux inconvénients majeurs :

• - Efficacité limitée uniquement aux particules lourdes ;
• - Nettoyage par vidange qui nécessitera un appoint d’eau complémentaire et donc d’air.

Les filtres magnétiques

Qu'est-ce qu'un champ magnétique ?

Pour comprendre la notion de champ, prenons l'exemple d'un feu de camp. À proximité du feu, chacun peut ressentir la chaleur dégagée mais ne la voit pas. En s'éloignant progressivement du feu, on perçoit de moins en moins la chaleur. Il s'agit ici d'un champ thermique. C'est exactement la même chose pour les champs électriques et magnétiques : l'intensité du champ est grande à proximité de la source et diminue rapidement lorsque l'on s'en écarte.

L'unité de l'induction magnétique est le Tesla (T). Toutefois les inductions magnétiques que nous mesurons habituellement sont de l'ordre du microtesla (µT) soit un millionième de Tesla. Une autre unité parfois utilisée est le Gauss (G). Un Gauss équivaut à 100 microteslas.

En résumé, le principe de base des systèmes de « filtre magnétique » est architecturé sur le concept de l'aimant qui attire les particules magnétiques proches ;

Nous retrouvons alors les deux critères prépondérants qui agiront sur la réelle efficacité du piège magnétique :

• - La direction des lignes de champ ;
• - La puissance d'un aimant.

La direction des lignes de champ

Lorsque l’on met deux aimants en présence, on s'aperçoit qu'ils s'attirent, et que plus particulièrement, leurs pôles de types différents s'attirent, alors que les pôles de même type se repoussent.

Les aimants créent autour d'eux ce qu'on appelle un « champ magnétique » qui ne se définit que par les effets qu'il a, en réalité.

En fait, les aimants cherchent à s'orienter dans le sens du champ : on prend un premier aimant qui crée un champ magnétique.

On place un second à une distance fixée, en lui permettant cependant de tourner sur lui-même.

Il va s'orienter de telle manière que son pôle nord soit le plus près possible du pôle sud du premier aimant, c'est-à-dire se mettre dans le sens du champ créé par le premier aimant.

Ici, on a représenté un gros aimant et deux de ce qu'on appelle ses « lignes de champ ». On voit que les deux petits aimants ont tendance à s'orienter selon ces lignes de champ. Ce qui revient à dire que leur pôle sud pointe vers le pôle nord du gros aimant. Dire que les aimants ont tendance à s'orienter selon les lignes de champ, c'est la même chose que dire que les pôles opposés s'attirent.

De plus, ils cherchent les zones de champ magnétique les plus fortes. Or plus on s'approche d'un aimant, plus le champ magnétique est fort. Donc les aimants ont tendance à s'attirer, et à se coller s'ils peuvent.

Là, on a deux aimants identiques collés, parce que les zones de champ fort se trouvent tout près de l'autre aimant. Ils cherchent à être le plus près possible de l'autre. Les aimants sont attirés par une zone de champ fort, c'est la même chose que dire que les aimants s'attirent.

En fait, ils se transforment alors en un gros aimant. C’est-à-dire que si l'on dessinait les lignes de champ des deux aimants réunis, ce seraient les lignes de champ d'un seul gros aimant. En fait, on peut faire le processus inverse : diviser les aimants en deux autant de fois qu'on veut. On finirait par aboutir aux atomes, qui se comportent comme des petits aimants.

C'est ce qui explique le comportement des aimants.

On en connaît tous une application célèbre : la boussole. La Terre produit un champ magnétique, comme un aimant : son pôle sud magnétique correspond à peu près au pôle nord géographique (le vrai), et inversement. Donc si vous prenez un aimant assez léger et que vous le laissez s'orienter comme il veut, il va s'orienter selon les lignes de champ créées par la Terre, donc suivant l'axe nord-sud. Son pôle sud va pointer vers le pôle nord, son pôle nord vers le pôle sud. Pratique pour se repérer en toute occasion ! En fait, on a même appelé pôle Nord des aimants celui qui indiquait le nord géographique approximativement.

Dans notre problématique consistant à piéger les résidus d’oxydation en suspension ou agglutinés dans les tuyauteries, cette propriété physique est largement utilisée sous différents modes.

Approche par barreaux magnétiques (appelés également « bougies » magnétiques)

Principe

À l'intérieur d’un volume permettant de ralentir la vitesse du fluide, à l'identique d'un pot de décantation (v < 0,1 m/s), il est placé un ou plusieurs barreaux constitués d'un empi-

Cage d’aimants permanents ; Ceux-ci captent les particules ferromagnétiques circulant à proximité ;

En complément, les fabricants proposent des systèmes de poche filtrante ou « chaussette » permettant de filtrer les particules d'une dimension souvent supérieure à 0,1 micron.

Limites de la solution

• ✓ Le débit filtré est dans la grande majorité des cas partiel, ce qui induit une efficacité très limitée de la solution. En effet, ces appareils sont, dans la majorité du temps, installés en dérivation du réseau principal.
• ✓ Si nous nous référons aux parcours des lignes de champ décrit ci-dessus, nous constatons immédiatement que dès que les particules magnétisables seront éloignées du ou des barreaux, aucune captation ne se produira. Ceci est d’autant plus dommageable que la puissance des aimants mis en jeu étant relativement faible, un éloignement de quelques millimètres suffit à estomper le rayonnement émis.
• ✓ Dans les produits multi-barreaux, l’éloignement des différents barreaux génère de larges passages entre chacun d’entre eux, dans lesquels le rayonnement magnétique ne permet pas ou très peu de piéger les particules en circulation.

Solution par piège magnétique

L’approche est en apparence assez semblable mais la technique utilisée comble en fait totalement les limites du système à barreaux présenté ci-dessus :

Principe

À l’intérieur d’un volume, un chicanage est disposé afin de ralentir la vitesse du fluide et de le diriger dans différents « canaux » de circulation. À l’intérieur de ces chemins préférentiels sont disposés de gros (diamètres) aimants permanents, également appelés tors, qui génèrent des lignes de champs croisées. Avant de sortir de ce filtre, le flux traverse un filtre à mailles fines (200 mailles/cm²) qui complète la filtration magnétique.

Avantages comparatifs avec la solution précédente

• ✓ Dans ce cas, le produit est conçu pour traiter la globalité du débit, afin d’assurer une efficacité maximale à la fois préventive et curative.
• ✓ Le piège magnétique est total car aucune particule ne peut éviter la « toile d'araignée » tissée par le croisement des différentes lignes de champ.

Les traitements chimiques

Le CSTB nous rappelle les règles d'utilisation et de conditionnement de ces produits :

A – Conditionnement

• Le nom de produit ;
• La raison sociale de la société titulaire de l'avis technique ;
• Le numéro de lot du produit ;
• La mention « le produit xxxx entre dans la mise en œuvre du procédé yyyyy faisant l’objet de l'avis technique n° aa/aa-aa » ;
• S’il y a lieu, la dilution du produit ;
• La date limite d'utilisation ;
• S’il y a lieu, le marquage de sécurité.

B – Poste de traitement

• La raison sociale de la société applicative de l'avis technique ;
• Le nom du procédé ;
• Le numéro de l'avis technique ;
• La date de mise en service.

C – Le suivi technique

Sauf dispositions contraires, le traitement curatif a une durée maximale de 12 mois et impose au minimum un contrôle par mois durant les trois premiers mois du désembouage.

• Ce contrôle doit faire l'objet d'une fiche de suivi comptabilisée et archivée (document écrit) mentionnant les indications suivantes :
  • o Le relevé du compteur d’eau d’appoint ;
  • o Le pH exprimé en unités pH ;
  • o Des informations diverses ;

La périodicité des visites doit être stipulée dans l'avis technique.

D – Efficacité et effets secondaires

Stabilisateur de pH, floculants et autres produits additifs semblent reconnus pour leur efficacité à éviter les précipitations de boues. L’inconvénient principal de cette méthode est l’addiction de l’installation à ces produits de traitement qui va générer un coût économique récurrent très significatif. Il est par ailleurs intéressant de constater que les « majors » de la distribution de l'eau sont propriétaires de société de produits de traitements, ce qui favorise grandement leur promotion.

Conclusion

« Il vaut mieux prévenir que guérir » doit être la première précaution d’un concepteur ou d'un maître d’ouvrage.

Au-delà, il devra veiller, lors de la réception de son installation, à vérifier les conditions d'utilisation et s’assurer d'un suivi rigoureux de la globalité de son installation, si possible, sans mettre en place chez son fournisseur une rente de situation…