Conduit de fumée pour chaufferie : calcul de la hauteur et de la section selon les normes techniques

La fonction principale d'une cheminée de chaufferie est d'évacuer les gaz de combustion des chaudières dans l'atmosphère et de les disperser. Elle a également une fonction supplémentaire : créer un tirage naturel, résultant de la différence de température entre le foyer et l'extérieur.

Nous allons vous présenter les différents types de conduits de cheminée, classés selon leurs caractéristiques structurelles et le matériau des tubes. Vous apprendrez ici comment calculer les paramètres géométriques sur un exemple concret. Nos conseils vous aideront à choisir le type et les dimensions de votre conduit de cheminée.

Types de cheminées

Dans les grandes chaufferies, le tirage naturel ne peut pas assurer une combustion complète ; il est alors créé de force à l'aide de ventilateurs d'extraction. Le processus de combustion et l'évacuation de ses produits dans l'atmosphère doivent causer le moins de dommages possible à l'environnement et ne pas provoquer de situations d'urgence dues à une pression excessive dans les foyers.

Structurellement, les tubes pour chaudières diffèrent beaucoup les uns des autres, tant par le type de structure porteuse que par le matériau de fabrication. Selon le premier critère, on distingue plusieurs types de tubes.

Tubes autoportants pour chaufferies

Ces structures verticales peuvent être à un ou plusieurs conduits. Elles évacuent les produits de combustion des chaufferies et des chaudières.

On les utilise quel que soit le type de combustible, mais à condition de respecter certaines exigences :

1. La température des gaz de combustion traversant les cheminées autoportantes ne doit pas dépasser 350 degrés Celsius.
2. Les produits de combustion ne doivent pas être chimiquement agressifs.
3. La charge de neige optimale pour les structures autoportantes est de 250 kg par cm², la charge de vent est de 30 kg par cm² dans les conditions de la zone de vent II.

On installe le tube autoportant sur le toit et on le fixe à l'intérieur du bâtiment. Ses caractéristiques structurelles permettent le transport et le montage sur place, car il est composé de sections individuelles qui sont des tubes sandwich à trois couches. La structure est fixée aux fondations à l'aide d'ancrages.

À l'intérieur de la cheminée se trouve une couche en acier résistant, insensible aux substances dégagées lors de la combustion. La couche extérieure protège contre les intempéries.

Les cheminées pour les grandes chaufferies sont le plus souvent autoportantes. Il s'agit d'une structure construite selon un projet individuel et dotée de sa propre infrastructure.

Les paramètres des structures de cheminée doivent être conformes aux exigences des documents normatifs. Leur calcul repose sur des facteurs tels que le nombre de chaudières, la puissance, le type de combustible. Les normes d'émissions dans l'atmosphère doivent obligatoirement être prises en compte. Dans certains cas, les cheminées sont équipées d'une plateforme, d'une échelle, d'une trappe d'inspection et d'un balisage lumineux.

Structures de cheminées à colonnes

Ce type de cheminée se compose d'une enveloppe extérieure en acier à haute teneur en carbone et de conduits intérieurs en acier inoxydable de différents diamètres insérés dans celle-ci pour évacuer les gaz. On fixe la structure dans un panier d'ancrage noyé dans les fondations. Il peut y en avoir un ou plusieurs. Pour éviter la condensation à l'intérieur, on utilise une isolation thermique.

Partie d'une cheminée à colonnes. Ici, en coupe, on voit qu'à l'intérieur sont placés plusieurs conduits de différents diamètres en acier inoxydable.

L'avantage de cette solution constructive est une longue durée de vie opérationnelle et la possibilité de raccorder plusieurs chaudières. L'épaisseur et la nuance d'acier sont choisies en fonction de la température et de l'agressivité des produits de combustion.

Le diamètre de chaque conduit peut atteindre un mètre et demi, et si un conduit commun est prévu pour plusieurs chaudières, un diamètre d'environ 3 mètres est nécessaire. Pour éviter la formation de condensation, les conduits sont recouverts d'isolation thermique.

Particularités des conduits de cheminée adossés et en façade

Les cheminées adjacentes à la façade sont installées pour les chaufferies attenantes à la maison ou intégrées. Elles sont fixées au mur du bâtiment à l'aide de consoles. Les composants de la cheminée sont les conduits et le cadre ou les fixations d'ancrage.

Le conduit comporte 3 couches : à l'intérieur, de l'acier inoxydable, puis une isolation thermique et de l'acier galvanisé. Les tuyaux sont destinés aux chaufferies où les chaudières fonctionnent au gaz ou au combustible liquide.

Le plus souvent, les tuyaux de façade sont placés le long du mur extérieur du bâtiment. Lors du choix de la nuance d'acier et de l'épaisseur de la paroi du tuyau, on tient compte de la composition chimique des gaz évacués et de leur température.

Les tuyaux adjacents à la façade et les tuyaux de façade transmettent la charge pondérale via une fondation inférieure supplémentaire et la charge du vent via des fixations antivibratoires. Ce type de conduit de fumée est le plus économique en termes de coûts matériels en raison de l'absence de structures porteuses et de fondations solides.

Le système modulaire utilisé pour la création des conduits d'évacuation des gaz permet un remplacement facile des pièces endommagées.

Tubes en treillis

Cette structure métallique est constituée de tuyaux fixés sur une colonne autoportante solide de type treillis. Le treillis est à son tour fixé dans un panier d'ancrage scellé dans la fondation. Les cheminées de type treillis conviennent à une utilisation dans les régions à situation sismologique dangereuse.

La structure de type treillis comprend de 1 à 6 conduits. La colonne est fabriquée à partir de tubes laminés. Le tube profilé peut avoir une section carrée ou triangulaire. Cela dépend du nombre de conduits.

Pour prévenir la corrosion, les conduits d'évacuation des gaz sont recouverts d'un apprêt, puis peints.

Le conduit d'évacuation des gaz est composé de modules constitués de 3 couches :

• une couche interne, en contact direct avec les produits de combustion et réalisée en acier inoxydable de qualités spéciales ;
• une couche de 5 à 6 cm d'épaisseur, faisant office d'isolation thermique ;
• une couche externe, protégeant la couche d'isolation thermique des effets négatifs de l'environnement.

Pour le revêtement anticorrosion, on utilise des peintures contenant un pourcentage élevé de zinc. Dans certaines structures, des échelles et des plates-formes peuvent être présentes à l'intérieur de la colonne pour faciliter l'entretien. Les éléments structurels des tuyaux de ce type sont relativement légers, ce qui facilite à la fois leur transport et les travaux d'installation.

Tubes de cheminée à mât

L'élément central du tuyau à mât est une tour de support - à trois ou quatre mâts, à laquelle les cheminées sont attachées. Tous les nœuds de la structure sont assemblés sur une base en forme de coussin en béton, en commençant par le bas et en progressant progressivement vers le haut. Pour l'assemblage, on utilise une liaison rivetée ou des vis autotaraudeuses.

La structure de support du tuyau à mât est assmblée à partr de profiés en acier reliés entre eux par des entretoises et des cornières. Par sa base, la colonne re pose sur la fondation et est fixée par des ancrages.

En général, les élémints indviduels sont transportés sur le site d'instalation et assmblés comme un jeu de constuction. Ce procéssus ne prend que peu de temps – queques heurs. La hautur du conduit de fumée peut atendre 28,5 m maximum. La stabilité du conduit est assurée par des nervures de rigidifiation – des haubans en acier d'une section de 1,6 à 2 cm. Il compénsent l'acton des forces transvesles.

Matériaux pour la construction des conduits de chaufferie

Les systèmes d'évacuation des fumées sont construits à partir de différents matériaux – brique, acier, céramique, polymère. Le conduit de cheminée en brique, construit au-dessus des poêles et cheminées en brique, se distingue par une bonne résistance mécanique, une excellente capacité thermique et un degré relativement élevé de sécurité incendie.

Ces constuctions préséntent également de nOmbreux invénients, c'st pourqoi dans la constuction modrne, les conduits de fumée entièrement en briqe se font de plus en plus rares. Les documnts normatifs limtent la hautur des tuyaux en briqe à 30-70 m et le diamètre à 0,6-8 m.

Sur les parois d'un tuyau en briqe avec de nObreux sailies et creux à l'intéieur, se dépose toujours beuacoup de condnsat, de suie contnant des oydes de soufre. Ces dérnies, en réaissant avec l'eau, forment des acids qui détrusent activement la briqe.

Les irrégularités de surface, le rétrécissement du passage dû à l'accumulation progressive d'une couche de suie, entraînent une diminution de la vitesse de passage de la fumée et un renversement du tirage dans le conduit d'évacuation des fumées.

Les conduits de cheminée en céramique sont plus résistants au condensat et aux influences extérieures, ils ont une grande résistance au feu. Mais ce système a un poids important car il contient des tiges métalliques qui lui confèrent une résistance supplémentaire. D'où les exigences concernant la construction obligatoire d'une fondation séparée et de supports, ce qui augmente la complexité et le coût de l'installation.

Les tubes d'évacuation des fumées en polymère sont appropriés dans les chaufferies avec une température maximale de 250 degrés Celsius, lors du montage de chauffe-eau à gaz. Ils sont légers, flexibles et durables, mais ne conviennent que pour les équipements à gaz.

Le dispositif d'évacuation des fumées en acier inoxydable est un assemblage composé d'éléments individuels de conduit de fumée reliés entre eux à l'aide de pièces de forme : tés, manchons, déflecteurs, tés, coudes. Les conduits de fumée en acier équipent principalement les chaudières à gaz.

L'installaton d'un tl conduit de fumée peut être effectuée même après la constuction du bâtimnt en un cout délai. Il existe une grnd gamme de pièces de connexton, donc on peut donnr n'importe quel confguraton au tuyau.

La cheminée modulaire peut être démontée et déplacée à un autre endroit sans difficulté particulière. Les avantages de la construction sont également son faible poids, ce qui permet de se passer de fondation, sa résistance à l'humidité, le faible dépôt de suie sur les parois intérieures et la vitesse élevée de passage des gaz de combustion.

Les normes sanitaires et techniques autorisent l'utilisation de tuyaux en acier pour la construction de cheminées de plus de 30 m de haut, une exception n'est possible que lorsque moins de 5 tonnes de combustible à haute teneur en cendres sont consommées par jour. La raison en est que la durée de vie de ces structures est de 10 ans, et si du combustible à haute teneur en soufre est utilisé, elle est considérablement réduite.

Parmi les variétés dont le corps est en alliage d'acier figurent les cheminées coaxiales, dont nous vous recommandons de vous familiariser avec les spécificités de construction et les caractéristiques d'exploitation.

Calcul des paramètres du tube

Pour déterminer la hauteur et le diamètre d'une cheminée de chaufferie, il est nécessaire d'effectuer un calcul aérodynamique de la structure. Le diamètre dépend de la puissance des chaudières individuelles ou de l'ensemble de la chaufferie.

Le tirage a une influence énorme sur la combustion du combustible et l'évacuation efficace de la fumée, pour lequel un apport constant d'air dans le foyer est nécessaire. Ceci est assuré à la fois par des moyens naturels et artificiels.

Si un extracteur de fumée est intégré au système, la hauteur de la cheminée n'a pas d'importance décisive. Ce paramètre est important principalement pour la prise en compte des émissions nocives dans l'atmosphère. Pour déterminer le tirage naturel, un calcul obligatoire de la hauteur et de la section de la cheminée est nécessaire.

Détermination de la hauteur du tube en tirage naturel

Pour créer un tirage naturel normal, il est nécessaire de respecter la condition d'égalité de la force de tirage et de la résistance totale qui se produit lors du déplacement des gaz de combustion à travers les canaux de gaz de la chaudière et le conduit de la cheminée. Un tel tirage peut être assuré à condition d'une faible résistance au gaz, lorsque la hauteur de la cheminée ne dépasse pas 60 m.

Ce schéma simplifiera le processus de calcul des principaux paramètres de la cheminée pour l'évacuation des produits de combustion de tout combustible dans les foyers de la chaufferie.

Les documents normatifs régissant l'emplacement et le calcul des cheminées en hauteur sont le SNiP 41-01-2003 et le SP 7.13130.2009.

Il faut également tenir compte des recommandations figurant dans le mode d'emploi de la chaudière, notamment les exigences suivantes :

1. La distance entre les grilles et le point supérieur de la cheminée ne doit pas être inférieure à 5 m.
2. Au-dessus d'un toit plat sans garde-corps haut, la cheminée doit s'élever d'au moins 0,5 m.
3. Par rapport à la hauteur du garde-corps et du faîte du toit, la cheminée doit dépasser leur niveau de 0,5 m si elle se trouve à moins d'un mètre et demi de ces structures.
4. Lorsque la cheminée est éloignée du parapet et du faîte d'une distance de 1,5 à 3 m, son point supérieur doit coïncider avec leur niveau en hauteur.

Si la hauteur de la cheminée est mal calculée, de nombreux problèmes peuvent survenir, le principal étant les turbulences de l'air ou la zone de refoulement du vent. Le feu dans le foyer peut être éteint par de fortes rafales de vent.

Lors de l'installation d'une cheminée, il faut tenir compte de la structure de la toiture, de l'épaisseur du complexe de toiture, de la distance aux éléments de protection et au faîtage, ainsi que des règles de sécurité incendie (+)

Le respect des règles de sécurité incendie est également une condition obligatoire lors de la conception d'une cheminée de chaufferie. Il est nécessaire d'isoler les structures adjacentes à la cheminée.

Afin d'éviter que les étincelles provenant des ouvertures de ventilation de la cheminée n'atteignent la toiture si celle-ci est en matériau combustible, la hauteur de la structure est augmentée de 0,5 m. La cheminée de la chaufferie doit être éloignée des constructions élevées et des arbres d'au moins 2 m.

La hauteur de la cheminée est déterminée en fonction de la structure du toit. Si la toiture est à plusieurs niveaux, les différences de hauteur sont prises en compte dans le calcul, mais la base reste dans tous les cas la hauteur du faîtage (+)

Le tirage optimal étant créé par la différence entre la densité totale des gaz s'échappant par la cheminée et la colonne d'air extérieur de même hauteur, le calcul s'effectue selon la formule :

La hauteur du conduit de fumée peut être calculée indépendamment à l'aide de cette formule. Toutes les valeurs peuvent être extraites de la documentation fournie avec l'équipement de chauffage.

Le calcul est assez complexe, il est préférable qu'il soit effectué par des spécialistes. Paramètres influençant la hauteur de la cheminée :

1. Le coefficient A caractérise la situation météorologique de la région.
2. Mi – la masse des gaz de combustion traversant la cheminée par unité de temps.
3. F – la vitesse à laquelle se déposent les particules formées lors de la combustion.
4. Spdki et Sfi – les indices de concentration de différentes substances dans les gaz de combustion.
5. V – le volume de gaz.
6. T – la différence entre les températures de l'air entrant dans la cheminée et en sortant.

Si la chaufferie est située dans une extension de la maison, cette dernière devient un obstacle. Il est nécessaire que dans ce cas, la tête de la cheminée soit située au-dessus de la zone de contre-pression du vent. Sinon, l'équipement de chauffage ne pourra pas fonctionner normalement.

Pour déterminer de combien il faut rallonger la cheminée, on trouve le point le plus haut de la maison, on trace une ligne passant par ce point formant un angle de 45 degrés avec le sol. L'espace sous cette ligne est la zone de contre-pression du vent, et le conduit de fumée doit être situé au-dessus.

Calcul du diamètre du tube

Il existe une formule pour calculer le diamètre de la cheminée :

S = m/(ρr x w),

Ici, m – la consommation de combustible par heure, w – la vitesse des gaz de combustion, ρr – la densité de l'air dans les conditions de fonctionnement, déterminée par la formule : pv = pVnu x 273/273 x tos. Où to – la température de l'air extérieur, pVnu – la densité de l'air dans des conditions normales = 1,2932 kg/m3.

Ce tableau vous aidera à déterminer la valeur de la densité de l'air ρg dans les conditions de fonctionnement sans effectuer de calculs complexes. Pour simplifier les calculs, la densité des fumées est considérée comme égale à celle de l'air (+).

Supposons que 50 kg de combustible solide brûlent dans la chaudière par heure, ce qui équivaut à 50 : 3600 = 0,013888 kg par seconde. La vitesse de déplacement des fumées est de 2 m/s. À une température de l'air de -4 °C, la densité de l'air est de 0,6881 kg par mètre cube. Alors S = 0,013888 : (0,6881 x 2) = 0,010092 m² = 92 cm². Pour une section circulaire, d = √4 x 92 : 3,14 = 10,83 cm.

Le diamètre d'une cheminée cylindrique peut également être calculé à l'aide d'une autre formule : d = 1000/1,163 x (r x Q√H), où r est un coefficient dépendant du type de combustible utilisé. Pour le charbon, il est de 0,03 ; pour le bois, de 0,045 ; pour le gaz, de 0,016 ; et pour le combustible liquide, de 0,024.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Une vidéo illustrant clairement le processus de calcul de la hauteur du conduit de fumée pour l'aménagement d'une chaufferie :

Ici, l'auteur de la vidéo partage son expérience personnelle de calcul et d'installation d'une cheminée pour une chaudière à combustible solide :

Une autre vidéo pour aider le concepteur amateur :

Peu importe le combustible utilisé par les chaudières de la chaufferie. Dans tous les cas, un système d'évacuation des fumées est indispensable. Les principales exigences auxquelles doivent répondre les conduits de fumée sont un bon tirage, une capacité de passage suffisante et le respect des normes environnementales.

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