Fonctionnement chaudières à vapeur

Dernière modification par Pascal le 08/02/2021.
Bonjour Théo

Le principe de la chaudière à vapeur est simple. Il est basé sur un circuit fermé basse pression dans lequel est inséré un évaporateur chauffé par le foyer et un condenseur (batterie de chauffage) inséré dans une gaine de ventilation.
La circulation de la vapeur se fait par effet thermo-siphon.

L'évaporateur est constitué d'un faisceau circulaire vertical de tubes emplis à moitié d'eau et au centre duquel se trouve le foyer. La vapeur produite quitte ce faisceau en partie haute par le conduit fortement calorifugé et est conduite vers la batterie de chauffe ou elle se condense et revient par gravité en partie basse de l'évaporateur.
Le profil de la tuyauterie vapeur entre la chaudière et la batterie de chauffe est extrêmement important, ce conduit ne doit pas comporter de partie basse pour éviter l'accumulation d'eau qui nuirait au bon fonctionnement de l'ensemble.

Le niveau d'eau dans le faisceau est important et doit rester médian pour permettre la production de suffisamment de vapeur surchauffée dans sa partie haute.

Le principe de régulation est simple et basé sur la pression de vapeur sans le circuit (quelques centaines de grammes). Cette pression agit sur un piston qui, lorsqu'elle augmente, ferme progressivement l'arrivée d'air et réduit ainsi la combustion et la puissance du foyer. Le volet placé en sortie du foyer doit lui etre laissé ouvert en temps de fonctionnement et n'était fermé que lorsque la chaudière était froide et inutilisée.

Un dispositif basé sur l'utilisation d'un siphon et d'une boite à eau permet d'évacuer les surpressions sans perdre d'eau au niveau du circuit.

De nos jours, il est vraisemblable que le faisceau de l'évaporateur soit percé et doive être reconstruit en totalité. Il est nécessaire que ce soit en tubulure acier brasée car le cuivre ne supporterait pas les températures du foyer bien longtemps. C'est certainement le plus gros boulot dans ce travail de restauration, en espérant que la batterie chauffante ne soit pas percée elle aussi.

Pour le démarrage de la chaudière, un moto-ventilateur permettait de mettre le foyer en dépression pour éviter les retours de fumée et de CO dans les locaux tant que le conduit d'évacuation des fumées n'était pas à une température permettant leur évacuation par convection naturelle. Cet extracteur était ensuite mis hors service par un registre placé sur le conduit d'évacuation.

Pour le fonctionnement, il est possible que l'utilisation de charbon soit nécessaire, le bois pouvant ne pas avoir un potentiel calorique suffisant pour obtenir un régime de bon fonctionnement, c'est à essayer.

Cordialement, Pascal


PS : Si l'un de vous connais la marque de ces équipements standard du nord-est, je suis preneur ;-)

Bonsoir Théo et Pascal,
Je n’ai pas d’information sur ces appareils dont le seul marquage visible de face sur les photos disponibles est « GA ».
Parmi les plans en ma possession, un (daté du 18/1/1935) est relatif à une modification de l’évacuation des fumées (que ma mémoire visuelle ou mes photos ne reconnaissent pas) et porte le sigle d’une entreprise « SAGA ». Il pourrait s’agir de société anonyme GA ?? Le nom SAGA semble encore exister pour des chauffe-eaux.
A noter qu’il n’y a pas ces appareils dans les tout premiers ouvrages monoblocs Oberheide et Sentzich, les cuisines y étant trop petites : 2x4 m à Sentzich et 3x2,5 m à l’Oberheide, contre 4x4,40 au Bois Karre. Je n’ai pas d’information pour Coume Annexe Nord. A noter qu’un plan du BK non daté prévoyait la cuisine dans une chambre légèrement plus petite près de la tourelle.
Bon courage, Théo. Cordialement.
Jules

Dernière modification par jolasjm le 11/02/2021.
Bonjour Jules et bonjour à tous

SAGA est le sigle de la Société Anonyme Grouvelle Arquembourg (du nom de ses fondateurs). Dans les années 30, c'est un des grands noms dans le domaine de la ventilation, la mécanique des fluides et du chauffage. SAGA a remporté de nombreux marchés de ce type tout le long de la ligne Maginot, Alpes comprises. Ils étaient régulièrement en concurrence directe avec un autre grand nom du domaine : Neu. Voir la page SAGA sur le site, pour plus de détails :

https://wikimaginot.eu/V70_glossaire_detail.php?id=1000643

Il est tout à fait possible que cette chaudière ait été fournie par SAGA. Ce serait intéressant de confirmer la marque des circuits de ventilation du BK pour peu qu'il existe encore des plaques constructeur, car les marchés de fourniture de ventilation et de chauffage étaient souvent liés.

Amicalement
Jean-Michel

Bonjour Jules

Sous le boitier de régulation, il y a effectivement un marquage moulé et sur les photos du site, j'y lisais CA, mais rien de sûr .
Sur le capot du boitier de régulation, il y avait une étiquette (photo abri du Freudenberg). Peut etre subsiste-elle à l'abri du Bois de Cattenom ?

SAGA aurait probablement signé SAGA ses propres fabrications, comme ce fut le cas sur les ventilateurs et je pensais à un fabricant différent dont les chaudières auraient été validées par le génie et mise en place par l'installateur titulaire du lot ventilation - chauffage.

Amicalement, Pascal

Dernière modification par Pascal le 11/02/2021.
Pour Théo

Information complémentaire, la pression de fonctionnement du régulateur était de l'ordre de 200 grammes.
Vois la photo de ce régulateur dans la page de l'abri du Freudenberg.

Cordialement, Pascal

Bonsoir Pascal,
C'est bien "GA" et pas CA. Vois en pièce jointe une photo claire que m'a envoyé Ingo Rokowski (visiteur allemand passionné) prise le 22/02/2020. La plaquette sur le régulateur a disparu. Je pense que Théo pourra vérifier si elle se trouve encore à l'abri du Bois de Cattenom.
En autre pièce jointe, une capture du plan montrant le sigle SAGA. Les croquis des tuyauteries n'ont que peu d'intérêt, car ils correspondaient à un autre emplacement de la cuisine, dont la position de la porte a dû être aussi modifiée par la suite pour la transformation en chambre de troupe. Je dois encore vérifier en détail, mais à priori ce sigle ne figure sur aucun autre plan ou croquis.
Amitiés.
Jules

Dernière modification par Pascal le 11/02/2021.
Bonsoir Jules

Merci pour cet éclaircissement. Il est effectivement fort probable que ces chaudières à vapeur aient été construites par Grouvelle Arquembourg, la photo dont nous disposions n'était pas suffisamment nette pour lever ce pont, maintenant éclairci.

Bon courage à Théo pour cette opération.

Amicalement, Pascal

Bonsoir tout le monde !

Je vous remercie, je suis ravis de voir l'engouement que suscite mon sujet :)

Grâce à vous j'ai mieux compris le principe !
Concernant l'étiquette sur le régulateur et la marque du fabricant, je vais mener mon enquête !

Jules m'as transmis un schéma de la chaudière "type Tolga" (qui correspond à notre chaudière en question) issu de la revue "Le Béton Armé" de mars 1925 (N°205).
Je le joint ici car il permet d'imager vos explications pour les futurs lecteurs.

Si j'ai bien compris, le régulateur agit sur le principe d'un baromètre. La différence de pression entre la zone de chauffe et l'extérieur fais déplacer le mercure dans un réservoir où se trouve un piston. Le piston est relié à un système de tringlerie qui ouvre ou ferme les volets d'admission d'air !
Le fonctionnement n'est en fait pas bien compliqué :)

Le plus difficile sera effectivement si les parois sont percées, et toute la partie étanchéité...
Il va falloir également refaire une partie de la tuyauterie manquante, et ne pas se tromper dans le dimensionnement. En réduisant les pertes de charge, on augmente la chaleur à l'arrivée de l'échangeur thermique dans la salles des filtres !

Je vous remercie encore ! Si jamais Quelqu'un à d'autres infos, qu'il n'hésite pas à partager :)
Bonne soirée à tous et à bientôt j'espère !

Dernière modification par Pascal le 12/02/2021.
Bonjour Théo

Le principe de ce régulateur est bien basé sur un piston dont le déplacement est lié à la pression de la vapeur. Ce piston actionne une bielle qui renvoie le mouvement vers un clapet contrôlant l'admission d'air primaire dans le foyer.
Plus la pression est élevée, plus le clapet se ferme.

Un indicateur gradué solidaire de la bielle est visible dans la fenêtre découpée dans le capot du régulateur, gradué en grammes.

Un ressort de rappel ou des poids doivent assurer la "contre-réaction" de l'ensemble en repoussant le piston lorsque la pression de vapeur diminue.

Il n'y a pas lieu à priori de recourir au mercure pour réguler le fonctionnement, cette régulation étant basée sur la pression et non la température de l'ensemble.

Reste à éclaircir le rôle du régulateur de tirage, probablement utilisé pour pour éviter des températures de fumées trop importantes pouvant endommager le conduit d'évacuation en les mélangeant à de l'air frais. Attention aussi dans ce cas au retour de fumées dans le local dans le cas de dépression atmosphérique et-ou de conduit encore froid. Vérifies que le ventilateur de tirage mécanique soit bien fonctionnel tant que conduit est froid.

Pour ce qui est de la perte de charge de la conduite aller, je ne pense pas qu'elle soit critique dans cette partie du circuit vapeur basse pression. Ce qui est par contre impératif est d'éviter toute partie basse où l'eau pourrait s'accumuler et empêcher la bonne circulation de la vapeur.
En bonne logique, celle-ci doit rentrer en partie haute de la batterie de chauffage et l'eau résultant de la condensation en ressortir en partie basse pour rejoindre la chaudière.

Espérant que cela puisse t'aider, dommage que je sois loin, ce chantier m'aurait bien plu.

Amicalement, pascal

Bonsoir tout le monde !

J'ai trouvé l'étiquette mystère ! Il s'agit bien de Saga... J'ai eu de la chance, le père Goby avait récupéré un deuxième régulateur qui trainait dans la réserve.

Maintenant pourquoi "GA"... Peut-être une collaboration entre les deux entreprises ?

Quand à son mode de fonctionnement, il y a bien du mercure dedans ! j'en ai trouvé des traces (voir photo).
Le mercure ne réagit pas seulement à la température, il est aussi utilisé dans les baromètres pour son poids...
Etant plus lourd que d''autres liquides, il réagit plus doucement aux changements de pression (pour déplacer une unité de volume d'eau, il faudrait moins de force que pour la même unité de volume de mercure). Il est donc peut être plus pratique dans de petits conduits !
(Dans mes TP de mécanique des fluides à l'école, on utilise des baromètres à eau, ils sont très sensible à la pression... du coup les colonnes sont immenses pour faire les mesures... Le prof nous à expliqué qu'il faudrait un liquide bien plus lourd pour pouvoir réduire les colonnes, donc pour moi l'utilisation du mercure me semble logique! )

L'intérieur de la chaudière, bien que couvert de rouille ne semble pas percé, c'est plutôt propre ! On dirait qu'elle n'a presque pas été utilisée.
Il me reste à trouver quelques pièces manquantes encore mais je pense qu'elles doivent trainer dans la réserve et n'ont jamais été réinstallées...

Salut Théo

Peux tu joindre à ce fil des photos du régulateur afin de tenter d'en comprendre le fonctionnement ?

Amicalement, Pascal

Bonnjour Jules

Peut-on utiliser la photo d'Ingo Rokowski pour illustrer les pages Bois-Karre et SAGA ?

Merci d'avance

cordialement, Pascal

Bonsoir Pascal,
Je pense bien qu'il n'y verra aucun inconvénient. Pour la bonne règle, je lui ai cependant demandé confirmation par mail. Je sais qu'il consulte assez régulièrement le site wiki, sans comprendre le français, comme bien d'autres visiteurs étrangers (Tchèques, Allemands, Danois, Russes, etc..) me l'ont aussi signalé.
Amitiés.
Jules

Bonsoir Pascal,
J'ai l'accord de Ingo par mail pour utiliser ses photos. Je suggère de mentionner son nom et la date 22/02/2020.
Bien à toi.
Jules

Bonsoir Jules

Merci beaucoup pour ton intervention.

Amicalement, Pascal

Bonsoir tout le monde,

Désolé pour le délai de réponse, j'éprouve à nouveau des difficultés à lier passion et études ^^'

J'ai fais un tour à l'abri du bois de Cattenom, où la chaudière semble quasiment complète … Mais mon téléphone à du mal a prendre des photos de bonne qualité…

J'ai concocté un petit document expliquant un peu le principe du régulateur, du rôle du chauffage et de la ventilation dans la préservation des ouvrages etc... Ca reste assez sommaire pour le moment, mais cela pourrait servir de base pour une page dédié aux chaudières à vapeur, je n'en ai pas trouvé sur le site pour le moment.

Maintenant, si mon exposé vous à convaincu, il me reste une problématique majeure dans ce projet ! Le mercure... Existe-t-il des substituts ? Vu les réglementations en vigueur sur ce produit, ni moi ni le président de LMCE (travaillant au ministère de l'environnement c'est un peu normal ^^') ne souhaitons risquer la santé de chacun en cas de déversement impromptus ou de fuite... Pour le moment je n'ai rien trouvé qui puisse le remplacer, hormis installer un système électronique avec servomoteur dans le boitier ...

Dernière modification par jolasjm le 29/03/2021.
Bonjour

Merci pour cet intéressant document. Quelques commentaires rapides à chaud :

- La lutte contre l'humidité dans les ouvrages a d'abord eu une raison technique - dés l'origine des projets - avant d'avoir une raison de confort des occupants. La dimension "confort" (et donc "moral" !) n'est apparue que bien plus tard après les exercices d'occupation des ouvrages, alors que ceux-ci aient été construits depuis plusieurs années. C'est ce qui a amené à partir de 1935-36 des essais en tous genres pour trouver des solutions, puis le financement et la réalisation à partir de 1938 des projets de climatisation d'ouvrages pour traiter cette question plus correctement.
- source de l'eau dans les ouvrages (1) : les infiltrations de dalle sont une source tel que mentionné dans le document, mais pas majeure si le travail de bétonnage initial et d'étanchéité de surface a été réalisé correctement. Ce qui crée les fissures d'infiltration à la longue est plus le vieillissement, qui peut expliquer que des ouvrages qui étaient sains initialement, se dégradent avec le temps. Les problèmes d'infiltrations par fissures qu'on observe de nos jours étaient moins présents initialement, d'autant que l'étanchéité de dalle était neuve. De ce point de vue, les ouvrages (ou abris) monoblocs de surface sont un cas un peu particulier dans la mesure où de façon générale les vrais gros et sérieux problèmes d'apport d'eau provenaient des infiltrations hydrogéologiques dans les locaux profonds si l'étanchéité des galeries n'était pas parfaite (voir autre fil sur ce sujet et les questions d'enduits). Un ouvrage comme Bois Karre est bien sur nettement moins concerné par ce type de souci encore que la proximité de la nappe phréatique pouvait être un problème parfois.
- source d'eau dans les ouvrages (2) : si on se concentre sur les ouvrages de surface, hors donc problème d'infiltrations profondes et hors eau issue par exemple du curage du béton - cette phase étant passée et supposé que la dalle ait été bien faite - l'apport d'eau dans l'ouvrage est essentiellement lié à l'humidité de l'air ambiant. En été, l'air ambiant étant plus chaud il contient naturellement davantage d'eau au m3 qu'en hiver où la basse température limite la concentration en eau. L'écart peut facilement aller d'un à dix. Le même volume d'air de ventilation aspiré introduit donc moins d'eau en hiver qu'en été (1 g par kg d'air contre 10 g/kg typiquement en été, voir 15 g/kg en cas de temps très chaud et humide). Ainsi un débit de 3000 m3/h introduit environ 93 kg d'eau par jour (3000 * 24 * 1,29 * 0.0001) dans l'ouvrage en hiver et 930 kg en été... Ces ordres de grandeur montrent combien la gestion rigoureuse de la ventilation en été était importante : elle faisait l'objet de consignes spécifiques.
Hormis cet apport d'eau naturelle, le 2e source essentielle d'eau dans les ouvrages était anthropique, liée à l'activité humaine, surtout dans des petits ouvrages à forte densité d'occupation. A ce chapitre on trouve la respiration de 100 et quelques personnes (une personne génère 1 à 1,5 litres d'eau par jour sous forme de vapeur par sa simple respiration et transpiration), la vapeur d'eau de la cuisine imparfaitement captée, etc... La quantité d'eau générée en interne de l'ouvrage pouvait donc être du même ordre de grandeur que celle introduite de l'extérieur, d'où l'importance de la partie extractive de la ventilation et de la qualité du captage des vapeurs parasite (cuisine...), pour enlever cette eau anthropique (sans en faire entrer plus par l'air extérieur, ce qui est typiquement le cas en été !)
- l'humidité relative de l'air n'est pas un souci tant qu'il n'existe pas de surfaces dont la température est inférieure au point de rosée. Le réchauffage de l'air ambiant par batterie chauffante (quelque soit sa technologie) participe par simple convection au réchauffement des murs et donc à la limitation du risque de condensation, mais c'est nettement moins efficace qu'un réchauffage direct des murs au plus proche... C'est pourquoi l'assainissement des locaux était préférentiellement fait par radiateurs, dont la chaleur concentrée permettait un curage des murs au plus proche. Les radiateurs électriques n'étaient pas nombreux du fait des limitations en puissance des centrales d'ouvrages, mais systématiquement installés dans les locaux critiques (infirmerie, PC, etc). L'alimentation électrique par l'arrière a permis d'améliorer grandement la puissance de chauffe disponible pour les radiateurs, mais à certains endroits on s'est plutot orienté vers l'installation d'un vrai chauffage central : la chaudière n'alimentait plus le réchauffeur d'air, mais les radiateurs, permettant une mise en température des murs - et des locaux - plus efficace.
- Le problème était au final bien plus sérieux dans les ouvrages avec locaux souterrains comparativement aux ouvrages de surface comme Bois Karre. Le Génie avait édité des documents destinés à aider les gestionnaires d'ouvrages à minimiser cette nuisance.

Il existe un substitut commercial au mercure : il s'agit du Galinstan. Comme son nom l'indique, c'est un alliage de gallium, d'indium et d'étain. Point de fusion = -19°, il est donc liquide à l'ambiante. Sa densité est de 6,4 (donc 6,4 fois l'eau), mais seulement moitié - en gros - de celle du mercure. C'est ce matériau commercial (ou ses équivalents) qui est utilisé de nos jours dans les thermomètres conventionnels.
Le Galinstan est nettement moins toxique que le mercure et a le bon gout de ne pas générer de vapeur à température ambiante (ce qui est le cas du mercure, et donc participe à sa dangerosité : c'est pourquoi avoir du mercure qui traine à l'air libre n'est vraiment pas top environnementalement et sanitairement parlant, surtout dans des endroits peu ventilés).
Utiliser un produit de ce type pour remplacer du mercure dans un régulateur n'est néanmoins pas immédiat : il faut tenir compte de la différence de densité et son éventuelle réaction possible avec les parois du contenant (le Galinstan est bien sur inerte avec le verre, mais quid avec les métaux ?... le mercure est aussi inerte avec le verre mais dissout certains métaux - mais pas l'acier...). Sans parler du cout du Galinstan, que j'ignore.

Petit détail de forme sur le document : il est important de citer la source des photos quand elles ne sont pas de vous. Une demande d'autorisation d'utilisation à l'auteur est nécessaire si la licence de la photo est restrictive.

Bien cordialement
Jean-Michel

Bonjour Théo

Ton analyse est pertinente. Pour ce qui concerne le régulateur d'air, si je me fie à ton schéma et à l'hypothèse de l'utilisation de la dilatation du mercure en tant que capteur de température, il utiliserait en entrée deux valeurs :
la pression dans le corps de chauffe et la température de l'air admis.

Cela nous donnerait une équation au niveau régulation strictement proportionnelle, de la forme

Qair = K.Pvapeur + k.Tair

avec K / k, fonction du rapport de diamètre entre le tuyau représenté en partie basse du régulateur et celui du piston récepteur.

Peux tu confirmer l'existence effective de ce tube empli de mercure au niveau de la prise d'air qui correspondrait au capteur de température ?

Quoiqu'il en soit, il est évident vu la topologie de l'installation au Bois-Karre ( et de manière générale, dans la fortification) que la température de l'air admis résulte principalement des activités dans la cuisine et que de la température de l'ouvrage et sans rapport aucun avec celle de l'air extérieur.
Ce qui revient à dire que dans le cas de figure qui nous préoccupe, ce facteur d'entrée peut (doit) être négligé, d'où la possibilité de s'affranchir de la fonction capteur de température offerte par la dilatation du mercure.

Le mercure offre par contre une autre caractéristique intéressante qui est sa densité, et celle-ci pourrait être un grand avantage dans le régulateur de cette chaudière car elle permet de s'affranchir des soucis d'étanchéité et de frottement au niveau des cylindres émetteurs (capteur de pression) et récepteur (actuateur de la tringlerie de régulation).
En effet, aucun piston n'est nécessaire coté capteur où la surface du mercure en contact avec la vapeur sous pression jouerait ce rôle et un piston creux de très faible densité pourrait etre utilisé coté récepteur, permettant ainsi de s'affranchir de système d'étanchéité entre le piston et son cylindre ainsi que des frottements liés.

Si tel est le cas, il sera difficile de trouver un liquide pouvant remplacer le mercure initialement utilisé. Celui ci devrait être non miscible avec l'eau, peu sujet à l'évaporation et d'une densité suffisante pour permettre au piston moteur de 'flotter' dessus.
De plus, l'amplitude de l'action sur le piston récepteur résultant de la pression exercée sur le piston capteur étant proportionnelle à la densité du liquide utilisé (13,6 pour le mercure, 1 pour l'eau), il sera nécessaire de compenser la différence par une astuce mécanique (ressort, lest...) qui permettra de compenser au niveau du régulateur le facteur K donné dans l'équation de base.

Cela dit, rien d'impossible et plus d'infos sur la constitution exacte du régulateur permettra certainement de trouver une solution alternative simple et fonctionnelle.

Amicalement, Pascal