Analyse de combustion : Prélèvements

Les mesures de gaz et de leurs températures doivent être effectuées au même endroit.

Pour les chaudières à brûleur atmosphérique, le point de prélèvement doit se situer avant le coupe-tirage pour que les gaz ne soient pas dilués et que la température ne chute pas par addition d'air extérieur. Une balayage au dessus de la rampe des brûleurs permet de détecter des anomalies par la mesure du CO max.

Utilisez les règles suivantes pour les installations domestiques et les petites installations industrielles et commerciales :

FIGURE 1 : Mesure sur un conduit de fumée rectiligne suffisamment long

FIGURE 2 : Mesure sur un conduit de fumée présentant un coude

FIGURE 3 : Emplacement de l'orifice de mesure du tirage après un générateur de chaleur atmosphérique à gaz doté d'un coupe-tirage

FIGURE 4 : Emplacement du prélèvement de fumées sur chaudière à gaz à brûleur atmosphérique

Pour les brûleurs de dimension plus importante : le plus près que possible en aval du dernier échangeur thermique.

Ce positionnement garantit que la mesure de la température nette, c'est à dire la différence entre la température ambiante et celle des gaz de combustion, donnera une indication précise de l'efficacité de l'échangeur thermique.

Le point important à considérer est qu'il faut éviter une dilution au point de prélèvement, et la perte de température doit être négligeable à partir de l'échangeur qui est le point où la chaleur utile est fournie par la chaudière. La plupart des chaudières modernes disposent d'un point de prélèvement dans le conduit. Si ce n'est pas le cas, un trou devra être pratiqué : Attention au tubage et autres doubles conduits, veillez à préserver l'intégrité des systèmes. Les recommandations des constructeurs doivent toujours être suivies pour ne pas annuler la garantie des équipements neufs.

Le point de prélèvement est identique pour la mesure de température et l'analyse des gaz de combustion. Après que l'air chaud ait traversé l'échangeur thermique, il peut être considéré comme homogène. Toutefois, il faut vérifier si le centre du conduit n'est pas plus chaud avec une composition en gaz pouvant différer par rapport à la périphérie. il est donc conseillé de prélever les gaz et mesurer la température dans la veine vive. Il est malheureusement très courant que la mesure sur des petites chaudières domestiques soit effectuée au travers du clapet. Bien que plus aisé, les mesures n'ont qu'un lointain rapport avec la réalité. Le prélèvement doit être effectué avant le clapet, ou le clapet doit être maintenu fermé durant la mesure.

La présence de gaz polluants dans les gaz de combustion peut être exprimée en terme de concentration de chaque composé gazeux. Les unités suivantes sont les plus communes :

A l'instar d'un pourcentage (%), les ppm expriment un rapport. S'il y a une concentration de 333 ppm de CO dans un volume, et que l'on considère un million de particules de ce volume, 333 d'entre elles seront des particules de CO.

L'équivalence entre % et ppm est la suivante :

• 10000 ppm = 1 %
• 1000 ppm = 0.1 %
• 100 ppm = 0.01 %
• 10 ppm = 0.001 %
• 1 ppm = 0.0001 %

Une concentration de 21,95 vol.% d'oxygène est égale à 219 500 ppm O₂, et 10% de CO correspondent à 100 000 ppm de CO.

Lorsque l'on utilise l'unité mg/Nm³, le volume standardisé (normaux mètre cube, Nm³) est utilisé comme référence et la concentration massique est exprimée en milligramme (mg). Cette unité étant dépendante de la pression et de la température, elle est exprimée dans des conditions standard. Les analyseurs de combustion utilisent généralement les conditions standard suivantes :

Conversion de la valeur mesurée par rapport à une valeur O₂ référencée

La concentration en oxygène présente dans les gaz de combustion est un élément nécessaire pour définir la concentration massique des composés gazeux. Les concentrations sont converties en concentrations relatives à une concentration en oxygène particulière : La concentration en O₂ de référence.

Valeur référencée = Valeur mesurée x [(21 - O₂réf ) / (21 - O2 mesurée)]

Conversion de la valeur mesurée en valeur non diluée :

Valeur non diluée = Valeur mesurée x [21 / (21 - O₂mesurée )]

Dans l'analyse de gaz le ppm (partie par million) est une indication de volume. Les ppm utilisés doivent être des ppm convertis par rapport à un taux en O₂ référencé.

La conversion en concentration massique mg/m³ est liée à la densité de chacun des composants du gaz dans les conditions de mesure normées [273 K (0°C) et 1013 mbar].

Le tirage traduit la différence entre la pression de l'air de la pièce où se situe la chaudière et celle du conduit de fumée. Cette mesure vous indiquera s'il y a assez de tirage pour assurer l'évacuation des gaz de combustion vers l'air extérieur.

La mesure de tirage est primordiale car elle garantit que les gaz de combustion toxiques, notamment le CO, sont bien évacués et ne risquent pas d'intoxiquer les résidents. Le fait de tolérer la présence de gaz de combustion peut entraîner de simples maux de tête ennuyeux, mais aussi de graves maladies, une intoxication au monoxyde de carbone ou même la mort. Les effets sur la santé les plus probables sont des troubles chroniques bénins parfois indéfinissables, ainsi qu'une détérioration de la santé résultant d'une exposition prolongée aux gaz de combustion. Ces effets peuvent se produire même à faible concentration.

Plus le tirage est important, plus les gaz de combustion traversent rapidement l'échangeur de la chaudière. Cependant un tirage excessif diminue le rendement de combustion.

Il existe trois systèmes d'évacuation pour éliminer les gaz de combustion vers l'extérieur:

Le tirage naturel est généré par la température des fumées : l'air chaud dilaté, et donc plus léger que l'air ambiant, monte. Les chaudières à tirage naturel sont principalement équipées de brûleurs à combustion atmosphérique. Elles sont dotées d'un coupe-tirage qui nécessite de l'air additionnel de la maison pour isoler le brûleur des fluctuations de pression extérieures.

Pour les systèmes sans évacuation mécanique tels qu'appareils à tirage naturel et à ventouse, la mesure de tirage doit détecter une dépression continue dans le système de combustion.

• La VMC (Ventilation Mécanique Contrôlée). Dans ce cas, le système crée une aspiration en sortie de cheminée et le conduit est en dépression.

• Le brûleur dit "pulsé" : cas des brûleurs fioul et des brûleurs gaz pour chaudières à condensation. Dans ce cas, de l'air est injecté mécaniquement par le brûleur dans le but de restreindre la perte de charge de la chaudière. Ceci permet le contrôle de l'apport d'oxygène à la combustion, et donc l'excès d'air. Cette injection d'air participe à l'évacuation des fumées, mais l'effet du tirage naturel reste prépondérant. On peut s'attendre à une pression positive dans le conduit, qui sera légèrement supérieure à celle de la chambre de combustion. Tout ce qui entrave le flux causera une baisse de pression. Une mesure de pression différentielle peut être effectuée à travers ces obstructions afin de déceler celle qui cause la baisse de pression la plus importante. Du fait de la pression interne du conduit, il convient de bien vérifier son étanchéité.

Les systèmes de combustion étanche (dits "à ventouse") : L'alimentation en air et l'évacuation des fumées sont assurés par deux conduits concentriques. L'air est aspiré par le conduit extérieur, et les fumées rejetées par le conduit central.

La mesure exploite l'effet Venturi, ou effet Pitot, et peut être affectée par certains facteurs, notamment la température extérieure. Lorsqu'un brûleur fonctionne, l'écart de température est suffisant dans la majorité des cas pour assurer une différence de pression mesurable, à même d'évacuer sans risque les gaz de combustion. Cependant, il peut y avoir des problèmes lors du démarrage lorsque la température ambiante est haute et le conduit encore froid. Il est donc impératif que la chaudière soit stabilisée depuis au moins 3 minutes avant d'effectuer une mesure significative de tirage, surtout dans le cas d'un tirage naturel.

Afin d'obtenir une mesure réaliste, il faut conditionner la pièce où se trouve le conduit dans la situation habituelle, soit portes et fenêtres fermées.

L'analyseur de combustion NS300 étalonne automatiquement le niveau zéro du capteur de tirage juste avant la mesure. Ensuite, il émet un bip autorisant l'introduction de la sonde. Le capteur étant sensible à la gravitation terrestre, il ne faut pas incliner l'appareil durant la mesure. La sonde doit rester perpendiculaire au flux pour garantir une mesure fiable.

Le tirage naturel est fonction de la température des fumées, hors cette température n'est pas homogène dans le conduit en raison notamment des déperditions par convection. il convient donc de mesurer le tirage dans la veine vive, là où la température est maximale, à priori au centre du conduit. Dans ce but, le NS300 dispose d'un guidage audio de la sonde : Plus la fumée est chaude et plus le son est aigu, plus elle est froide et plus le son est grave.

Attention, la mesure par un coupe-tirage n'est pas recommandée. D'une part la sonde ne peut être perpendiculaire au flux, et d'autre part la proximité du coupe-tirage diminue la valeur mesurée de près de 50% en raison des turbulences et du diamètre plus important.

• Brûleur avec tirage mécanique : Du fait des battements de pales, des pics importants de pression peuvent être mesurés. Toutefois la valeur moyenne se situe entre 10 et 100 Pascal.

• Pour les ventouses, la mesure n'est pas nécessaire car les systèmes de combustion sont étanches et ne présentent pas de grand risque d'intoxication. De plus les conduits d'évacuation sont rarement accessibles.

Les problèmes de tirage des cheminées ont plusieurs causes. En voici quelques-unes :

• Le conduit de fumée peut être mal dimensionné; trop petit, il n'arrive pas à bien évacuer les gaz, trop gros, il ne peut assurer un tirage suffisant.

• Les obstructions comme les nids d'oiseaux, les éclats de briques ou de la glace peuvent bloquer le conduit de fumée.

• La corrosion peut devenir un problème avec le temps à cause notamment de la condensation, d'une mauvaise fabrication ou d'une pose mal exécutée.

• Un conduit de fumée non isolé posé le long d'un mur extérieur représente un risque particulier puisqu'il peut devenir très froid lorsqu'il n'y circule pas de gaz de combustion. Il peut en résulter une condensation de l'humidité présente dans l'air. Lorsque le conduit de fumée commence par se remplir de gaz de combustion humides, la condensation peut augmenter, au moins jusqu'à ce que le conduit se réchauffe. Cette condensation peut endommager le conduit de fumée par la formation d'acides par dissolution des NO_X et SO₂ dans l'eau, voire entraîner la formation de glace. Il peut alors s'ensuivre un effritement des briques, des fissurations, des fuites, des obstructions et un mauvais tirage.

• Le conduit est en concurrence de tirage avec une VMC. Durant l'hiver, les entrées d'air des maisons sont souvent obstruées. De plus, des systèmes d'extraction et de nombreux autres dispositifs qui pompent l'air hors de la maison sont utilisés : hotte de cuisine, VMC, foyers à feu ouvert. Par conséquent, la pression de l'air intérieur tombe au-dessous de la pression de l'air extérieur, et l'habitation s'en trouve dépressurisée. Pour rééquilibrer la pression, de l'air frais provenant de l'extérieur doit s'infiltrer dans la maison par les ouvertures existantes, comme les fissures et les espaces entourant les portes et les fenêtres, ainsi que par les autres petites ouvertures qu'offre l'ossature du bâtiment. L'utilisation conjointe d'une ventilation mécanique par extraction et d'une extraction par tirage naturel des produits de combustion est autorisée. Cependant, il convient de s'assurer que la dépression régnant dans le logement est compatible avec l'extraction naturelle des produits de combustion. Ces précautions sont telles que cette mise en oeuvre est fortement déconseillée. Si l'habitation est suffisamment dépressurisée, l'air pourra être aspiré par la cheminée. Lorsque cela se produit, l'air descend dans le conduit de fumée au lieu d'y monter, un phénomène connu sous le nom d'inversion de tirage. L'inversion de tirage se produit le plus souvent lorsque l'appareil de combustion est à l'arrêt. Si l'appareil se met en marche en pleine inversion de tirage, l'air à l'intérieur du conduit de fumée ne circule pas dans la bonne direction et il peut être difficile de renverser le mouvement. Il en résulte des émanations de gaz de combustion à l'allumage et jusqu'au moment où le tirage peut se faire dans la bonne direction. Dans les habitations où la période de marche est courte, et où le conduit de fumée n'est pas isolé, ces émanations à l'allumage peuvent être fréquentes puisque le conduit de fumée ne peut pas s'échauffer suffisamment pour établir un bon tirage. À l'allumage, les produits de combustion sont particulièrement « sales »; donc, même une petite quantité d'émanations de ce genre doit être considérée comme indésirable.

CO moyen
La concentration en monoxyde de carbone est essentielle pour déterminer l'efficacité optimale d'une chaudière. Un fonctionnement proche des niveaux de traces comme 10ppm et un léger excès d'air indiquent des conditions près de l'optimum. Aucun brûleur n'est capable de mélanger parfaitement le carburant et l'air. La conséquence est qu'il y aura toujours présence de produits incomplets de combustion. Lorsque le CO commence à être produit en faible quantité, l'efficacité maximale est atteinte. En contrôlant le taux de CO et d'O2, les analyseurs de combustion aident à améliorer l'efficacité des chaudières. De plus, en minimisant les émissions de monoxyde de carbone dans les fumés ils contribuent à sauvegarder l'environnement.

CO max
L’analyseur de combustion NS300 procède à une mesure du CO max pour les chaudières atmosphériques en plus du CO moyen. Cette information est très importante car la combustion sur une chaudière atmosphérique se fait grâce à une multitude de petits brûleurs répartis sur une rampe à gaz. Si un ou plusieurs minis brûleurs sont bouchés (encrassement rouille, chocs...), l’apport d’oxygène (air secondaire) par effet venturi ne sera pas de façon optimum et il y aura un dérèglement sérieux de la combustion. La conséquence sera une forte émission de CO qui est extrêmement dangereux en cas de refoulement.
Pour s’assurer que tous les brûleurs fonctionnent correctement, on mesure le CO en balayant au dessus du brûleur (voir Conditions de prélèvement idéales).
Si on procède à une mesure de CO dans les fumées dans le coupe tirage, le CO sera dilué par les fumées des autres brûleurs sains et par le coupe tirage lui même.
En mesurant le CO max, le NS300 donne une indication du risque potentiel d’intoxication, puisqu'il indique en fait la valeur de CO rencontrée au dessus des brûleurs défaillants lors du balayage au dessus de la rampe à gaz.
En indiquant le CO max pour les chaudières atmosphériques, le NS300 se conforme au référentiel QUALIGAZ.

CO ambiant
L'analyseur de combustion NS300 intègre systématiquement une mesure d'ambiance du CO comme préalable à chaque procédure d'installation ou de SAV. Généralement, un niveau jusqu'à 20 ppm peut être mesuré dans un habitat notamment en présence de fumeurs ou d'une gazinière. Bien que les limites de sécurité soient considérablement plus hautes, une attention particulière doit être portée à l'origine du monoxyde de carbone à partir de 25ppm conformément à la norme AFNOR NF X 50-010 révisée. Les niveaux ambiants à l'extérieur d'un bâtiment sont généralement bien inférieurs, donc cela doit être le résultat d'un quelconque processus. S'il s'agit de la fuite d'un système de combustion, la probabilité est grande pour que le phénomène empire. Il est alors essentiel de vérifier l'ensemble des conduits et de s'assurer que le tirage dans le conduit est suffisant pour évacuer efficacement tous les gaz de combustion. Un bouchon peut par exemple générer un refoulement. Le conduit peut être rouillé, en particulier si la chaudière est seulement l'utilisée, pendant une période limitée de l'année et fonctionne à basse température, permettant à la condensation de se former à l'intérieur du conduit. C'est un problème typique des chauffages au gaz utilisés en complément durant les pointes de grand froid. Ils ne fonctionnent souvent jamais assez longtemps pour atteindre une pleine température, permettant à de la condensation acide de se former.

COHb
Le monoxyde de carbone est toxique car il prive votre sang d'oxygène. Quand on inhale du monoxyde de carbone, il se combine 200 fois plus facilement que l'oxygène avec l'hémoglobine dans votre sang.. Cela produit un composé toxique appelé "Carboxyhémoglobine" (COHb). Après quelque temps, l'exposition au CO peut rendre malade. Les victimes exposées à un taux important de monoxyde de carbone peuvent subir des dégâts cérébraux irréversibles, voire mourir. On compte en France plus de 1200 décès par intoxication au CO chaque année.

L'opacité dans les gaz de combustion est un signe de combustion incomplète, étant représentative de la quantité de très petites particules carboniques imbrûlées. L'utilisation de l'analyseur de combustion NS301 permet de mesurer l'opacité des gaz de combustion.

En mode installation ou SAV, la mesure d'opacité est précédée d'une mesure de CO. Puisque la suie et le CO coexistent presque toujours, les deux mesures sont nécessaires.

Si le mélange air / carburant n'est pas correct, vous le constaterez grâce à la mesure d'opacité. Attention, la qualité du gicleur peut aussi influer sur l'opacité. Généralement, le brûleur est réglé pour un niveau minimum de fumée, et quelques fabricants indiquent un réglage avec un léger seuil de suie en dessous duquel il est recommandé de se trouver. Une opacité significative relevée dans les gaz de combustion aboutira à une accumulation de suie dans le brûleur, ce qui générera à termes des complications : Difficultés de tirage, baisse de rendement et émanations de monoxyde de carbone. Il est donc primordial de minimiser l'opacité.

La durée de vie du capteur d'oxygène utilisé dans le NS300 est de un an à 36 mois seon le modèle. En effet, les capteurs d'oxygène réagissent avec l'oxygène de l'air. L'air ayant une concentration importante en O₂ (20.9%), il se produit une réaction chimique permanente et les capteurs vieillissent plus rapidement lors du stockage qu'en utilisation (O₂ inférieur). Si un appareil doit être stocké pour une longue période, il est possible de sortir le module capteur d'oxygène et d'enlever une broche afin de ne pas faire débiter le capteur d'oxygène. Toutefois en réarmant le capteur celui ci aura besoin de 24h pour donner des mesures fiables.

Pour les capteurs de gaz toxiques (CO, NO, NO₂, SO₂) une durée de vie de 2 ans est standard. L'expérience montre que l'on peut espérer une durée de vie de trois ans pour ces capteurs si l'appareil est maintenu correctement et que les concentrations auxquelles les capteurs sont exposés correspondent à des niveaux réglementaires.

Les capteurs électrochimiques dureront plus longtemps si le conduit de l'appareil est purgé avec de l'air frais après chaque mesure de gaz. Le NS300 assure cette fonction de façon automatique. La durée de vie dépendra énormément de la gamme de concentration que les capteurs auront à mesurer. S'ils sont exposés à la limite supérieure de la gamme, la durée de vie sera considérablement réduite. Un capteur électrochimique nécessite un certain niveau d'humidité, sinon l'électrolyte risque de sécher et la membrane sera endommagée. Dans les applications d'analyse de combustion, il n'y a pas de problème car les gaz de combustion sont gorgés d'humidité. Il faudra veiller à éviter une mesure trop longue car une humidité trop importante peut créer une condensation dans le capteur et l'endommager.

Un autre facteur qui affecte la durée de vie des capteurs est la sensibilité aux gaz interférents. Si un composé interférant est présent à haute concentration, il génère un signal dans le capteur, donc l'électrolyte du capteur sera consommé et la durée de vie du capteur diminuera en conséquence.

Conversion de la valeur mesurée par rapport à une valeur O2 référencée

Conversion de la valeur mesurée en valeur non diluée : Valeur non diluée = Valeur mesurée x [21 / (21 - O2mesurée )]

Conversion de la valeur mesurée par rapport à une valeur O₂ référencée

Conversion de la valeur mesurée en valeur non diluée :

Valeur non diluée = Valeur mesurée x [21 / (21 - O₂mesurée )]