Les calorifères et radiateurs

Chauffage et Ventilation 1967

Le calorifère est un appareil de diffusion de la chaleur servant à réchauffer les pièces d'une habitation ou d'un édifice.
Les calorifères (coils) consistaient primitivement en une série de tuyaux en fer juxtaposés horizontalement le long des pans intérieurs d'une bâtisse.

Ces appareils étaient très efficaces au point de vue de la radiation et plusieurs donnent encore un rendement excellent après de nombreuses années d'usage. Le taux de chaleur qu'ils émettent par pied de longueur ou par pied carré de surface est plus élevé que celui des radiateurs en fonte qui les ont supplantés depuis quelques années.

Il est très avantageux d'employer ce genre de calorifères pour certaines constructions telles que les serres, garages, baraques, boutiques et entrepôts. Ils occupent très peu d'espace, se logent le long des murs et peuvent être placés au bas des fenêtres ; ils peuvent être disposés à angle droit pour convenir aux angles d'une bâtisse. Fig 57.

Fig. 57.— Calorifère formé de plusieurs longueurs de tuyau juxtaposées et reliées par des doubles-coudes.

Cependant ils sont maintenant supplantés par les tuyaux à ailettes — un pied linéaire de tuyau à ailettes remplaçant 12 pieds de tuyau nu de 1 pouce.

Les tuyaux des calorifères sont raccordés par des doubles-coudes en fonte taraudés alternativement de l'extrémité d'un tuyau à celle du tuyau suivant, et ainsi de suite. Fig 58.

Fig. 58.— Raccordement, au moyen de doubles-cou des, des tuyaux d'un calorifère.

Les calorifères sont suspendus au mur par une bande verticale en fonte munie de crochets et fixée sur une planche chanfreinée.

Le calorifère compact (Box coil), qui a donné naissance aux radiateurs dans le système de chauffage à eau chaude, fut très en usage de 1880 à 1900. Il se composait d'une double ou triple rangée de calorifères, accouplés à l'arrivée et au retour à un collecteur en fonte, auquel étaient branchés les tuyaux d'amenée et de retour.

Les calorifères compacts avaient d'ordinaire 3 pieds de longueur et se logeaient dans les embrasures, au bas des fenêtres, où ils étaient dissimulés par un panneau avec grille en cuivre. Ils étaient recouverts d'une tablette d'appui en marbre, substance qui est considérée comme un des meilleurs conducteurs de la chaleur.

Là où la tablette était en bois, la chaleur ne paraissait pas se diffuser avec avantage. Pour parer à cet inconvénient, on songea à munir la tablette d'une série d'ouvertures oblongues. C'est de ce dispositif que sont évolués nos premiers cache-radiateurs modernes.

Les résidences de l'époque de 1875 à 1900 qui avaient plusieurs étages comportaient un escalier principal placé à proximité du hall d'entrée.

Pour réchauffer cet escalier dans sa hauteur, on installait au rez-de-chaussée de l'édifice, dans le hall même, un gros calorifère compact de 6 à 8 pieds de longueur à 4 rangées de tuyaux, le tout dissimulé derrière un cache-radiateur en fonte recouvert d'une plaque de marbre.

LE CHAUFFAGE À SURFACE RADIANTE (RADIANT HEATING SYSTEM)

L'emploi des conduites en cuivre pour les calorifères a donné naissance au chauffage à surface radiante. Ce système, en usage depuis plusieurs années en Europe, a fait son apparition en Amérique vers 1930.

Il présente certains avantages, surtout pour le chauffage des soubassements et des rez-de-chaussée dont le plancher est fait d'un béton qui repose directement sur le sol comme c'est le cas pour les entrepôts, les usines et même les églises.

La nouvelle cathédrale de Liverpool, commencée vers 1935, est chauffée par un système à surface radiante avec calorifères insérés dans les dalles du plancher de la nef.

La chaleur qui se dégage de cette surface radiante, enregistrée à 60 ° à 4 pieds du plancher, était à 58½° à 90 pieds plus haut dans le triforium ou jubé de l'orgue, donnant un écart de seulement un degré et demi.

Un système de chauffage ordinaire à la vapeur ou à l'air chaud aurait provoqué dans la partie supérieure de l'édifice une température trop élevée pour être confortable.

Il est établi qu'une chaleur de 60 à 65° fournit pour un édifice de ce genre une température idéale et qui ne nuit pas au rendement des orgues. Pour une habitation, de 64 à 70° suffisent.

Il est à noter que ce système emmagasine dans les surfaces radiantes la chaleur qui s'y conserve assez longtemps pour ne donner qu'un abaissement de seulement un degré plusieurs heures même après que le chauffage a été supprimé.

RADIATION

On utilise pour le système de chauffage à surface radiante les mêmes données que pour un chauffage avec calorifères apparents ou avec radiateurs. Ces données s'appliquent aussi bien si le système fonctionne par gravité ou à circulation forcée.

Le coût d'installation de ce système est cependant beaucoup plus élevé qu'un autre. Les calorifères sont installés dans les planchers ou les plafonds, voire dans les murs. Les éléments en sont disposés en serpentins continus (coils), en grille, ou en effectuant une combinaison de ces deux procédés. Fig. 59 et 60.

Fig. 59.— Installation d'un système de chauffage à surface radiante. Les serpentins en tube de cuivre flexible sont disposés ici dans le plancher en béton du rez-de-chaussée.

Fig. 60.— Agencement des serpentins en tube de cuivre dans le plancher du premier étage; les tubes sont plus rapprochés, afin de dégager plus de chaleur, aux endroits de l'édifice qui sont exposés à refroidir plus rapidement.

Les conduites en cuivre, qui ne peuvent jamais être affectées par la rouille, sont posées par rangs parallèles à:

tous les 12" à 16" de centre en centre pour les tuyaux de 1" de diamètre,

tous les 9" à 12" de centre en centre pour les tuyaux de ¾" de diamètre,

tous les 6" à 8" de centre en centre pour les tuyaux de ½" de diamètre.

Ainsi disposées, les conduites distribuent uniformément la chaleur dans une habitation. La température de l'air est rendue plus uniforme du fait qu'il ne saurait être question de courants d'air, de poussière et d'autres inconvénients que l'on reproche aux systèmes de chauffage à convexion.

Pour les surfaces horizontales la perte de chaleur n'est que de 15% au-dessus des conduites et de 85% au-dessous.

Pour établir la valeur de transmission d'un panneau radiant on peut se baser sur 3.5 B.T.U., par heure par pied carré de surface de tuyau pour chaque degré de différence de température entre l'eau des tuyaux et l'air ambiant.

Ceci équivaut à 1.2 B.T.U. par pied de tuyau de 1"; 1 B.T.U. par pied de 1¾" et 0.80 B.T.U. par pied de tuyau de 2" de diamètre.

LES RADIATEURS

Un radiateur est un appareil de diffusion de la chaleur, en fonte, constitué par une série de colonnes verticales coulées ensemble et assemblées par sections les unes à la suite des autres afin de faciliter le rayonnement de la chaleur. (Fig. 61).

Fig. 61.— Radiateur mural en fonte (wall radiator), à deux colonnes d'eau, et comptant dis sections.

EMPLACEMENTS DES RADIATEURS

Après avoir établi la surface de radiation nécessaire pour le chauffage d'une pièce quelconque dans une bâtisse, on détermine les emplacements des radiateurs, puis leur hauteur, leur longueur et leur largeur.

Ensuite, on établit le nombre de sections et colonnes que devra avoir chaque radiateur en particulier, suivant sa surface de radiation en pieds carrés.

S'il s'agit de calorifères, on prend pour base le pied linéaire de 1" — 3 pieds linéaires équivalant à 1 pied carré de radiation. Les radiateurs doivent, en autant que possible, être situés contre les murs extérieurs.

On doit les placer le plus près possible des ouvertures, à proximité des portes ou dans les allèges des fenêtres, de manière à compenser le déplacement d'air occasionné par la perte de chaleur considérable qui se produit en premier lieu à travers le verre, en second lieu par les interstices qui peuvent exister entre les feuillures des cadres et les châssis.

Rappelons-nous que la valeur constante en B.T.U. perdue par heure par degré de différence de température et par pied carré des ouvertures, est approximativement de 1.10 B.T.U. pour une croisée simple, de 0.60 B.T.U. pour une croisée avec châssis doubles, et de 1.16 B.T.U. pour les puits de lumière (skylight).

CHALEUR ÉMISE PAR LES RADIATEURS

Un pied carré de surface d'un radiateur en fonte ordinaire, sur pattes, émettra 1.65

B.T.U. par degré de différence entre la température de l'eau chaude (ou vapeur) et l'air ambiant.

Pour un radiateur suspendu au mur (wall radiator), la chaleur émise sera de 2.00 B.T.U.

Le nombre de B.T.U. qu'un radiateur émet par pied carré de surface n'est pas constant; il dépend de la moyenne de température de l'eau chaude qu'il contient.

Ainsi si la température de l'eau atteint 170°, le radiateur émettra 150 B.T.U. dans l'air ambiant à 70° Fahrenheit. Par ailleurs, si la température de l'eau peut être portée à 197°, par exemple dans un système fermé et à circulation forcée, la chaleur émise par le radiateur sera de 200 B.T.U. par pied carré de surface.

Comme base pour le calcul du chauffage, on peut considérer que chaque pied carré de surface d'un radiateur en fonte émettra 160 B.T.U. par heure pour le chauffage à l'eau chaude et 250 B.T.U. pour le chauffage à vapeur ; c'est, du reste, ce facteur qui a été choisi pour la formule que nous avons donnée pour calculer la radiation.

DIMENSIONS ET RENDEMENT DES RADIATEURS

Primitivement, les radiateurs en fonte contenaient un certain volume d'eau avec une surface de chauffe assez étendue pour chaque colonne. Étant volumineux, ils occupaient passablement d'espace en largeur et en longueur. En outre, ces radiateurs ne pouvaient être soumis à une pression ou tête d'eau de plus de

15 lbs par pouce carré. Chaque section avait une épaisseur de 3" à 4½" et une largeur de 6" à 9"'; leur surface pouvait varier de 1½ à 8 pieds carrés de radiation par section ou élément.

Un radiateur moderne se compose de deux sections principales avec pattes en fonte pour les extrémités et ouvertures au bas et au sommet. Ces ouvertures permettent de faire les raccordements et d'assembler les sections intermédiaires.

Celles-ci sont reliées solidement entre elles à l'intérieur par des bagues légèrement coniques qui taraudent «gauche et droite», de manière à les rapprocher le plus possible.

Une extrémité du radiateur est munie au bas de deux ouvertures d'un diamètre variant de 1" à 1½"; diamètre qui peut toutefois être réduit suivant la grosseur des tuyaux de raccordement. (Fig. 62).

Fig. 62.— Radiateur en fonte, à quatre colonnes, sur pattes, dit à convexion. Celui-ci compte douze sections.

Les nouveaux radiateurs en fonte datant de 1925 ont approximativement 30% plus de surface de chauffe pour un même espace ; chaque section a 2½" de longueur, et sa largeur varie de 5" à 9", selon le nombre de colonnes pour chaque section.

Ces radiateurs sont du genre Corto, breveté en 1920. Le tableau suivant fournit la radiation en pieds carrés que produisent les plus employés de ces nouveaux modèles :

Chaque manufacturier fournit une table indiquant les dimensions des radiateurs ainsi que la surface de radiation de chaque section de ceux-ci. Il y a un très grand nombre de radiateurs dont la fabrication est discontinuée depuis quelques années.

Parmi ceux-ci, les principaux qui furent installés dans notre province étaient fabriqués, notamment, par les compagnies: Dominion Radiator, Taylor-Forbes, Gurney, Warden King, etc.

Pour les radiateurs dont les sections ont 5, 6 ou 7 colonnes, nous vous référons aux tables fournies par leurs manufacturiers.

SYSTÈME DE CHAUFFAGE PAR CONVEXION

Nous avons vu, au commencement de ce volume, que la convexion est le mode particulier de propagation de la chaleur dans les liquides, dans les gaz ou dans l'air.

Nous avons vu en outre que les molécules d'un liquide — ou de l'air — directement chauffées par contact avec une surface de chauffe, acquièrent une plus faible densité et s'élèvent au-dessus du foyer de chaleur dans la masse liquide d'un contenant ou dans l'air d'un local, tandis que les molécules les plus froides descendent sur les côtés, pour venir se réchauffer sur la surface de chauffe.

Dans un système de chauffage par radiation, la chaleur émane du foyer calorique et réchauffe l'air ambiant, ainsi que tous les objets exposés à sa chaleur rayonnante.

Dans les systèmes qui tirent parti du phénomène de la convexion, la chaleur émane d'un convecteur qui la dispense à doses massives; ces convecteurs étant placés le long des murs, elle entoure en quelque sorte l'espace d'un rideau mouvant d'air chaud et finit par remplir cet espace.

La couche d'air chaud monte le long des pans, puis redescend vers la source de chaleur au fur et à mesure qu'elle se refroidit, les couches inférieures étant sans cesse appelées vers les surfaces de chauffe du convecteur, où l'air se réchauffe de nouveau pour reprendre le même trajet, et ainsi de suite.

En peu de temps, les différentes couches d'air du local atteignent par ce va-et-vient une température uniforme.

LES CONVECTEURS

L'emploi comme convecteurs ou réchauds convecteurs (steam units), d'éléments en cuivre munis d'ailettes, dans un système de chauffage à eau chaude, nécessite une attention spéciale par suite de la perte rapide de chaleur qui se produit au travers de ces éléments.

Les passages ou cellules des éléments d'un convecteur et d'un réchaud convecteur où l'eau ou la vapeur dégagent leur chaleur, sont bien étroits en comparaison des sections ou passages d'un radiateur ou d'un calorifère (coil) de type standard.

En conséquence, ces passages offrent une résistance plus grande à la circulation du fluide, ce qui équivaut à dire que, pour émettre la quantité de chaleur voulue, le volume d'eau ou de vapeur requis doit circuler à travers les éléments du convecteur ou réchaud à une vitesse comparativement plus grande.

Autrement, il y aurait un écart très élevé entre la température du fluide à son arrivée et à sa sortie du convecteur, avec le résultat que la chaleur émise n'atteindrait pas la proportion prévue. Les convecteurs à l'eau chaude doivent avoir des tubes d'au moins 1¼" de diamètre.

LES RÉCHAUDS-CONVECTEURS

Le réchaud-convecteur (steam unit) est plus spécialement un réchauffeur d'air compact que l'on place à une certaine distance de la source de chaleur.

Ce convecteur est construit à la façon d'un radiateur d'automobile et se compose d'une série de tubes en cuivre verticaux et parallèles comportant une infinité de petites ailettes sur lesquelles vient se réchauffer l'air poussé par un éventail électrique.

Des louvres fixes ou jalousies mobiles sont placées de manière à diriger l'air aux endroits voulus. (Fig. 63).

Fig. 63.— Réchaud-convecteur à vapeur dont les louvres permettent de diriger l'air chaud qu'ils irradient aux endroits voulus d'une pièce.

Les manufacturiers de ces convecteurs mentionnent, en millièmes de pouce, la perte de pression que subit le fluide porteur de chaleur dans ces éléments ou convecteurs.

Ceux-ci n'étaient fabriqués autrefois que pour la vapeur, et employés dans les systèmes de chauffage à basse pression donnant 250° de chaleur à l'arrivée du fluide au convecteur.

Pour les convecteurs modernes qui utilisent l'eau chaude, il suffit de grossir les tubes des éléments et de leur fournir l'eau à une température d'au moins 200°.

Il faut en outre imprimer à l'eau chaude une vitesse ou une vélocité suffisante qui ne pourra être fournie qu'à l'aide d'une pompe, dans un système fermé avec circulation forcée.

Enfin, il faudra installer un système de contrôle de chaleur automatique sur la bouilloire, de manière que l'eau, au départ de celle-ci, soit à une température d'au moins 215°.

RADIATEURS ENCASTRÉS ET DISSIMULÉS

Dans un système de chauffage à l'eau chaude ou à la vapeur, les radiateurs sont placés avec avantage dans les embrasures et allèges des fenêtres.

Toutefois, s'ils sont recouverts d'une tablette ou encastrés complètement dans un mur, il ne faut pas oublier que la surface neutre que l'on crée ainsi au-dessus du radiateur occasionne une perte de radiation, que l'on doit compenser en ajoutant 10% à la surface de chauffe ou de radiation, à l'aide d'une ou deux sections supplémentaires.

Si le radiateur est dissimulé (recessed radiator) par une grille en métal, on doit augmenter sa radiation de 25%; par un panneau en composition ajouré, de 30%.

Si, au lieu d'être encastré, le radiateur est recouvert d'un cache-radiateur en métal ajouré sur trois faces, comme la chose se voit souvent dans un hall d'entrée, la surface ne doit être augmentée que de 20%.

Il en sera de même si le dessus ou la tablette recouvrant un radiateur sont ajourés. (Fig. 66).

Un espace de 2" doit être laissé entre le mur et le radiateur — ou le cache-radiateur — afin que la chaleur puisse circuler librement; au-dessus du radiateur, on laissera un espace de 3" lorsque la tablette est ajourée, et de 4" si elle est absolument opaque.

On peut aussi ménager au bas et au sommet du panneau qui cache le radiateur une ouverture correspondant à la longueur et à la largeur du radiateur, mais cette disposition demande un surplus de radiation de 35%.

La perte de chaleur et le coût de l'augmentation de la surface de radiation qu'entraînent les cache-radiateurs ne sont compensés que par la meilleure apparence de l'installation. Ce souci de l'apparence n'en a pas moins contribué dans une large mesure à la popularité des radiateurs à convexion.

RADIATEURS À CONVEXION

On trouve sur le marché des radiateurs à convexion en fonte, fabriqués spécialement pour être encastrés ou dissimulés par un cache-radiateur (radiator enclosures) dans un mur ou une cloison. Ces radiateurs sont munis de surfaces de chauffe plus grandes et disposées de manière à favoriser un courant d'air vertical.

À cette fin, des ouvertures sont ménagées au bas et au sommet du panneau ou cache-radiateur. L'air froid pénètre par le bas, et, au contact du radiateur, acquiert un degré de chaleur qui crée un courant ascendant ; l'air chaud se répand dans la chambre, pour venir se réchauffer de nouveau à la base du radiateur et engendrer une circulation constante. (Fig. 66).

Dans les radiateurs à convexion, en fonte, l'eau doit avoir une température d'au moins 180° à 200°.

Par contre, un radiateur ordinaire, dans un système à gravité, ne demande que 150° à 160° degrés, cependant que la chaleur doit être maintenue à 180° pour ces mêmes radiateurs ordinaires dans un système fermé, et à 200° dans un système avec circulation forcée.

Fig. 64.— Radiateur convecteur en fonte, fabriqué spécialement pour être encastré ou dissimulé par un cache-radiateur.

Il n'y a donc aucune économie à réaliser, au point de vue du combustible, en employant des radiateurs à convexion en fonte, qui nécessitent un camouflage; leur seul avantage, répétons-le, se résume à une question d'apparence.

RADIATEURS À CONVEXION MUNIS D'AILETTES

L'emploi des éléments à ailettes des convecteurs donne un assez bon rendement à 200° avec le chauffage à eau chaude, par le fait qu'étant fabriqués pour servir à 250°, ils émettent une chaleur plus douce.

On peut conclure de ce qui précède que l'appareil de chauffage qui doit être tenu à une haute température peut être de plus petites dimensions qu'un appareil de chauffage par gravité avec radiateurs ordinaires.

Toutefois, cet avantage ne s'obtiendra qu'en autant que l'appareil plus petit sera pourvu d'un mécanisme qui activera la combustion, avec contrôles automatiques de chaleur, dispositifs de sécurité et pompe de circulation.

Nous avons vu que les éléments d'un convecteur d'eau chaude exigent des tubes plus gros qu'un convecteur à vapeur. L'élément d'un convecteur pour la vapeur se compose de 2, 3 ou 4 tubes en cuivre de 1½" de diamètre ; pour l'eau chaude, les tubes sont de 1½" de diamètre.

Chaque élément comporte, à tous les 1" de distance les unes des autres, un certain nombre d'ailettes en cuivre ou en acier de 3" x 3", ou 2" x 2", entre lesquelles l'air doit passer et se réchauffer à leur contact.

Afin d'obtenir une surface maximum de chauffe, on superpose les éléments en deux rangées parallèles. Ces éléments sont réunis aux extrémités du convecteur par des collecteurs en fonte ou en cuivre dans lesquels les tubes sont brasés. (Fig. 65).

Fig. 65.— Élément de chauffage à ailettes, dont le rendement est supérieur à tous les radiateurs ordinaires en fonte.

II est reconnu que la chaleur émise par un ou plusieurs éléments d'un convecteur enfermé derrière un cache-radiateur égale ou excède la surface de chauffe d'un radiateur en fonte exposé de même radiation seulement dans le cas où le cache-radiateur est beaucoup plus haut que le convecteur de manière à produire l'effet d'une cheminée.

Il est établi aussi qu'un radiateur enfermé condense 13% moins de vapeur qu'un radiateur exposé à l'air ambiant.

Si le convecteur est placé au bas du cache-radiateur — et de dimension appropriée — la température à la hauteur de l'air respirable, à 5 pieds du plancher environ, sera maintenue au même degré qu'avec un radiateur ordinaire exposé à l'air ambiant.

Au-dessous de cette ligne, le radiateur caché ou à convexion donnera un degré de température plus haut, tandis qu'au contraire un radiateur ordinaire donnera une température plus élevée au-dessus de la ligne et près du plafond.

Si l'élément ou le radiateur à convexion est mal placé en dedans du cache-radiateur, la chaleur augmentera à son intérieur, mais ne sera pas diffusée d'une manière satisfaisante dans la chambre.

La plupart des radiateurs émettent leur chaleur par radiation et convexion selon un certain pourcentage. Les anciens radiateurs en fonte donnent une chaleur rayonnante d'environ 55%, et 45% de chaleur convergente qui s'élève en grande partie vers le plafond.

Dans les pièces chauffées au moyen de ces radiateurs, on note un écart de température de 20° et plus entre le plafond et le plancher.

Les nouveaux radiateurs en fonte dégagent 35% de chaleur par radiation et en convergent 65%, ce qui permet d'abaisser la différence de température entre le plafond et le plancher à moins de 20°.

Les radiateurs en fonte dits à convexion et exposés à l'air ambiant ont une radiation de 30% et une convexion de 70%, donnant une différence de 18° ; s'ils sont placés dans un cache-radiateur, la radiation est de 20% et la convexion de 80%, donnant une différence de 16° entre le plafond et le plancher.

Sous les mêmes conditions, un radiateur à convexion avec éléments à ailettes, dans son emboîtement, donnera un rendement de 95% de convexion et 5% de radiation, laissant à seulement 15° l'écart de température qui existe entre l'air du plafond et celui qui se trouve au niveau du plancher.

Ainsi on peut établir une comparaison entre la température d'une chambre de 10 pieds de hauteur à différents niveaux, comme suit:

CACHE-RADIATEURS ET CABINETS

Dans une installation de chauffage à convexion, plus hautes seront les boîtes ou cabinets qui enferment les convecteurs, plus efficace sera la convexion.

On place les éléments à ailettes des convecteurs au bas des cabinets, à 5½" du plancher. De même, si le convecteur est dissimulé dans un mur, plus la grille sera haute, plus la circulation se fera rapidement.

L'ouverture d'admission de l'air au bas du cabinet ou du cache-radiateur doit avoir une surface correspondant à au moins 80% de celle de la sortie.

L'ouverture libre de la grille située au-dessus du cache-radiateur doit égaler la surface supérieure du convecteur, et si la grille ou bouche de chaleur est placée au sommet du panneau du cache-radiateur, elle ne doit pas avoir une surface inférieure à 150% de la surface libre au-dessus du convecteur.

Notre figure 64, donne une idée de la disposition des éléments d'un radiateur à convexion.

Pour le chauffage à vapeur à basse pression, les radiateurs à convexion sont susceptibles d'émettre 240 B.T.U. donnant à l'air en contact avec les éléments à ailettes une température de 215°.

Les cache-radiateurs ont comme avantage d'adoucir cette température à proximité des radiateurs et de servir de diffuseurs de la chaleur. (Fig. 66).

Fig. 66.—Diverses variétés de cache-radiateur.

Enfin, tout récemment, on a mis au point une plinthe radiante à laquelle l'apparence et le rendement semblent assurer un avenir prometteur.

Fig. 66b.— Plinthe radiante dont l'élément, pourvu d'ailettes multiples, irradie la chaleur qui lui est fournie par le conduit d'eau chaude.