Les cheminées

28 02 2012

« Il y a du feu dans l’âtre, mais le vent a embouché la cheminée et il souffle sa musique avec de la fumée, des cendres volantes et en aplatissant la flamme. »  Jean Giono.

Cette citation de Jean Giono dans Regain explicite à merveille l’interaction de l’air, de la fumée et du feu à l’intérieur d’une cheminée. Il est vrai que le spectacle d’un feu de cheminée peut nous fasciner pendant de longues heures en hiver. D’autant plus que celui ci se maintient plusieurs heures sans que l’on ait besoin de s’en soucier. Le renouvellement de l’air nécessaire à la combustion, la propagation de la chaleur à la pièce ainsi que l’évacuation des fumées se font naturellement. Mais quelles doivent être les caractéristiques d’une cheminée et de son conduit pour que ses fonctions soient si bien assurées ?

Afin de répondre à cette question, penchons nous sur le fonctionnement d’une cheminée. Celle-ci est constituée d’un foyer où a lieu la combustion (du bois, du gaz naturel, d’huile, de charbon, etc.) et d’un conduit qui achemine vers l’extérieur les gaz et les fumées résultants de cette opération.

L’air, au contact du feu, se réchauffe et devient moins dense que l’air froid extérieur. L’air chaud s’élève dans le conduit jusqu’à retrouver l’extérieur tout en emportant les gaz (diazote, dioxyde de carbone, vapeur d’eau, etc.) et les fumées. C’est le phénomène de convection thermique naturelle que l’on retrouve dans l’expérience suivante :

Sur cette vidéo l’air froid entre par la droite dans la boîte. On remarque, grâce à la présence de fumée blanche dans l’air, que celui descend dans la pièce. Au contact de la flamme de la bougie, l’air se réchauffe, sa densité diminue et il remonte dans la boîte.  De la même manière, l’air chauffé par le feu de bois va automatiquement remonté dans le conduit de cheminée.

Si la montée de l’air chaud est désirable pour le renouvellement de l’air du foyer et l’évacuation des fumées, il ne l’est pas pour le chauffage de la pièce. Dans le cas où le renouvellement de l’air dans l’âtre serait trop important, l’air chaud serait relâché vers l’extérieur avant même d’avoir eût un effet sur la température de la pièce.

On comprend que le bon fonctionnement d’une cheminée résulte d’un optimum entre une bonne aération et un bon transfert de chaleur à la pièce. On peut alors se demander comment les caractéristiques d’une cheminée vont influencer ces deux phénomènes. En quoi la hauteur du conduit est t-elle déterminante ? Sa section doit-elle être plutôt carrée ou circulaire ? Quel propriétés doivent posséder les matériaux qui le constitue ?

Commençons par discuter la hauteur du conduit. Celle ci est extrêmement variable d’une cheminée à l’autre. On peut par exemple remarquer que les cheminées industrielles sont très hautes alors que celles ménagères ne dépassent que rarement le toit des maisons.

Ceci s’explique par le fait que plus le conduit de la cheminée va être haut, plus le débit d’air sortant de la cheminée sera important (pour une même différence de température entre le foyer et l’extérieur).  En effet, la force motrice exercée sur une particule d’air dans la cheminée est la poussée d’Archimède, A = δρ g, résultant de la différence de densité  δρ entre l’air chaud et froid. Ainsi, plus le conduit de la cheminée est haut plus cette force s’appliquera longtemps et plus la colonne d’air sera entraînée rapidement vers l’extérieur.

Ainsi dans le cas d’une cheminée d’usine où l’unique objectif est de renouveler le plus rapidement possible l’air du foyer, la hauteur du conduit de cheminée sera choisit la plus grande possible. La seule limitation est alors celle de la fragilité de la structure construite, en particulier vis-à-vis de sa prise au vent.

Si les conduits de cheminée de nos maisons ne sont pas aussi haut que ceux des usines, c’est que nous les utilisons pour chauffer nos intérieurs. Ceux ci dépassent que de peu la hauteur du toit de nos maison afin que l’air chaud présent dans le conduit soit toujours en contact avec l’air de la maison(par l’intermédiaire d’un matériau réfractaire). L’augmentation de la hauteur de ce conduit au dessus du toit augmenterait le tirage de la cheminée mais mettrait en contact l’air chauffé avec l’air extérieur, ce qui serait inutile.

Source :
Wikipédia, Stack effect. #
YouTube, Vortex of doom. #

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