Propriétés des gaz, combustion et principes d'évacuation

Introduction au chapitre

Ce chapitre constitue le fondement théorique de la pratique du gasfitter classe A. La maîtrise des propriétés physiques et chimiques des gaz, des mécanismes de combustion et des principes d'évacuation est essentielle non seulement pour réussir l'examen Sceau rouge, mais aussi pour concevoir, installer et entretenir des systèmes sécuritaires. Au Canada, toutes ces notions sont encadrées par le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (pour les aspects électriques des appareils) et surtout par la norme CSA B149.1 (Code canadien d'installation du gaz naturel et du propane). Les règles citées dans ce chapitre font référence à la version la plus récente de la CSA B149.1, sauf indication contraire.

1. Propriétés physiques et chimiques des gaz

1.1 Le gaz naturel (GN)

Le gaz naturel est un mélange d'hydrocarbures légers, composé principalement de méthane (CH₄) à environ 85-95 %, avec des quantités variables d'éthane (C₂H₆), de propane (C₃H₈), de butane (C₄H₁₀), d'azote (N₂) et de dioxyde de carbone (CO₂). Il est livré par pipeline à une pression typique de 7 à 60 kPa (1 à 8,7 psig) pour les installations résidentielles et commerciales.

Caractéristiques clés :

Densité relative : 0,60 (par rapport à l'air = 1,00). Le gaz naturel est plus léger que l'air.

Pouvoir calorifique supérieur (PCS) : environ 37,5 MJ/m³ (1 000 BTU/pi³) dans les conditions standard canadiennes (15 °C, 101,325 kPa).

Limites d'inflammabilité : 4 % à 15 % en volume dans l'air.

Température d'auto-ignition : environ 540 °C (1 000 °F).

Odeur : Le gaz naturel est inodore à l'état pur. Un odorant (mercaptan) est ajouté à une concentration de 18 à 20 mg/m³ pour la détection olfactive.

1.2 Le propane (C₃H₈)

Le propane est un gaz de pétrole liquéfié (GPL) qui est liquide sous pression modérée et se vaporise à température ambiante. Il est stocké et transporté sous forme liquide dans des réservoirs sous pression.

Caractéristiques clés :

Densité relative (vapeur) : 1,52 (plus lourd que l'air).

Densité relative (liquide) : 0,51 (par rapport à l'eau = 1,00).

Pouvoir calorifique supérieur : environ 93,1 MJ/m³ de vapeur (2 500 BTU/pi³) ou 25,3 MJ/L de liquide.

Limites d'inflammabilité : 2,1 % à 9,5 % en volume dans l'air.

Température d'auto-ignition : environ 480 °C (900 °F).

Pression de vapeur : à 21 °C, la pression dans un réservoir est d'environ 830 kPa (120 psig). À −42 °C, le propane bout à pression atmosphérique.

1.3 Comparaison GN vs Propane

Propriété	Gaz naturel (CH₄)	Propane (C₃H₈)
Densité relative (vapeur)	0,60	1,52
Densité relative (liquide)	N/A	0,51
PCS (MJ/m³)	37,5	93,1
Limite inférieure d'inflammabilité	4 %	2,1 %
Limite supérieure d'inflammabilité	15 %	9,5 %
Température d'auto-ignition	540 °C	480 °C
Pression d'alimentation typique	7-60 kPa	2,7-3,5 kPa (régulée)
Comportement en cas de fuite	Monte vers le haut	S'accumule au sol

Trap important : Le propane liquide qui s'échappe d'un réservoir se vaporise en absorbant de la chaleur. Une fuite de propane liquide peut provoquer des brûlures par froid (cryogéniques) sur la peau. De plus, le propane liquide qui se vaporise produit environ 270 volumes de vapeur pour 1 volume de liquide.

1.4 La loi des gaz parfaits et les corrections

Pour les calculs de dimensionnement de tuyauterie, vous devez appliquer la loi des gaz parfaits :

P × V = n × R × T

Où :

P = pression absolue (kPa abs)

V = volume (m³)

n = nombre de moles

R = constante des gaz (8,314 J/mol·K)

T = température absolue (K = °C + 273,15)

Correction de volume : Le volume d'un gaz varie avec la température et la pression. Pour corriger un volume mesuré à des conditions différentes des conditions standard (15 °C, 101,325 kPa), utilisez :

V₂ = V₁ × (P₁/P₂) × (T₂/T₁)

Où les pressions sont absolues et les températures en Kelvin.

Exemple de calcul : Un débitmètre indique 10 m³/h de gaz naturel à 5 °C et 110 kPa abs. Quel est le débit aux conditions standard ?

V₂ = 10 × (110/101,325) × (288,15/278,15) = 10 × 1,0856 × 1,0359 = 11,25 m³/h

2. La combustion

2.1 Définition et équations chimiques

La combustion est une réaction chimique exothermique entre un combustible (le gaz) et un comburant (l'oxygène de l'air). Pour une combustion complète du méthane :

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + 890 kJ/mol

Pour le propane :

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O + 2 220 kJ/mol

2.2 Combustion complète vs incomplète

Combustion complète : Tout le carbone du combustible est oxydé en CO₂ et tout l'hydrogène en H₂O. Le rendement est maximal et les produits sont inoffensifs (à l'exception du CO₂ qui est un gaz à effet de serre).

Combustion incomplète : Se produit lorsque l'oxygène est insuffisant. Les produits incluent :

Monoxyde de carbone (CO) — gaz toxique mortel

Carbone (suie)

Aldéhydes et autres composés organiques

Équation de combustion incomplète du méthane :

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O

2.3 L'air de combustion : quantité théorique et excès d'air

L'air théorique (stoechiométrique) est la quantité exacte d'air nécessaire pour brûler complètement le gaz. Pour le méthane, le rapport air/gaz est d'environ 9,5:1 en volume. Pour le propane, il est d'environ 23,8:1.

En pratique, on fournit toujours un excès d'air pour garantir une combustion complète. Les valeurs typiques :

Type d'appareil	Excès d'air (%)	CO₂ max dans les produits (%)
Brûleur atmosphérique (résidentiel)	40-60 %	9-10 %
Brûleur à air soufflé	20-40 %	10-12 %
Brûleur à prémélange	10-20 %	11-12 %
Chaudière à condensation	10-15 %	9-11 %

Formule de l'excès d'air :

Excès d'air (%) = (O₂ mesuré / (20,9 − O₂ mesuré)) × 100

Où O₂ mesuré est le pourcentage d'oxygène dans les produits de combustion.

2.4 Analyse des produits de combustion

L'analyse des gaz de combustion est un outil de diagnostic essentiel. Les paramètres mesurés sont :

O₂ : doit être entre 3 % et 8 % pour la plupart des appareils atmosphériques

CO₂ : indicateur de l'efficacité de la combustion (plus il est élevé, moins il y a d'excès d'air)

CO : doit être inférieur à 100 ppm (0,01 %) pour les appareils résidentiels bien réglés

Température des fumées : plus elle est basse, plus le rendement est élevé

Rendement de combustion :

η = 100 − (Pertes par les fumées)

Les pertes par les fumées se calculent par :

Pertes (%) = K × (T_fumées − T_air ambiant) / CO₂

Où K est une constante dépendant du type de gaz (environ 0,38 pour le gaz naturel et 0,42 pour le propane).

2.5 La flamme : structure et caractéristiques

Une flamme de brûleur atmosphérique bien réglée présente :

Cône interne (zone de préchauffage) : bleu-vert, bien défini

Cône externe (zone de réaction) : bleu, semi-transparent

Hauteur de flamme : 10 à 15 mm pour les brûleurs résidentiels

Caractéristiques d'une bonne flamme :

Bleue et stable

Pas de jaune (sauf pour les brûleurs à infrarouge)

Pas de flottement (liftoff)

Pas de retour de flamme (flashback)

Problèmes courants de flamme :

Symptôme	Cause probable	Correction
Flamme jaune	Air primaire insuffisant	Ouvrir l'évent d'air primaire
Flamme qui flotte (liftoff)	Excès d'air primaire, pression trop élevée	Fermer l'évent, réduire la pression
Retour de flamme	Mélange trop riche, vitesse de flamme trop élevée	Réduire la pression, vérifier l'injecteur
Flamme instable	Courants d'air, pression fluctuante	Stabiliser l'alimentation, vérifier le régulateur

2.6 La vitesse de flamme et la stabilisation

La vitesse de flamme (vitesse de propagation du front de flamme dans le mélange air-gaz) est d'environ 0,3 à 0,5 m/s pour le méthane et 0,4 à 0,6 m/s pour le propane. Pour une flamme stable, la vitesse du mélange à la sortie du brûleur doit être légèrement supérieure à la vitesse de flamme.

Si la vitesse du mélange est trop élevée → décrochage de flamme (liftoff)

Si la vitesse du mélange est trop faible → retour de flamme (flashback)

La stabilisation de flamme est assurée par les accroche-flamme (flame holders) ou les orifices de stabilisation qui créent des zones de recirculation.

3. Ventilation et apport d'air de combustion

3.1 Exigences de la CSA B149.1 (règle 8.2 et suivantes)

La norme CSA B149.1 exige que tout appareil à gaz soit installé dans un espace où l'air de combustion est suffisant. Trois méthodes sont reconnues :

Méthode A — Air de l'intérieur : L'appareil est installé dans un espace dont le volume est suffisant. Le volume requis est calculé selon la règle 8.2.2 :

Volume requis (m³) = (Débit calorifique total en kW × 3,5) / 10

Ou plus simplement : 3,5 m³ par kW de puissance installée (pour une hauteur de plafond de 2,4 m, cela équivaut à environ 1,5 m² de surface au sol par kW).

Méthode B — Air de l'extérieur (ouvertures directes) : Deux ouvertures sont requises, chacune d'une section libre minimale de 550 mm² par kW (règle 8.4.2). Une ouverture doit être à moins de 300 mm du plafond (haute) et l'autre à moins de 300 mm du plancher (basse).

Méthode C — Air de l'extérieur (conduits verticaux ou horizontaux) : La section des conduits est calculée selon la règle 8.4.3. Pour un conduit vertical, la section libre est de 550 mm² par kW ; pour un conduit horizontal, elle est de 1 100 mm² par kW.

3.2 Calcul de la section des ouvertures

Exemple : Un chauffe-eau de 30 kW et une fournaise de 45 kW sont installés dans une salle mécanique. L'air est fourni par deux ouvertures directes vers l'extérieur.

Puissance totale = 30 + 45 = 75 kW

Section de chaque ouverture = 75 × 550 = 41 250 mm² = 412,5 cm²

Pour une ouverture rectangulaire de 200 mm de hauteur :

Largeur = 41 250 / 200 = 206 mm (arrondir à 210 mm)

Important : La section libre tient compte des grilles et protections. Un facteur de réduction de 25 % est couramment appliqué pour les grilles métalliques standard. Vérifiez toujours la section libre réelle indiquée par le fabricant de la grille.

3.3 Espaces confinés et non confinés

Un espace est considéré non confiné si son volume est supérieur à 4,8 m³ par kW de puissance installée (règle 8.2.1). Dans ce cas, aucune ouverture de ventilation n'est requise.

Un espace est confiné si son volume est inférieur à ce seuil. Des ouvertures de ventilation sont alors obligatoires.

Exemple : Une fournaise de 60 kW est installée dans un sous-sol de 6 m × 8 m × 2,4 m.

Volume = 6 × 8 × 2,4 = 115,2 m³

Volume requis pour non-confinement = 60 × 4,8 = 288 m³

115,2 < 288 → L'espace est confiné → ventilation requise.

4. Évacuation des produits de combustion

4.1 Types de systèmes d'évacuation

La CSA B149.1 (règle 8.10 et suivantes) distingue plusieurs types de systèmes d'évacuation :

Type	Description	Pression dans le conduit	Applications typiques
Type A	Cheminée maçonnée	Négative	Appareils atmosphériques
Type B	Conduit double paroi (isolé)	Négative	Appareils atmosphériques résidentiels
Type C	Conduit simple paroi	Négative	Raccordement entre appareil et cheminée
Type D	Conduit sous pression positive	Positive	Appareils à ventouse, à condensation
Type E	Conduit spécial (certifié)	Variable	Selon certification

4.2 Règles de dimensionnement des conduits d'évacuation

Le dimensionnement des conduits d'évacuation doit suivre les tableaux de la CSA B149.1 (Annexe B) ou la méthode de calcul détaillée. Les principes fondamentaux :

121.La surface du conduit doit être suffisante pour évacuer le débit de produits de combustion sans refoulement.

122.La hauteur du conduit influence le tirage : plus le conduit est haut, plus le tirage est fort.

123.Le diamètre minimal pour un appareil résidentiel atmosphérique est de 100 mm (4 po).

124.Le raccordement entre l'appareil et la cheminée doit avoir une pente ascendante d'au moins 6 % (règle 8.10.3.2).

Règle pratique pour le tirage :

Tirage (Pa) = 0,7 × H × (ρ_air − ρ_fumées) × g

Où :

H = hauteur du conduit (m)

ρ_air = densité de l'air ambiant (kg/m³)

ρ_fumées = densité des fumées (kg/m³)

g = 9,81 m/s²

4.3 Raccordement de plusieurs appareils

Lorsque plusieurs appareils sont raccordés à une même cheminée (règle 8.10.4), les exigences suivantes s'appliquent :

Chaque appareil doit avoir son propre raccordement individuel avant de rejoindre le conduit commun.

Les raccordements doivent être décalés verticalement d'au moins 300 mm.

La section du conduit commun doit être dimensionnée pour la puissance totale des appareils.

Les appareils à tirage forcé (ventouse) ne doivent jamais être raccordés à une cheminée naturelle commune avec des appareils atmosphériques.

4.4 Évacuation par ventouse (systèmes scellés)

Les appareils à ventouse (type D) prélèvent l'air de combustion à l'extérieur et évacuent les produits de combustion par un conduit concentrique ou séparé. Les règles spécifiques (CSA B149.1, règle 8.11) incluent :

La terminaison doit être à au moins 300 mm au-dessus du niveau de neige prévu (minimum 300 mm au-dessus du sol).

La distance minimale entre la terminaison et toute ouverture de bâtiment est de 300 mm pour les conduits concentriques, 1 m pour les conduits séparés.

Les terminaisons ne doivent pas être installées sous un balcon, un porche ou une saillie.

La distance entre deux terminaisons de ventouse sur le même bâtiment doit être d'au moins 1 m si elles sont sur le même plan.

4.5 Condensation dans les conduits

La condensation des produits de combustion se produit lorsque la température des fumées descend sous le point de rosée (environ 55-60 °C pour le gaz naturel). Les conséquences :

Corrosion des conduits métalliques non protégés

Gouttes d'eau acide (pH 3-4) qui peuvent endommager les matériaux

Obstruction partielle du conduit par les dépôts

Solutions :

Utiliser des conduits certifiés pour la condensation (acier inoxydable, plastique spécial)

Isoler les conduits dans les espaces non chauffés

Installer un drain de condensat avec siphon

4.6 Les appareils à condensation

Les chaudières et chauffe-eaux à condensation récupèrent la chaleur latente de la vapeur d'eau contenue dans les fumées. Leur rendement peut atteindre 95-98 % (PCS) contre 80-85 % pour les appareils conventionnels.

Exigences particulières (CSA B149.1, règle 8.12) :

Évacuation en matériau résistant à la corrosion (PVC, CPVC, polypropylène, acier inoxydable)

Pente du conduit vers l'appareil pour l'écoulement du condensat

Neutralisation du condensat si le pH est inférieur à 5,5 (selon les exigences locales)

Terminaison à au moins 300 mm au-dessus du niveau de neige prévu

5. Calculs pratiques pour l'examen

5.1 Calcul du débit calorifique

Débit calorifique (kW) = Débit volumique (m³/h) × PCS (MJ/m³) / 3,6

Exemple : Un compteur indique 4,5 m³/h de gaz naturel (PCS = 37,5 MJ/m³).

Débit calorifique = 4,5 × 37,5 / 3,6 = 46,9 kW

5.2 Conversion entre gaz naturel et propane

Pour convertir un appareil du gaz naturel au propane (ou inversement), il faut remplacer les injecteurs (orifices) car le pouvoir calorifique et la densité diffèrent.

Formule de dimensionnement des injecteurs :

D₂ = D₁ × √(PCS₁ × ρ₂ / (PCS₂ × ρ₁))

Où D = diamètre de l'orifice, PCS = pouvoir calorifique, ρ = densité relative.

Exemple : Un injecteur de gaz naturel de 3,5 mm doit être remplacé pour du propane.

D_propane = 3,5 × √(37,5 × 1,52 / (93,1 × 0,60)) = 3,5 × √(57 / 55,86) = 3,5 × 1,010 = 3,54 mm

En pratique, les injecteurs de propane sont généralement de diamètre plus petit que ceux du gaz naturel pour la même puissance, car le propane a un PCS volumique plus élevé.

5.3 Calcul de la pression de gaz

La chute de pression dans une tuyauterie dépend du débit, du diamètre, de la longueur équivalente et de la densité du gaz. Les tableaux de la CSA B149.1 (Annexe A) fournissent les débits maximaux pour différentes longueurs et diamètres.

Règle générale : La chute de pression maximale admissible est de :

0,5 kPa (2 po de colonne d'eau) pour les installations résidentielles à basse pression (7 kPa)

10 % de la pression de service pour les installations à pression plus élevée

5.4 Longueur équivalente

La longueur équivalente tient compte des pertes de charge dans les raccords et accessoires. Les valeurs typiques en équivalents de longueur de tube droit :

Accessoire	Longueur équivalente (m)
Coude 90° (standard)	0,3 à 0,6 m
Coude 90° (grand rayon)	0,2 à 0,4 m
Coude 45°	0,15 à 0,3 m
Té (passage direct)	0,3 à 0,5 m
Té (dérivation)	1,0 à 1,5 m
Vanne d'arrêt	0,3 à 0,6 m
Régulateur	0,5 à 1,0 m

Longueur équivalente totale = Longueur réelle + Somme des longueurs équivalentes des accessoires

6. Sécurité et détection des fuites

6.1 Détection des fuites de gaz

Les méthodes de détection des fuites selon la CSA B149.1 (règle 5.8) :

187.Solution savonneuse : Application d'une solution d'eau savonneuse sur les joints et raccords. La formation de bulles indique une fuite.

188.Détecteur électronique : Appareil calibré pour détecter les hydrocarbures.

189.Manomètre : Test d'étanchéité à la pression (épreuve).

Test d'étanchéité : La tuyauterie doit être soumise à une pression d'épreuve de 1,5 fois la pression de service ou 350 kPa (50 psig), selon la plus élevée des deux, pendant au moins 15 minutes sans chute de pression (règle 5.8.2).

6.2 Purge des conduites

La purge des conduites neuves ou réparées doit être effectuée avec du gaz, jamais avec de l'air comprimé (risque de mélange explosif). La purge doit se faire vers l'extérieur du bâtiment, à un endroit où le gaz peut se disperser en toute sécurité.

Règle pratique : La purge est complète lorsque l'odeur du gaz est détectable à la sortie, ou lorsque la concentration d'oxygène est inférieure à 1 % (mesurée avec un analyseur).

6.3 Les détecteurs de monoxyde de carbone

Le CO est un gaz inodore, incolore et toxique. Les exigences d'installation des détecteurs de CO sont généralement définies par les codes du bâtiment provinciaux et les normes CSA (CSA 6.19). Pour l'examen, retenez :

Le CO se forme lors d'une combustion incomplète

La limite d'exposition professionnelle est de 25 ppm (moyenne sur 8 heures)

Les symptômes d'intoxication apparaissent dès 100 ppm (maux de tête, nausées)

Au-delà de 400 ppm, le CO est mortel en moins d'une heure

7. Pièges à éviter

202.Confondre densité relative et densité absolue : La densité relative est sans unité (rapport à l'air ou à l'eau). Le gaz naturel a une densité relative de 0,60 (plus léger que l'air), le propane de 1,52 (plus lourd).

203.Oublier de convertir les pressions en pression absolue : Dans les calculs de la loi des gaz, utilisez toujours la pression absolue (pression manométrique + 101,325 kPa).

204.Négliger la section libre des grilles : Les grilles de ventilation réduisent la section effective. Un calcul basé sur la section brute est une erreur fréquente.

205.Confondre les limites d'inflammabilité : GN : 4-15 %, Propane : 2,1-9,5 %. Le propane a une plage plus étroite mais une limite inférieure plus basse.

206.Oublier la pente de 6 % sur les raccordements d'évacuation : Cette pente ascendante est obligatoire pour les appareils atmosphériques.

207.Raccorder un appareil à ventouse à une cheminée naturelle commune : C'est une violation grave de la CSA B149.1.

208.Utiliser le PCS au lieu du PCI : Les calculs de rendement utilisent le PCS au Canada (contrairement à l'Europe où le PCI est utilisé). Le PCS inclut la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau.

209.Ignorer la température de l'eau dans les calculs de condensation : Le point de rosée des fumées est d'environ 55-60 °C pour le gaz naturel. En dessous de cette température, la condensation se produit.

210.Confondre les exigences de ventilation pour les espaces confinés : 4,8 m³/kW pour non-confinement, 3,5 m³/kW pour le calcul des ouvertures (550 mm²/kW par ouverture).

211.Oublier le facteur de simultanéité : Lors du dimensionnement de la tuyauterie pour plusieurs appareils, on peut appliquer un facteur de diversité, mais jamais pour les appareils qui fonctionnent en continu (chauffe-eau, fournaise).

8. Résumé

Le gaz naturel (méthane) est plus léger que l'air (densité 0,60), avec un PCS d'environ 37,5 MJ/m³ et des limites d'inflammabilité de 4 à 15 %.

Le propane est plus lourd que l'air (densité 1,52), avec un PCS d'environ 93,1 MJ/m³ et des limites de 2,1 à 9,5 %. Il est stocké liquide sous pression.

La combustion complète produit du CO₂ et de l'eau ; la combustion incomplète produit du CO toxique et de la suie.

L'excès d'air est nécessaire pour une combustion complète : 40-60 % pour les brûleurs atmosphériques.

L'analyse des fumées mesure O₂, CO₂, CO et la température pour évaluer le rendement et la sécurité.

La ventilation des espaces confinés exige des ouvertures calculées à 550 mm²/kW (méthode B) avec deux ouvertures (haute et basse).

L'évacuation des produits de combustion doit respecter les types de conduits (A, B, C, D, E) et les règles de dimensionnement de la CSA B149.1.

Les appareils à condensation nécessitent des conduits résistants à la corrosion et un drain de condensat.

Les calculs de dimensionnement utilisent la loi des gaz, les longueurs équivalentes et les tableaux de débit de la CSA B149.1.

La sécurité repose sur la détection des fuites (solution savonneuse, test d'étanchéité à 350 kPa pendant 15 minutes) et la prévention du CO.

9. Questions de révision

226.Quelle est la densité relative du propane par rapport à l'air ? Que cela implique-t-il pour la détection des fuites ?

227.Calculez la section d'ouverture de ventilation requise pour une chaudière de 85 kW alimentée par deux ouvertures directes vers l'extérieur.

228.Un appareil au gaz naturel produit 80 ppm de CO dans ses fumées. Est-ce acceptable ? Justifiez.

229.Quelle est la différence entre un espace confiné et non confiné selon la CSA B149.1 ?

230.Pourquoi un appareil à condensation ne peut-il pas être raccordé à une cheminée de type B standard ?

231.Un réservoir de propane de 500 L est rempli à 80 % de sa capacité. Quelle quantité de vapeur de propane cela représente-t-il à 15 °C ?

232.Quel est le débit calorifique d'un appareil qui consomme 3,2 m³/h de gaz naturel (PCS = 37,5 MJ/m³) ?

233.Quelles sont les trois méthodes de détection des fuites reconnues par la CSA B149.1 ?

234.Un conduit d'évacuation de 6 m de hauteur évacue des fumées à 180 °C dans un air ambiant à 20 °C. Le tirage est-il suffisant ?

235.Quelles sont les distances minimales de terminaison pour une ventouse concentrique par rapport aux ouvertures de bâtiment ?

Ce chapitre couvre les notions essentielles pour la section « Propriétés des gaz, combustion et principes d'évacuation » de l'examen Sceau rouge. Pour une préparation complète, consultez également la CSA B149.1 (texte intégral), les tableaux de dimensionnement de l'Annexe A et les guides d'étude officiels du Sceau rouge.

Propriétés des gaz, combustion et principes d'évacuation