Introduction
Les chauffe-eau électriques sont couramment utilisés dans les environnements domestiques pour fournir de l'eau chaude aux petits bâtiments résidentiels et commerciaux. Une alternative fréquente - et généralement plus ancienne - au chauffe-eau électrique est le chauffe-eau à gaz, qui utilise le gaz pour générer de la chaleur au lieu de l'électricité. Les chauffe-eau sont souvent installés dans le sous-sol ou la cave d'un bâtiment. Ils chauffent l'eau pour une utilisation dans les éviers de cuisine, les douches de salle de bain, et tout autre endroit où de l'eau chaude est nécessaire.
Système d'eau chaude
Les chauffe-eau électriques chauffent généralement l'eau via des éléments chauffants résistifs alimentés par l'électricité. Cependant, d'autres conceptions de chauffe-eau électriques existent, comme la chaudière à électrodes, mais elles ne sont pas utilisées pour les applications d'eau chaude domestique. Étant donné que les chauffe-eau de type résistif utilisent des éléments résistifs, ils sont également connus sous le nom de chauffe-eau à résistance électrique.
Fonctionnement des chauffe-eau électriques
L'eau froide est introduite au fond du réservoir du chauffe-eau via un tube plongeur et est ensuite chauffée par des résistances électriques. Au fur et à mesure que l'eau est chauffée, elle monte au sommet du réservoir grâce à la convection naturelle et est évacuée par la sortie d'eau chaude pour être utilisée ailleurs dans le bâtiment.
Pièces du chauffe-eau électrique
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Composants du chauffe-eau électrique
Réservoir de chauffe et isolation
Le réservoir de chauffe est généralement fabriqué en acier inoxydable, avec sa surface intérieure protégée par un revêtement en verre, un revêtement en émail ou un émaillage. Des revêtements à base de polymères sont utilisés dans certains modèles plus récents, mais cela n'est pas courant.
Le réservoir est entouré d'une isolation pour réduire la quantité de chaleur perdue dans l'air ambiant, augmentant ainsi son efficacité. L'image ci-dessous montre une isolation en fibre de verre, qui est un type courant d'isolation thermique.
Isolation thermique
Entrée d'eau froide et tube plongeur
L'eau froide est introduite dans le chauffe-eau via l'entrée d'eau froide, s'écoulant à travers le tube plongeur jusqu'au fond du réservoir. En tenant compte du processus de convection naturelle, introduire de l'eau plus froide au fond du réservoir garantit qu'elle monte naturellement au sommet du réservoir à mesure que sa température augmente ; cela se produit parce que la densité de l'eau diminue à mesure que sa température augmente. La convection dicte également que la température de l'eau variera à différents niveaux dans le réservoir, l'eau la plus froide se rassemblant au fond du réservoir et la plus chaude au sommet.
Variation de température du chauffe-eau
L'entrée d'eau froide comprendra une vanne - généralement une vanne à bille - pour contrôler l'eau introduite dans le réservoir. Les vannes à bille (également connues sous le nom de vannes quart de tour) sont utilisées car elles sont simples et rapides à actionner.
Vanne à bille
Sortie d'eau chaude
Une fois que l'eau dans le réservoir est chauffée, elle quitte le réservoir via la sortie d'eau chaude. La sortie d'eau chaude aura également sa propre vanne pour que le chauffe-eau puisse être isolé hydrauliquement ; cela est réalisé en fermant les vannes d'entrée et de sortie sur le chauffe-eau.
Éléments chauffants
Les éléments chauffants sont installés perpendiculairement à la longueur du réservoir. Chaque élément chauffant se compose d'une résistance électrique logée dans un tube conducteur de chaleur et connectée à une alimentation électrique externe. Le courant électrique circule à travers la résistance et de la chaleur est générée car le chemin de résistance (mesuré en ohms) est élevé ; la chaleur générée est transférée à l'eau entourant le tube de résistance.
Dans les chauffe-eau à gaz, un brûleur à gaz est utilisé pour chauffer l'eau. Les chauffe-eau à gaz sont conçus différemment car ils nécessitent à la fois un chemin d'évacuation et une entrée d'air. La zone d'échange thermique dans un chauffe-eau à gaz est plus grande que celle d'un chauffe-eau à résistance électrique, en raison du grand conduit de gaz d'échappement à l'intérieur du chauffe-eau.
Éléments chauffants
Thermostat
Un chauffe-eau électrique comprend au moins un thermostat qui est utilisé pour contrôler la température de l'eau dans le réservoir ; il y parvient en contrôlant quand les éléments chauffants sont allumés et éteints. Si chaque résistance a son propre thermostat, la résistance supérieure est généralement réglée pour s'allumer à une température plus élevée que la résistance inférieure ; cette configuration permet de tenir compte de la différence de température qui existe généralement dans le réservoir (les deux résistances s'allument en même temps si la différence de température dans le réservoir est prise en compte, plutôt que la résistance inférieure s'allumant toujours en premier parce que la partie inférieure du réservoir a une température plus basse). Allumer et éteindre les résistances au bon moment conduit à une usure uniforme des résistances, ce qui signifie que toutes les résistances peuvent être entretenues au même intervalle.
La température de l'eau dans un réservoir de chauffe-eau est généralement de 50°C (120F), mais cela varie en fonction de la température souhaitée et de l'application.
Thermostat
Purge d'air
Bien qu'il ne soit pas présent dans tous les modèles de chauffe-eau électrique, un purgeur d'air peut être utilisé pour évacuer l'air du réservoir ; par exemple, après un entretien. Si une vanne de purge d'air n'est pas présente, l'air peut être évacué du réservoir en :
- Desserrant les connexions de l'entrée d'eau froide, ou de la sortie d'eau chaude, ou de l'anode sacrificielle.
- Remplissant le réservoir d'eau jusqu'à ce que l'eau sorte par le haut du réservoir à travers la ou les connexions desserrées.
- Resserrant les connexions pour empêcher toute entrée d'air supplémentaire dans le système.
Il est possible de purger l'air au point d'utilisation, bien que cela prenne souvent du temps pour évacuer complètement l'air du système (un écoulement d'eau irrégulier et saccadé en est le résultat). Une méthode alternative consiste à utiliser une vanne de purge automatique ; celles-ci sont souvent installées à divers endroits dans les systèmes d'eau plus grands pour garantir que l'air est continuellement évacué du système.
Vanne de décharge de température/pression
Une vanne de température/pression (vanne TPR) est installée près du sommet du réservoir. La vanne TPR s'ouvrira si l'eau dans le réservoir atteint une température trop élevée, ou si une surchauffe se produit (la pression devient trop élevée). Dans l'un ou l'autre de ces cas, la vanne s'ouvre et libère de l'eau à travers un tuyau de vidange. Le but du tuyau de vidange est de protéger toute personne travaillant à proximité qui pourrait autrement être ébouillantée par l'eau chaude évacuée.
La vanne de décharge de température/pression (TPR) peut être testée en soulevant son levier, bien que cela ne teste que le mécanisme de fonctionnement et non les points de consigne corrects de surchauffe et de surpression.
Vanne de décharge de température/pression avec levier mis en évidence
Anode sacrificielle
À côté du tube plongeur se trouve une longue tige cylindrique ; c'est l'anode sacrificielle. L'anode se corrode avec le temps, empêchant la corrosion galvanique de se produire sur des surfaces métalliques plus vitales - et coûteuses. Les anodes sacrificielles sont généralement fabriquées en magnésium, aluminium, zinc, ou un alliage des trois ; le matériau de l'anode entoure une tige en acier qui est installée le long de l'axe central de l'anode.
Les anodes sont utilisées pour de nombreuses autres applications car la corrosion galvanique se produit chaque fois que deux métaux sont connectés électriquement et qu'un électrolyte est présent. Les applications courantes incluent la protection des tuyaux et la protection des navires.
Anodes protégeant les pièces de navire de la corrosion galvanique
Vanne de vidange
Une vanne de vidange se trouve au bas du réservoir de chauffage ; ce sera généralement une vanne à bille. La vanne de vidange est utilisée pour vider l'eau du réservoir, par exemple, lorsque des travaux d'entretien doivent être effectués. Comme la vanne est située au bas du réservoir, elle peut être utilisée pour éliminer tout sédiment par exemple, calcaire, rouille, morceaux d'anode corrodée etc. qui se sont accumulés à la base du réservoir. Éliminer les sédiments du fond du réservoir est une bonne pratique et devrait se faire périodiquement, par exemple tous les 6 mois. Le processus d'élimination des sédiments est souvent appelé « rinçage » car les sédiments sont littéralement « évacués » du système.
Problèmes courants et dépannage
Tuyau plongeur cassé
Un tuyau plongeur peut se casser et se détacher du haut du réservoir de chauffage, puis tomber au fond du réservoir. Par conséquent, l'eau froide entrera par le haut du réservoir du chauffe-eau au lieu du bas, et, si elle ne reste pas assez longtemps dans le réservoir pour être chauffée, elle sera évacuée par la sortie d'eau chaude pour être distribuée aux robinets d'eau chaude du bâtiment.
Tuyau plongeur attaché et détaché
Comment remplacer un tuyau plongeur cassé
Pour remplacer un tuyau plongeur, le chauffe-eau doit être isolé électriquement et hydrauliquement (alimentation coupée et vannes d'entrée et de sortie d'eau fermées). Les pompes à eau chaude tirant du chauffe-eau doivent être éteintes. La pression de l'eau dans le réservoir doit être relâchée en ouvrant lentement la vanne de vidange. Une fois la pression relâchée, fermez la vanne de vidange et déconnectez le tuyau d'entrée d'eau froide afin que le tuyau plongeur puisse être retiré et remplacé. Après le remplacement, ventilez l'air (purgez l'air) et remettez le chauffe-eau en service.
Anode corrodée
L'anode sacrificielle d'un chauffe-eau doit être surveillée, car elle se corrodera avec le temps. L'anode doit être évaluée visuellement périodiquement et remplacée lorsque peu de l'anode reste. Laisser une anode trop longtemps entre les remplacements peut entraîner l'exposition de la tige en acier au milieu, ce qui peut être un signe que la protection inadéquate des surfaces métalliques à l'intérieur du chauffe-eau se produit. L'image ci-dessous montre une nouvelle anode comparée à une qui a été corrodée/usée ; la tige en acier peut être vue comme un mince morceau de métal cylindrique sur l'anode usée.
Nouvelle anode et anode corrodée comparées
Comment remplacer l'anode du chauffe-eau
Pour remplacer l'anode, le chauffe-eau doit être isolé hydrauliquement en fermant les vannes d'entrée et de sortie, de sorte qu'aucune eau n'entre ou ne sorte du chauffe-eau. Les pompes à eau chaude tirant du chauffe-eau doivent être éteintes avant l'isolation hydraulique. Les éléments chauffants doivent être éteints, et la pression dans le chauffe-eau doit être relâchée via la vidange. Le capuchon de l'anode au sommet du réservoir du chauffe-eau peut alors être desserré pour que l'anode puisse être soulevée/rétractée du chauffe-eau. Une fois l'anode retirée, son corps peut être tourné dans le sens antihoraire pour dévisser la tige en acier du capuchon, puis une nouvelle anode peut être installée, et le chauffe-eau réassemblé.
Accumulation de calcaire
Une accumulation de calcaire (carbonate de calcium) et d'autres minéraux solidifiés à l'intérieur du chauffe-eau est courante dans tout appareil utilisant de l'eau ; ces minéraux solubles se séparent de l'eau et se solidifient sur les surfaces à l'intérieur de l'appareil. Le tartre est un autre terme utilisé pour désigner les dépôts minéraux solidifiés dans un système d'eau ; le tartre se compose de nombreux minéraux tandis que le calcaire ne se réfère qu'au carbonate de calcium.
L'accumulation de tartre et de calcaire est particulièrement problématique sur les éléments chauffants d'un chauffe-eau. Le tartre agit comme un isolant thermique, absorbant la chaleur générée par les éléments chauffants, mais en transférant peu à l'eau environnante. Cela peut entraîner des points chauds sur l'élément chauffant où il surchauffe tout en essayant de chauffer l'eau à la température souhaitée. Cette utilisation inefficace de l'énergie électrique peut non seulement entraîner des factures d'électricité plus élevées, mais peut également provoquer la rupture et la défaillance des éléments chauffants ; l'élément chauffant défaillant doit alors être remplacé.
Un autre composant vulnérable à l'accumulation de tartre est la vanne de décharge de température/pression. Si cela se produit, le mécanisme de fonctionnement de la vanne peut se bloquer, échouant ainsi à s'ouvrir à la température ou à la pression correcte. Cela peut entraîner une eau très chaude dans le réservoir, ou une pression excessive étant forcée de s'échapper du réservoir ailleurs dans le système d'eau, endommageant potentiellement d'autres composants et joints de tuyauterie.
Élément chauffant couvert de calcaire/tartre
Ressources supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_heating
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Domestic_water_heating