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Le chauffage électrique des trains

E. Meyer, ingénieur principal.

mercredi 23 juin 2010, par rixke

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Le chauffage des trains est un sujet inépuisable, que pas mal de gens abordent dans leur style particulier : les humoristes en plaisantent, les grincheux s’en plaignent, et les ingénieurs soulignent qu’il est toujours une source de tracas pour ceux qui doivent l’étudier et le mettre au point.

Pourquoi l’électricité, cette fée universelle et toute puissante, se montre-t-elle rétive lorsqu’il s’agit d’équiper une voiture au chauffage électrique ? C’est ce que nous allons voir, en passant en revue les difficultés à résoudre, les solutions appliquées et les résultats acquis.

La chaleur, rappelons-le, se propage de trois façons différentes : par conduction, par convection, par rayonnement.

 Chauffage par conduction

Le chauffage par conduction, autrement dit par le passage de l’énergie à travers les corps conducteurs, est celui grâce auquel, par exemple, une barre métallique chauffée à une extrémité devient chaude dans toute sa masse. Ce système est inapplicable lorsqu’il s’agit de chauffer des trains : on ne peut pas installer les voyageurs sur une taque chauffante et on a abandonné depuis longtemps les « bouillottes » qui, vers 1855, réchauffaient les pieds des clients privilégiés de certains réseaux.

 Chauffage par convection

L’eau d’une casserole posée sur un feu entre en ébullition grâce au chauffage par convection. Le fond du récipient s’échauffe et transmet la chaleur, par conduction, à la couche d’eau inférieure. Les particules d’eau échauffées se dilatent, leur densité diminue, ces gouttes s’élèvent dans le sein du liquide et communiquent les calories à la couche d’eau supérieure. Pendant ce temps, d’autres gouttes d’eau ont pris sur le fond du récipient la place des premières, et il se produit, dans l’eau, un mouvement ascendant et descendant, grâce auquel toute l’eau est échauffée.

Le placement des radiateurs dans les nouvelles voitures M2. À remarquer les deux éléments peints en noir qui « radient » la chaleur, alors que les tôles de protection en aluminium répartissent l’air chaud, par convection, dans les parois latérales de la voiture.

Le chauffage d’un local au moyen d’un poêle est un autre phénomène de convection. L’air au voisinage du poêle s’échauffe, monte au plafond, tandis que l’air froid qui le remplace s’échauffe à son tour. Finalement, toute la pièce est réchauffée.

Le chauffage par convection met donc en jeu des mouvements de liquide ou de gaz, il est applicable aux voitures.

 Chauffage par radiation

Une source de chaleur émet des radiations d’autant plus nombreuses que la source est plus chaude. Les rayons calorifiques ne transmettent la chaleur qu’après la rencontre d’un obstacle imperméable à la chaleur. Les rayons du soleil par exemple passent dans le vide interplanétaire et l’atmosphère terrestre sans abandon appréciable d’énergie. C’est pour cette raison que les régions élevées de l’atmosphère restent aussi froides.

Dans une serre exposée au soleil, les rayons calorifiques pénètrent à travers les vitres et se transforment en chaleur au contact du sol, qui s’échauffe. L’air contenu dans le local s’échauffe à son tour au contact du sol. Le verre (mauvais conducteur de la chaleur par conduction) retient les calories dans la serre, qui prend une température élevée.

Le chauffage par rayonnement, lui aussi, est applicable aux voitures. Un exemple bien connu est celui des tramways dont le chauffage est obtenu par le rayonnement de plaques chauffées électriquement.

Au point de vue de la propagation de la chaleur, les chauffages par convection et par radiation peuvent donc être retenus pour les voitures.

Examinons les différents systèmes et comparons les divers modes de chauffage.

 Chauffages par convection à eau chaude et à air chaud

On pourrait, et cela parait séduisant, échauffer l’ambiance de nos voitures, soit par un système de radiateurs à eau chaude (comme en Allemagne), soit par un chauffage à air chaud (comme dans de nombreux pays).

La source commune de chaleur est, dans les deux cas, un radiateur électrique qui échauffe l’eau ou l’air soufflé.

Le système à eau chaude est très confortable, mais il présente quelques inconvénients, dont le principal réside dans l’inertie du système. Il faut, en effet, échauffer 400 litres d’eau avant d’obtenir la température de régime, et cette opération exige trois heures. Dans un grand pays comme l’Allemagne, ce chauffage préalable pose moins de problèmes, les parcours étant très longs, mais, dans un petit pays, ce système ne s’indique pas.

Quant au chauffage à air chaud, s’il présente quelques avantages séduisants, son fonctionnement est trop délicat et sujet à de nombreux dérangements d’ordre électrique. Il est, de plus, tributaire de l’état des filtres qui s’encrassent.

 Chauffage électrique par radiation : radiateurs

En chauffage domestique, on utilise des radiateurs électriques, généralement du type radiant (le grille-pain est le prototype d’un chauffage radiant), qui sont constitués par un fil électrique nu bobiné sur un isolateur quelconque (mica, porcelaine).

Il n’est pas possible de concevoir des radiateurs électriques de construction aussi simplifiée pour le matériel roulant. La tension utilisée en traction électrique est au moins de 1.000 Volts (en Belgique, on utilise 3.000 Volts), et on ne pourrait pas admettre qu’un voyageur puisse être électrocuté à la suite d’un contact accidentel avec un radiateur, ni qu’un incendie de voiture puisse se déclarer à tout instant par l’imprudence d’un voyageur qui jetterait par mégarde un produit combustible sur l’élément chauffant [1].

L’isolation électrique doit être parfaite, et, pour que la source de chaleur soit inaccessible, on l’enfermera dans un boîtier incombustible (pratiquement métallique).

Le radiateur électrique d’une voiture sera donc lourd et encombrant.

Or, plus il est lourd et encombrant, plus il sera paresseux, c’est-à-dire plus lent à se mettre en action. Tandis que le grille-pain chauffe quasi instantanément, le radiateur électrique de chemin de fer n’émettra des calories qu’après un temps déterminé (cinq minutes au moins). Par contre, il continuera à chauffer après la coupure du courant, tandis que le grille-pain dont l’alimentation est coupée devient rapidement froid.

Cette caractéristique propre au chauffage des voitures, donne un grand rôle à la régulation, comme nous verrons plus loin.


Source : Le Rail n° 30, février 1959


[1La basse tension utilisée pour l’éclairage des trains ne convient pas pour le chauffage, car la puissance mise en jeu pour chauffer une voiture impliquerait des courants intenses à basse tension.