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Conception et calcul des chaudières : généralités et bilans

1. PRÉSENTATION GÉNÉRALE :
   a. Définition et limites d’une chaudière

Le rôle d’une chaudière est essentiellement de transmettre de l’énergie apparaissant sous forme
de chaleur (avec ou sans combustion) à de l’eau sous pression pour obtenir soit de l’eau
surchauffée sous pression, soit de la vapeur ou un fluide à l’état supercritique devenant de la
vapeur par détente. De plus, les chaudières à vapeur de grande puissance sont en général
associées à une turbine à vapeur pour produire de l’énergie électrique.
Sont exclues de cet article les chaudières traitant d’un fluide différent de l’eau telles que
chaudières à sodium, à mercure, à sel fondu, à fluide organique, etc.
Par contre, les sources de chaleur envisagées proviennent soit de la combustion de produits
fossiles tels que charbon, pétrole, gaz naturel, soit de la combustion de sous-produits tels que
fuel, gaz de raffinerie, de gazogène, de four à coke, soit de la combustion de déchets tels que
bois, écorces, ordures ménagères, ainsi que de la liqueur noire intégrée dans un cycle de
régénération de produits utilisés dans les papeteries, soit encore des récupérations de chaleur
pure en aval de turbines à gaz ou en aval de processus chimiques.
Sont exclus les chaudières associées à des lits fluidisés, les foyers sous pression de gaz, les
chaudières électriques, les chaudières nucléaires (étudiés dans d’autres rubriques spécialisées de
ce traité). Les chaudières à eau chaude sous pression ont également fait l’objet d’articles
spécialisés.
    b. Connaissances nécessaires pour aborder le calcul d’une chaudière

Elles appartiennent à différents domaines.
    Thermique et thermodynamique :
          notions de température relative et de température absolue ;
          transmission de la chaleur par rayonnement, conduction et convection ;
          calcul des échangeurs ;
          notions d’équivalence travail-chaleur et d’enthalpie ;
          bilan calorifique
      Et dans le cas où la chaudière est associée à un cycle de production d’énergie mécanique
      ou électrique :
          notions d’entropie ;
          détente adiabatique ;
          principe de Carnot ;
          cycles d’utilisation ;
          marche de la turbine en pression fixe, ou pression glissante ;
          intérêt de la surchauffe, de la resurchauffe et des soutirages.
    Dynamique des fluides :
           écoulement externe, air et gaz autour des tubes, tourbillons de Karman ;
           écoulement interne (dans les gaines ou les tubes) ;

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 distribution entre circuits parallèles ;
           pertes de charge ;
           écoulement diphasique ;
           acoustique (vibrations, énergie de détente).
       Chimie :
           lois de combustion ;
           équilibre (CO, CO2 , H2O vapeur), dissociation (NOx , imbrûlés gazeux) ;
           traitement de l’eau ;
           corrosion à haute température et à basse température ;
           fusibilité des cendres.
       Physique :
           des fluides (eau, vapeur) : utilisation des tables de vapeur ;
           des gaz : capacité thermique massique, viscosité, etc.
       Résistance des matériaux :
           calcul des contraintes : domaine élastique, domaine plastique (fluage), localisation
              des contraintes ;
           sélection des matériaux soumis à haute température.
   c.   Définition d’un calcul de chaudière

Sous le vocable calcul de chaudière se cachent deux significations différentes :
    la première est la détermination principale des éléments constituant la chaudière : foyer,
       récupérateurs, surface des échangeurs, etc. Cette détermination implique à la fois la
       nécessité de calculer et aussi celle de choisir, parmi un grand nombre de solutions
       possibles, les mieux adaptées à ce que l’on attend du matériel ;
    la deuxième est le calcul proprement dit, lorsqu’il s’agit de déterminer le comportement
       d’un ensemble défini dans ses dimensions et ses paramètres principaux de
       fonctionnement, pour différentes allures ou données d’entrée modifiées concernant le
       combustible, l’excès d’air, les débits, températures, etc.
Plus récemment est apparue la nécessité de l’étude du comportement de la chaudière en régime
transitoire, indispensable pour la détermination du type de régulation le mieux adapté et
l’optimisation de ses paramètres.
Le terme chaudière est couramment utilisé dans la profession bien qu’il serait plus exact de
parler de générateur de vapeur, dénommé encore parfois groupe évaporatoire, terme plus
général qui prend en compte tous les composants : économiseurs, réchauffeurs d’air,
surchauffeurs, etc.
Au XIXe siècle, la chaudière comportait deux parties distinctes : le foyer et le bouilleur, le
premier entièrement garni de réfractaires assurant la combustion (en général de charbon) et la
production de chaleur, le second utilisant cette chaleur pour créer de la vapeur dans un récipient
suffisamment étanche, capable de résister à la pression.
Ensuite, l’imbrication progressive d’éléments ou de tubes vaporisateurs au-dessus, puis autour
du foyer, a permis d’obtenir des échanges de chaleur par rayonnement direct et de rendre plus
compact cet ensemble, pour arriver, grâce aussi à l’adoption de construction en tubes d’acier
soudés bout à bout, à placer le foyer à l’intérieur de parois vaporisatrices.
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Ces améliorations ont permis d’accroître la puissance unitaire des chaudières dont le nombre
n’est plus imposé comme autrefois par une limite de capacité (batteries de chaudières dans un
bateau ou dans une ancienne chaufferie).
À la même époque, avec l’utilisation de la vapeur comme force motrice par l’intermédiaire de
machines à pistons (fixes ou mobiles - locomotives) et de turbines à vapeur se sont affinées les
notions de thermodynamique et de recherche d’amélioration du rendement des cycles
énergétiques ; c’est ainsi que sont apparues, comme éléments favorables, l’augmentation de la
pression et l’utilisation de vapeur surchauffée en place de vapeur saturée.
Une étude plus poussée des cycles a mis en évidence successivement l’intérêt :
    d’une température de surchauffe élevée (540 / 565 oC) ;
    de la resurchauffe de la vapeur préalablement détendue dans le corps haute pression
       d’une turbine ;
    d’un réchauffage préalable de l’eau d’alimentation au moyen de soutirages de vapeur
       prélevés sur la turbine ;
    d’une association directe chaudière-turbine-alternateur marchant en bloc producteur
       d’énergie électrique (figure 1) ;
Avec, comme aboutissement, pour l’état actuel de la technique, la marche en pression glissante,
lorsque la production électrique demandée varie, qui a l’avantage de réduire les à-coups de
température sur les aubages de la turbine, et permet également aux allures réduites un gain de la
puissance consommée par l’auxiliaire le plus gourmand : la pompe alimentaire.
Ces développements successifs ont contribué à rendre de plus en plus élaborée la conception
des chaudières, et plus compliquée l’étude de leur comportement en marche variable.
En restant dans le domaine des industries pour lesquelles les besoins en vapeur restent en basse
pression (papeterie, sucrerie, etc.), l’installation d’une chaudière à haute pression suivie d’une
turbine à contre-pression entraînant un alternateur permet d’obtenir de l’énergie électrique à un
prix de revient très intéressant par rapport à une solution à condensation.
Une autre voie de progrès, sur le plan de la production d’énergie, réside dans l’association de
chaudières avec des turbines à gaz, pour réaliser des cycles dits combinés, de type amont ou
aval suivant la position de la turbine à gaz par rapport à la chaudière, la vapeur générée étant
détendue dans une turbine à vapeur, intégrée dans ce cycle. L’amélioration de rendement
provient de la récupération par la chaudière d’une partie de la chaleur sensible des gaz
d’échappement de la turbine à gaz.




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Pour réaliser la transformation de l’enthalpie de formation (chaleur latente) contenue dans un
combustible en vapeur sous pression, à haute température, il faut procéder par étapes
successives.
D’abord la combustion : après préparation convenable du combustible, elle se produit grâce à
des brûleurs ou à des systèmes particuliers (grilles, lits fluidisés, etc.) dans un foyer ; mais, pour
ce faire, il a fallu introduire l’oxygène nécessaire à cette combustion sous forme d’air, injecté
dans les brûleurs et dans le foyer. Cet air est pris à l’extérieur, et pulsé vers le foyer par un
ventilateur dit de soufflage. Il passe par un réchauffeur d’air qui permet, en refroidissant les
fumées qui sortent de la chaudière, d’améliorer le rendement de celle-ci ; par ailleurs, le
réchauffage de l’air est bénéfique en ce sens qu’il améliore la combustion et assure le séchage
du combustible.
Les produits de la combustion sortent à haute température du foyer (1 000 à 1 300 oC) sous
forme de fumées et passent à travers des échangeurs qui transfèrent leur chaleur à de la vapeur
saturée pour la surchauffer dans des surchauffeurs et des resurchauffeurs et progressivement,
dans la mesure où la température des fumées diminue, vers des faisceaux vaporisateurs et vers
l’économiseur.
Les fumées passent ensuite dans le réchauffeur d’air, dans un dépoussiéreur (ou dans une
installation de traitement complexe) et sont extraites par un ventilateur dit de tirage avant d’être
rejetées dans l’atmosphère par une cheminée.
Ce circuit air / fumées se complique quelquefois d’un recyclage qui consiste en une réinjection
dans le foyer de fumées prélevées à moyenne température (300 à 450 oC), recyclage nécessaire
pour obtenir un réglage correct de la température de resurchauffe.
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La figure 2 permet de visualiser les différents éléments constituant la chaudière.
Dans le parcours du fluide chauffé et vaporisé dans la chaudière, il faut distinguer plusieurs
zones différentes :
       celle de l’EAU, progressivement réchauffée dans l’économiseur, pour aboutir à une
       température un peu inférieure à celle de la saturation, dans un réservoir (chaudière à
       circulation naturelle ou assistée par pompe), dans un mélangeur ou directement dans la
       zone de vaporisation (circulation forcée).
Une partie de l’eau est dérivée, avant son entrée dans l’économiseur, dans un circuit annexe, et
injectée dans de la vapeur surchauffée à un étage intermédiaire de surchauffe, et sert ainsi au
réglage de la température de la vapeur à la sortie du dernier surchauffeur. L’injection de cette
eau de désurchauffe dans la vapeur se fait par pulvérisation dans un mélangeur appelé
désurchauffeur ;




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celle de VAPORISATION, où les bulles de vapeur sont générées en quantité de plus en
       plus grande, ce mélange d’eau et de vapeur étant appelé émulsion. Suivant le système de
       circulation :
           en circulation naturelle (figure 2) ou assistée, l’émulsion tourne en permanence
              dans un circuit fermé à pression constante ; la vapeur saturée produite est séparée
              de l’émulsion dans un réservoir ou un séparateur, et se trouve remplacée dans le
              circuit vaporisant par l’eau en provenance de l’économiseur,
           en circulation forcée, l’émulsion chemine progressivement vers la fin de la zone
              d’évaporation pour sortir sous forme de vapeur saturée, ensuite surchauffée, toute
              l’eau ayant été transformée en vapeur ;
       celle de la VAPEUR SATURÉE, qui sort du réservoir, du séparateur humide ou de
       l’extrémité du circuit vaporisant. Elle passe ensuite dans le surchauffeur, composé en
       réalité de 2 à 4 échangeurs distincts, dans lesquels la vapeur s’échauffe progressivement ;
       la position de ces éléments dans le trajet des fumées dépend des impératifs de
       fonctionnement et, pour beaucoup, de nécessités de construction imposées, en particulier,
       par la limite des contraintes admissibles à la température du métal choisi pour les tubes.
Le désurchauffeur est inséré sur le trajet de la vapeur surchauffée, en général en amont de la
dernière surchauffeur (SHT) ;
— le circuit de RESURCHAUFFE permet d’élever la température de vapeur envoyée à
moyenne pression depuis la turbine jusqu’à une valeur en général égale, parfois légèrement
supérieure, à celle de sortie de la vapeur surchauffée ; le plus souvent, la resurchauffe s’effectue
par passage dans 2 échangeurs, disposés séparément dans le circuit des fumées ; le
désurchauffeur, nécessaire surtout pour assurer la protection des échangeurs et de la turbine
contre des dépassements intempestifs de température, est placé sur le circuit de vapeur entre les
2 resurchauffeurs (ou parfois en tête, figure 2).
2. DONNÉES DE DÉPART D’UN CALCUL DE CHAUDIÈRE. EFFETS SUR LA
CONCEPTION
On peut considérer quatre catégories de données, nécessaires pour déterminer une chaudière et
qui obligent à faire une conception sur mesure pour répondre à des conditions bien
particulières:
     les conditions de fonctionnement ;
     les caractéristiques de l’eau et de la vapeur ;
     les caractéristiques du ou des combustibles et de leurs conditions optimales de
       combustion, ainsi que celles de l’environnement ;
     les performances attendues et les conditions normales ou extrêmes d’utilisation du
       matériel.
À partir de ces données, le calcul d’une chaudière fait appel à la plupart des phénomènes
physiques ou chimiques 1.2, en les appliquant à une succession d’éléments le plus souvent
assimilables à des échangeurs. De ce fait, il est important de ne pas perdre de vue que le
comportement de chacun de ces échangeurs, de fonctions différentes, sous l’effet d’un
phénomène donné (externe ou interne), a une réaction sur tous les autres. C’est l’une des
raisons de la complexité des calculs.
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Une autre source de complication provient du combustible ; rares sont les cas où l’on a affaire à
UN combustible bien défini (cas d’un gaz naturel ou d’un fuel dans une contrée déterminée).
Dans le cas du charbon, généralement de provenance internationale ou parfois d’un gisement
local dont la nature peut varier selon les couches exploitées, on est obligé de travailler sur une
gamme de produits de propriétés variables.
Le plus souvent aussi, la chaudière doit pouvoir fonctionner avec deux combustibles différents,
si ce n’est pas trois.
Enfin, la chaudière, surtout dans le cas de forte puissance et de haute pression, est directement
intégrée dans un cycle de production d’énergie, et intimement liée à une turbine et à un poste de
réchauffage d’eau par soutirage ; son comportement, surtout en période de variation de charge
(rapide ou lente, démarrage ou arrêt), doit contribuer à assurer à l’ensemble le meilleur
rendement et ne doit pas compromettre la bonne tenue des matériels associés.
    a. Conditions de fonctionnement

Selon le cycle de production d’énergie dans lequel elle se trouve intégrée, ou selon l’utilisation
de la vapeur produite, on peut demander à une chaudière de fonctionner :
     en permanence à son allure maximale ;
     en production de base ;
     au fil d’un combustible de récupération ;
     en production adaptée à la demande d’un réseau, avec par exemple arrêts toutes les fins
        de semaine ;
     en production de pointe uniquement, avec possibilité de prise de charge rapide.
Ce premier type d’exigence influe directement sur la conception, en particulier sur le choix :
     du mode de circulation (lié à l’inertie thermique) ;
     du rendement (en relation avec l’investissement et l’amortissement sur la période prévue
        de fonctionnement) ;
     de certaines caractéristiques constructives (contraintes thermiques en variation de
        charge).
Il est fréquent que le consultant, connaissant les problèmes liés à l’utilisation désirée, définisse
certains impératifs, à commencer par le mode de circulation.
Par contre, il est très rare qu’il précise le rendement qu’il attend, laissant aux différents
compétiteurs la liberté de le choisir, mais leur imposant de le garantir ; c’est pour le
constructeur un choix délicat pour deux raisons :
     un bon rendement implique un investissement élevé en récupérateurs terminaux et en
        dispositifs de préparation de combustible (finesse du charbon) ;
     les valeurs annoncées ne sont pas directement comparables entre elles ; elles diffèrent en
        fonction d’options plus ou moins explicitées telles que : préchauffeur d’air en service ou
        non, choix de la température de référence, code de présentation du rendement (article
        Conception et calcul des chaudières : comportement et performances Conception et
        calcul des chaudières : comportement et performances) et aussi base de référence du
        pouvoir calorifique du combustible (supérieur ou inférieur).


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b. Caractéristiques de l’eau et de la vapeur

En premier lieu, ce sont les valeurs des débits, pression et température de l’eau et de la vapeur
qui définissent la marche maximale continue, c’est-à-dire celles de :
     l’eau d’alimentation, généralement à l’entrée de l’économiseur ;
     la vapeur surchauffée, à la sortie de la surchauffeur haute température ;
     la vapeur à resurchauffer, à l’entrée du resurchauffeur basse température ; dans certains
       cas, il est imposé une valeur maximale admissible de la perte de charge dans les
       resurchauffeurs ;
     la vapeur resurchauffée (cycle d’une ou deux resurchauffes), à la sortie du resurchauffeur
       haute température.
En ce qui concerne la température de l’eau d’injection en surchauffe ou resurchauffe, elle est
généralement différente de la température d’eau d’alimentation, car prise plus en amont dans le
circuit de façon à disposer d’une perte de charge suffisante pour assurer une dispersion correcte
par l’injecteur. Le débit de l’eau d’injection est estimé a priori, car il constitue une marge de
surdimensionnement ; il est ensuite vérifié par le résultat du calcul des échanges en surchauffe
et resurchauffe.
Ensuite, ce sont les conditions de marche à puissance variable qui peuvent être :
     soit à pression fixe à la sortie de la dernière surchauffeur ou à l’entrée de la turbine ;
     soit en pression glissante ; la marche en pression glissante permet à la turbine de
       fonctionner sans laminage de vapeur à l’entrée ou sans chute de pression importante en
       amont de sa première roue et, par conséquent, d’avoir en cours de détente aux différents
       étages une température de vapeur et, par suite, une température de métal qui varie
       beaucoup moins suivant l’allure que lorsque la pression d’admission est fixe. La pression
       glissante permet également de réduire la puissance de pompage de l’eau d’alimentation à
       basse charge, donc de diminuer l’énergie consommée par le plus important des
       auxiliaires et, ainsi, d’améliorer la consommation à basse allure. Cette marche en
       pression glissante, appréciée dans les installations qui doivent fonctionner à allures
       variables, impose en contrepartie l’obligation pour les éléments sous pression de la
       chaudière situés dans la zone de vaporisation de supporter des variations rapides de
       température. En ce cas, pour réduire les contraintes d’origine thermique, on est conduit à
       limiter les épaisseurs des parties métalliques et donc à proscrire les réservoirs ; de ce fait,
       le modèle à passage direct de vapeur et circulation forcée (once through en désignation
       américaine) est pratiquement imposé par la pression glissante.
Lorsque la chaudière est associée à une turbine, les caractéristiques de l’eau et de la vapeur
varient avec l’allure, principalement par suite de la présence d’un poste d’eau alimenté par
soutirage.
À défaut de renseignements précis donnés par l’ensemblier ou le turbinier, on peut estimer :
     que la pression absolue d’un soutirage est proportionnelle au débit de vapeur ;
     que la température de l’eau d’alimentation sortant d’un réchauffeur par soutirage varie
       comme la température de saturation liée à la pression de ce soutirage.
Ces variations de pression de soutirage ont leur importance car elles peuvent intervenir aussi
dans le choix :
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 du niveau de prélèvement de la vapeur de ramonage ;
        du niveau de la vapeur de réchauffage des combustibles liquides ou de l’air à
           préchauffer.
En outre, pour conserver un bon rendement du cycle de détente dans la turbine, il est utile de
maintenir constantes, à leur valeur maximale, les températures de la vapeur surchauffée et de la
vapeur resurchauffée dans une assez large plage de fonctionnement. La détermination de cette
plage intervient dans le choix de la position et de la dimension des surfaces d’échangeurs ; elle
intervient aussi dans le choix du mode de régulation adopté (par recirculation des fumées, par
inclinaison des brûleurs ou variation de la position du feu, par dérivation de fumées dans des
carneaux divisés).
Enfin, la température naturelle de surchauffe d’une chaudière est différente suivant que la
température de l’eau d’alimentation varie avec la puissance demandée ou reste constante.
    c. Caractéristiques du combustible

Il est bien évident qu’une chaudière ne peut pas brûler indifféremment n’importe quel type de
combustible et cela d’autant moins que, dans les constructions modernes, la combustion se
passe dans un foyer dont les parois sont constituées d’écrans tubés à 95 ou 100 %. Ces parois
tubées, donc refroidies, participent activement à la production de vapeur et les quantités de
chaleur reçues sont sous la dépendance du rayonnement émis par les produits en combustion,
rayonnement qui peut différer fortement d’un combustible à l’autre. Il y a donc une étroite
concordance entre les échanges dans cette zone et la nature du combustible. En outre, les
volumes d’air et de fumées produits ne sont pas les mêmes, à quantité égale de chaleur dégagée.
Suivant le combustible employé (gaz, fuel, charbon, lignite, gaz de haut-fourneau, etc.),
certaines propriétés ont une influence sur la conception de la chaudière, principalement sur
celle des brûleurs, du foyer et des trémies de cendrier, mais également sur les échangeurs
installés sur le trajet des fumées.
Pouvoir calorifique : le débit du combustible en dépend directement et, par suite, la dimension
de tous les dispositifs de préparation de celui-ci, qu’il s’agisse de détendeur pour la combustion
du gaz, de pompes et de poste de réchauffage pour la combustion des huiles, ou
d’alimentateurs, distributeurs et broyeurs pour la fourniture du charbon pulvérisé.
Teneur en cendres et leur composition : pour les combustibles solides, la simple présence de
cendres impose des trémies ou des pentes de cendrier d’au moins 55o sur l’horizontale,
nécessaires pour assurer leur écoulement correct ; la minéralogie, ou plus simplement la teneur
en silice des cendres, par suite de l’érosion, conduit également à limiter la vitesse des fumées
pour réduire les usures localisées de tubes.
La composition chimique des cendres, en relation directe avec la fusibilité, intervient dans les
dépôts et les accrochages sur les parois du foyer et sur les premiers échangeurs rencontrés, dans
le respect d’une température limite à la sortie du foyer, ainsi que dans la recherche, même dans
la zone des brûleurs, de dégagements calorifiques modérés, pour éviter les accrochages sur les
parois.
En ce qui concerne les cendres volantes, la corrosion à haute température oblige à installer dans
les fumées dont la température dépasse 900 oC des échangeurs traversés par de la vapeur froide
(c’est-à-dire assez proche de la saturation) de façon que la température du métal des tubes reste
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au-dessous de la température des eutectiques, pour éviter tout contact entre phase liquide
externe et métal.
Dans le cas d’huiles, les teneurs en vanadium et sodium sont des facteurs prioritaires de
corrosion à haute température par suite de la formation d’eutectiques à 600 / 700 oC.
Humidité du combustible : elle intervient de deux façons :
     par la nécessité de sécher celui-ci (en même temps qu’on le broie) de façon qu’il s’allume
       correctement (séchage par air chaud ou par recirculation de fumées prélevées directement
       dans le foyer, s’il s’agit de lignites) ;
     par le fait que l’eau de combustible se retrouve dans les fumées dont elle augmente
       considérablement la quantité et le volume (sauf dispositif exceptionnel d’élimination de
       l’eau en cours de broyage au moyen d’un circuit d’exhaure vers l’extérieur).
Teneur en matières volatiles (pour les combustibles solides) : la quantité et la qualité des
matières volatiles interviennent dans leur facilité d’allumage ou de combustion et directement
dans le temps nécessaire à la combustion. Elle a ainsi une influence sur la vitesse admissible
pour l’air primaire et, par conséquent, sur la forme des brûleurs ; lorsque cette teneur en
matières volatiles devient très faible, il est même nécessaire d’adapter la géométrie du foyer
pour installer des brûleurs en voûte et réaliser une flamme verticale, descendante dans sa
première partie.
La teneur en matières volatiles détermine aussi l’excès d’air nécessaire.
On se trouve en présence d’un phénomène similaire lorsqu’il s’agit de brûler des gaz pauvres
ou comportant des ballasts assez élevés (azote, CO2 ) ; il y a alors obligation de prévoir une
zone d’allumage non refroidie (présence de réfractaires) et un temps de séjour long, donc un
volume de foyer important.
Composition chimique : indépendamment des renseignements fournis par l’analyse immédiate
qui donne les grandeurs énumérées dans le tableau 1, il est nécessaire de connaître l’analyse
élémentaire du combustible pour, en fonction des réactions chimiques de combustion, calculer
les volumes d’air nécessaires à celles-ci et les volumes de fumées en résultant.
La teneur en soufre intervient dans la détermination des précautions à prendre pour éviter des
corrosions à haute température dans les zones chaudes (environnement des brûleurs, échangeurs
haute température dans le cas de combustible liquide) et pour limiter les conséquences de la
corrosion sulfurique à basse température dans les économiseurs froids et les réchauffeurs d’air.
La teneur en azote intervient partiellement dans la pollution par les oxydes d’azote.
    d. Performances attendues et conditions générales d’utilisation

Les performances intervenant dans le choix de l’architecture d’une chaudière sont
principalement :
    la plage de fonctionnement pour laquelle on désire maintenir constantes les températures
      de vapeur surchauffée et resurchauffée ;
    le seuil au-dessus duquel le fonctionnement est assuré par une régulation automatique ;
    le seuil au-dessus duquel la marche est assurée par un seul combustible, sans soutien
      d’un combustible auxiliaire (ce seuil est souvent appelé minimum technique ) ;
    la rapidité de variation de charge ;
    le temps de démarrage, de montée en température, en pression et en puissance ;
                                                                                             10
 l’allure de rendement optimal ;
    l’allure de pointe et éventuellement les conditions de marche en surcharge et en
      surpression ;
    le coût de l’énergie auxiliaire, soit sous forme de vapeur basse pression, soit sous forme
      d’énergie électrique ;
    les conditions extrêmes d’utilisation telles que températures minimales en hiver,
      maximales en été, humidité, pluviométrie ;
    l’environnement et en particulier les limitations de pollution et de bruit ;
    les conditions sismiques.
   e. Conception générale

À partir de toutes les indications recueillies dans le paragraphe 2, on peut définir les lignes
générales de la chaudière, mais de toute façon un compromis entre des exigences très
différentes est nécessaire, la contrainte la plus importante étant de réaliser un matériel fiable à
un prix compétitif.
Parmi les différents facteurs énumérés précédemment, certains ont des influences plus ou moins
grandes sur la conception, comme le montre le tableau 2.

        3. BILANS ÉNERGÉTIQUES ET BILAN MATIÈRE
Avant de pouvoir définir les dimensions de matériel et en prélude à toute recherche de
conditions de fonctionnement, il est nécessaire pour une allure déterminée de la chaudière
d’effectuer successivement les calculs préalables suivants associés à quelques estimations
annexes :
     pour les bilans énergétiques :
            calcul de la puissance utile,
            estimation du rendement attendu,
            calcul de la puissance à introduire dans la chaudière sous forme de combustible,
            calcul du débit massique (ou volumique) de combustible ;
     pour le bilan matière :
            estimation de l’excès d’air nécessaire à l’obtention d’une combustion correcte
              (fonction de la nature du combustible),
            calcul du débit d’air nécessaire à la combustion,
            calcul du débit (massique et volumique) des fumées engendrées par la combustion,
              et éventuellement de la quantité de cendres produites.
Il est évident que chacun de ces calculs ne peut être effectué qu’à partir des résultats des calculs
précédents. Les valeurs obtenues sous forme de puissance introduite, de débit de fumées et de
composition de celles-ci sont nécessaires pour le calcul du comportement du foyer et des
échangeurs.
    a. Bilans énergétiques
3.1.1 Puissance utile (produite)
3.1.1.1 Puissance (ou chaleur) utile principale


                                                                                                 11
C’est l’énergie transmise aux fluides chauffés par unité de temps, c’est-à-dire la différence
entre l’énergie exportée vers l’utilisation (turbine ou réseau) et celle retournée à la chaudière
par les fluides à chauffer.
Le fluide chauffé peut être à des états ou à des niveaux de pression différents ; on peut avoir
ainsi pour une même chaudière (figure 3) :
Un débit de vapeur surchauffée provenant principalement d’un débit d’eau d’alimentation à une
certaine température, et complété par un débit d’eau d’injection (utilisé pour la régulation de la
température de surchauffe) à une température différente de celle de l’eau d’alimentation.




                                                                                               12

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Conception et calcul des chaudières

  • 1. Conception et calcul des chaudières : généralités et bilans 1. PRÉSENTATION GÉNÉRALE : a. Définition et limites d’une chaudière Le rôle d’une chaudière est essentiellement de transmettre de l’énergie apparaissant sous forme de chaleur (avec ou sans combustion) à de l’eau sous pression pour obtenir soit de l’eau surchauffée sous pression, soit de la vapeur ou un fluide à l’état supercritique devenant de la vapeur par détente. De plus, les chaudières à vapeur de grande puissance sont en général associées à une turbine à vapeur pour produire de l’énergie électrique. Sont exclues de cet article les chaudières traitant d’un fluide différent de l’eau telles que chaudières à sodium, à mercure, à sel fondu, à fluide organique, etc. Par contre, les sources de chaleur envisagées proviennent soit de la combustion de produits fossiles tels que charbon, pétrole, gaz naturel, soit de la combustion de sous-produits tels que fuel, gaz de raffinerie, de gazogène, de four à coke, soit de la combustion de déchets tels que bois, écorces, ordures ménagères, ainsi que de la liqueur noire intégrée dans un cycle de régénération de produits utilisés dans les papeteries, soit encore des récupérations de chaleur pure en aval de turbines à gaz ou en aval de processus chimiques. Sont exclus les chaudières associées à des lits fluidisés, les foyers sous pression de gaz, les chaudières électriques, les chaudières nucléaires (étudiés dans d’autres rubriques spécialisées de ce traité). Les chaudières à eau chaude sous pression ont également fait l’objet d’articles spécialisés. b. Connaissances nécessaires pour aborder le calcul d’une chaudière Elles appartiennent à différents domaines.  Thermique et thermodynamique :  notions de température relative et de température absolue ;  transmission de la chaleur par rayonnement, conduction et convection ;  calcul des échangeurs ;  notions d’équivalence travail-chaleur et d’enthalpie ;  bilan calorifique Et dans le cas où la chaudière est associée à un cycle de production d’énergie mécanique ou électrique :  notions d’entropie ;  détente adiabatique ;  principe de Carnot ;  cycles d’utilisation ;  marche de la turbine en pression fixe, ou pression glissante ;  intérêt de la surchauffe, de la resurchauffe et des soutirages.  Dynamique des fluides :  écoulement externe, air et gaz autour des tubes, tourbillons de Karman ;  écoulement interne (dans les gaines ou les tubes) ; 1
  • 2.  distribution entre circuits parallèles ;  pertes de charge ;  écoulement diphasique ;  acoustique (vibrations, énergie de détente).  Chimie :  lois de combustion ;  équilibre (CO, CO2 , H2O vapeur), dissociation (NOx , imbrûlés gazeux) ;  traitement de l’eau ;  corrosion à haute température et à basse température ;  fusibilité des cendres.  Physique :  des fluides (eau, vapeur) : utilisation des tables de vapeur ;  des gaz : capacité thermique massique, viscosité, etc.  Résistance des matériaux :  calcul des contraintes : domaine élastique, domaine plastique (fluage), localisation des contraintes ;  sélection des matériaux soumis à haute température. c. Définition d’un calcul de chaudière Sous le vocable calcul de chaudière se cachent deux significations différentes :  la première est la détermination principale des éléments constituant la chaudière : foyer, récupérateurs, surface des échangeurs, etc. Cette détermination implique à la fois la nécessité de calculer et aussi celle de choisir, parmi un grand nombre de solutions possibles, les mieux adaptées à ce que l’on attend du matériel ;  la deuxième est le calcul proprement dit, lorsqu’il s’agit de déterminer le comportement d’un ensemble défini dans ses dimensions et ses paramètres principaux de fonctionnement, pour différentes allures ou données d’entrée modifiées concernant le combustible, l’excès d’air, les débits, températures, etc. Plus récemment est apparue la nécessité de l’étude du comportement de la chaudière en régime transitoire, indispensable pour la détermination du type de régulation le mieux adapté et l’optimisation de ses paramètres. Le terme chaudière est couramment utilisé dans la profession bien qu’il serait plus exact de parler de générateur de vapeur, dénommé encore parfois groupe évaporatoire, terme plus général qui prend en compte tous les composants : économiseurs, réchauffeurs d’air, surchauffeurs, etc. Au XIXe siècle, la chaudière comportait deux parties distinctes : le foyer et le bouilleur, le premier entièrement garni de réfractaires assurant la combustion (en général de charbon) et la production de chaleur, le second utilisant cette chaleur pour créer de la vapeur dans un récipient suffisamment étanche, capable de résister à la pression. Ensuite, l’imbrication progressive d’éléments ou de tubes vaporisateurs au-dessus, puis autour du foyer, a permis d’obtenir des échanges de chaleur par rayonnement direct et de rendre plus compact cet ensemble, pour arriver, grâce aussi à l’adoption de construction en tubes d’acier soudés bout à bout, à placer le foyer à l’intérieur de parois vaporisatrices. 2
  • 3. Ces améliorations ont permis d’accroître la puissance unitaire des chaudières dont le nombre n’est plus imposé comme autrefois par une limite de capacité (batteries de chaudières dans un bateau ou dans une ancienne chaufferie). À la même époque, avec l’utilisation de la vapeur comme force motrice par l’intermédiaire de machines à pistons (fixes ou mobiles - locomotives) et de turbines à vapeur se sont affinées les notions de thermodynamique et de recherche d’amélioration du rendement des cycles énergétiques ; c’est ainsi que sont apparues, comme éléments favorables, l’augmentation de la pression et l’utilisation de vapeur surchauffée en place de vapeur saturée. Une étude plus poussée des cycles a mis en évidence successivement l’intérêt :  d’une température de surchauffe élevée (540 / 565 oC) ;  de la resurchauffe de la vapeur préalablement détendue dans le corps haute pression d’une turbine ;  d’un réchauffage préalable de l’eau d’alimentation au moyen de soutirages de vapeur prélevés sur la turbine ;  d’une association directe chaudière-turbine-alternateur marchant en bloc producteur d’énergie électrique (figure 1) ; Avec, comme aboutissement, pour l’état actuel de la technique, la marche en pression glissante, lorsque la production électrique demandée varie, qui a l’avantage de réduire les à-coups de température sur les aubages de la turbine, et permet également aux allures réduites un gain de la puissance consommée par l’auxiliaire le plus gourmand : la pompe alimentaire. Ces développements successifs ont contribué à rendre de plus en plus élaborée la conception des chaudières, et plus compliquée l’étude de leur comportement en marche variable. En restant dans le domaine des industries pour lesquelles les besoins en vapeur restent en basse pression (papeterie, sucrerie, etc.), l’installation d’une chaudière à haute pression suivie d’une turbine à contre-pression entraînant un alternateur permet d’obtenir de l’énergie électrique à un prix de revient très intéressant par rapport à une solution à condensation. Une autre voie de progrès, sur le plan de la production d’énergie, réside dans l’association de chaudières avec des turbines à gaz, pour réaliser des cycles dits combinés, de type amont ou aval suivant la position de la turbine à gaz par rapport à la chaudière, la vapeur générée étant détendue dans une turbine à vapeur, intégrée dans ce cycle. L’amélioration de rendement provient de la récupération par la chaudière d’une partie de la chaleur sensible des gaz d’échappement de la turbine à gaz. 3
  • 4. Pour réaliser la transformation de l’enthalpie de formation (chaleur latente) contenue dans un combustible en vapeur sous pression, à haute température, il faut procéder par étapes successives. D’abord la combustion : après préparation convenable du combustible, elle se produit grâce à des brûleurs ou à des systèmes particuliers (grilles, lits fluidisés, etc.) dans un foyer ; mais, pour ce faire, il a fallu introduire l’oxygène nécessaire à cette combustion sous forme d’air, injecté dans les brûleurs et dans le foyer. Cet air est pris à l’extérieur, et pulsé vers le foyer par un ventilateur dit de soufflage. Il passe par un réchauffeur d’air qui permet, en refroidissant les fumées qui sortent de la chaudière, d’améliorer le rendement de celle-ci ; par ailleurs, le réchauffage de l’air est bénéfique en ce sens qu’il améliore la combustion et assure le séchage du combustible. Les produits de la combustion sortent à haute température du foyer (1 000 à 1 300 oC) sous forme de fumées et passent à travers des échangeurs qui transfèrent leur chaleur à de la vapeur saturée pour la surchauffer dans des surchauffeurs et des resurchauffeurs et progressivement, dans la mesure où la température des fumées diminue, vers des faisceaux vaporisateurs et vers l’économiseur. Les fumées passent ensuite dans le réchauffeur d’air, dans un dépoussiéreur (ou dans une installation de traitement complexe) et sont extraites par un ventilateur dit de tirage avant d’être rejetées dans l’atmosphère par une cheminée. Ce circuit air / fumées se complique quelquefois d’un recyclage qui consiste en une réinjection dans le foyer de fumées prélevées à moyenne température (300 à 450 oC), recyclage nécessaire pour obtenir un réglage correct de la température de resurchauffe. 4
  • 5. La figure 2 permet de visualiser les différents éléments constituant la chaudière. Dans le parcours du fluide chauffé et vaporisé dans la chaudière, il faut distinguer plusieurs zones différentes : celle de l’EAU, progressivement réchauffée dans l’économiseur, pour aboutir à une température un peu inférieure à celle de la saturation, dans un réservoir (chaudière à circulation naturelle ou assistée par pompe), dans un mélangeur ou directement dans la zone de vaporisation (circulation forcée). Une partie de l’eau est dérivée, avant son entrée dans l’économiseur, dans un circuit annexe, et injectée dans de la vapeur surchauffée à un étage intermédiaire de surchauffe, et sert ainsi au réglage de la température de la vapeur à la sortie du dernier surchauffeur. L’injection de cette eau de désurchauffe dans la vapeur se fait par pulvérisation dans un mélangeur appelé désurchauffeur ; 5
  • 6. celle de VAPORISATION, où les bulles de vapeur sont générées en quantité de plus en plus grande, ce mélange d’eau et de vapeur étant appelé émulsion. Suivant le système de circulation :  en circulation naturelle (figure 2) ou assistée, l’émulsion tourne en permanence dans un circuit fermé à pression constante ; la vapeur saturée produite est séparée de l’émulsion dans un réservoir ou un séparateur, et se trouve remplacée dans le circuit vaporisant par l’eau en provenance de l’économiseur,  en circulation forcée, l’émulsion chemine progressivement vers la fin de la zone d’évaporation pour sortir sous forme de vapeur saturée, ensuite surchauffée, toute l’eau ayant été transformée en vapeur ; celle de la VAPEUR SATURÉE, qui sort du réservoir, du séparateur humide ou de l’extrémité du circuit vaporisant. Elle passe ensuite dans le surchauffeur, composé en réalité de 2 à 4 échangeurs distincts, dans lesquels la vapeur s’échauffe progressivement ; la position de ces éléments dans le trajet des fumées dépend des impératifs de fonctionnement et, pour beaucoup, de nécessités de construction imposées, en particulier, par la limite des contraintes admissibles à la température du métal choisi pour les tubes. Le désurchauffeur est inséré sur le trajet de la vapeur surchauffée, en général en amont de la dernière surchauffeur (SHT) ; — le circuit de RESURCHAUFFE permet d’élever la température de vapeur envoyée à moyenne pression depuis la turbine jusqu’à une valeur en général égale, parfois légèrement supérieure, à celle de sortie de la vapeur surchauffée ; le plus souvent, la resurchauffe s’effectue par passage dans 2 échangeurs, disposés séparément dans le circuit des fumées ; le désurchauffeur, nécessaire surtout pour assurer la protection des échangeurs et de la turbine contre des dépassements intempestifs de température, est placé sur le circuit de vapeur entre les 2 resurchauffeurs (ou parfois en tête, figure 2). 2. DONNÉES DE DÉPART D’UN CALCUL DE CHAUDIÈRE. EFFETS SUR LA CONCEPTION On peut considérer quatre catégories de données, nécessaires pour déterminer une chaudière et qui obligent à faire une conception sur mesure pour répondre à des conditions bien particulières:  les conditions de fonctionnement ;  les caractéristiques de l’eau et de la vapeur ;  les caractéristiques du ou des combustibles et de leurs conditions optimales de combustion, ainsi que celles de l’environnement ;  les performances attendues et les conditions normales ou extrêmes d’utilisation du matériel. À partir de ces données, le calcul d’une chaudière fait appel à la plupart des phénomènes physiques ou chimiques 1.2, en les appliquant à une succession d’éléments le plus souvent assimilables à des échangeurs. De ce fait, il est important de ne pas perdre de vue que le comportement de chacun de ces échangeurs, de fonctions différentes, sous l’effet d’un phénomène donné (externe ou interne), a une réaction sur tous les autres. C’est l’une des raisons de la complexité des calculs. 6
  • 7. Une autre source de complication provient du combustible ; rares sont les cas où l’on a affaire à UN combustible bien défini (cas d’un gaz naturel ou d’un fuel dans une contrée déterminée). Dans le cas du charbon, généralement de provenance internationale ou parfois d’un gisement local dont la nature peut varier selon les couches exploitées, on est obligé de travailler sur une gamme de produits de propriétés variables. Le plus souvent aussi, la chaudière doit pouvoir fonctionner avec deux combustibles différents, si ce n’est pas trois. Enfin, la chaudière, surtout dans le cas de forte puissance et de haute pression, est directement intégrée dans un cycle de production d’énergie, et intimement liée à une turbine et à un poste de réchauffage d’eau par soutirage ; son comportement, surtout en période de variation de charge (rapide ou lente, démarrage ou arrêt), doit contribuer à assurer à l’ensemble le meilleur rendement et ne doit pas compromettre la bonne tenue des matériels associés. a. Conditions de fonctionnement Selon le cycle de production d’énergie dans lequel elle se trouve intégrée, ou selon l’utilisation de la vapeur produite, on peut demander à une chaudière de fonctionner :  en permanence à son allure maximale ;  en production de base ;  au fil d’un combustible de récupération ;  en production adaptée à la demande d’un réseau, avec par exemple arrêts toutes les fins de semaine ;  en production de pointe uniquement, avec possibilité de prise de charge rapide. Ce premier type d’exigence influe directement sur la conception, en particulier sur le choix :  du mode de circulation (lié à l’inertie thermique) ;  du rendement (en relation avec l’investissement et l’amortissement sur la période prévue de fonctionnement) ;  de certaines caractéristiques constructives (contraintes thermiques en variation de charge). Il est fréquent que le consultant, connaissant les problèmes liés à l’utilisation désirée, définisse certains impératifs, à commencer par le mode de circulation. Par contre, il est très rare qu’il précise le rendement qu’il attend, laissant aux différents compétiteurs la liberté de le choisir, mais leur imposant de le garantir ; c’est pour le constructeur un choix délicat pour deux raisons :  un bon rendement implique un investissement élevé en récupérateurs terminaux et en dispositifs de préparation de combustible (finesse du charbon) ;  les valeurs annoncées ne sont pas directement comparables entre elles ; elles diffèrent en fonction d’options plus ou moins explicitées telles que : préchauffeur d’air en service ou non, choix de la température de référence, code de présentation du rendement (article Conception et calcul des chaudières : comportement et performances Conception et calcul des chaudières : comportement et performances) et aussi base de référence du pouvoir calorifique du combustible (supérieur ou inférieur). 7
  • 8. b. Caractéristiques de l’eau et de la vapeur En premier lieu, ce sont les valeurs des débits, pression et température de l’eau et de la vapeur qui définissent la marche maximale continue, c’est-à-dire celles de :  l’eau d’alimentation, généralement à l’entrée de l’économiseur ;  la vapeur surchauffée, à la sortie de la surchauffeur haute température ;  la vapeur à resurchauffer, à l’entrée du resurchauffeur basse température ; dans certains cas, il est imposé une valeur maximale admissible de la perte de charge dans les resurchauffeurs ;  la vapeur resurchauffée (cycle d’une ou deux resurchauffes), à la sortie du resurchauffeur haute température. En ce qui concerne la température de l’eau d’injection en surchauffe ou resurchauffe, elle est généralement différente de la température d’eau d’alimentation, car prise plus en amont dans le circuit de façon à disposer d’une perte de charge suffisante pour assurer une dispersion correcte par l’injecteur. Le débit de l’eau d’injection est estimé a priori, car il constitue une marge de surdimensionnement ; il est ensuite vérifié par le résultat du calcul des échanges en surchauffe et resurchauffe. Ensuite, ce sont les conditions de marche à puissance variable qui peuvent être :  soit à pression fixe à la sortie de la dernière surchauffeur ou à l’entrée de la turbine ;  soit en pression glissante ; la marche en pression glissante permet à la turbine de fonctionner sans laminage de vapeur à l’entrée ou sans chute de pression importante en amont de sa première roue et, par conséquent, d’avoir en cours de détente aux différents étages une température de vapeur et, par suite, une température de métal qui varie beaucoup moins suivant l’allure que lorsque la pression d’admission est fixe. La pression glissante permet également de réduire la puissance de pompage de l’eau d’alimentation à basse charge, donc de diminuer l’énergie consommée par le plus important des auxiliaires et, ainsi, d’améliorer la consommation à basse allure. Cette marche en pression glissante, appréciée dans les installations qui doivent fonctionner à allures variables, impose en contrepartie l’obligation pour les éléments sous pression de la chaudière situés dans la zone de vaporisation de supporter des variations rapides de température. En ce cas, pour réduire les contraintes d’origine thermique, on est conduit à limiter les épaisseurs des parties métalliques et donc à proscrire les réservoirs ; de ce fait, le modèle à passage direct de vapeur et circulation forcée (once through en désignation américaine) est pratiquement imposé par la pression glissante. Lorsque la chaudière est associée à une turbine, les caractéristiques de l’eau et de la vapeur varient avec l’allure, principalement par suite de la présence d’un poste d’eau alimenté par soutirage. À défaut de renseignements précis donnés par l’ensemblier ou le turbinier, on peut estimer :  que la pression absolue d’un soutirage est proportionnelle au débit de vapeur ;  que la température de l’eau d’alimentation sortant d’un réchauffeur par soutirage varie comme la température de saturation liée à la pression de ce soutirage. Ces variations de pression de soutirage ont leur importance car elles peuvent intervenir aussi dans le choix : 8
  • 9.  du niveau de prélèvement de la vapeur de ramonage ;  du niveau de la vapeur de réchauffage des combustibles liquides ou de l’air à préchauffer. En outre, pour conserver un bon rendement du cycle de détente dans la turbine, il est utile de maintenir constantes, à leur valeur maximale, les températures de la vapeur surchauffée et de la vapeur resurchauffée dans une assez large plage de fonctionnement. La détermination de cette plage intervient dans le choix de la position et de la dimension des surfaces d’échangeurs ; elle intervient aussi dans le choix du mode de régulation adopté (par recirculation des fumées, par inclinaison des brûleurs ou variation de la position du feu, par dérivation de fumées dans des carneaux divisés). Enfin, la température naturelle de surchauffe d’une chaudière est différente suivant que la température de l’eau d’alimentation varie avec la puissance demandée ou reste constante. c. Caractéristiques du combustible Il est bien évident qu’une chaudière ne peut pas brûler indifféremment n’importe quel type de combustible et cela d’autant moins que, dans les constructions modernes, la combustion se passe dans un foyer dont les parois sont constituées d’écrans tubés à 95 ou 100 %. Ces parois tubées, donc refroidies, participent activement à la production de vapeur et les quantités de chaleur reçues sont sous la dépendance du rayonnement émis par les produits en combustion, rayonnement qui peut différer fortement d’un combustible à l’autre. Il y a donc une étroite concordance entre les échanges dans cette zone et la nature du combustible. En outre, les volumes d’air et de fumées produits ne sont pas les mêmes, à quantité égale de chaleur dégagée. Suivant le combustible employé (gaz, fuel, charbon, lignite, gaz de haut-fourneau, etc.), certaines propriétés ont une influence sur la conception de la chaudière, principalement sur celle des brûleurs, du foyer et des trémies de cendrier, mais également sur les échangeurs installés sur le trajet des fumées. Pouvoir calorifique : le débit du combustible en dépend directement et, par suite, la dimension de tous les dispositifs de préparation de celui-ci, qu’il s’agisse de détendeur pour la combustion du gaz, de pompes et de poste de réchauffage pour la combustion des huiles, ou d’alimentateurs, distributeurs et broyeurs pour la fourniture du charbon pulvérisé. Teneur en cendres et leur composition : pour les combustibles solides, la simple présence de cendres impose des trémies ou des pentes de cendrier d’au moins 55o sur l’horizontale, nécessaires pour assurer leur écoulement correct ; la minéralogie, ou plus simplement la teneur en silice des cendres, par suite de l’érosion, conduit également à limiter la vitesse des fumées pour réduire les usures localisées de tubes. La composition chimique des cendres, en relation directe avec la fusibilité, intervient dans les dépôts et les accrochages sur les parois du foyer et sur les premiers échangeurs rencontrés, dans le respect d’une température limite à la sortie du foyer, ainsi que dans la recherche, même dans la zone des brûleurs, de dégagements calorifiques modérés, pour éviter les accrochages sur les parois. En ce qui concerne les cendres volantes, la corrosion à haute température oblige à installer dans les fumées dont la température dépasse 900 oC des échangeurs traversés par de la vapeur froide (c’est-à-dire assez proche de la saturation) de façon que la température du métal des tubes reste 9
  • 10. au-dessous de la température des eutectiques, pour éviter tout contact entre phase liquide externe et métal. Dans le cas d’huiles, les teneurs en vanadium et sodium sont des facteurs prioritaires de corrosion à haute température par suite de la formation d’eutectiques à 600 / 700 oC. Humidité du combustible : elle intervient de deux façons :  par la nécessité de sécher celui-ci (en même temps qu’on le broie) de façon qu’il s’allume correctement (séchage par air chaud ou par recirculation de fumées prélevées directement dans le foyer, s’il s’agit de lignites) ;  par le fait que l’eau de combustible se retrouve dans les fumées dont elle augmente considérablement la quantité et le volume (sauf dispositif exceptionnel d’élimination de l’eau en cours de broyage au moyen d’un circuit d’exhaure vers l’extérieur). Teneur en matières volatiles (pour les combustibles solides) : la quantité et la qualité des matières volatiles interviennent dans leur facilité d’allumage ou de combustion et directement dans le temps nécessaire à la combustion. Elle a ainsi une influence sur la vitesse admissible pour l’air primaire et, par conséquent, sur la forme des brûleurs ; lorsque cette teneur en matières volatiles devient très faible, il est même nécessaire d’adapter la géométrie du foyer pour installer des brûleurs en voûte et réaliser une flamme verticale, descendante dans sa première partie. La teneur en matières volatiles détermine aussi l’excès d’air nécessaire. On se trouve en présence d’un phénomène similaire lorsqu’il s’agit de brûler des gaz pauvres ou comportant des ballasts assez élevés (azote, CO2 ) ; il y a alors obligation de prévoir une zone d’allumage non refroidie (présence de réfractaires) et un temps de séjour long, donc un volume de foyer important. Composition chimique : indépendamment des renseignements fournis par l’analyse immédiate qui donne les grandeurs énumérées dans le tableau 1, il est nécessaire de connaître l’analyse élémentaire du combustible pour, en fonction des réactions chimiques de combustion, calculer les volumes d’air nécessaires à celles-ci et les volumes de fumées en résultant. La teneur en soufre intervient dans la détermination des précautions à prendre pour éviter des corrosions à haute température dans les zones chaudes (environnement des brûleurs, échangeurs haute température dans le cas de combustible liquide) et pour limiter les conséquences de la corrosion sulfurique à basse température dans les économiseurs froids et les réchauffeurs d’air. La teneur en azote intervient partiellement dans la pollution par les oxydes d’azote. d. Performances attendues et conditions générales d’utilisation Les performances intervenant dans le choix de l’architecture d’une chaudière sont principalement :  la plage de fonctionnement pour laquelle on désire maintenir constantes les températures de vapeur surchauffée et resurchauffée ;  le seuil au-dessus duquel le fonctionnement est assuré par une régulation automatique ;  le seuil au-dessus duquel la marche est assurée par un seul combustible, sans soutien d’un combustible auxiliaire (ce seuil est souvent appelé minimum technique ) ;  la rapidité de variation de charge ;  le temps de démarrage, de montée en température, en pression et en puissance ; 10
  • 11.  l’allure de rendement optimal ;  l’allure de pointe et éventuellement les conditions de marche en surcharge et en surpression ;  le coût de l’énergie auxiliaire, soit sous forme de vapeur basse pression, soit sous forme d’énergie électrique ;  les conditions extrêmes d’utilisation telles que températures minimales en hiver, maximales en été, humidité, pluviométrie ;  l’environnement et en particulier les limitations de pollution et de bruit ;  les conditions sismiques. e. Conception générale À partir de toutes les indications recueillies dans le paragraphe 2, on peut définir les lignes générales de la chaudière, mais de toute façon un compromis entre des exigences très différentes est nécessaire, la contrainte la plus importante étant de réaliser un matériel fiable à un prix compétitif. Parmi les différents facteurs énumérés précédemment, certains ont des influences plus ou moins grandes sur la conception, comme le montre le tableau 2. 3. BILANS ÉNERGÉTIQUES ET BILAN MATIÈRE Avant de pouvoir définir les dimensions de matériel et en prélude à toute recherche de conditions de fonctionnement, il est nécessaire pour une allure déterminée de la chaudière d’effectuer successivement les calculs préalables suivants associés à quelques estimations annexes :  pour les bilans énergétiques :  calcul de la puissance utile,  estimation du rendement attendu,  calcul de la puissance à introduire dans la chaudière sous forme de combustible,  calcul du débit massique (ou volumique) de combustible ;  pour le bilan matière :  estimation de l’excès d’air nécessaire à l’obtention d’une combustion correcte (fonction de la nature du combustible),  calcul du débit d’air nécessaire à la combustion,  calcul du débit (massique et volumique) des fumées engendrées par la combustion, et éventuellement de la quantité de cendres produites. Il est évident que chacun de ces calculs ne peut être effectué qu’à partir des résultats des calculs précédents. Les valeurs obtenues sous forme de puissance introduite, de débit de fumées et de composition de celles-ci sont nécessaires pour le calcul du comportement du foyer et des échangeurs. a. Bilans énergétiques 3.1.1 Puissance utile (produite) 3.1.1.1 Puissance (ou chaleur) utile principale 11
  • 12. C’est l’énergie transmise aux fluides chauffés par unité de temps, c’est-à-dire la différence entre l’énergie exportée vers l’utilisation (turbine ou réseau) et celle retournée à la chaudière par les fluides à chauffer. Le fluide chauffé peut être à des états ou à des niveaux de pression différents ; on peut avoir ainsi pour une même chaudière (figure 3) : Un débit de vapeur surchauffée provenant principalement d’un débit d’eau d’alimentation à une certaine température, et complété par un débit d’eau d’injection (utilisé pour la régulation de la température de surchauffe) à une température différente de celle de l’eau d’alimentation. 12