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Bilan thermique
Chaudière à vapeur
27/04/2020
1
BIL AN THERMIQUE DE L A
CHAUDIÈRE À VAPEUR
I. INTRODUCTION
II. RENDEMENTS CHAUDIÈRE
III.BIL AN ÉNERGÉTIQUE
❑ Energie entrante
❑ Energie sortante
❑ Bilan
❑ Interprétation
❑ recommandation
2
INTRODUCTION:
• La chaleur apportée par un combustible qui brule dans la chaudière n’est
pas totalement récupérée par le fluide que l’on veut chauffer, on opère une
partie par différentes mécanismes.
• La chaleur apportée par unité de masse est également le pouvoir
calorifique du combustible;
• La chaleur qui sert à chauffer est appelée la chaleur utile;
• les pertes qui sont de différents natures ne peuvent être éliminées
cependant, les règles de conduite et d’entretien permettent de réduire ces
pertes au minimum et d’augmenter l’efficacité de la chaudière;
• Cette efficacité est exprimée par le rapport entre l’énergie utile est
l’énergie introduite apportée par le combustible.
3
RENDEMENTS CHAUDIÈRE :
• Rendement calorifique :
C’est le rapport de la quantité de chaleur fournie à l’eau en un
temps bien déterminée à la quantité de chaleur libérée par la
combustion complète du combustible dans le même temps.
Ƞ=
• Rendement net :
Le fonctionnement de la chaudière nécessite l’utilisation des
appareils auxiliaire qui consomment de l’énergie (pompes,
ventilateur, réchauffeur,…) le rendement net s’obtient en
déduisant l’énergie consommée par ces appareils. 4
BILAN ÉNERGÉTIQUE :
• Le bilan thermique (énergétique) sera établit à
partir de la température 0°C que l’on prend comme
base.
• Il reste donc à évaluer les différentes aspects
d’énergie on admettant le principe :
Energie entrante=énergie sortante
5
BILAN ÉNERGÉTIQUE :
Energie entrante :
Le générateur reçoit en une heure :
• Une masse de combustible q qui a un pouvoir calorifique Pci dont l’apport
calorifique correspond à : Q1= q*Pci.
• Le combustible à une chaleur massique spécifique Cc, pénétrant dans la
chaudière à une températureTc, il apporte comme chaleur sensible :
Q2=q*Tc*Cc
• Le débit d’air à un pouvoir comburivore A, une chaleur massique Ca et
pénétrant dans la chaudière à une températureTa, il apporte comme chaleur
sensible : Q3=qA*Ca*Ta.
• Le débit Ie d’eau d’alimentation pénètre dans la chaudière à une température
Te, son enthalpie est He, il apporte comme chaleur sensible : Q4=Ie*He.
6
BILAN ÉNERGÉTIQUE :
Energie sortante :
Dans la même heure la chaudière évacue :
• L’énergie produite : pour un débit Ie de vapeur d’enthalpie Hv on a une
quantité de chaleur: Qv=Hv*Ie.
Les différentes Pertes :
Pertes par les fumées:
Le débit de fumée évacué vers l’extérieur : If = q(A+1) .
Il a donc comme quantité de chaleur :
P1= If *Cf*Tf = q(A+1)*Cf*Tf
Cf : chaleur massique des fumées.
Tf : température des fumées.
7
BILAN ÉNERGÉTIQUE :
Les différentes Pertes :
• Pertes par les fumées:
Les pertes par les fumées se calculent parfois par la relation semi-
empirique suivante :
Qf : pertes par les fumées (en %) du pouvoir calorifique du
combustible consommé;
m : coefficient variant avec le combustible on a pour le fioul m=0.6 ;
Tfu-Ta : écart de température entre les fumées (Tfu) et l’air
comburant (Ta) ;
a : teneur (en %) du CO2 dans les fumées.
Alors, Les pertes par les fumées sont : P1=q*Qf
Note :Il ya intérêt évident de réduire le plus possible la température
des fumées quittant la chaudière. La chaleur emportée par ces
fumées rejetée à l’atmosphère est perdue. 8
BILAN ÉNERGÉTIQUE :
• Pertes par les imbrulés :
Les imbrulées solides et gazeuses, ils sont estimés à P2=1%.
• Pertes par les parois :
Ce sont les pertes à travers l’isolation qui n’est jamais parfaite.
Leur calcul est difficile, elles dépendent de la géométrie de la
chaudière, de la composition des parois, de l’état du calorifugeage et
de son entretien.
Les pertes par les parois sont estimées à P3 = 4%.
• Pertes par les purges :
Ces pertes proviennent de la chaleur sensible des purges.
Elles peuvent être réduites par un bon système de retour de
condensats.
Ces pertes dépendent de la température et du débit des purges.
Les pertes par les purges sont estimées à P4= 2.5%. 9
SCHÉMA RÉCAPITULATIF DU BILAN ÉNERGÉTIQUE :
10
BILAN ÉNERGÉTIQUE :
3. BILAN:
Energie entrante totale :
QETotale = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
= q*Pci + q*Tc*Cc +q A*Ca*ta+ Ie*He
Energie sortante totale :
QSTotale = Qv + P1+ P2 + P3 + P4 = Ie*Hv + Ptotale
Et puisque: QETotales = QSTotales
Alors: q*(Pc+Tc*Cc +A*Ca*ta)+ Ie*He = Ie*Hv + Ptotale
Ie (Hv – He) = q*(Pci +Tc*Cc +A*Ca*ta) – Ptotale
Puissance utile = Puissance absorbée – Pertes
η= Putil/Pabs=
11
AMÉLIORATION DU RENDEMENT CALORIFIQUE :
• L’amélioration du rendement consiste à réduire les différentes pertes :
• Pertes par les fumées et par les imbrulés:
La réduction de ces pertes peut être obtenue soit par :
a. réglage de l’excès d’air au niveau du registre :
Pas assez d’air : Risque de combustion incomplète avec présence de
CO (Danger, mauvais rendement)
Trop d’air : Gaspillage d’énergie.
Solutions possibles : - Mesures et réglages périodiques.
- Mise en place d’une régulation / O2 – CO.
Gain attendu : 0,5 à 2% sur PC
b. Entretien et réglage des organes de la pulvérisation du fioul
et de la distribution de l’air au niveau du brûleur.
12
c. Abaissement de la température des fumées à la sortie de la
cheminée:
• On dispose des divers réchauffeurs d’eau et de l’air dans la conduite de
fumée, ce qui permet d'augmenter considérablement le rendement des
chaudières de 4 à 6%, mais on ne peut pas abaisser la température des gaz au
dessous d’une certaine valeur pour éviter la corrosion produite par la
condensation du H2SO4.
• De même, les analyses des fumées montrent que la température des fumées
s’élève avec le temps de fonctionnement de l’installation, cette augmentation
est due à l’accumulation des dépôts de tartre et les suies et cendres volantes
sur les surfaces d’échanges, ce qui provoque une diminution du transfert de
chaleur et de la production de vapeur, donc une chute du rendement.
• Solutions possibles :
➢ Nettoyer les surfaces d’échanges, par l’opération du ramonage qui doit
être effectuée régulièrement.
➢ Améliorer l’adoucissement de l’eau afin d’éliminer les ions alcalino-
terreux responsables de la dureté de l’eau et donc des dépôts de tartre
dans les installations.
AMÉLIORATION DU RENDEMENT CALORIFIQUE :
13
• Pour les pertes par les purges :
Pour réduire ces pertes on peut insérer un séparateur de phase ou
vase de ré-vaporisation afin de récupérer la vapeur de ré-vaporisation
qui apparait lors d’une chute de pression de condensat, elle est visible
à la sortie de purgeur quand celui-ci évacue le condensat à l’air libre.
AMÉLIORATION DU RENDEMENT CALORIFIQUE :
14
• Pour les pertes par les parois:
On peut diminuer ces pertes par:
✓ Utilisation de bon isolant des parois afin de minimiser le flux
de chaleur sortant de la chaudière;
✓la remise on état correct du calorifugeage après chaque
entretien.
AMÉLIORATION DU RENDEMENT CALORIFIQUE :
15
EXERCICE D’APPLICATION
Une chaudière à vapeur est caractérisée par les données constructeur
suivantes :
• Rendement à l’essai 90.5% ;
• Les pertes par les fumées : 4% de la puissance absorbée ;
• Les pertes par les parois : 3.5% de la puissance absorbée ;
• Les pertes par les purges : 2% de la puissance absorbée ;
• Les pertes par les imbrulées négligeables.
• Après, une exploitation de 15 mois, on a relève les paramètres de
fonctionnement suivants :
• L’eau d’alimentation :
• Le débit d’eau : Ie=2000kg/h ;
• La température d’entrée au ballon supérieur 120°C ;
• La chaleur spécifique de l’eau liquide Cp = 4.18 kJ/kg °C.
• Température de sortie vapeurTs=300°C ;
• Pression de sortie vapeur 20 bars absolue. 16
(Suite)
• Combustible :
o Débit q=150kg/h ;
o La chaleur massique spécifique du combustible est Cc=
2.1kj/kg°C, àTc=120°C ;
o Le pouvoir calorifique Pci=11.3 kWh/kg.
• Air :
o Température de l’air :Ta=45°C ;
o Le pouvoir comburivore :A0=15,2 ;
o L’excès d’air e=2% ;
o La chaleur massique spécifique de l’air est 1kj/kg °C.
• Fumées :
o Température :Tf = 270°C ;
o Chaleur massique des fumées Cf=1.17 kJ/kg °C ;
EXERCICE D’APPLICATION
17
(Suite)
Etablir le bilan thermique de la chaudière :
1. Calculer en KW
– Les énergies entrantes.
– Les énergies sortantes.
2. Calculer :
– La puissance absorbée Pa.
– La puissance utile Pu.
– Le rendement de la chaudière ch.
– L’évacuation calorifique P2 correspond aux autres pertes
(purges, parois…)
3. Interpréter les résultats ;
4. Quelles recommandations suggérez-vous pour la mise à niveau
des performances de la chaudière ?
EXERCICE D’APPLICATION
18
19
26
NB. Les réponses de l’exercice d’application à
envoyer par Watsapp, dernier délais le
30.04.2020 à 18heure.

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  • 1. Bilan thermique Chaudière à vapeur 27/04/2020 1
  • 2. BIL AN THERMIQUE DE L A CHAUDIÈRE À VAPEUR I. INTRODUCTION II. RENDEMENTS CHAUDIÈRE III.BIL AN ÉNERGÉTIQUE ❑ Energie entrante ❑ Energie sortante ❑ Bilan ❑ Interprétation ❑ recommandation 2
  • 3. INTRODUCTION: • La chaleur apportée par un combustible qui brule dans la chaudière n’est pas totalement récupérée par le fluide que l’on veut chauffer, on opère une partie par différentes mécanismes. • La chaleur apportée par unité de masse est également le pouvoir calorifique du combustible; • La chaleur qui sert à chauffer est appelée la chaleur utile; • les pertes qui sont de différents natures ne peuvent être éliminées cependant, les règles de conduite et d’entretien permettent de réduire ces pertes au minimum et d’augmenter l’efficacité de la chaudière; • Cette efficacité est exprimée par le rapport entre l’énergie utile est l’énergie introduite apportée par le combustible. 3
  • 4. RENDEMENTS CHAUDIÈRE : • Rendement calorifique : C’est le rapport de la quantité de chaleur fournie à l’eau en un temps bien déterminée à la quantité de chaleur libérée par la combustion complète du combustible dans le même temps. Ƞ= • Rendement net : Le fonctionnement de la chaudière nécessite l’utilisation des appareils auxiliaire qui consomment de l’énergie (pompes, ventilateur, réchauffeur,…) le rendement net s’obtient en déduisant l’énergie consommée par ces appareils. 4
  • 5. BILAN ÉNERGÉTIQUE : • Le bilan thermique (énergétique) sera établit à partir de la température 0°C que l’on prend comme base. • Il reste donc à évaluer les différentes aspects d’énergie on admettant le principe : Energie entrante=énergie sortante 5
  • 6. BILAN ÉNERGÉTIQUE : Energie entrante : Le générateur reçoit en une heure : • Une masse de combustible q qui a un pouvoir calorifique Pci dont l’apport calorifique correspond à : Q1= q*Pci. • Le combustible à une chaleur massique spécifique Cc, pénétrant dans la chaudière à une températureTc, il apporte comme chaleur sensible : Q2=q*Tc*Cc • Le débit d’air à un pouvoir comburivore A, une chaleur massique Ca et pénétrant dans la chaudière à une températureTa, il apporte comme chaleur sensible : Q3=qA*Ca*Ta. • Le débit Ie d’eau d’alimentation pénètre dans la chaudière à une température Te, son enthalpie est He, il apporte comme chaleur sensible : Q4=Ie*He. 6
  • 7. BILAN ÉNERGÉTIQUE : Energie sortante : Dans la même heure la chaudière évacue : • L’énergie produite : pour un débit Ie de vapeur d’enthalpie Hv on a une quantité de chaleur: Qv=Hv*Ie. Les différentes Pertes : Pertes par les fumées: Le débit de fumée évacué vers l’extérieur : If = q(A+1) . Il a donc comme quantité de chaleur : P1= If *Cf*Tf = q(A+1)*Cf*Tf Cf : chaleur massique des fumées. Tf : température des fumées. 7
  • 8. BILAN ÉNERGÉTIQUE : Les différentes Pertes : • Pertes par les fumées: Les pertes par les fumées se calculent parfois par la relation semi- empirique suivante : Qf : pertes par les fumées (en %) du pouvoir calorifique du combustible consommé; m : coefficient variant avec le combustible on a pour le fioul m=0.6 ; Tfu-Ta : écart de température entre les fumées (Tfu) et l’air comburant (Ta) ; a : teneur (en %) du CO2 dans les fumées. Alors, Les pertes par les fumées sont : P1=q*Qf Note :Il ya intérêt évident de réduire le plus possible la température des fumées quittant la chaudière. La chaleur emportée par ces fumées rejetée à l’atmosphère est perdue. 8
  • 9. BILAN ÉNERGÉTIQUE : • Pertes par les imbrulés : Les imbrulées solides et gazeuses, ils sont estimés à P2=1%. • Pertes par les parois : Ce sont les pertes à travers l’isolation qui n’est jamais parfaite. Leur calcul est difficile, elles dépendent de la géométrie de la chaudière, de la composition des parois, de l’état du calorifugeage et de son entretien. Les pertes par les parois sont estimées à P3 = 4%. • Pertes par les purges : Ces pertes proviennent de la chaleur sensible des purges. Elles peuvent être réduites par un bon système de retour de condensats. Ces pertes dépendent de la température et du débit des purges. Les pertes par les purges sont estimées à P4= 2.5%. 9
  • 10. SCHÉMA RÉCAPITULATIF DU BILAN ÉNERGÉTIQUE : 10
  • 11. BILAN ÉNERGÉTIQUE : 3. BILAN: Energie entrante totale : QETotale = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = q*Pci + q*Tc*Cc +q A*Ca*ta+ Ie*He Energie sortante totale : QSTotale = Qv + P1+ P2 + P3 + P4 = Ie*Hv + Ptotale Et puisque: QETotales = QSTotales Alors: q*(Pc+Tc*Cc +A*Ca*ta)+ Ie*He = Ie*Hv + Ptotale Ie (Hv – He) = q*(Pci +Tc*Cc +A*Ca*ta) – Ptotale Puissance utile = Puissance absorbée – Pertes η= Putil/Pabs= 11
  • 12. AMÉLIORATION DU RENDEMENT CALORIFIQUE : • L’amélioration du rendement consiste à réduire les différentes pertes : • Pertes par les fumées et par les imbrulés: La réduction de ces pertes peut être obtenue soit par : a. réglage de l’excès d’air au niveau du registre : Pas assez d’air : Risque de combustion incomplète avec présence de CO (Danger, mauvais rendement) Trop d’air : Gaspillage d’énergie. Solutions possibles : - Mesures et réglages périodiques. - Mise en place d’une régulation / O2 – CO. Gain attendu : 0,5 à 2% sur PC b. Entretien et réglage des organes de la pulvérisation du fioul et de la distribution de l’air au niveau du brûleur. 12
  • 13. c. Abaissement de la température des fumées à la sortie de la cheminée: • On dispose des divers réchauffeurs d’eau et de l’air dans la conduite de fumée, ce qui permet d'augmenter considérablement le rendement des chaudières de 4 à 6%, mais on ne peut pas abaisser la température des gaz au dessous d’une certaine valeur pour éviter la corrosion produite par la condensation du H2SO4. • De même, les analyses des fumées montrent que la température des fumées s’élève avec le temps de fonctionnement de l’installation, cette augmentation est due à l’accumulation des dépôts de tartre et les suies et cendres volantes sur les surfaces d’échanges, ce qui provoque une diminution du transfert de chaleur et de la production de vapeur, donc une chute du rendement. • Solutions possibles : ➢ Nettoyer les surfaces d’échanges, par l’opération du ramonage qui doit être effectuée régulièrement. ➢ Améliorer l’adoucissement de l’eau afin d’éliminer les ions alcalino- terreux responsables de la dureté de l’eau et donc des dépôts de tartre dans les installations. AMÉLIORATION DU RENDEMENT CALORIFIQUE : 13
  • 14. • Pour les pertes par les purges : Pour réduire ces pertes on peut insérer un séparateur de phase ou vase de ré-vaporisation afin de récupérer la vapeur de ré-vaporisation qui apparait lors d’une chute de pression de condensat, elle est visible à la sortie de purgeur quand celui-ci évacue le condensat à l’air libre. AMÉLIORATION DU RENDEMENT CALORIFIQUE : 14
  • 15. • Pour les pertes par les parois: On peut diminuer ces pertes par: ✓ Utilisation de bon isolant des parois afin de minimiser le flux de chaleur sortant de la chaudière; ✓la remise on état correct du calorifugeage après chaque entretien. AMÉLIORATION DU RENDEMENT CALORIFIQUE : 15
  • 16. EXERCICE D’APPLICATION Une chaudière à vapeur est caractérisée par les données constructeur suivantes : • Rendement à l’essai 90.5% ; • Les pertes par les fumées : 4% de la puissance absorbée ; • Les pertes par les parois : 3.5% de la puissance absorbée ; • Les pertes par les purges : 2% de la puissance absorbée ; • Les pertes par les imbrulées négligeables. • Après, une exploitation de 15 mois, on a relève les paramètres de fonctionnement suivants : • L’eau d’alimentation : • Le débit d’eau : Ie=2000kg/h ; • La température d’entrée au ballon supérieur 120°C ; • La chaleur spécifique de l’eau liquide Cp = 4.18 kJ/kg °C. • Température de sortie vapeurTs=300°C ; • Pression de sortie vapeur 20 bars absolue. 16
  • 17. (Suite) • Combustible : o Débit q=150kg/h ; o La chaleur massique spécifique du combustible est Cc= 2.1kj/kg°C, àTc=120°C ; o Le pouvoir calorifique Pci=11.3 kWh/kg. • Air : o Température de l’air :Ta=45°C ; o Le pouvoir comburivore :A0=15,2 ; o L’excès d’air e=2% ; o La chaleur massique spécifique de l’air est 1kj/kg °C. • Fumées : o Température :Tf = 270°C ; o Chaleur massique des fumées Cf=1.17 kJ/kg °C ; EXERCICE D’APPLICATION 17
  • 18. (Suite) Etablir le bilan thermique de la chaudière : 1. Calculer en KW – Les énergies entrantes. – Les énergies sortantes. 2. Calculer : – La puissance absorbée Pa. – La puissance utile Pu. – Le rendement de la chaudière ch. – L’évacuation calorifique P2 correspond aux autres pertes (purges, parois…) 3. Interpréter les résultats ; 4. Quelles recommandations suggérez-vous pour la mise à niveau des performances de la chaudière ? EXERCICE D’APPLICATION 18
  • 19. 19 26 NB. Les réponses de l’exercice d’application à envoyer par Watsapp, dernier délais le 30.04.2020 à 18heure.