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 l’allure de rendement optimal ;    l’allure de pointe et éventuellement les conditions de marche en surcharge et en    ...
C’est l’énergie transmise aux fluides chauffés par unité de temps, c’est-à-dire la différenceentre l’énergie exportée vers...
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Conception et calcul des chaudières

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  1. 1. Conception et calcul des chaudières : généralités et bilans1. PRÉSENTATION GÉNÉRALE : a. Définition et limites d’une chaudièreLe rôle d’une chaudière est essentiellement de transmettre de l’énergie apparaissant sous formede chaleur (avec ou sans combustion) à de l’eau sous pression pour obtenir soit de l’eausurchauffée sous pression, soit de la vapeur ou un fluide à l’état supercritique devenant de lavapeur par détente. De plus, les chaudières à vapeur de grande puissance sont en généralassociées 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 quechaudières à sodium, à mercure, à sel fondu, à fluide organique, etc.Par contre, les sources de chaleur envisagées proviennent soit de la combustion de produitsfossiles tels que charbon, pétrole, gaz naturel, soit de la combustion de sous-produits tels quefuel, gaz de raffinerie, de gazogène, de four à coke, soit de la combustion de déchets tels quebois, écorces, ordures ménagères, ainsi que de la liqueur noire intégrée dans un cycle derégénération de produits utilisés dans les papeteries, soit encore des récupérations de chaleurpure 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, leschaudières électriques, les chaudières nucléaires (étudiés dans d’autres rubriques spécialisées dece traité). Les chaudières à eau chaude sous pression ont également fait l’objet d’articlesspécialisés. b. Connaissances nécessaires pour aborder le calcul d’une chaudièreElles 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. 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 chaudièreSous 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 régimetransitoire, indispensable pour la détermination du type de régulation le mieux adapté etl’optimisation de ses paramètres.Le terme chaudière est couramment utilisé dans la profession bien qu’il serait plus exact deparler de générateur de vapeur, dénommé encore parfois groupe évaporatoire, terme plusgénéral 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, lepremier entièrement garni de réfractaires assurant la combustion (en général de charbon) et laproduction de chaleur, le second utilisant cette chaleur pour créer de la vapeur dans un récipientsuffisamment étanche, capable de résister à la pression.Ensuite, l’imbrication progressive d’éléments ou de tubes vaporisateurs au-dessus, puis autourdu foyer, a permis d’obtenir des échanges de chaleur par rayonnement direct et de rendre pluscompact cet ensemble, pour arriver, grâce aussi à l’adoption de construction en tubes d’aciersoudés bout à bout, à placer le foyer à l’intérieur de parois vaporisatrices. 2
  3. 3. Ces améliorations ont permis d’accroître la puissance unitaire des chaudières dont le nombren’est plus imposé comme autrefois par une limite de capacité (batteries de chaudières dans unbateau ou dans une ancienne chaufferie).À la même époque, avec l’utilisation de la vapeur comme force motrice par l’intermédiaire demachines à pistons (fixes ou mobiles - locomotives) et de turbines à vapeur se sont affinées lesnotions de thermodynamique et de recherche d’amélioration du rendement des cyclesénergétiques ; c’est ainsi que sont apparues, comme éléments favorables, l’augmentation de lapression 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 detempérature sur les aubages de la turbine, et permet également aux allures réduites un gain de lapuissance consommée par l’auxiliaire le plus gourmand : la pompe alimentaire.Ces développements successifs ont contribué à rendre de plus en plus élaborée la conceptiondes 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 bassepression (papeterie, sucrerie, etc.), l’installation d’une chaudière à haute pression suivie d’uneturbine à contre-pression entraînant un alternateur permet d’obtenir de l’énergie électrique à unprix 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 dechaudières avec des turbines à gaz, pour réaliser des cycles dits combinés, de type amont ouaval suivant la position de la turbine à gaz par rapport à la chaudière, la vapeur générée étantdétendue dans une turbine à vapeur, intégrée dans ce cycle. L’amélioration de rendementprovient de la récupération par la chaudière d’une partie de la chaleur sensible des gazd’échappement de la turbine à gaz. 3
  4. 4. Pour réaliser la transformation de l’enthalpie de formation (chaleur latente) contenue dans uncombustible en vapeur sous pression, à haute température, il faut procéder par étapessuccessives.D’abord la combustion : après préparation convenable du combustible, elle se produit grâce àdes brûleurs ou à des systèmes particuliers (grilles, lits fluidisés, etc.) dans un foyer ; mais, pource faire, il a fallu introduire l’oxygène nécessaire à cette combustion sous forme d’air, injectédans les brûleurs et dans le foyer. Cet air est pris à l’extérieur, et pulsé vers le foyer par unventilateur dit de soufflage. Il passe par un réchauffeur d’air qui permet, en refroidissant lesfumées qui sortent de la chaudière, d’améliorer le rendement de celle-ci ; par ailleurs, leréchauffage de l’air est bénéfique en ce sens qu’il améliore la combustion et assure le séchagedu combustible.Les produits de la combustion sortent à haute température du foyer (1 000 à 1 300 oC) sousforme de fumées et passent à travers des échangeurs qui transfèrent leur chaleur à de la vapeursaturée 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 versl’économiseur.Les fumées passent ensuite dans le réchauffeur d’air, dans un dépoussiéreur (ou dans uneinstallation de traitement complexe) et sont extraites par un ventilateur dit de tirage avant d’êtrerejetées dans l’atmosphère par une cheminée.Ce circuit air / fumées se complique quelquefois d’un recyclage qui consiste en une réinjectiondans le foyer de fumées prélevées à moyenne température (300 à 450 oC), recyclage nécessairepour obtenir un réglage correct de la température de resurchauffe. 4
  5. 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 plusieurszones 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, etinjectée dans de la vapeur surchauffée à un étage intermédiaire de surchauffe, et sert ainsi auréglage de la température de la vapeur à la sortie du dernier surchauffeur. L’injection de cetteeau de désurchauffe dans la vapeur se fait par pulvérisation dans un mélangeur appelédésurchauffeur ; 5
  6. 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 ladernière surchauffeur (SHT) ;— le circuit de RESURCHAUFFE permet d’élever la température de vapeur envoyée àmoyenne pression depuis la turbine jusqu’à une valeur en général égale, parfois légèrementsupérieure, à celle de sortie de la vapeur surchauffée ; le plus souvent, la resurchauffe s’effectuepar passage dans 2 échangeurs, disposés séparément dans le circuit des fumées ; ledésurchauffeur, nécessaire surtout pour assurer la protection des échangeurs et de la turbinecontre des dépassements intempestifs de température, est placé sur le circuit de vapeur entre les2 resurchauffeurs (ou parfois en tête, figure 2).2. DONNÉES DE DÉPART D’UN CALCUL DE CHAUDIÈRE. EFFETS SUR LACONCEPTIONOn peut considérer quatre catégories de données, nécessaires pour déterminer une chaudière etqui obligent à faire une conception sur mesure pour répondre à des conditions bienparticulières:  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 phénomènesphysiques ou chimiques 1.2, en les appliquant à une succession d’éléments le plus souventassimilables à des échangeurs. De ce fait, il est important de ne pas perdre de vue que lecomportement de chacun de ces échangeurs, de fonctions différentes, sous l’effet d’unphénomène donné (externe ou interne), a une réaction sur tous les autres. C’est l’une desraisons de la complexité des calculs. 6
  7. 7. Une autre source de complication provient du combustible ; rares sont les cas où l’on a affaire àUN 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 gisementlocal dont la nature peut varier selon les couches exploitées, on est obligé de travailler sur unegamme 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 directementintégrée dans un cycle de production d’énergie, et intimement liée à une turbine et à un poste deréchauffage 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 meilleurrendement et ne doit pas compromettre la bonne tenue des matériels associés. a. Conditions de fonctionnementSelon le cycle de production d’énergie dans lequel elle se trouve intégrée, ou selon l’utilisationde 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, définissecertains impératifs, à commencer par le mode de circulation.Par contre, il est très rare qu’il précise le rendement qu’il attend, laissant aux différentscompétiteurs la liberté de le choisir, mais leur imposant de le garantir ; c’est pour leconstructeur 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. 8. b. Caractéristiques de l’eau et de la vapeurEn premier lieu, ce sont les valeurs des débits, pression et température de l’eau et de la vapeurqui 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 estgénéralement différente de la température d’eau d’alimentation, car prise plus en amont dans lecircuit de façon à disposer d’une perte de charge suffisante pour assurer une dispersion correctepar l’injecteur. Le débit de l’eau d’injection est estimé a priori, car il constitue une marge desurdimensionnement ; il est ensuite vérifié par le résultat du calcul des échanges en surchauffeet 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 vapeurvarient avec l’allure, principalement par suite de la présence d’un poste d’eau alimenté parsoutirage.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 aussidans le choix : 8
  9. 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 demaintenir constantes, à leur valeur maximale, les températures de la vapeur surchauffée et de lavapeur resurchauffée dans une assez large plage de fonctionnement. La détermination de cetteplage intervient dans le choix de la position et de la dimension des surfaces d’échangeurs ; elleintervient aussi dans le choix du mode de régulation adopté (par recirculation des fumées, parinclinaison des brûleurs ou variation de la position du feu, par dérivation de fumées dans descarneaux divisés).Enfin, la température naturelle de surchauffe d’une chaudière est différente suivant que latempérature de l’eau d’alimentation varie avec la puissance demandée ou reste constante. c. Caractéristiques du combustibleIl est bien évident qu’une chaudière ne peut pas brûler indifféremment n’importe quel type decombustible et cela d’autant moins que, dans les constructions modernes, la combustion sepasse dans un foyer dont les parois sont constituées d’écrans tubés à 95 ou 100 %. Ces paroistubées, donc refroidies, participent activement à la production de vapeur et les quantités dechaleur 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 étroiteconcordance entre les échanges dans cette zone et la nature du combustible. En outre, lesvolumes 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 surcelle des brûleurs, du foyer et des trémies de cendrier, mais également sur les échangeursinstallés sur le trajet des fumées.Pouvoir calorifique : le débit du combustible en dépend directement et, par suite, la dimensionde tous les dispositifs de préparation de celui-ci, qu’il s’agisse de détendeur pour la combustiondu gaz, de pompes et de poste de réchauffage pour la combustion des huiles, oud’alimentateurs, distributeurs et broyeurs pour la fourniture du charbon pulvérisé.Teneur en cendres et leur composition : pour les combustibles solides, la simple présence decendres 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 teneuren silice des cendres, par suite de l’érosion, conduit également à limiter la vitesse des fuméespour réduire les usures localisées de tubes.La composition chimique des cendres, en relation directe avec la fusibilité, intervient dans lesdépôts et les accrochages sur les parois du foyer et sur les premiers échangeurs rencontrés, dansle respect d’une température limite à la sortie du foyer, ainsi que dans la recherche, même dansla zone des brûleurs, de dégagements calorifiques modérés, pour éviter les accrochages sur lesparois.En ce qui concerne les cendres volantes, la corrosion à haute température oblige à installer dansles 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. 10. au-dessous de la température des eutectiques, pour éviter tout contact entre phase liquideexterne et métal.Dans le cas d’huiles, les teneurs en vanadium et sodium sont des facteurs prioritaires decorrosion 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 desmatières volatiles interviennent dans leur facilité d’allumage ou de combustion et directementdans le temps nécessaire à la combustion. Elle a ainsi une influence sur la vitesse admissiblepour l’air primaire et, par conséquent, sur la forme des brûleurs ; lorsque cette teneur enmatières volatiles devient très faible, il est même nécessaire d’adapter la géométrie du foyerpour installer des brûleurs en voûte et réaliser une flamme verticale, descendante dans sapremière 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 pauvresou comportant des ballasts assez élevés (azote, CO2 ) ; il y a alors obligation de prévoir unezone d’allumage non refroidie (présence de réfractaires) et un temps de séjour long, donc unvolume de foyer important.Composition chimique : indépendamment des renseignements fournis par l’analyse immédiatequi donne les grandeurs énumérées dans le tableau 1, il est nécessaire de connaître l’analyseélémentaire du combustible pour, en fonction des réactions chimiques de combustion, calculerles 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 descorrosions à haute température dans les zones chaudes (environnement des brûleurs, échangeurshaute température dans le cas de combustible liquide) et pour limiter les conséquences de lacorrosion 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’utilisationLes performances intervenant dans le choix de l’architecture d’une chaudière sontprincipalement :  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. 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 généraleÀ partir de toutes les indications recueillies dans le paragraphe 2, on peut définir les lignesgénérales de la chaudière, mais de toute façon un compromis entre des exigences trèsdifférentes est nécessaire, la contrainte la plus importante étant de réaliser un matériel fiable àun prix compétitif.Parmi les différents facteurs énumérés précédemment, certains ont des influences plus ou moinsgrandes sur la conception, comme le montre le tableau 2. 3. BILANS ÉNERGÉTIQUES ET BILAN MATIÈREAvant de pouvoir définir les dimensions de matériel et en prélude à toute recherche deconditions de fonctionnement, il est nécessaire pour une allure déterminée de la chaudièred’effectuer successivement les calculs préalables suivants associés à quelques estimationsannexes :  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 calculsprécédents. Les valeurs obtenues sous forme de puissance introduite, de débit de fumées et decomposition de celles-ci sont nécessaires pour le calcul du comportement du foyer et deséchangeurs. a. Bilans énergétiques3.1.1 Puissance utile (produite)3.1.1.1 Puissance (ou chaleur) utile principale 11
  12. 12. C’est l’énergie transmise aux fluides chauffés par unité de temps, c’est-à-dire la différenceentre l’énergie exportée vers l’utilisation (turbine ou réseau) et celle retournée à la chaudièrepar les fluides à chauffer.Le fluide chauffé peut être à des états ou à des niveaux de pression différents ; on peut avoirainsi pour une même chaudière (figure 3) :Un débit de vapeur surchauffée provenant principalement d’un débit d’eau d’alimentation à unecertaine température, et complété par un débit d’eau d’injection (utilisé pour la régulation de latempérature de surchauffe) à une température différente de celle de l’eau d’alimentation. 12

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