CARACTÉRISTIQUES DES MEILLEURES CHAUDIÈRES INDUSTRIELLES
La chaudière industrielle sert à transférer la chaleur d’une source d’énergie primaire à un fluide caloporteur (liquide ou gaz), grâce à l’intégration d’une chambre de combustion interne pour assurer les processus nécessaires à la production industrielle ou pour chauffer des locaux.
L’interaction entre l’énergie et la matière implique tous les processus qui se produisent dans la nature et il est donc difficile d’imaginer un domaine qui ne soit pas lié aux sciences thermiques.
L’énergie existe sous différentes formes. La chaleur générée par les chaudières industrielles est une forme d’énergie capable d’être transmise d’un système à un autre en raison d’une différence de température.
Les principes de la thermodynamique, qui concerne les états d’équilibre, constituent le cadre logique pour comprendre le transfert de chaleur, la science qui met en jeu des systèmes qui ne sont pas en équilibre thermique et qui étudie la puissance d’échange d’énergie, c’est-à-dire la quantité d’énergie thermique transmise dans l’unité de temps.
Une caractéristique fondamentale des chaudières industrielles, en effet, est précisément la puissance thermique transmise.
CLASSIFICATION DES CHAUDIÈRES INDUSTRIELLES EN FONCTION DU CHANGEMENT D’ÉTAT DU FLUIDE
Les chaudières industrielles se subdivisent principalement sur la base d’une caractéristique fondamentale : le changement d’état du fluide ou non. Dans le premier cas, avec l’ébullition du fluide, on parle d’un générateur de vapeur (ou chaudière à vapeur industrielle), dans le second cas, en revanche, on se réfère principalement aux chaudières à eau chaude et à huile diathermique, les meilleures du marché, où le changement de phase ne se produit pas.
Les fluides caloporteurs, qui sont les moyens utilisés pour transporter l’énergie thermique, sont de différents types, mais l’eau liquide (chaude et surchauffée), la vapeur (saturée et surchauffée) et l’huile thermique sont les plus utilisés dans l’industrie. L’eau est de loin le fluide le plus utilisé dans les systèmes énergétiques.
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Les principales caractéristiques à prendre en compte lorsqu’on parle de chaudières industrielles sont les suivantes : Toutes les chaudières industrielles sont composées d’un brûleur, qui gère la flamme, et d’un corps de chaudière, qui abrite la chambre de combustion et les faisceaux de tubes, qui suivent des parcours différents selon l’application industrielle en question et se distinguent en tant que tubes de fumée ou tubes d’eau. Ce qui a permis l’évolution et le succès des générateurs de vapeur, c’est le passage des chaudières à tubes de fumée, comme l’historique chaudière de Cornouailles, aux chaudières à tubes d’eau, dans lesquelles l’eau circule dans des tubes rodés extérieurement par la fumée. À l’origine, la chaudière à tubes de fumée consistait en un grand récipient cylindrique avec un seul tube de fumée. Afin d’augmenter la surface d’échange, et donc la capacité des chaudières à vapeur, le nombre de tubes de foyer a été augmenté au fil du temps, conduisant à un type d’architecture connu sous le nom de tube de fumée. Ce type, connu aujourd’hui sous le nom de chaudière marine, est fréquemment adopté pour les chaudières de chauffage. Les limites de capacité, résultant de l’utilisation de grands corps sous pression, ont été surmontées par l’adoption d’architectures de chaudières très différentes appelées tubes d’eau : le liquide vaporisé à haute pression est confiné dans des tubes de petit diamètre rodés extérieurement par les produits de la combustion. L’important changement conceptuel consistant à inverser le passage des gaz de combustion et de l’eau a permis le changement de phase à l’intérieur des tubes, favorisant la circulation et permettant d’augmenter la pression de fonctionnement. Le processus de production de vapeur se déroule le long d’un circuit divisé en 3 phases : En ce qui concerne le rendement d’une chaudière industrielle, le type de combustible utilisé pour chauffer le fluide caloporteur joue un rôle essentiel. La combustion est une réaction entre un combustible et un oxydant qui libère une quantité importante d’énergie. L’énergie chimique d’un combustible fossile est convertie en énergie thermique, qui peut être utilisée pour le chauffage ou être convertie en énergie mécanique par des turbines. L’utilisation du gaz naturel est très répandue, notamment dans les chaudières à tubes de fumée, où les valeurs de puissance et de pression sont limitées, généralement inférieures à 20 bars, contrairement aux chaudières à tubes d’eau, où les valeurs de pression peuvent atteindre 160 bars. Les chaudières à tubes de fumée sont largement utilisées dans les processus de production de secteurs tels que l’alimentation, le textile et les hôpitaux : le gaz naturel est le combustible idéal pour ces applications, car il garantit un rendement élevé et des coûts réduits. Les chaudières à tubes d’eau sont généralement plus grandes et peuvent produire de la vapeur en brûlant du charbon ou des combustibles fossiles, comme dans le cas des centrales électriques, où elles sont utilisées pour alimenter de grandes turbines. Le fluide caloporteur subit un changement d’état dans chaque zone de l’échangeur de chaleur : Le type le plus courant de chaudière à tubes d’eau dans les centrales à vapeur modernes est le type à rayonnement. L’eau d’alimentation provenant du dernier robinet, après avoir traversé l’économiseur ECO (s’il y en a un), entre dans le corps cylindrique (séparateur de vapeur) en se mélangeant avec la vapeur provenant du collecteur supérieur, auquel sont raccordés les tubes de vapeur. Ces derniers forment des panneaux tout le long de la chambre de combustion et sont alimentés par les collecteurs inférieurs, qui sont également reliés au corps cylindrique par un tuyau situé à l’extérieur de la chambre de combustion. La vapeur saturée est prélevée dans le séparateur et envoyée vers les bancs de surchauffe SH1- SH2. Le surchauffeur est la partie la plus sollicitée thermiquement : il est traversé par un fluide, la vapeur surchauffée, dont le coefficient de transmission convective est relativement faible (par rapport à la vapeur saturée circulant dans les tubes du vaporisateur) et dont la température de paroi est extrêmement élevée (750°C). Dans les tubes vaporisateurs, la température de la paroi est beaucoup plus basse (318°C). L’économiseur ECO est désormais présent dans tous les types de chaudières industrielles. Il est également appelé échangeur de chaleur : il récupère la chaleur des gaz de combustion à la sortie pour préchauffer l’eau entrante, ce qui permet d’augmenter le rendement de 5 %. Pour les circuits dont la température est inférieure à 50° C, l’installation d’un condenseur permet d’augmenter de 10% l’efficacité du système. L’air de combustion, qui est le comburant, est poussé par une soufflante (ventilateur électrique) dans la chambre de combustion. Il est préchauffé dans un échangeur rotatif qui retire la chaleur des gaz de combustion encore très chauds qui sortent de l’ECO économiseur. Ce dernier, qui préchauffe l’eau, exclut la possibilité de récupérer la chaleur des gaz de combustion en la transférant à l’eau et rend donc nécessaire le préchauffage de l’air pour ne pas diminuer le rendement du générateur de vapeur. Les gaz de combustion chauds sont d’abord traités chimiquement pour limiter les émissions, puis expulsés par tirage.PARAMÈTRES À PRENDRE EN CONSIDÉRATION POUR LES CHAUDIÈRES INDUSTRIELLES
CARACTÉRISTIQUES ET FONCTIONNEMENT DES CHAUDIÈRES INDUSTRIELLES
Combustion
Trajet eau-vapeur
Chemin de l’air et des gaz de combustion
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