Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Chaudières

On distingue deux grandes catégories de chaudières, dénommées d'après le fluide qui circule à l'intérieur des tubes : les chaudières à tubes de fumée, et les chaudières à tubes d'eau.

Chaudières à tubes de fumée

  • dans les premières la flamme se développe dans un tube foyer ondulé, puis les fumées parcourent des tubes, en une ou plusieurs passes, l'eau se trouvant à l'extérieur ;

  • dans les secondes l'eau circule à travers un réseau de tubes, par convection naturelle ou forcée, entre deux ballons placés l'un au-dessus de l'autre. La flamme se développe dans un foyer tapissé de tubes qui absorbent le rayonnement. Un second faisceau de tubes reçoit sa chaleur des fumées par convection. L'eau monte dans les tubes soumis au rayonnement, et descend par le faisceau de convection.

 Chaudières à tubes d'eau

Les chaudières à tubes de fumées permettent d'obtenir des températures de rejet des fumées plus basses (220 à 250 °C) que les chaudières à tubes d'eau (300 °C) sans économiseur, ce qui leur confère un rendement légèrement supérieur.

En revanche, les premières sont limitées à des puissances plus faibles que les secondes, pour des raisons de tenue mécanique et de sécurité (très grand volume d'eau sous pression).

Leur domaine d'utilisation principal est la fourniture de vapeur saturée sous faible pression (< 15 bars), et elles représentent plus de 60 % du parc français de chaudières, contre 20 à 25 % pour les chaudières à tube d'eau, bien adaptées à la fourniture de vapeur surchauffée à moyen-ne et forte pression.

Une chaudière remplit trois fonctions successives :

  • chauffer l'eau d'alimentation pressurisée jusqu'à la température de vaporisation à la pression correspondante ;

  • vaporiser l'eau ;

  • et enfin la surchauffer à la température désirée.

Caractéristiques thermodynamiques

En première approximation, les chaudières peuvent être considérées comme isobares. Les pertes de charge sont en effet généralement relativement faibles.

Lorsque la combustion est non stoechiométrique, elle peut être caractérisée de plusieurs manières :

  • soit par l'excès d'air e, qui comme son nom l'indique, représente la quantité d'air en excès

  • soit par le facteur d'air lambda, qui est le terme multiplicateur de l'air dans l'équation de la combustion

  • soit par la richesse R, rapport du nombre de moles (ou de la masse) de combustible contenu dans une quantité déterminée de mélange, au nombre de moles (ou à la masse) de combustible dans le mélange stœchiométrique.

lambda = 1 correspond au mélange stœchiométrique, lambda > 1 à un excès d'air, et lambda < 1 à un excès de combustible

Ces trois grandeurs sont reliées par les relations simples lambda = 1 + e, et R = 1/lambda

Dans Thermoptim, une chaudière est représentée soit par une chambre de combustion

soit par un triple échangeur faisant appel à des transfos échange

Le paramétrage des écrans de combustion se fait en utilisant lambda.

Pour calculer une combustion, il y a trois manières d'opérer :

  • la première consiste à se donner la valeur de lambda et à calculer la température de fin de combustion et le débit de combustible nécessaire 

  • la deuxième consiste à à se donner la valeur de la température de fin de combustion et à calculer lambda et le débit de combustible nécessaire 

  • la troisième consiste à à se donner la valeur du combustible et à calculer lambda et la température de fin de combustion 

Références livre

Chapitre 5

 Un extrait de ce chapitre est librement téléchargeable avec l'accord des Presses de l'Ecole des Mines de Paris

 Séances Diapason disponibles

contenu

étapes

durée de la sonorisation

S15

Thermodynamique de la combustion

16

9 mn 50 s

S16

Technologie des chambres de combustion et des chaudières

9

4 mn

copyright R. Gicquel

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