cours-chaudières.pdf

COURS DES CHAUDIERES REALISE PAR : TOUATI MOUHAMED

1

COURS DES CHAUDIERES REALISE PAR : TOUATI MOUHAMED

2

L'objectif de ce cours est de montrer les principes de base de l’énergie thermique et ses applications industrielles. L’attention est centré sur la chaufferie composée de chaudières de différents types produisant de la vapeur saturée et de la vapeur surchauffée. À l’issue de ce cours, le participant Aura une meilleure compréhension des principes de base de la combustion Connaîtra les caractéristiques et différences des différents combustibles utilisés dans une chaufferie Aura une idée sur les différentes applications de la vapeur. Pourra déterminer l'efficacité d'une chaudière Comprendra les facteurs qui influencent l'efficacité d'une chaudière 3

PLAN DU COURS

GENERALITES

CHAUFFERIE

ECONOMIES D’ÉNERGIE DANS UN CIRCUIT DE VAPEUR

4

GENERALITES

5

QUELQUES DEFINITIONS CHALEUR MASSIQUE en J/(kg.K) Chaleur massique d'un corps homogène de masse 1 kilogramme dans lequel l'apport d'une quantité de chaleur produit une élévation de température thermodynamique de 1 kelvin. ENTHALPIE en kJ/kg La quantité de chaleur contenue par unité de masse dans un corps solide ou par Nm3 dans un gaz POUVOIR CALORIFIQUE en kJ/kg C’est l'enthalpie de réaction par unité de masse de combustible ou l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme de combustible

6

QUELQUES DEFINITIONS Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : « Quantité d'énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée condensée et la chaleur récupérée ». Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : « Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée et la chaleur non récupérée ». La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l’eau (Lv) multipliée par la quantité de vapeur produite (m), qui vaut à peu-près 2 250 kJ·kg-1 (cette dernière valeur dépend de la pression et de la température).

PCS = PCI + m.Lv 7

Chaleur latente (kJ/kg) L’énergie qui fait changer l'état physique d'un corps sans en modifier sa température. Exemple: quand on transforme 1kg de glace à -0°C en eau à +0°C, ceci demande une quantité de chaleur de 333,7 kJ, d'où une chaleur latente de 333,7 kJ (92,7 Wh). Chaleur sensible (kJ/kg) C’est l’énergie qui fait changer la température (refroidissement ou réchauffement) du corps sans modifier son état physique. Exemple : Pour faire passer 1 litre d'eau de 0°C à 100°C, ceci demande une fourniture de chaleur de 4,1855 x (100 - 0) = 418,55 kJ, d'ou une chaleur sensible de 418,55 kJ (116,26 Wh).

8

Chaleur sensible : La chaleur sensible c’est l’énergie qui fait varier la température de l’eau sans en changer l’état.

P = 1 bar t = 100°C h = 417 kJ Liquide v = 0,001044 m³/kg

9

Chaleur latente : La chaleur latente c’est l’énergie qui fait changer l’état du corps sans modifier la température.

111

Chaleur latente : P = 0 bar t = 100°C h = 417 kJ + 2 258 kJ Gaz v = 1,694 m³/kg Vaporisation

Condensation

10

NOTIONS SUR LA VAPEUR D’EAU VAPORISATION DE L’EAU : La vaporisation sous 10 bar

La température de vaporisation passe à 184°C et la chaleur sensible augmente jusqu’à 778 kJ. Il faut apporter 1998 kJ pour vaporiser totalement 1 kg d’eau.

11

PROPRIÉTÉS ET CARACTÉRISTIQUES DE LA VAPEUR Propriétés physiques de la vapeur saturée : La température (t en °C) t 370 → p 210,52 Température de Saturation Vapeur

12

La pression (P en bar) Évolution des caractéristiques de la Vapeur saturée en fonction de la pression absolue

13

L’enthalpie (h en kJ/kg) Variations d’enthalpie de la vapeur saturée en fonction de la pression

14

NOTIONS SUR LA COMBUSTION

Produits de réaction

DEFINITION La réaction chimique de combustion ne peut se produire que si l'on réunit trois éléments : – un combustible – un comburant – une énergie d'activation en quantités suffisantes.

Suies Gaz comburant

Zone combustion

Gaz combustible

15

4 TYPES DE COMBUSTION

- Combustion STOECHIOMETRIQUE ou neutre, qui est la référence: théorique. - Combustion COMPLETE par EXCES D'AIR ou oxydante, c'est à dire sans imbrûlé, ni solide ni gazeux, c'est la seule envisageable pour des brûleurs performant, c'est aussi l'objectif à atteindre dans le domaine du chauffage. - Combustion INCOMPLETE avec EXCES D'AIR (semi oxydante) - Combustion INCOMPLETE en DÉFAUT D'AIR (semi réductrice).

16

CONDITIONS DE COMBUSTION Un combustible sous forme gazeuse (pour les liquides : ils seront vaporisés, pour les solides pulvérisés,et les 3 (liquide, solide, gaz) seront chauffés à haute Température Un comburant en suffisance: il faudra 10 Nm3 d'air pour une combustion neutre de 1Nm3 de gaz ou 1kg de fuel. Combustible et comburant seront mélangés dans les limites de l'inflammabilité (ex. pour le GN 5 à 14% dans l'air) dans des conditions de Turbulence maximum Un point chaud d'amorçage, arc électrique, matière en ignition, flamme... ( environ 650°C pour les GN ) Une régime d'écoulement stable (10 à 40 m/s) tout en restant un maximum de Temps dans la chambre de combustion. Soit la règle des 3T pour une bonne combustion 17

EXCES D’AIR La différence entre la quantité d’air théorique nécessaire à une combustion stoechiométrique (neutre) et la quantité d’air réellement utilisée est appelé « Excès d’Air » et s’exprime en %. Il dépend : - Du type de brûleur - Du type de combustible - Du taux de charge de la chaudière

Excès d’air (e) =

Volume d’air utilisé – Volume d’air Théorique ------------------------------------------------------------Volume d’air théorique

18

PRODUITS DE COMBUSTION Les NOx (appellation générale des oxydes d'azote) : NO qui s'oxyde rapidement et qui représente environ 95% des NOx. NO2 (ou peroxyde d'azote) environ 5% durée de vie quelques semaines. N2O (Protoxyde d'azote) en infime partie, très stable, durée de vie plusieurs siècles. Le CO (ou Monoxyde de carbone), un atome de carbone + un d'oxygène. Les SOx Le CO2

19

43

TRANSFERT DE CHALEUR MODES DE TRANSFERT DE CHALEUR

Conduction Loi de Fourrier

Convection Loi de Newton

d²Q = h (Tp – T∞) dS dT

Rayonnement Loi de Steffan

48

λ des gaz < λ des liquides < λ des solides exemple : air : 0,024 laine de verre : 0,04 eau à 20°C : 0,59 sodium à 200°C : 81,2 verre : 0,7 béton : 1,7 alu à 99% : 203 cuivre à 99,9% : 386

49

c

Convection Définition : Transfert d'énergie qui s'accompagne de mouvement de molécules dans un fluide (liquide ou gaz). • Convection naturelle (ou libre) : l'échange de chaleur est responsable du mouvement. Le transfert thermique provoque le mouvement. • Convection forcée : un dispositif mécanique entraîne les molécules vers le dispositif chauffant. Le mouvement favorise le transfert thermique.

50

Rayonnement Le transfert se fait par rayonnement électromagnétique (REM) dans le vide L'exemple caractéristique est le rayonnement du soleil dans l'espace La loi de Stefan-Boltzmann permet de quantifier ces échanges. Avec

E = εSσT4

• • • •

σ : constante de Stefan-Boltzmann = 5,6703. 10-8 W.m-2.K-4 S : surface du corps T : température du corps en Kelvin ε : coefficient d’émissivité qui vaut 1 pour un corps noir et qui est compris entre 0 et 1 selon l'état de surface et la couleur du matériau. Le corps récepteur réfléchit certaines longueurs d'ondes ou est transparent à d'autres, mais seules les longueurs d'onde absorbées contribuent à son équilibre thermique. Si par contre le corps récepteur est un corps noir, c'est-à-dire qu'il absorbe tous les REM, alors tous les REM contribuent à son équilibre thermique.

51

ECHANGEURS DE CHALEUR DEFINITION ET IMPORTANCE Dispositif dans lequel se réalise un transfert thermique entre deux milieux dus à une différence de température entre les milieux.

Élément essentiel pour la maîtrise de l’énergie en milieu industriel

90% de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur, aussi bien dans les procédés eux-mêmes que dans les systèmes de récupération de l’énergie thermique de ces procédés. 52

UTILISATIONS DES ECHANGEURS INDUSTRIE: Chimie, Pétrochimie Sidérurgie, Agroalimentaire, Production de l’énergie, etc… TERTIAIRE ET RÉSIDENTIEL Chauffage Climatisation etc… TRANSPORT Automobile Aéronautique 53

CHOIX DES ECHANGEURS Le choix d’un échangeur, pour une application donnée, dépend de nombreux paramètres : Domaine de température et de pression des fluides, Propriétés physiques et agressivité de ces fluides, Maintenance et encombrement.

Disposer d’un échangeur bien adapté bien dimensionné, bien réalisé et bien utilisé permet un gain de rendement et d’énergie de procédés.

54

CRITERES DE CLASSEMENT DES ECHANGEURS Classement suivant le mode de transfert de chaleur Classement technologique Classement suivant le procédés de transfert de chaleur. Classement fonctionnel – Un seul fluide a un écoulement avec changement de phase (évaporateurs, condenseurs) – Les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase (évapocondenseurs) – Les deux fluides ont un écoulement monophasique Classement suivant la compacité de l’échangeur. Classement suivant la nature du matériau de la paroi de l’échange. 55

Classement des échangeurs selon mode de transfert: - À courant parallèle: les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens. - À contre courant: idem, mais les courants vont dans des sens opposés. - À courant croisé: les deux fluides sont positionnés perpendiculairement.

56

Classement des échangeurs selon Technologie ECHANGEUR TUBULAIRE : Avantages

Inconvénients

Utilisation •Eau/eau

•Très bon coefficient global de transmission thermique •Prix peu élevés •Fiable et simple, peu de pannes

•Puissance limitée •Risque de "claquement" si le diamètre des tuyaux est petit (400 T/h) Ex: Chaudière 515 T/h (150 MW) ; P: 145 b et θ: 540°C Unités

Échantillons

µ Siemens Eau d’appoint Conducti. Total

Relevé de mesure Mini à Maxi 0,387 à 0,8

Valeur Limite