I.LES GENERATEURS 1. Principes de construction
• Foyer : C'est l'endroit où se développe la combustion. L'échange se fait par rayonnement. • Carneaux : C'est l'endroit où circulent les fumées à environ 800-900 °C. L'échange se fait par conduction • Les surfaces d'échange : Elles doivent être la plus grande possible et avoir des coefficients d'échanges important. • Le fluide caloporteur et ses circuits : Il transporte l'énergie dégagée par la combustion à travers des circuits. • Le brûleur : Il assure le mélange air combustible et l'allumage de la combustion. • La cheminée : Elle évacue les fumées.
2. Les différentes familles Elles dépendent : • des matériaux • des puissances 1
• des fluides caloporteurs
2.1.Les chaudières fonte Elles ne dépassent rarement la puissance de 2000 kW. Elles sont constituées d'un assemblage d'éléments à 2 ou 3 parcours.
Coupe d'une chaudière à 2 parcours
AVANTAGES :
Coupe d'une chaudière à 3 parcours
- Peu sensible à la corrosion ( coté Eau et coté Fumées ) - Admettent des températures de départ et de retour basse - Manutention aisée car éléments sectionnés - Combustion assez silencieuse - Durée de vie grande - Foyer en DEPRESSION ou légèrement SURPRESSE
INCONVENIENTS :
- Générateurs volumineux et très inerte thermiquement - Rendement moyen - Pression d'utilisation limitée à 5 [bar] en général - Température maximale limitée à 110 [°C]
2.2.Les chaudières acier Elles sont constituées d'un assemblage par soudage (de fabrication), et sont aménagées de deux façons: L'Acier offre plusieurs avantages par rapport à la Fonte :
possibilité de formage ( pliage - cintrage - etc ... ) et de soudage 2
à épaisseur égale, plus grande résistance aux chocs mécaniques et thermiques
meilleur coefficient de transmission thermique
Sa grande résistance à la Pression fera que l'Acier sera utilisé pour : - les générateurs à Eau Chaude Basse Température - les générateurs à Eau Chaude Haute Température - les générateurs à Vapeur Les chaudières en acier peuvent être construites en un seul bloc ou comporter des éléments indépendants comme les chaudières en fonte. Dans le cas de chaudières sectionnées, les éléments sont reliés entre eux par des collecteurs de départ et de retour. Au niveau de l'échangeur, on recherche à avoir le plus long contact entre les gaz brûlés et la capacité contenant le fluide caloporteur : On place donc des chicanes sur les parcours des deux fluides et on multiplie les parcours à l'intérieur de la chaudière.
2.2.1.Coupe d'une chaudière préssuriséé à tubes d’eau
Les tubes d'eau communiquent avec le corps de la chaudière et sont situés dans le circuit des gaz de combustion Selon le type d'appareil, ces tubes peuvent être horizontaux, verticaux, inclinés ou en épingle. AVANTAGES :
- Grande compacité 3
- Autorisent des températures et des pressions d'utilisation élevés - Rendement meilleur INCONVENIENTS :
- Très sensibles à la corrosion ( coté Eau et coté Fumées ) - Nécessite des dispositions pour éviter les condensations acides - Combustion bruyante – Foyer en SURPRESSION ( nécessité de vaincre les pertes de charge crées par les multiples parcours )
Ces générateurs conviennent aux installations centralisées de moyenne et grande puissance
2.2.2.Coupe d'une chaudière pressurisée à tubes de fumées
•
Échangeur constitué de faisceaux de tubes parcourus par les fumées :
•
tubes horizontaux ou inclinés
•
faisceaux excentrés ou concentriques au foyer
•
tubes soudés sur les plaques Avant et Arrière du générateur
•
Foyer de forme cylindrique constituée de viroles lisses ou ondulées assemblées par soudure
•
Boites à fumée disposées en façade et à l'arrière du générateur et assurant le passage des fumées d'un faisceau à un autre
On peut classer les chaudières en fonction du nombre de parcours qu'effectue la fumée avant d'être évacuée : pour dénombrer les parcours des fumées, on considère que le tube-foyer constitue le premier parcours, les autres parcours étant délimités par chaque faisceau de tubes.
2.2.3.Coupe d'une chaudière pressurisée à foyer borgne
4
Le tube-foyer est fermé à l'arrière et les fumées ressortent après un aller-retour dans le foyer nécessité d'un brûleur à tête longue : chaudière à trois parcours ( au moins )
2.2.4.Coupe d'une chaudière à foyer atmosphérique
5
2.2.5 Les fluides caloporteurs • L'eau chaude : ϑ < 109 °C • L'eau surchauffée : ϑ > 109 °C • la vapeur : chaudières fonte BP < 0,5 bar Chaudières acier de 10 à 15 bars • Les fluides thermiques : ≥ 250 °C • L'air : ϑ de soufflage max.
2.2.6 Pression dans le foyer La circulation des gaz , dans le générateur , peut être assurée de deux façons : TIRAGE NATUREL :
On utilise la dépression existant à la buse de sortie du fait du tirage thermique entre l’air intérieur et l’air extérieur d
TH
= ( ρEXT - ρGAZ ) . g . h
TIRAGE FORCE : On utilise la surpression créée par le ventilateur du brûleur à l'entrée du foyer Dans le cas où le parcours des fumées entraîne des pertes de charge importantes , on peut être amené à placer un ventilateur à la buse de sortie ( extracteur ) ou à changer la turbine du brûleur pour augmenter le tirage forcé . Générateurs à foyer en Dépression : Dans cette catégorie, les pertes de charge, dans la traversée du générateur, sont compensées par la dépression créés par la cheminée et exceptionnellement par un extracteur : c'est le cas des chaudières Fonte et des chaudières acier à brûleur atmosphérique. Générateurs à foyer en surpression : C'est la surpression créée par la turbine du brûleur qui assure la circulation des gaz de combustion : c'est le cas de certaines chaudières Fonte à foyer légèrement sur pressé et de la majorité des chaudières acier. REMARQUES
TEMPERATURE MINIMALE DES GAZ DE COMBUSTION GAZ
→ 120 [°C]
FOD
→ 160 [°C]
FOL 2 → 200 [°C]
TEMPERATURE MINIMALE DE L’EAU DE RETOUR CHAUDIERE GAZ
→ 55 [°C]
FOD
→ 50 [°C]
FOL 2 → 90 [°C]
6
2.3. Générateurs à Condensation : Ce sont des générateurs simples permettant de réaliser des économies d'énergie de 15 à 30 [%] par rapport aux installations traditionnelles et ceci pour un investissement raisonnable ( temps de retour de 3 à 4 ans ) Principe de la récupération de chaleur : Les produits de combustion issus d'une chaudière traditionnelle sont rejetés à des températures de 120 à 250 [°C] : ils contiennent, outre l'oxygène en excès, du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau (voir cours de combustion). Dans une chaudière à condensation, l'échange de chaleur entre Eau de chauffage et Produits de combustion est poussé plus
FUMÉES : 200 °C] ALLER : 85 [°C]
loin ce qui permet de récupérer des calories en refroidissant encore plus les produits de combustion ⇒ RECUPERATION DE CHALEUR SENSIBLE Si la température à l'entrée de la chaudière est assez basse (inférieure à la température de rosée des fumées), on peut récupérer des calories supplémentaires en condensant la
RETOUR :70 [°C]
vapeur d'eau contenue dans les fumées
⇒ RECUPERATION DE CHALEUR LATENTE Technologie des chaudières à condensation :
On distingue :
Les générateurs à Echange direct ou Générateur par Voie Humide
Les générateurs à Echange indirect ou Générateur par Voie Sèche
A un ou plusieurs échangeurs
Avec Production ECS
Avec
échangeur
FUMÉES : 48 [ °C]
massique
RETOUR : 30 [°C]
Générateurs à ECHANGE DIRECT : PRINCIPE Les produits de combustion sont en contact direct avec l'eau de chauffage ou l'eau d'un circuit intermédiaire alimentant un échangeur ALLER :45 [°C]
7
Générateurs à ECHANGE INDIRECT :
PRINCIPE :
Le
transfert
de
ALLER : 65 [°C]
chaleur
FUMÉES : 53 [°C]
s'effectue à travers les parois d'un ou plusieurs échangeurs Si la température de retour est inférieure à la température de rosée des fumées, la chaudière fonctionne en Condensation Si la température de retour est supérieure à la
RETOUR : 50 [°C]
température de rosée, il n'y a plus condensation mais la chaudière conserve un rendement nettement meilleur du fait de la récupération de chaleur sensible plus élevée CHAUDIERE A UN SEUL ECHANGEUR
PRINCIPE :L'échangeur assure la totalité du transfert de chaleur : la température d'alimentation de cet échangeur doit être la plus basse possible CHAUDIERE A DEUX ECHANGEURS
PRINCIPE : La chaudière est équipé d'un
85 [°C] FUMÉES : 53 [°C]
échangeur traditionnel où il n'y a pas Condensation
(température
de
l'eau
RETOUR : 50 [°C] 65 [°C]
d'alimentation de la chaudière supérieure à 55 [°C] ⇒ utilité de la pompe de recyclage
70 [°C]
55 [°C]
qui permet de maintenir la température de retour Chaudière à une valeur donnée) et d'un échangeur à condensation
Générateurs à ECHANGE INDIRECT avec Production ECS : Principe : Le générateur est équipé d'un
ALLER: 65 [°C]
FUMÉES : 53 [°C]
second condenseur permettant le préchauffage de l'eau chaude sanitaire . Les produits de combustion contienne t
12 °C]
encore une certaine quantité de chaleur
EAU DE VILLE
même après condensation : on peut donc
25 [°C]
récupérer une partie de cette chaleur si on dispose
d'une
source
froide
à
une
RETOUR : 50 [°C]
température plus basse que l'eau de retour (c’est le cas de l'eau de ville)
⇒
Nécessité d’un extracteur
8
Générateurs à ECHANGE INDIRECT avec Echangeur massique PRINCIPE Il y a Echange massique entre Air comburant et les Produits de combustion ce qui permet d’améliorer le rendement du générateur .
Récupérateur à condensation PRINCIPE
POMPE A DEBIT VARIABLE
C'est un récupérateur à échange direct ou indirect
pouvant
être
associé
à
une
chaudière traditionnelle Générateur assimilable au générateur à un
CHAUDIERE TRADITIONNELLE
seul échangeur
FUMEES
Nécessité d'un nouveau réglage du volet d'air car pertes de charge supplémentaire
RETOUR
sur le parcours de fumées. La pompe coté Production est à débit variable : pour avoir une pompe à débit constant, il faudrait que le bipasse soit placé à l’aspiration de la pompe.
9
Comparaison chaudière gaz classique et condensation
1
CHAUDIERE A BRULEUR ATMOSPHERIQUE
4
Légende 1 Echangeur de chaleur
5
2 Alimentation gaz
1
3 Brûleur atmosphérique
6
4 Conduit de fumées
2
5 Départ eau chauffage 6 Retour eau chauffage
3
Remarques
Dans ces chaudières, le parcours des fumées est direct donc peu résistant, ce qui permet l’évacuation par tirage naturel (foyer en dépression).
10
2
CHAUDIERE A BRULEUR A AIR SOUFFLE
DC
Légende
4
1 Alimentation Fioul ou gaz
6
2 Brûleur à air soufflé
3 Foyer borgne 4 Tube d’eau 5 Tube de fumées
5
2
6 Jaquette isolante
RC
3 Remarques
1
Dans ces chaudières, le parcours des fumées est long pour obtenir un meilleur échange. Le circuit des fumées est donc plus résistant et le tirage naturel est insuffisant pour évacuer les fumées (utilisation d’un ventilateur). Le foyer est en surpression 3
CHAUDIERE MIXTES
ECS ECS Gaz
CH
CH
Gaz
B : ECS à accumulation par ballon
A : ECS en instantanée
5
4 CHAUDIERE MURALE CLASSIQUE
1 A
SCHEMA DE PRINCIPE
1 Echangeur de chaleur
3
A
2 Brûleur atmosphérique
F
2
3 Vase d’expansion
BS
4 Pompe 5 Evacuation fumées B
VE E PB
TA
ORGANES DE REGULATION
PA
TA Thermostat (option) AR Aquastat de réglage
4 VD
VEM Vanne électromagnétique
11
C
ORGANES DE SECURITE BS Bloc de sécurité et allumage : Document 3 (veilleuse + thermocouple) VD Valve différentielle (Si Pa > Pb alors « E » fermé et pompe en fonctionnement) AS Aquastat de sécurité à réarmement manuel
CHAUDIERE A CONDENSATION
A
LA CONDENSATION Toute combustion d’hydrocarbure entraîne la formation de vapeur d’eau dans les fumées.
Dans une chaudière classique cette vapeur d’eau est rejetée à l’extérieur d’où une perte d’énergie latente. La condensation de l’H2O a pour but de récupérer cette chaleur et d’améliorer ainsi le rendement de la chaudière. B
CONDENSATION DANS UNE CHAUDIERE Pour condenser la vapeur d’eau, on fait passer l’eau de retour dans un échangeur condenseur
et on refroidit les fumées jusqu’au point de rosée ( 55 °C ) C
SCHEMA DE PRINCIPE
m2
Légende
7
1 Echangeur condenseur 2 Bac des condensats
1
3 Siphon 4 Echangeur principal
2
3
5 Brûleur atmosphérique
m1 4
6 Pompe 7 Ventilateur d’extraction Avantages Augmentation du rendement
m Gaz
Utilisation avec Plancher chauffant
6
5
Inconvénients Tirage forcée (fumées froides) Corps de chauffe en inox (F ! ! !)
D
ETUDE RENDEMENTS
Relations :
Pu η=
PCS = PCI + m x Lv
m = Masse totale d’eau produite m1 = Masse d’eau condensée m2 = Masse d’eau non condensée
x 100 Pa 12
2 1 PCS
m xPCI Lv
Pu
1
= m1 * Lv =
2
= m2 * Lv = chaleur latente non récupérée
η PCI = PCI + m1 × Lv PCI ηPCI > 100 %
chaleur latente récupérée
η PCS = PCI + m1 × Lv PCS ηPCS < 100 %
COURBES DE RENDEMENTS
Rendement sur PCI en % 110 105
Chaleur latente
100 95 90 85 80 75 70
A B C
20
30
40
Courbe A : Chaudière à condensation
50
60
90 70 80 Température retour d’eau (°C)
Courbe B : Chaudière avec brûleur à air soufflé
Courbe C : Chaudière avec brûleur atmosphérique
Remarque : Courbe A :
Si θretour diminue alors η augmente Condensation si θeau < 55 °C ⇒ η/PCI = 100 %
13
II. LES BRULEURS A AIR PULSE Un brûleur est équipé de différents circuits: • Le circuit combustible • Le circuit comburant • Le circuit de mélange • Le circuit d'allumage • Le circuit de commande et de sécurité
14
1. Les brûleurs fioul
1.1 . Le circuit combustible •
Pompe
•
Electrovanne
•
Filtre
•
Réchauffeur (optionnel)
•
Gicleur
1.1.1 Les pompes fioul La pompe à engrenage
15
•
La pompe à croissant
•
La pompe à engrenages trochoïdes
1.1.2 . Aspect extérieur
16
1.1.3 . Les régulateurs de pression 1.1.3.1 . Principe de fonctionnement
1.1.3.2 . Principe de fonctionnement (bi-tube) avec les électrovannes
1.1.3.3 . Principe de fonctionnement (monotube) avec les électrovannes
17
1.1.4 . Les gicleurs 1.1.4.1.Constitution d'un gicleur Le fuel ne peut s’enflammer qu’après avoir été vaporisé. A la température ambiante, il s’évapore légèrement en surface, alors afin de faciliter son évaporation on donne au fuel liquide une très grande surface, en le pulvérisant en un très grand nombre de très fines gouttelettes. Par exemple, un litre de fuel pulvérisé à une pression de 7 Bars donne 15 à 20 milliards de gouttelettes représentant une surface développée de 500 m². Le mélange avec l’air est donc grandement facilité. Le gicleur est une petite pièce métallique qui assure deux fonctions : -
la pulvérisation du fuel
-
le réglage du débit de fuel
Fonctionnement du gicleur fuel. Le fuel traverse le filtre et passe par la vis de blocage et par ses trous latéraux. Il se répartit ensuite autour du cône et jusqu’à ses rainures, sous l’effet de la pression créée par la pompe il s’engage dans les rainures dans lesquelles il acquiert une grande vitesse qui engendre sa mise en rotation dans la chambre.
18
1.1.4.2.Caractéristiques d'un gicleur Les gicleurs possèdent trois caractéristiques dont les valeurs sont gravées sur leur corps : -
le débit nominal ( kg/h) ou US ( gal/h)
-
L’angle de pulvérisation en degrés
-
Le mode de pulvérisation
Marquage
Le débit nominal Qm = Pbrûleur / PCI
L'angle de pulvérisation
19
Le mode de pulvérisation
1.1.4.3.Sélection d'un gicleur Pour cela il faut connaître :
- le nombre d'allure - le type de pompe fioul - le nombre de gicleur - la puissance - le type de foyer
Symboles
20
1.1.5. Les différents types de circuit 1.1.5.2 1 allure sans électrovanne intégrée
1.1.5.3 1 allure avec électrovanne intégrée
1.1.5.4
2 allures 2 gicleurs
21
1.1.5.5.2allures 1 gicleur
1.2. Le circuit comburant 1.2.1 . Le ventilateur
1.2.1 . Courbe caractéristique débit pression
22
1.2.3 . Le réglage du débit d'air
1.2.2.1Volet d'air 1 allure fixe
1.2.2.2Volet d'air 2 allures
23
1.3.Le circuit de mélange 1.3.1 . Principe
1.3.2 . Le tube extérieur
1.3.3 . Le déflecteur 1.3.3.1 . Principe
24
1.3.3.2 . Le déflecteur emboutit
1.4.Le circuit d'allumage 1.4.1 . Le transformateur
1.4.2 . Les électrodes
25
1.5.Le circuit de commande et de sécurité 1.5.1 . Le coffret de sécurité (LOA21)
26
Légende: • R • W • OH • OW • OH • G • Z • BV1 • BV2 • AL • QRB • FS • tw • t1 • t2 • t3 • t3n • t4
Aquastat de régulation Aquastat de sécurité Réchauffeur de fioul Contact de signalisation Réchauffeur de fioul Moteur Transformateur Electrovanne 1 Electrovanne 2 Dispositif d'alarme Sonde présence flamme Signal flamme Temps de préchauffage Temps de préventilation Temps de sécurité Temps de pré-allumage Temps de post-allumage Temps de passage en 2ème allure
1.5.2 . Le cellule photo-résistante de présence flamme 1.5.2.1 . Principe
27
1.5.2.3 . Aspect
1.5. L’alimentation en fioul
28
2 Les brûleurs gaz
2.1. Le circuit combustible •
Filtre
•
Electrovanne
•
Régulateur de pression
• Manostats gaz Le brûleur est constitué de quatre ensembles ou circuits :
2.1.1.Le filtre gaz
29
2.1.2. Les électrovannes 2.1.2.1.Electrovanne 1 allure
2.1.2.2.Electrovanne 2 allures
30
2.1.3. Régulateur de pression de gaz
Le manostat gaz
31
2.2. Le circuit d'allumage 2.2.1. Le transformateur
2.2.2. La ligne d’alimentation gaz
32
2.3. Le circuit comburant Idem brûleur fioul
2.4. Le circuit de mélange
2.4.2.Les électrodes
33
2.5. Le circuit de commande et de sécurité 2.5.1 . Le coffret de sécurité (LFM1)
Légende: •
R
Aquastat de régulation
•
W
Aquastat de sécurité
•
LP
Manostat d'air
•
GP
Manostat gaz
•
G
Moteur
•
Z
Transformateur
•
BV1
Electrovanne 1
•
BV2
Electrovanne 2
•
AL
Dispositif d'alarme 34
•
QRA Sonde présence flamme
•
QRE
Détecteur d'arc d'allumage
•
FE
Sonde d'ionisation
•
tw
Temps d'attente
•
t1
Temps de préventilation
•
t2
Temps de sécurité à l'allumage
•
t3
Temps de pré-allumage
•
t4
Temps de passage en 2ème
•
t10
Temps de sécurité pression d'air
2.5.2 . (la sonde de ionisation) Dispositif de surveillance flamme •
Emplacement dans la flamme
•
Evolution du courant
35
•
Modèles
3. Sélection d'un brûleur Les renseignements sont :
Puissance du brûleur en KW (corrigée ou non en fonction de l’altitude et de la température de l’air),
Pression du foyer de la chaudière,
Type de combustible
3.1.Chaudières en dépression Pour ce type de chaudière, on estime que la pression dans le foyer est nulle : il suffit de choisir dans le catalogue du brûleurs celui qui correspond à la puissance demandée.
Exemple :
Puissance du brûleur demandée : 180 KW
Choix à partir du catalogue CUENOD fuel : •
C14 : 70 – 150 kW
•
C18 : 80 – 190 kW
•
C22 : 120 – 220 kW
Le choix correct est le C18
3.2.Chaudières en pression Il est nécessaire d’utiliser les courbes débit /pression des brûleurs. La première discrimination consiste à rechercher la puissance qui convient, puis de contrôler si la pression demandée par la chaudière est inférieure à celle que peut vaincre le brûleur. Exemple :
Pression chaudière : 5 daPa
Après vérification, seul le C22 convient 36
3.3.Abaques de sélections
37
3.2.Facteurs de correction en fonction de l’altitude et de la température de l’air Nous savons que : •
La pression atmosphérique diminue avec l’altitude. La conséquence immédiate est, que dans un même volume, la quantité d’air, donc d’oxygène, diminue. Le ventilateur, doit apporter plus pour qu’il y ait suffisamment d’oxygène pour brûler tout le combustible. La puissance du brûleur étant directement proportionnelle aux performances du ventilateur, il suffira d’effectuer une correction pour connaître la puissance fictive nécessaire.
•
Le volume d’air varie en fonction de la température : plus la température augmente moins il y a de masse d’air pour un même volume : il faut également faire une correction de
•
puissance.
•
K1
•
K2 Correction de la pression
•
K2 = K1²
Correction de la puissance
Exemple:
Puissance réelle brûleur 180 KW Puissance nécessaire = 180 x 1,12 = 202 kW Pression au foyer à 0 m d'altitude 5 daPa Pression à 1000 m d'altitude = 5 x 1,25 = 6,25
Il suffit de choisir parmi les brûleurs disponibles, celui dont les caractéristiques conviennent : 202 kW, 6.25 daPa
38
39
