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Chaudières à vapeur : un peu d'histoire

Introduction :

La chaudière est un dispositif permettant de chauffer l'eau et de produire de la vapeur si l'eau est chauffée au-delà de la pression atmosphérique. Industriellement, on utilise les chaudières pour produire la vapeur nécessaire au fonctionnement des procédés. La source de chaleur peut-être fournie par un combustible (gaz, fioul, charbon…) ou une résistance électrique.

L’idée d’utiliser la vapeur comme force motrice remonte au 1er siècle Apr JC avec l’invention de l’éolipile par Héron d’Alexandrie. Mais ce n’est véritablement qu’à partir de la fin du 17ème siècle que les ingénieurs ont développé les machines à vapeur modernes. En 1800, l’ingénieur américain Evans mis au point la première chaudière à tubes de fumée qui servit dans les premières locomotives. La nécessité d’avoir des débits et pressions de vapeur importants aboutit en 1867 à la mise au point de la chaudière à tubes d’eau par les ingénieurs américains Babcok et Wilcox. Depuis, celles-ci se sont sans cesse perfectionner permettant d’avoir notamment des rendements de 90,0 %.

Les chaudières à combustible :

Ce type de chaudière se compose de deux compartiments distincts : l'un dans lequel brûle le combustible et un autre dans lequel l'eau est chauffée. On distingue ainsi deux types de chaudière à combustible en fonction de la circulation de l’eau à chauffer par rapport à la chaleur de combustion : Les chaudières à tube de fumée, Les chaudières à tube d’eau.

Les chaudières à tubes de fumée :

Ce type de chaudière fournit un débit de vapeur saturée de 1 à 25 tonnes/heure, en basse et moyenne pression. Le combustible utilisé est soit du gaz soit du fioul.

Fonctionnement : Le tube foyer, qui se trouve dans le ballon même de la chaudière, sous le plan d’eau, collecte les gaz chauds en sortie de brûleur. Les gaz chauds, accumulés dans un premier caisson à l’arrière de la chaudière, sont véhiculés par un groupe de tubes immergés dans l’eau du ballon vers un second caisson à l’avant de la chaudière.

 

 

1. Foyer
2. Tube de fumée 2ème passe
3. Tube de fumée 3ème passe
4. Boîte arrière à refroidissement par eau
5. Chambre de combustion
6. Brûleur
7. Ventilateur de combustion
8. Vanne de régulation
9. Soupape de sécurité
10. Indicateur de niveau de sécurité d’eau
11. Manomètre
12. Indicateur de niveau à glace
13. Bloc d’isolement + manomètre

Un second groupe de tubes immergés emmène les gaz vers un troisième caisson à l’arrière de la chaudière, ce troisième caisson débouche sur la cheminée pour évacuation des fumées vers l’extérieur. Il y a donc circulation des gaz de combustion dans des tubes assurant, par conduction vers l’eau de la cuve, la vaporisation par apport de calories.

 

Précautions : Il est impératif de traiter l’eau de chaudière afin d’éviter le dépôt de tartre à l’extérieur du tube foyer et des tubes de fumée. En effet, le tartre provoquerait un mauvais échange thermique, un temps de mise en pression-température plus long, un risque de surchauffe au niveau de tube foyer, une surconsommation de combustible, une augmentation de la température des fumées au niveau de la cheminée...

Production de vapeur surchauffée : Il est nécessaire de recourir à un surchauffeur (source de chaleur indépendante), en aval de la chaudière à tubes de fumée.

Les chaudières à tubes d’eau :

Ce type de chaudière fournit un débit de vapeur saturée supérieur à 20 tonnes/heure, en moyenne et haute pression. Le combustible utilisé est soit du gaz, du fioul, du charbon ou déchets.

Fonctionnement : Ce type de chaudière possède deux réservoirs appelés ballon distributeur (en partie inférieure) et ballon collecteur (ou encore ballon de vaporisation, en partie supérieure), reliés par un faisceau de tubes vaporisateurs, dans cet ensemble circule l’eau qui se transforme en vapeur.

Les gaz chauds produits par le brûleur sont directement en contact avec les tubes vaporisateurs, à l’intérieur de ceux-ci se produit la vaporisation. La vapeur ainsi générée est collectée dans le ballon supérieur, l’eau excédentaire est ramenée vers le ballon inférieur par des tubes de chute non soumis à la chaleur. Dans le domaine des hautes pressions, une pompe peut être installée pour faciliter cette circulation du haut vers le bas.

Il y a donc circulation de l’eau dans des tubes placés à l’intérieur d’une enceinte contenant les gaz chauds.

Précautions : La formation de tartre dans les tubes serait préjudiciable au fonctionnement de la chaudière à tubes d’eau pour les mêmes raisons que celles évoquées à propos des chaudières à tubes de fumée. En outre, l’obturation des tubes pourrait se révéler dangereuse, ce qui ajoute à la nécessité
de traiter l’eau de chaudière.

La paroi extérieure des tubes est exposée aux dépôts de suies et nécessite une action de ramonage pendant le fonctionnement de la chaudière. Cette action est obtenue par injection de vapeur ou d’air comprimé via un tube perforé.

Production de vapeur surchauffée : Dans une chaudière à tubes d’eau, la tuyauterie qui prend en charge la vapeur saturée retourne dans le foyer, les gaz chauds apportent à cette vapeur saturée une énergie supplémentaire qui en élève la température sans en modifier la pression. On obtient ainsi de la vapeur surchauffée à la sortie.

Comparaison des performances :

Utilités :

 

Alimentation en eau : L’eau de chaudière provient de la station de traitement, de la bâche de récupération des condensas, du dégazeur, l’appoint en eau dans la chaudière est réalisé grâce à une pompe alimentaire (souvent doublée) fonctionnant à une pression légèrement supérieure à la pression interne du ballon.

Extraction et purge continue sont deux opérations contribuant à maintenir la qualité de l’eau dans la chaudière, paramètre essentiel pour le bon fonctionnement de l’installation.

Extraction : L’eau d’alimentation contient des traces de produits de traitement, de sels minéraux et d’impuretés diverses ; les résidus se déposent au fond du ballon sous forme de boues et doivent être évacués à l’aide d’un robinet d’extraction. Ce robinet spécial, dont la manoeuvre doit être :

1. brutale,
2. de courte durée (afin d’éviter d’entraîner trop d’eau avec les boues),
3. répétée plusieurs fois par jour,

est généralement soit un robinet manuel équipé d’un levier allongé et d’un ressort de rappel en fermeture, soit un robinet ¼ tour automatisé. Il doit supporter la pleine  P et ne pas être endommagé par le passage des impuretés.

Dans un souci d’économies d’énergie, la vapeur de vaporisation, qui se forme lors de l’évacuation de l’eau chaude chargée dans ce que l’on appelle le pot de débourbage, peut être récupérée et envoyée dans un dégazeur, à température et pression faibles. Les boues et eau excédentaire sont par ailleurs évacuées après refroidissement.

Purge continue : Les produits de traitement et sels minéraux, arrivant avec l’eau d’alimentation et ne partant pratiquement pas avec la vapeur produite, ont tendance à se concentrer dans le ballon, qu’ils soient en solution ou en suspension. D’où la nécessité de procéder à une purge de déconcentration permanente, grâce à un robinet de dégazage spécial, à très faible débit. Le prélèvement continu se fait à environ 10,0 cm sous le plan d’eau, le dispositif pourra être mis à profit pour réaliser une prise d’échantillon pour analyse, après refroidissement.

Par ailleurs, la vapeur de revaporisation pourra être récupérée et réutilisée.

 
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