chaudières a tube d eau classe 3

• Ce document présente les concepts essentiels pour la révision de l'examen de classe 3 de mécanicien de machines fixes au Canada, en se concentrant sur les chaudières à tubes d'eau.

Types de chaudières à tubes d'eau

• Il existe trois principaux types de chaudières à tubes d'eau : préassemblée, assemblée en usine et montée sur place.

Chaudière préassemblée

• Expédiée en une seule unité, elle comprend l'équipement de combustion, de tirage mécanique et les dispositifs de régulation automatique.
• Ses capacités varient de 2300 kg à plus de 65 000 kg de vapeur par heure.
• Elle peut supporter des pressions de marche allant jusqu'à 1700 kPa, et parfois 6200 kPa.

Chaudière assemblée en usine

• Elle est complètement assemblée en usine avec des auxiliaires et des dispositifs de régulation.
• Elle est généralement plus grande que les chaudières préassemblées et fabriquée selon les spécifications du client.

Chaudière montée sur place

• Elle est conçue pour les chaudières trop grandes pour être transportées en une seule pièce.
• De grandes sections sont construites en usine puis assemblées sur le site.
• Elle est généralement utilisée pour des rendements de 150 000 kg/h et plus.

Rendements des chaudières

• La production ou la capacité d'une chaudière est généralement exprimée en kilogrammes de vapeur par heure.
• Il existe trois méthodes pour calculer les rendements des chaudières.

Méthode 1

• 1 m² de surface de chauffe équivaut à 10 kilowatts.

Méthode 2

• Pour les chaudières électriques, on utilise la puissance maximale en kilowatts de l'élément chauffant.

Méthode 3

• 36 mégajoules par heure équivalent à 10 kilowatts.

Circulation dans les chaudières à tubes d'eau

• La circulation est le débit d'eau dans les tubes de la chaudière, dirigée selon des trajets définis.

Tuyaux de descente

• Ils sont situés dans les sections plus froides de la chaudière ou à l'extérieur du foyer.

Tuyaux de montée

• Ils sont placés dans les zones plus chaudes et exposés à la chaleur rayonnante du foyer ou aux gaz de combustion très chauds.

Facteurs influençant la circulation naturelle

• Plusieurs facteurs affectent la circulation naturelle dans les chaudières.

Hauteur du ballon de vapeur

• Plus la hauteur est grande, plus la différence de masse entre les tuyaux de montée et de descente est importante, ce qui améliore la circulation.

Quantité de chaleur appliquée

• Plus le tube est chaud, plus la formation de bulles de vapeur est importante, créant une plus grande différence de masse.

Pression de marche

• À mesure que la pression augmente, la différence de densité entre l'eau et la vapeur diminue, réduisant la circulation naturelle.

Propreté des tubes

• Des surfaces sales réduisent le transfert de chaleur et peuvent physiquement restreindre le débit d'eau.

Configurations de conception des chaudières

• Différentes configurations existent pour les chaudières, chacune ayant ses propres caractéristiques.

Type A

• Deux petits ballons inférieurs et un grand ballon supérieur forment un A, avec des tubes cintrés formant l'enceinte du foyer.

Type D

• Deux ballons avec des tubes cintrés forment un D englobant le foyer, offrant une plus grande flexibilité de conception.

Type O

• Un ballon supérieur et un ballon inférieur sont reliés par des tubes formant un O, offrant une conception symétrique et compacte.
• Le foyer intégral est un agencement où les tubes des parois du foyer font partie du circuit de circulation de la chaudière permettant un refroidissement efficace.

Unités de production de vapeur

• Une unité de production de vapeur comprend des éléments contribuant à la production de vapeur à haute température et haute pression pour alimenter de grandes turbines.

Chaudière

• Section où l'eau est convertie en vapeur.

Surchauffeur

• Augmente la température de la vapeur au-dessus du point de saturation.

Réchauffeur

• Réchauffe la vapeur après son passage dans les étages à haute pression de la turbine.

Économiseur

• Préchauffe l'eau d'alimentation avec les gaz de combustion sortants.

Réchauffeur d'air

• Préchauffe l'air de combustion pour améliorer l'efficacité.

Disposition d'une unité de production de vapeur type

• La vapeur est produite dans les tubes des parois du foyer, séparée de l'eau dans le ballon de vapeur, puis surchauffée.
• Après le passage dans la turbine, elle est réchauffée avant de retourner aux étages suivants.
• L'eau d'alimentation et l'air de combustion sont préchauffés respectivement dans l'économiseur et le réchauffeur d'air.

Températures typiques dans un générateur de vapeur

• Température du foyer: 1650 °C
• Gaz de combustion sortant du foyer: 1100 °C
• Gaz sortant des surchauffeurs: 600 °C
• Gaz sortant de l'économiseur: 380 °C
• Gaz sortant du réchauffeur d'air: 170 °C
• Eau à l'entrée de l'économiseur: 254 °C
• Eau sortant de l'économiseur: 280 °C
• Ballon de la chaudière: 320 °C
• Température de la vapeur surchauffée: 538 °C
• Température de réchauffage: 538 °C

Pression critique et chaudières supercritiques

• La pression critique de l'eau est de 22 106 kPa, à laquelle la différence de densité entre l'eau et la vapeur disparaît, rendant impossible la circulation naturelle.

Chaudières sous-critiques

• Elles fonctionnent à une pression inférieure à la pression critique.

Chaudières supercritiques

• Elles fonctionnent au-dessus de la pression critique et nécessitent une circulation forcée.

Circulation forcée dans les chaudières

• La circulation forcée devient avantageuse à des pressions entre 12 500 kPa et 13 800 kPa et plus, et est essentielle pour la vapeur supercritique.

Avantages

• Elle assure un débit positif dans tous les tubes, prévenant la surchauffe due à un manque de débit d'eau interne.

Inconvénients

• Augmentation des coûts liés à l'équipement, les pompes, la tuyauterie et les frais d'entretien et d'exploitation.

Types de chaudières à circulation forcée

Chaudières à circulation contrôlée

• Elles utilisent une pompe avec un ballon de vapeur et des orifices pour contrôler le débit dans les tubes.

Chaudières à circulation forcée pure

• Elles n'utilisent pas de ballon de vapeur ; l'eau est forcée à travers les circuits en un seul passage.

Chaudières à circulation contrôlée

• L'eau d'alimentation entre dans le ballon via l'économiseur.
• L'eau circule vers les pompes de circulation via les tuyaux de descente.
• L'eau est pompée vers un collecteur d'entrée et distribuée aux tubes de production de vapeur.
• Le mélange vapeur-eau produit retourne au ballon pour séparation.
• La vapeur saturée passe dans le surchauffeur avant de sortir.

Chaudières à circulation forcée pure

• Elles fonctionnent à des pressions supercritiques (>22 106 kPa) sans ballon de vapeur.
• L'eau d'alimentation à environ 250°C est forcée dans l'économiseur par une pompe à haute pression (≈25 000 kPa), assurant un débit constant de 150-200 tonnes/heure.
• L'eau préchauffée à 350°C circule vers les tubes de la paroi du foyer en acier allié, conçus pour résister aux hautes pressions.
• Environ 85% de l'eau est transformée en vapeur, atteignant 400-450°C sous l'effet du rayonnement thermique du foyer (≈1000°C).
• Le mélange vapeur-eau à haute pression passe dans l'évaporateur final, pour une conversion complète en vapeur supercritique à plus de 22 106 kPa.
• La vapeur traverse les sections de surchauffeur primaire puis secondaire, atteignant une température finale de 538°C avant d'être dirigée vers la turbine.