Composantes de transfert de chaleur dans une chaudière industrielle PDF

Composantes de transfert de chaleur de la chaudière Ce document présente les principales composantes de transfert de chaleur d'une chaudière industrielle, notamment les chicanes, les parois du foyer, les surchauffeurs, les réchauffeurs, les économiseurs et les réchauffeurs d'air. Il explique leur co...

Composantes de transfert de chaleur de la chaudière Ce document présente les principales composantes de transfert de chaleur d'une chaudière industrielle, notamment les chicanes, les parois du foyer, les surchauffeurs, les réchauffeurs, les économiseurs et les réchauffeurs d'air. Il explique leur conception, leur fonctionnement et leur emplacement dans le générateur de vapeur. Les considérations d'entretien et un profil type des températures sont également abordés. Cette révision vise à préparer l'examen de classe 3 pour mécanicien de machines fixes au Canada. FL par francois lajoie-levesque Chicanes de foyer Les chicanes sont des éléments essentiels dans une chaudière à tubes d'eau pour diriger l'écoulement des gaz de combustion. Elles sont disposées de manière à guider les gaz dans le foyer afin d'obtenir le nombre requis de passes dans la chaudière. On distingue deux types principaux de chicanes : Chicanes transversales : font circuler les gaz perpendiculairement à la longueur des tubes Chicanes longitudinales : font circuler les gaz parallèlement aux tubes Les chicanes sont généralement fabriquées en matériau réfractaire, sous forme de briques ou de tuiles individuelles installées autour des tubes, ou moulées sur place. Des parois de tubes peuvent également servir de chicanes. Les chicanes courbées ou profilées présentent l'avantage d'éviter les courbes brusques qui causent des turbulences, augmentent le frottement ou forment des zones d'accumulation de cendres. Parois latérales du foyer intégral Dans une chaudière à tubes d'eau, le refroidissement du foyer est assuré par la disposition des tubes formant tout ou partie des parois. Il existe plusieurs types de construction pour les parois latérales du foyer : 1 Paroi à tubes et briques 2 Paroi à membrane Tubes espacés renforcés par de la brique réfractaire, Tubes adjacents soudés avec des barres à ailettes avec isolation et enveloppe extérieure en acier pour métalliques, formant une surface continue et l'étanchéité aux gaz. étanche. 3 Paroi à tubestangents 4 Paroi à tubes goujonnés plats Tubes côte à côte formant une enveloppe Tubes avec plaques ou goujons plats soudés, créant continue, renforcés de matériau réfractaire. une surface métallique presque continue. Ces différentes conceptions visent à optimiser le transfert de chaleur tout en assurant l'étanchéité et la durabilité du foyer. Surchauffeurs Le surchauffeur a pour but d'augmenter la température de la vapeur produite dans la chaudière au-dessus de la température de saturation. Cela présente plusieurs avantages : Augmentation de l'énergie par kilogramme de vapeur Réduction de la condensation dans la turbine Amélioration du rendement global Il existe différents types de surchauffeurs : 1 Surchauffeur par 2 Surchauffeur 3 Surchauffeur convection radiant combiné Placé dans le trajet des gaz Exposé à la chaleur Combine les caractéristiques chauds, protégé de la chaleur rayonnante du foyer. Sa des types par convection et rayonnante du foyer. Sa température de vapeur radiant, offrant une température de vapeur diminue avec l'augmentation température de vapeur plus augmente avec la charge. de la charge. stable. Les surchauffeurs peuvent être pendants (tubes suspendus verticalement) ou horizontaux, et incorporés à la chaudière ou chauffés séparément. Surchauffeur chauffé séparément Contrairement au surchauffeur incorporé qui fait partie intégrante de la chaudière, le surchauffeur chauffé séparément est situé dans un foyer distinct du générateur principal de vapeur. Ses caractéristiques principales sont : Indépendance des conditions de marche du générateur de vapeur Coût initial plus élevé et rendement plus bas Exige plus d'espace Offre une plus grande gamme de contrôle de température Cette conception est principalement utilisée pour des procédés industriels spéciaux nécessitant des températures de vapeur très élevées et bien contrôlées. Un agencement à deux foyers permet de contrôler la température de la vapeur indépendamment de la production de vapeur saturée en variant le taux d'allumage des foyers individuels. Réchauffeurs Le réchauffeur a une construction et un but similaires au surchauffeur. Ses principales caractéristiques sont : Reçoit la vapeur déjà dilatée dans une portion de la turbine Augmente la température de la vapeur à environ la même température que celle initialement donnée au surchauffeur Empêche la condensation excessive dans les étages à basse pression de la turbine Augmente le rendement du cycle en augmentant l'énergie disponible par kilogramme de vapeur Les réchauffeurs sont généralement situés dans le foyer, entre le surchauffeur radiant et le surchauffeur par convection. Ils reçoivent à la fois la chaleur rayonnante du foyer et la chaleur de convection des gaz de combustion sortants. Leur profil de température de sortie est similaire à celui d'un surchauffeur combiné, presque linéaire. Économiseurs L'économiseur est une composante du générateur de vapeur qui absorbe la chaleur des gaz du foyer après leur passage dans les sections du foyer, du surchauffeur et du réchauffeur. Ses principales caractéristiques sont : Composante de transfert de chaleur par convection directe à débit forcé Reçoit l'eau d'alimentation à une pression supérieure à celle de la section de production de vapeur Achemine l'eau à une température plus élevée au générateur de vapeur ou à la chaudière Il existe deux types principaux d'économiseurs : 1 Économiseur incorporé 2 Économiseur séparé Fait partie intégrante de la chaudière, généralement Situé à l'extérieur du foyer, composé de rangées de placé dans la dernière passe du gaz de combustion. tubes horizontaux en acier. Les économiseurs peuvent avoir des tubes nus ou à ailettes pour augmenter la surface effective de chauffe. Réchauffeurs d'air par récupération Le réchauffeur d'air, souvent appelé préchauffeur d'air, est généralement la dernière étape de récupération de chaleur dans une chaudière. Il est situé entre l'économiseur et la cheminée. Ses fonctions principales sont : Chauffer l'air nécessaire à la combustion en utilisant les gaz de combustion allant à la cheminée Améliorer et stabiliser le processus de combustion Augmenter le rendement global de la chaudière Il existe deux types principaux de réchauffeurs d'air par récupération : 1 Réchauffeur d'air à plaques 2 Réchauffeur d'air tubulaire Composé d'enveloppes soudées avec des passages Constitué de longs tubes droits en acier ou en alternés pour l'air et les gaz de combustion. fonte, placés horizontalement ou verticalement. Ces réchauffeurs fonctionnent sur le principe du transfert direct de chaleur entre les deux fluides à travers une surface métallique. Réchauffeurs d'air régénérateurs Les réchauffeurs d'air régénérateurs fonctionnent sur un principe différent des réchauffeurs par récupération. Leurs caractéristiques principales sont : Transfert de chaleur du courant de gaz à un métal ou une autre surface solide, puis de cette surface à l'air de combustion Utilisation d'éléments de stockage thermique qui passent alternativement dans les courants de gaz et d'air Cycles répétés de chauffe et de refroidissement des surfaces de transfert de chaleur Le type le plus courant est le réchauffeur régénérateur rotatif, dont les principales caractéristiques sont : 1 Construction 2 Fonctionnement 3 Disposition Rotor contenant des paniers Rotation lente (2-3 tr/min) Peut être vertical ou horizontal avec des feuilles ou plaques de exposant alternativement les dans le conduit de la métal ondulées formant le plaques aux courants de gaz chaudière. milieu de transfert de chaleur. chauds et d'air froid. Ces réchauffeurs offrent une efficacité élevée de transfert de chaleur mais nécessitent une attention particulière pour gérer les fuites entre l'air admis et les gaz de combustion. Entretien des parois du foyer L'entretien des parois du foyer est crucial pour le bon fonctionnement et la longévité de la chaudière. Les principaux points à surveiller sont : Tubes surchauffés : Surveiller les dépôts incandescents et les points chauds Accumulation de scorie : Utiliser des souffleurs de suie ou ajuster la configuration de chauffe Transfert de chaleur : Vérifier l'absence de dépôts ou de problèmes de circulation côté eau Fuites : Les détecter et les signaler rapidement pour éviter les dommages Condensation au démarrage : Phénomène normal qui doit disparaître avec la montée en température Une surveillance régulière et une documentation des changements dans les conditions de marche sont essentielles. Tout point chaud ou fuite doit être immédiatement signalé et traité pour éviter des dommages plus importants ou un arrêt non planifié de l'unité. Entretien des tubes de surchauffeur et de réchauffeur Les tubes de surchauffeur et de réchauffeur nécessitent une attention particulière en raison de leurs conditions de fonctionnement à haute température. Les points clés à surveiller sont : 1 Accumulation de scorie 2 Points chauds Contrôlée par le soufflage de la suie ou le Indiquent une surchauffe des tubes, à surveiller changement des configurations de chauffe. avec des pyromètres à main. 3 Affaissement des faisceaux 4 Température de sortie de tubulaires vapeur À mesurer régulièrement sur le long terme. Ne pas dépasser la température de calcul pour préserver la durée de vie des tubes. Au démarrage, un débit de vapeur suffisant est nécessaire pour le refroidissement des tubes. Les fuites doivent être surveillées de près et réparées rapidement. Pour les réchauffeurs, il faut veiller à ne pas augmenter la chauffe trop rapidement au démarrage pour éviter la surchauffe des tubes. Entretien des économiseurs et préchauffeurs d'air L'entretien des économiseurs et des préchauffeurs d'air est essentiel pour maintenir l'efficacité de la chaudière. Les principaux aspects à considérer sont : 1 Économiseurs 2 Préchauffeurs 3 Préchauffeurs Surveiller les chutes de d'air d'air Prévenir la corrosion due à la régénérateurs pression côté gaz et les différences de température condensation en maintenant Surveiller les fuites entre l'air d'eau d'alimentation. Maintenir les températures de gaz au- admis et les gaz de un débit d'eau suffisant au dessus du point de rosée. combustion. Vérifier démarrage pour éviter la Utiliser des serpentins de régulièrement les moteurs de surchauffe. vapeur ou un mélange d'air de commande et les commandes dérivation si nécessaire. de secours. Une inspection régulière lors des arrêts de la chaudière est cruciale pour détecter les signes de corrosion ou d'encrassement. Les chutes de pression croissantes indiquent généralement un problème nécessitant une intervention. Profil de température de l'eau dans un générateur de vapeur Le profil de température de l'eau dans un générateur de vapeur moderne illustre le parcours et les transformations de l'eau à travers les différentes composantes : Économiseur 1 L'eau entre à 254°C et est réchauffée à 280°C. 2 Ballon de vapeur Le mélange vapeur-eau atteint 320°C. Tubes de production de 3 vapeur L'eau et le mélange eau-vapeur sont à 320°C (température de saturation). 4 Surchauffeur La température de la vapeur augmente jusqu'à 538°C. Réchauffeur 5 La vapeur de la turbine à haute pression est réchauffée à 538°C. Ce profil montre l'augmentation progressive de la température de l'eau, sa transformation en vapeur, et le surchauffage de cette vapeur pour optimiser l'efficacité du cycle thermodynamique. Profil de température du gaz dans un générateur de vapeur Le profil de température du gaz dans un générateur de vapeur moderne illustre le parcours des gaz de combustion et leur refroidissement progressif : Foyer 1 Température maximale d'environ 1650°C pour une chaudière à charbon. 2 Surchauffeur radiant Les gaz atteignent environ 1100°C après le transfert de chaleur. Réchauffeur 3 La température des gaz chute à environ 843°C. 4 Économiseur Les gaz sortent à environ 380°C. Préchauffeur d'air 5 La température finale des gaz est d'environ 170°C avant les dépoussiéreurs et la cheminée. Ce profil montre comment la chaleur des gaz de combustion est progressivement récupérée par les différentes composantes du générateur de vapeur, maximisant ainsi l'efficacité énergétique de l'installation. Conclusion La compréhension approfondie des composantes de transfert de chaleur d'une chaudière est essentielle pour les mécaniciens de machines fixes. Les points clés à retenir sont : L'importance de chaque composante dans l'optimisation du transfert de chaleur et de l'efficacité globale La nécessité d'un entretien régulier et d'une surveillance constante des conditions de fonctionnement L'interdépendance des différentes sections et leur impact sur les profils de température de l'eau et des gaz L'importance de maintenir les températures et pressions optimales à chaque étape du processus Une bonne maîtrise de ces concepts permettra aux mécaniciens de machines fixes de mieux gérer le fonctionnement des chaudières industrielles, d'optimiser leur rendement et de prévenir les problèmes potentiels. Cette connaissance est cruciale pour réussir l'examen de classe 3 et exceller dans ce domaine professionnel.