Chaudières

Une chaudière est un réservoir contenant un liquide caloriporteur et muni d'un système de chauffage le foyer dans le cas du bois et du charbon et d'un brûleur pour le fioul ou le gaz. Son but est de produire et stocker de l'énergie thermique dans ce liquide et d'utiliser cette énergie en action mécanique par ex: locomotive,navire ou a des fin de chauffages de locaux. Le liquide chauffé est transporté à l'aide de tuyauteries jusqu'au lieu d'utilisation. Le liquide (chaudière a tube d'eau) ou la vapeur (chaudière à tube de fumée) produite sort par une tuyauterie fixée sur sa partie haute et revient par une autre tuyauterie fixée sur sa partie basse après avoir circulé et s'être refroidi.

Définition scientifique : système permettant d'augmenter la température d'un fluide caloporteur afin de transporter de l'énergie thermique.

Sommaire 1 Exemples 2 Types 2.1 Classification par gamme de puissance 2.2 Classification par type de fluide caloporteur 2.3 Classification par type de combustible 2.3.1 Chaudières à combustibles liquides ou gazeux 2.3.2 Chaudières à combustibles solides 2.3.2.1 Les foyers à grilles 2.3.2.2 Les foyers à lit fluidisés 2.3.2.3 Les foyers à charbon pulvérisée 2.3.3 chaudières électriques 2.4 Classification par construction 2.4.1 Chaudières à tube de fumées 2.4.2 à tube d'eau 2.5 Classement par type de circulation 2.5.1 à circulation forcée 2.5.2 à circulation naturelle 2.5.3 à circulation assistée 3 Voir aussi 3.1 Articles connexes 3.2 Liens et documents externes

Exemples

• Une chaudière de chauffage central, permet de distribuer de la chaleur dans différents locaux. La restitution de chaleur s'effectue à l'aide de radiateurs ou de convecteurs. Le liquide employé est généralement de l'eau. Un second circuit peut assurer l'eau chaude sanitaire (douche, etc.). Les fumées des chaudières classiques contiennent de l'eau à l'état vapeur produit lors de la réaction de combustion (voir PCI).
• Les chaudières à condensation, un peu plus onéreuses, sont équipées d'un échangeur supplémentaire au niveau du rejet des fumées où circule l'eau de chauffage avant son introduction dans la chaudière. Ceci permet de condenser et donc de récupèrer l'énergie latente de condensation contenue dans l'eau à l'état vapeur des fumées (voir PCS), donnant l'illusion d'un « rendement » supérieur à 1. Ces chaudières sont intéressantes seulement lorsque la température d'introduction dans la chaudière est basse (environ 40°C au lieu des 60°C habituelle). La durée de vie d'une chaudière de bonne marque et soigneusement entretenue chaque année peut dépasser 35 ans; quelle que soit la marque, elle dure rarement moins de dix sauf négligence ou choix de remplacement par un modèle plus performant.
• Les chaudières pulsatoires qui obtiennent un rendement proche des 111% PCI et reposent sur un principe de combustion différent des chaudières classiques.
• Une chaudière de locomotive à vapeur chauffe de l'eau jusqu'au stade de la vapeur en surpression, cette vapeur en se détendant dans des pistons délivre une force mécanique qui est utilisée pour déplacer la locomotive.
• Les systèmes de nettoyage vapeur en vogue dans les années 1990-2000 comportent une chaudière à circuit non fermé produisant la vapeur d'eau.
• Une chaudière utilisée pour fournir à un procédé industriel, chaleur et/ou force.
• Une centrale nucléaire utilise le principe de la chaudière. La réaction nucléaire chauffe un liquide, qui se réchauffe jusqua devenir de la vapeur et d'entraîner un alternateur.
• La chaudière à granulés.

Types

Il existe une grande variété de types de chaudières différentes. On peut classifier les chaudières suivant différents critères :

Classification par gamme de puissance

Les reglementations classifient les chaudières par gammes de puissances.

Classification par type de fluide caloporteur

Une chaudière produit de l'énergie thermique qui peut ensuite être véhiculée par différents types de fluides caloporteurs. Les principaux fluides caloporteurs utilisés peuvent être :

• L'eau :
  • L'eau chaude :
    L'eau chaude est principalement utilisée dans les systèmes de chauffages ce locaux d'habitation, commerciaux ou industriels. Dans le domaine du chauffage central domestique, c'est quasiment le seul fluide utilisé.
  • L'eau surchauffée :
    L'eau surchauffée est principalement utilisée dans le chauffage urbain. On peut aussi la trouver dans l'industrie.
• La vapeur :
  • La vapeur saturée :
    La vapeur saturée est principalement utilisée dans les industries de process. La vapeur produite par la chaudière sert alors à chauffer des fluides au travers d'échangeurs. Des machines spécifiques comme les machines à papier peuvent également avoir besoin d'une alimentation en vapeur.
    

    

    Vue d'un surchauffeur à l'intérieur du foyer d'une chaudière charbon à tubes d'eau.
  • La vapeur surchauffée :
    La vapeur surchauffée sert principalement à être turbinée, généralement dans le but d'entraîner un alternateur pour produire de l'électricité. Ce principe est utilisé par les centrales thermiques. Certaines industries ont des déchet à éliminer. Ces déchet utilisés comme combustibles leur permettent de produire de l'énergie électrique et tout ou partie de l'énergie thermique nécessaire à l'usine. On parle alors de cogénération.
• Des fluides thermiques :
  Les fluides thermiques sont généralement des huiles. Elles permettent d'atteindre de hautes températures sans nécessiter de pression élevées. Elles sont utilisés comme énergie thermique par exemple dans l'industrie des panneaux de bois aggloméré L'utilisation de fluide thermique permet également de meilleures précision dans la régulation de température. Cependant, l'utilisation de fluide thermique génère de nombreuses contraintes d'exploitations pour les industriels. Ils sont de plus en plus remplacés par de la vapeur.
• Des sels fondus :
  Il s'agit de chaudières très spéciales qui n'ont pas ou peu d'exemples d'utilisations industrielles.

Classification par type de combustible

Chaudières à combustibles liquides ou gazeux

Les chaudières à combustibles liquides et gazeux sont par construction très proches. Dans ce type de chaudière, l'élément assurant la combustion s'appelle brûleur. Les combustibles utilisés sont principalement le gaz naturel, le gaz de pétrole liquéfié, le fioul domestique, le fioul lourd. Une chaudière à combustible liquide ou gazeux peut comporter un ou plusieurs brûleurs.

Chaudières à combustibles solides

Il existe de nombreux procédé de combustion pour les chaudières à combustibles solides. On peut séparer les foyers à combustibles solides en 3 grandes familles :

• les foyers à grille,
• les foyers à lit fluidisés,
• les foyers à charbon pulvérisé.

Les foyers à grilles

• Les grilles à gradins constituent un plan incliné mouvant sur lequel le combustible brûle en couche. La couche de combustible est insérée en haut de la grille, souvent à l'aide d'un poussoir, et le mouvement de la grille fait avancer le combustible en ignition. En bas de la grille, il ne reste plus que les cendres qui sont évacuées dans une fosse. Les grilles à gradins sont plutôt utilisées pour les petites chaudières (jusqu'à 2 ou 3 MW environ) ou pour les ordures ménagères.

• Les grilles mécaniques sont constitués d'un tapis roulant métallique perméable à l'air. Ces grilles utilisent le principe de combustion en couche. Elles sont utilisées presque exclusivement pour le charbon sur une très vaste gamme de puissance quelques mégawatts à plus de 100 MW)

• Le spreader stoker utilise principe de projection du combustible dans tous l'espace de la chambre de combustion. Il est utilisé pour les charbons et combustibles végétaux pour des puissances allant de quelques MW à plus de 100 MW.

• Les foyers « volcans » aussi appelés « understoker ». Le combustible est introduit par le dessous de la grille. Ce principe est utilisé pour des puissances n'excédant pas quelques MW.

Cette liste n'est pas exhaustive tant il existe de technologies de grilles.

Les foyers à lit fluidisés

Il existe plusieurs types de foyers à lit fluidisé :

• lit fluidisé circulant (souvent appelés LFC).
• lit fluidisé dense.

Les chaudières à lit fluidisés circulant sont utilisés pour des puissances généralement supérieures à 100 MW. Ces foyers peuvent fonctionner indifféremment avec du charbon ou des combustibles végétaux. Ils ont l'avantage de fonctionner avec des températures de combustion à la fois très faibles et très homogènes, ce qui est favorable à de faibles rejets en NOx. La complexité de ce type de technologie fait qu'elle est réservé aux chaudières relativement puissantes.

Les foyers à charbon pulvérisée

Le charbon pulvérisé est introduit dans la chaudière à l'aide d'un brûleur. Cette technologie est principalement utilisé dans les centrales electriques au charbon dont les chaudières font plusieurs centaines de MW.

chaudières électriques

L'électricité n'est pas à proprement parlé un combustible. C'est cependant une source d'énergie qui est parfois convertie en chaleur dans des chaudières électriques. Il existe plusieurs principes de chauffes. Les chaudières à résistances chauffent l'eau à l'aide d'une résistance électrique immergée dans l'eau. Les chaudières à effet joule chauffent l'eau à l'aide d'électrodes immergée dans l'eau. C'est alors l'effet joule de l'eau qui permet le chauffage de l'eau ou la vaporisation. La rareté des chaudières électriques s'explique par le prix de l'électricité qui est une énergie plus coûteuse que la plupart des autres énergies. On trouve des chaudières électriques dans le domine du chauffage central domestique, dans l'humidification de locaux équipés d'air conditionné (petites chaudières vapeur utilisés pour l'humidification), mais aussi dans l'industrie pour des puissances allant jusque quelques dizaines de MW.

Classification par construction

Chaudières à tube de fumées

C'est historiquement le premier type de construction. Les premiers modèles utilisait une circulation verticale, plus facile à réaliser, du fait de la convection des gaz, mais par la suite, on réalisa des chaudières avec un arrangement horizontal, plus adaptées, à l'utilisation pour le chemin de fer ou la navigation.

Une chaudière à tube de fumées est constitué d'un grand réservoir d'eau traversé par des tubes dans lesquelles circulent les fumées. Le premier tube du parcours de fumées est un tube de plus gros diamètre qui constitue le foyer. Ce type de construction est aujourd'hui utilisé presque exclusivement pour les combustibles solides et liquides. En effet, la forme du foyer des chaudières à tubes de fumées rend difficile l'extraction des cendres. Lorsqu'elles sont utilisées avec des combustibles solides le foyer est placé à l'extérieur de la chaudière proprement dite. Dans ce cas, le foyer est un avant foyer à tubes d'eau ou en réfractaire.

Ce type de construction est généralement réservé à des puissances n'excédant pas 20 ou 30 MW.

à tube d'eau

Dans cette construction, c'est le caloporteur qui circule dans les gaz de combustion. L'avantage de cette formule est surtout la sécurité de ne pas avoir de grandes quantités d'eau dans la chaudière même, qui pourrait en cas de rupture mécanique, entraîner une création explosive de vapeur. Elles ont également l'avantage d'avoir une plus faible inertie. Dans ce type de chaudière, le foyer a toujours un volume très important. De plus, le foyer a la possibilité d'être ouvert dans sa partie inférieure. C'est ces deux caractéristiques qui font qu'elles sont souvent utilisées en combustibles solides même pour des puissances de quelques MW seulement.

Classement par type de circulation

à circulation forcée

Dans ce type de chaudières, la circulation de l'eau dans les tuyauteries est assurée à l'aide d'une pompe appelée aussi circulateur dans le cas du chauffage central. Cette configuration facilité la conception des chaudières : il n'est pas nécessaire de s'assurer que les pertes de charges permettent une circulation par convection.

à circulation naturelle

La circulation de l'eau dans une chaudière est très importante pour éviter la formation des zones sèches où le métal est susceptible de fondre se déformer ou s'oxyder prématurément sous l'effet de la chaleur.

Dans les chaudières à tubes d'eau à circulation naturelle, de gros tubes placés hors du feu (appelés "tubes de chutes") permettent la descente de l'eau. Ainsi le mélange eau/vapeur monte dans les tubes de la chaudière et du fait du changement de densité lié à la fois à la dilatation de l'eau et au titre de vapeur, redescend dans les tubes de chutes. La circulation d'eau dans les chaudières à tubes de fumées ne nécessite pas ce genre d'artifice pour satisfaire une bonne circulation.

à circulation assistée

Dans certains cas, les pertes de charges font que la convection naturelle n'est pas tout à fait suffisante pour assurer une bonne circulation d'eau dans la chaudière. On met alors une pompe pour aider au passage de l'eau qui se fait alors dans le même sens que la circulation naturelle.

A l'intérieur d'une même chaudière on peut rencontrer ces différents types de circulations. Par exemple dans une chaudière vapeur surchauffée, la circulation peut être naturelle dans les tubes du foyer, assistée dans les épingles du parcours de fumée, forcée dans l'économiseur et dans le surchauffeur.

Voir aussi

Articles connexes

• Locomotives à vapeur françaises
• Bois énergie
• Copeau
• Pellet (combustible)
• Vaillant, chauffage et chaudières
• Entretien des chaudières

Liens et documents externes

• Le chauffage - Energie+ - UCL (soutien de la D.G.T.R.E.)

• Portail de l’énergie