MÉCANISMES DE TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES GÉNÉRATEURS DE VAPEUR

GENERATEURS A VAPEUR

L’industrie utilise couramment la vapeur comme énergie nécessaire à la réalisation de nombreux et variés procédés. La vapeur est un fluide caloporteur disponible en grande quantité, facilement transportable et non toxique. La production de vapeur demande l’utilisation d’un combustible et l’utilisation d’un générateur de vapeur (chaudière). De plus la production de vapeur couplée à une turbine électrique permet 75% de la production mondiale d’électricité.L’objectif du présent document est de condenser les notions nécessaires pour la compréhension des mécanismes de transfert de chaleur dans les chaudières et de présenter les calculs thermiques fondamentaux. De plus, ce document fait un lien avec une problématique actuelle telle que la combustion des déchets forestiers et agricoles et l’utilisation des lits fluidisés pour leur combustion.Le présent document fera un rappel sur les connaissances nécessaires à la compréhension du fonctionnement des chaudières à vapeur.

HISTORIQUE

L’intérêt de l’homme pour la machine à vapeur apparaît très tôt. Les premiers travaux remontent à l’antiquité avec l’invention du premier moteur à vapeur à réaction par Héron d’Alexandrie (figure 2.1).Cette invention (figure 2.1) resta une expérience sans réelle application. Il faut attendre les travaux de James Watt en 1780 pour voir les applications industrielles. James Watt améliora les machines à vapeur en permettant la régulation de la rotation de la roue (figure 2.2). Il déposa un brevet pour la première locomotive à vapeur. Il met lui-même au point le principe mécanique bielle et arbre à came ainsi que le cylindre à double action où la vapeur entraîne le piston à la descente et à la remontée. Ce qui augmente significativement les puissances des machines. Il invente aussi une nouvelle unité de la mesure de la puissance, le cheval vapeur.Mais il faudra attendre 1800 et l’expiration des brevets de James Watt pour voir apparaître les générateurs à vapeur haute pression dans lesquels il ne croyait pas beaucoup.La machine à vapeur (figure 2.2) a permis la première révolution industrielle, en permettant de fournir la puissance au travail de l’homme et le déplacement des biens. Mais, elle a été remplacée aujourd’hui par le moteur à explosion, le moteur électrique et la turbine. L’utilisation de la turbine est très répandue pour la production d’électricité.
Depuis 1850, la construction des chaudières à vapeur et leurs utilisations a fourni de larges connaissances expérimentales. La recherche sur la combustion, les matériaux et la régulation ouvre un vaste domaine de recherche.

RAPPEL SUR LE FONCTIONNEMENT D’UN GÉNÉRATEUR DE VAPEUR

Le principe de fonctionnement des chaudières à vapeur fait appel aux connaissances de thermodynamique et de transfert de chaleur. On peut facilement faire l’analogie avec une casserole remplie d’eau au contact d’une source de chaleur.Ainsi l’eau contenue dans la casserole élève sa température jusqu’à sa température d’évaporation (ebullition); puis, elle change de phase et devient vapeur. La température de changement de phase correspond à l’état saturé de l’eau, elle est fonction de la pression du système. À la pression atmosphérique, l’eau s’évapore à 100°C.La température de l’eau augmente par échange de chaleur et diminue lentement de densité. Ensuite, la température et la pression sont conservées et l’eau diminue de densité de façon significative pour changer de phase. Dans certaines chaudières, on souhaitera une vapeur surchauffée, ou encore appelée vapeur sèche. Le calcul de l’énergie nécessaire à l’évaporation peut se faire avec la différence des enthalpies et les chaleurs spécifiques (constante).L’équation 2.1 représente la chaleur (ou flux) nécessaire pour chauffer (ATa), évaporer (AL23), et surchauffer (AT34) 1kg d’eau. Les modes de transfert de chaleur, dans une chaudière à vapeur par ordre d’importance sont le rayonnement, la convection et la conduction. Dans un premier temps, la combustion prenant place dans le foyer dégage une forte quantité de chaleur, matérialisée par une flamme, qui est transférée par rayonnement. Puis les fumées chaudes parcourent la chaudière en transférant leurs potentielles énergétiques à l’eau par convection et conduction à travers les tubes.

CLASSIFICATION ET CARACTÉRISATION DES DIFFÉRENTS TYPES DE CHAUDIÈRE

On retrouve deux principaux types de générateur de vapeur (tube d’eau et tube de fumées). La conception de certaines chaudières est le résultat d’un mélange entre les deux principaux types, appelés « chaudières hybrides ».

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Table des matières

RÉSUMÉ
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS
CHAPITRE: INTRODUCTION
1.1 LE PROJET
I.l.l PRÉSENTATION DU PROJET
1.1.1,1 Présentation de l’entreprise
1.2 PROBLÉMATIQUE
1.3 OBJECTIFS
CHAPITRE 2 GÉNÉRATEURS À VAPEUR
2.1 HISTORIQUE
2.2 RAPPEL SUR LE FONCTIONNEMENT D’UN GÉNÉRATEUR DE VAPEUR
2.3 CLASSIFICATION ET CARACTÉRISATION DES DIFFERENTS TYPES DE CHAUDIÈRES
2.3.1 CHAUDIÈRES À TUBE D’EAU
2.3.2 CHAUDIÈRES À TUBE DE FUMÉE
2.4 NOTIONS DE BASE DES MÉCANISMES DE TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES GÉNÉRATEURS DE VAPEUR
2.4.1 RAYONNEMENT DANS UN GÉNÉRATEUR DE VAPEUR
2.4.1.1 Calcul de la température adiabatique de la flamme
2.4.1.2 Calcul du flux échangé par rayonnement
2.4.2 CONVECTION DANS UN GÉNÉRATEUR DE VAPEUR
2.4.2.1 Calcul du coefficient d’échange par convection
2.4.3 CONDUCTION DANS LES GÉNÉRATEURS DE VAPEUR
2.4.4 BILAN GLOBAL DANS UN GÉNÉRATEUR DE VAPEUR
2.5 NOTIONS DE BASE DES MÉCANISMES DE LA COMBUSTION ET ÉLÉMENTS DE CALCUL DES DIFFÉRENTS CARBURANTS (SOLIDE, LIQUIDE, GAZ)
2.5.1 THÉORIE DE LA COMBUSTION
2.5.2 POUVOIR CALORIFIQUE
2.6 MÉTHODE DE COMBUSTION DES CARBURANTS SOLIDES: DESCRIPTION DES DIFFÉRENTES CONCEPTIONS
2.6.1 SYSTÈMES DE COMBUSTION À GRILLE
2.6.1.1 Systèmes de combustion à grilles fixe (inclinées et à plat)
2.6.1.2 Systèmes de combustion à grilles rotative ou vibrante
2.6.2 SYSTÈMES DE COMBUSTION À LIT FLUIDISÉ
2.6.2.1 Combustion en lit circulant
2.6.2.2 Combustion en Ut fluidisé bouillonnant
2.6.3 SYSTÈME D’ALIMENTATION DES COMBUSTIBLES SOLIDES DANS LE FOYER
2.6.3.1 Combustibles solides pulvérisables
2.6.3.2 Combustibles solides non pulvérisables
CHAPITRE 3 COMBUSTION EN LIT FLUIDISÉ ET CONTROLE
3.1 PRINCIPES DE LA FLUID1SATION
3.1.1 HYDRODYNAMIQUE
3.1.1.1 Fluidisation d’une particule
3.1.1.2 Classification des poudres
3.1.1.3 Pertes de charges et vitesse critique
3.1.2 TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES LITS FLUIDISÉS
3.2 CONCEPTION DES GRILLES DE FLUIDISATION
3.2.1 TYPES DE GRILLES DE FLUIDISATION
3.2.2 TAILLE DES BULLES
3.2.3 LONGUEUR ET VITESSE DU JET
3.2.4 PERTES DE CHARGES ET L’HOMOGÉNÉISATION DE LA FLUIDISATION
3.3 CONTRÔLE ET DÉMARRAGE DES CHAUDIÈRES À LIT FLUID1SÉ BOUILLONNANT
3.3.1 CONTRÔLE DES GÉNÉRATEURS DE VAPEUR
3.3.1.1 Contrôle de la combustion en lit fluidisé bouillonnant
3.3.1.2 Stabilisation de la combustion au démarrage
3.3.1.3 Régime de fluidisation et température de sable
3.3.1.4 Avantages liés à l’utilisation des lits fluidisés
3.3.1.5 Phénomène d’agglomération dans les Ht fluidisés
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
4.1 CONCEPTION D’UN LIT FLUIDISE POUR LA COMBUSTION DE BIOMASSE
4.1.1 DÉMARCHE DE CONCEPTION
4.1.2 ESSAIS ET ANALYSE DU LIT FLUIDISÉ
4.2 ÉCHANGES DE CHALEUR
4.2.1 SIMULATEUR
4.2.2 ANALYSE ET DISCUSSION DU SIMULATEUR
4.3 GESTION DU SYSTÈME
4.3.1 CONCEPTION DE LA LOGIQUE DE CONTRÔLE
4.3.2 CHOIX ET EMPLACEMENT DES CAPTEURS
4.4 EXPÉRIMENTATIONS AVEC LE GÉNÉRATEUR DE VAPEUR INSTALLÉ À LA FROMAGERIE BOIVIN
4.4.1 ESSAIS DES BOUCLES DE CONTRÔLE À FROID
4.4.2 ESSAIS DES BOUCLES DE CONTRÔLE À CHAUD
4.4.3 ANALYSE ET DISCUSSION DU CONTRÔLEUR
4.5 COMPARAISON DES ESSAIS DE L’INSTALLATION AVEC LE SIMULATEUR
CHAPITRE 5 CONCLUSION
CHAPITRE 6 RECOMMANDATIONS
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE 1 : GRAPHIQUE DE L’ÉMISSIVITÉ DV CO2 ET H2O DANS UN MÉLANGE DE GAZ NON PARTICIPANT
ANNEXE 2 : GRAPHIQUE DE CORRECTION DE L’ÉMISSIVITÉ QUAND CO2 ET H2O SONT PRÉSENTS DANS UN MÉLANGE DE GAZ
ANNEXE 3 : CALCUL DE L’ÉMÏSSIVITE EFFECTIVE POUR DES TUBES AVEC DES AILETTES
ANNEXE 4 : VALEUR DES COEFFICIENTS DU NOMBRE DE NUSSELT POUR UN ÉCHANGEUR À FLUX CROISÉ AVEC PLUSIEURS SÉRIES DE TUBES
ANNEXE 5 : DIAGRAMME DES PERTES DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT D’UNE CHAUDIÈRE SELON LES NORMES DE L’ABMA
ANNEXE 6 : FONCTIONNEMENT DÉTAIILÉ DU SIMULATEUR
ANNEXE 7 : DESCRIPTION FONCTIONNELLE DU GÉNÉRATEUR DE VAPEUR
ANNEXE 8 : NARRATIF DE FONCTIONNEMENT EN LIEN AVEC LE SCHÉMA D’INSTRUMENTATION ET DE CONTRÔLE
ANNEXE 9 : SCHÉMA D’INSTRUMENTATION ET DE CONTRÔLE