Conception Et Calcul Des Chaudières

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Conception et calcul des chaudières : foyer et circulation

par Jean PARISOTIngénieur de l’École Centrale des Arts et ManufacturesIngénieur-conseil, ThermicienAncien Chef de service Calcul/Conception de Stein Industrie

ans cet article, nous traiterons de la détermination du foyer et de la circu-lation du fluide chauffé.

L’ensemble Conception et calcul des chaudières fait l’objet de plusieurs articles :— Généralités et bilans [B 1 460] ;— Foyer et circulation [B 1 461] ;— Échangeurs et circuits air/fumées [B 1 462] ;— Comportement et performances [B 1 463] ;

ainsi qu’une documentation commune à l’ensemble [Doc. B 1 464].

1. Détermination du foyer.......................................................................... B 1 461 - 21.1 Rôle du foyer................................................................................................ — 21.2 Conception générale ................................................................................... — 2

1.2.1 Dimensions du foyer .......................................................................... — 21.2.2 Construction des parois ..................................................................... — 3

1.3 Objet des calculs.......................................................................................... — 41.4 Calculs .......................................................................................................... — 4

1.4.1 Détermination de la chaleur introduite............................................. — 41.4.2 Bilan de répartition à l’intérieur du foyer ......................................... — 51.4.3 Bilan d’échange .................................................................................. — 51.4.4 Transfert thermique............................................................................ — 6

1.5 Échanges dans le foyer : flux thermiques sur les parois.......................... — 71.6 Méthodes de calcul simplifiées .................................................................. — 8

2. Circulation du fluide chauffé................................................................ — 82.1 Rôle de la circulation................................................................................... — 8

2.1.1 Formation de la vapeur ...................................................................... — 82.1.2 Transmission de chaleur : température de paroi ............................. — 92.1.3 Effets sur la conception et la construction ....................................... — 10

2.2 Modes de circulation................................................................................... — 122.2.1 Circulation naturelle ........................................................................... — 122.2.2 Circulation assistée par pompe ......................................................... — 132.2.3 Circulation forcée................................................................................ — 152.2.4 Chaudières supercritiques ................................................................. — 172.2.5 Comparaison des différents modes de circulation .......................... — 18

2.3 Réservoirs. Séparateurs .............................................................................. — 182.3.1 Réservoir ............................................................................................. — 182.3.2 Séparateur........................................................................................... — 232.3.3 Cas particulier de la double circulation ............................................ — 23

2.4 Calculs de circulation .................................................................................. — 242.4.1 Circulation naturelle ........................................................................... — 242.4.2 Circulation assistée par pompe ......................................................... — 262.4.3 Circulation forcée................................................................................ — 26

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 1 464

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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 1 461 − 1

CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : FOYER ET CIRCULATION ____________________________________________________________________________

1. Détermination du foyer

1.1 Rôle du foyer

Le rôle essentiel du foyer est d’assurer la combustion dans desconditions correctes, c’est-à-dire :

— avec sécurité, ce qui implique la stabilité des flammes et unedétection suffisamment précise des extinctions pour éviter lesrisques d’explosion par réallumage ;

— avec un bon rendement, donc avec le minimum d’imbrûlésgazeux et solides, et l’excès d’air minimal ;

— avec un minimum d’entretien, d’où la nécessité de réduire lesparties réfractaires, toujours plus fragiles et plus sensibles au collagedes cendres que les parties métalliques ;

— avec parfois la possibilité d’utiliser soit séparément, soitensemble, plusieurs combustibles .

À ce rôle principal, qui autrefois était réservé à des foyerscouverts de réfractaires, puis progressivement garnis de tubesd’eau plus ou moins espacés (figure 1), sont venues s’ajouter dansles chaudières modernes d’autres fonctions :

— assurer une partie non négligeable de l’échange thermique dela chaudière et, de préférence, une partie importante de lavaporisation ;

— par suite de la création d’une enceinte complètement refroidiepar des tubes plus ou moins ailetés, la possibilité de rendre cetteenceinte étanche aux fumées et, de ce fait, d’avoir des foyerscapables de fonctionner en légère surpression côté fumées ; celapermet, en comprimant l’air depuis l’état froid par un ventilateur desoufflage et sans faire appel à un ventilateur de tirage, d’assurerl’introduction de l’air de combustion à travers le foyer et le passagedes fumées à travers les échangeurs de la chaudière. Il en résulte,pour une même perte de charge globale, une économie d’énergieimportante ;

— permettre, grâce à la conception de parois entièrementrefroidies, désignées habituellement sous le nom d’écrans, d’obtenirà la sortie du foyer une température suffisamment basse pour éviterles collages de cendres sur les premiers échangeurs rencontrés ;

— assurer en outre une combustion dans des conditions tellesque les oxydes d’azote (NOx ) ne soient produits qu’en quantitélimitée ; dans certains cas, on prévoit également de compléter lesréactions de combustion par une action chimique de capture desoxydes de soufre grâce à des injections de calcaire ou de chaux ;parfois, comme dans les chauffes au fuel, le foyer est égalementl’endroit où l’on effectue des injections de magnésie destinées àlimiter la formation de sels de vanadium, trop facilement fusibles.

1.2 Conception générale

1.2.1 Dimensions du foyer

La taille et les dimensions du foyer sont fortement liées au typede combustible (figure 2) et imposées par des conditions qui sontpresque toutes indépendantes des problèmes de transfert dechaleur.

■ On se trouve dans l’obligation d’achever la combustion ou de lapousser à un degré suffisant pour que la teneur en imbrûlésdevienne tolérable ; l’obtention de ce résultat passe par le respectd’un temps de séjour minimal des particules en combustion, tempsde séjour lié également à la taille de ces particules, c’est-à-dire soitaux granulométries obtenues par broyage pour le charbon, soit à lafinesse de pulvérisation dans le cas de combustible liquide.

Figure 1 – Foyer et tubes d’eau

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 461 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique

____________________________________________________________________________ CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : FOYER ET CIRCULATION

Ces considérations ainsi que la puissance thermique demandéeà la chaudière définissent un volume de foyer, puisque le débit desfumées est, pour chaque catégorie de combustible, à peu dechoses près proportionnel à la puissance thermique.

■ Dans la zone des brûleurs, la section en plan du foyer, sa largeuret sa profondeur sont liées au modèle de brûleur retenu pourpermettre un développement correct de la flamme et éviter sonimpact sur les parois voisines ou sur une paroi opposée. Dans le casde combustible solide, le nombre de brûleurs est également lié, enchauffe directe, au nombre de broyeurs.

■ La distance entre brûleurs, ou entre plans de brûleurs, dépendévidemment de leur encombrement mais également des limitesimposées par des problèmes de circulation de l’eau à l’intérieur destubes d’écrans ou par des problèmes de flux maximal local et detempérature superficielle des dépôts qui, en général, conduisent àétaler cette zone.

■ Ces mêmes problèmes de développement de flamme imposentun respect de distance minimale entre les brûleurs eux-mêmes etentre les brûleurs et l’obstacle le plus proche (naissance d’une voûteou d’un cendrier, parois latérales).

La valeur de la section horizontale du foyer dépend soit de lalimitation du flux maximal local admissible en fonction du modede circulation choisi (§ 2), soit de la limitation de la vitesse des gazà la sortie du foyer en vue d’éviter les érosions dans le cas descombustibles solides.

■ La fusibilité des cendres peut imposer une hauteur de foyerminimale nécessaire pour assurer un refroidissement suffisant desfumées, de sorte que les matières en suspension passent au-dessousde leur température de collage. Bien entendu, cette obligationn’existe que dans les systèmes de combustion à cendres sèches.

■ Dans les foyers à cendres fondues, le volume et les dimensionsdu foyer sont, au contraire, déterminés par des considérations detempérature à maintenir dans un volume défini, avec l’obligation derester au-dessus de la température de fusibilité pour les bassesallures de la chaudière.

■ La forme du foyer peut dépendre directement du combustible ;dans le cas de combustible à faible teneur en matières volatiles, ilfaut un foyer en voûte qui permet, avec l’aide de réfractaires fixéssur des parois tubées, de créer aux environs du brûleur une zoneparticulièrement chaude, favorable à l’obtention de la températureminimale d’inflammation.

■ Pour les combustibles solides, on associe directement au foyerun cendrier dont la pente par rapport à la verticale doit être choisiede façon à éviter la rétention des cendres ou des mâchefers qui ytombent (pente d’environ 60 degrés par rapport à l’horizontale).

■ La forme du foyer, pour des modes de combustion qui n’utilisentpas des brûleurs classiques, doit être adaptée au procédé choisi :grille mécanique, grille avec projection de combustible, système àpoussoir, combustion sur sole, etc.

■ La forme du foyer doit être telle qu’elle permette d’assurer unerépartition uniforme des gaz à la sortie pour que les échangeurs quis’y trouvent ne présentent pas des disparités d’absorptionexcessives.

De ce fait, les principales dimensions du foyer sont liées auxcaractéristiques suivantes :

— la teneur en matières volatiles du charbon, en relation directeavec son aptitude à brûler plus ou moins vite ;

— les critères d’inflammabilité ;— les valeurs des fusibilités, en rapport direct avec les risques et

l’importance des encrassements ;— les finesses, reliées au temps de combustion et, par prise en

compte du temps de séjour, à la teneur en imbrûlés résiduels ;— le choix des puissances calorifiques admises dans la zone des

brûleurs.

1.2.2 Construction des parois

Les écrans qui forment l’enveloppe refroidie du foyer (figure 1a )sont conçus pour être étanches côté fumées et, de ce fait, constituésde tubes reliés entre eux soit par un dépôt de soudure, soit par desailettes soudées.

Figure 2 – Dimensions du foyer en fonction du combustible



Le diamètre de ces tubes doit être convenablement choisi pourassurer un débit de circulation capable de faire face, sans créer desurchauffe locale, au flux de chaleur important qui existe dans lazone des brûleurs. Ces diamètres sont de l’ordre de 25 à 50 mmpour les hautes pressions et peuvent atteindre 100 mm en bassepression. L’épaisseur des tubes dépend aussi de la pression, maisdoit être supérieure à la valeur minimale requise pour le soudage,4 ou 5 mm suivant les techniques.

Le pas des tubes est souvent imposé par le mode d’assemblagechoisi et la taille des ailettes dont la dimension maximale estlimitée par la température atteinte au milieu de l’ailette.

En fonction du bilan général d’échange, il est souvent néces-saire, dans le domaine des pressions supérieures à 150 bar, deprévoir des surfaces directement exposées au rayonnement où lefluide chauffé n’est plus de l’eau en cours de vaporisation, mais dela vapeur ; c’est le cas des foyers en spirale où la vaporisation estachevée avant d’arriver à la partie supérieure des écrans.

Dans les foyers à tubes verticaux, ces surfaces se présententgénéralement sous forme d’un panneau mural disposé verticale-ment en partie supérieure, sur la face avant et partiellement sur lesfaces latérales ; l’échange par rayonnement se fait également surdes panneaux de tubes de surchauffeur, disposés verticalement etsuspendus à des intervalles importants (4 à 5 m) dans la cavitésupérieure, et plus rarement sur toute la hauteur du foyer.

1.3 Objet des calculs

Les résultats attendus d’un calcul de foyer sont par ordred’importance décroissante :

— la température des fumées à la sortie du foyer ; d’elle dépendnon seulement le dimensionnement des échangeurs mais aussileur bon comportement vis-à-vis des encrassements superficielsou des dépôts. Les conséquences d’une erreur dans l’évaluation decette température se font sentir :

• sur la température de la resurchauffe,• sur le débit des injections en surchauffe,• sur les températures de métal du surchauffeur ou du resur-

chauffeur,• éventuellement, sur l’évaporation dans l’économiseur ;

— la valeur du rayonnement transmis aux échangeurs directe-ment exposés ;

— les transferts de chaleur sur les écrans, utiles pour les calculsde circulation, et indispensables pour la détermination des échangesdans les parois (taux ou température de vapeur à la sortie des écrans)dans le cas des chaudières à circulation forcée ;

— enfin, mais de façon plus approximative :• la connaissance des températures locales dans la zone de

combustion et, éventuellement, une aide à la déterminationdes réactions de formation des NOx et SO3 ,

• la détermination des imbrûlés probables, compte tenu dutemps de séjour, de la finesse du produit introduit et de lateneur en matières volatiles,

• l’établissement d’un diagramme des vitesses de fumées àl’intérieur et à la sortie du foyer (étude en trois dimensions).

1.4 Calculs

Le modèle de transfert de chaleur qui prédomine dans le foyerest le rayonnement. Ce mode d’échange thermique fait l’objet desarticles Rayonnement thermique des matériaux opaques [A 1 520]et Rayonnement thermique des matériaux semi-transparents[B 8 215] dans le traité Génie énergétique.

Pour mémoire, le rayonnement suit la loi de Stefan-Boltzmannqui établit la proportionnalité entre la chaleur transmise et la diffé-rence des puissances 4e des températures absolues de l’émetteuret du récepteur, en faisant intervenir des facteurs d’émissivité etd’absorption.

À l’intérieur d’un volume déterminé, la quantité de chaleur Qéchangée par seconde par rayonnement s’exprime par :

avec εg coefficient d’émissivité du gaz à la température Tgpour le trajet moyen L = 3,4 V/S, avec V (m3) volumede la zone rayonnante et S (m2) surface enveloppe decette zone,

r coefficient d’absorptivité de la paroi = r0 E avec r0coefficient d’absorptivité du matériau (corps gris,inférieur ou au plus égal à 1) et E pouvoir absorbantde la paroi,

Tg (K) température thermodynamique du gaz,

Tp (K) température thermodynamique de la paroi.

La détermination des valeurs à introduire dans la formuleci-dessus est explicitée dans les paragraphes suivants, permettantainsi d’obtenir la température du gaz Tg dans le volume considéré.

1.4.1 Détermination de la chaleur introduite

Les calculs généraux effectués antérieurement (article Généralitéset bilans [B 1 460] ) ont permis de définir le débit de combustible,le débit d’air nécessaire à la combustion et le débit de fuméesproduites.

Le combustible peut être introduit :— en chauffe directe avec la totalité de l’eau qu’il contient à

l’état brut ;— en chauffe indirecte sous forme sèche, l’eau enlevée au

combustible étant envoyée à l’extérieur par exhaure séparée ;— ou parfois (chauffe semi-directe) sous forme séchée aux

brûleurs, avec une exhaure séparée qui amène la vapeur provenantdu séchage vers un autre endroit du foyer.

La chaleur introduite par le combustible est calculée soit sur labase PCS, soit sur la base PCI, mais, dans le cas d’utilisation du PCS,il faut calculer la chaleur de vaporisation de l’eau d’origine et cellede l’eau résultant de la combustion de l’hydrogène, pour les déduireet définir ainsi la chaleur disponible. La masse de combustible intro-duite dans ce calcul doit être la masse du combustible réellementbrûlé (imbrûlés déduits) en supposant que les réactions decombustion ne donnent pas lieu à la création d’imbrûlés gazeux pardécomposition à haute température.

En même temps que le combustible, on introduit de l’air à unetempérature choisie soit pour faciliter l’allumage, soit en vue d’unerécupération maximale, grâce à un réchauffeur d’air, de la chaleurcontenue dans les circuits de fumées avant leur évacuation à lacheminée.

On ajoute à l’enthalpie de formation du combustible (c’est-à-direcelle que l’on peut produire par combustion) son enthalpie sensiblepar exemple, dans le cas d’utilisation de gaz chauds issus d’unprocessus chimique (gaz CO par exemple) ou dans le cas d’utilisationde gaz d’échappement de turbine à gaz.

Exemple : en ce qui concerne la valeur des résultats obtenus, iln’est pas inutile de rappeler que, sur des chaudières de 700 t /halimentées en charbon de Lorraine, la température moyenne à la sortiedu foyer varie de plus de 100 oC en 8 h entre deux ramonages de foyer.C’est dire l’influence considérable des encrassements possibles etl’importance des moyens de ramonage que l’on doit mettre en œuvredans un foyer.

Q εg rS T g4 T p

4–( ) W( )=



Il peut y avoir également introduction de gaz recyclés, générale-ment prélevés entre économiseur et entrée du réchauffeur d’air.

La totalisation de ces différentes quantités de chaleur permet dedéfinir la chaleur totale introduite.

1.4.2 Bilan de répartition à l’intérieur du foyer

La chaleur introduite dans le foyer (figure 3) va, après combustion,se diviser en :

— chaleur transférée au fluide chauffé directement par les parois(écrans et échangeurs directement exposés) ;

— chaleur évacuée par les fumées à la sortie du foyer ;— chaleur évacuée par les cendres ou les mâchefers au cendrier ;— chaleur perdue vers l’extérieur par les parois calorifugées du

foyer (souvent négligeable, de l’ordre de 0,2 %).

1.4.3 Bilan d’échange

Les méthodes de détermination des températures en différentspoints du foyer et des chaleurs reçues par les différentes surfacesdes écrans sont aussi variées que le nombre de constructeurs dechaudières ; cette variété dépend essentiellement de la façon donton divise le foyer en zones de transfert de chaleur.

La méthode la plus simple consiste à considérer l’ensemble dufoyer comme une zone unique à température uniforme, et derechercher l’équilibre thermique correspondant à cette température ;cette méthode est tout à fait admissible dans le cas de combustionde lignites humides, pour lesquels la totalité du foyer constitue lazone de combustion proprement dite avec une température relative-ment basse, ou pour le cas de combustion de gaz naturel, relative-ment peu rayonnant.

Un mode de calcul plus poussé consiste à diviser le foyer enplusieurs zones, et à définir pour chacune d’elles une température,les échanges par rayonnement sur ses parois, les émissions derayonnement vers les zones voisines et l’absorption par ses propresparois du rayonnement en provenance des zones voisines. Lacréation d’une zone de flamme est indispensable si l’on veut jugerde l’effet de brûleurs de types différents.

La figure 4 donne le bilan des quantités de chaleur moyennesmises en jeu dans une zone élémentaire.

Dans les procédures de calcul les plus modernes, cette décomposi-tion en zones peut être poussée très loin, en définissant des struc-tures analogues à celles utilisées dans les procédures de calcul auxéléments finis, en décomposant la totalité du volume en un certainnombre de cubes juxtaposés et en recherchant l’équilibre thermiquede chacun de ces cubes par rapport aux voisins (figure 4).

Figure 3 – Répartition des chaleurs à l’intérieur du foyer

Figure 4 – Décomposition du foyer en zones



1.4.4 Transfert thermique

Que ce soit pour le calcul d’un foyer complet considéré commeune seule zone ou pour le calcul d’un cube élémentaire intégré àl’intérieur du foyer, il est indispensable de définir ou de pouvoircalculer :

— la composition des produits de la combustion (teneur en CO2 ,en vapeur d’eau) ;

— les capacités thermiques massiques des produits de lacombustion ;

— le coefficient d’émissivité du rayonnement de la particule encours de combustion, ou l’émissivité du volume gazeux corres-pondant ;

— le coefficient d’absorptivité des parois du foyer, absorptivitévariable suivant qu’elles restent propres, avec l’apparence d’unmétal, ou qu’elles sont recouvertes d’une couche plus ou moinsfine de dépôts cendreux ;

— la température des parois froides, réceptrices du rayonnement.

1.4.4.1 État des produits de la combustion

Cet état est défini à partir de l’excès d’air choisi et de l’analyseélémentaire du combustible ; les bilans chimiques de combustionpermettent de définir la teneur en CO2 et en vapeur d’eau des fumées,ainsi que la quantité de matières solides qu’elles emportent (articleGénéralités et bilans [B 1 460]), ce qui permet de calculer, en fonctionde la température, les capacités thermiques massiques, l’enthalpiedes produits de la combustion et l’émissivité de la masse gazeuse.

1.4.4.2 Émissivité

L’émissivité dans la zone de combustion dépend du processusde combustion (figure 5), en effet :

— pour le fuel, l’existence du cracking est caractérisée par laprésence, dans un premier temps relativement bref, de particulesde carbone portées à haute température et dotées de ce fait d’unebrillance de flamme importante : il y a une très forte émissivitémais dans une zone assez limitée ;

— pour les gaz naturels, si l’admission d’air est fortement turbu-lente, la combustion se produit sans cracking ; la flamme est alorsparticulièrement transparente, c’est-à-dire à faible émissivité ;

— pour le charbon, la combustion s’effectue à plus bassetempérature que celle du fuel ou du gaz par suite de la présenced’eau, d’éléments inertes sous forme solide et également d’un excèsd’air plus fort ; l’émissivité dépend de la teneur en matières volatileset de la teneur en cendres ;

— pour le lignite, compte tenu de la masse importante d’élémentsinertes, la combustion s’effectue à une température encore plusbasse, de sorte que la flamme n’est pratiquement plus apparente ;le rayonnement global reste donc faible.

Lorsque la combustion est achevée, quel que soit le combustible,on se trouve en présence d’un mélange gazeux qui se refroidit dansla partie haute du foyer.

La détermination de l’émissivité globale ε d’une masse gazeuseconstituée de différents composants (CO2 , vapeur d’eau et cendres),dont l’émissivité propre est et εcen , se fait à partir del’énergie absorbée, ce qui donne comme relation :

étant fonction de la température, de la pression partielle

et du trajet moyen.

Les valeurs de ces coefficients d’émissivité ont fait l’objet de publi-cations dans la littérature technique, surtout en ce qui concerne lesgaz ; la documentation sur l’émissivité des flammes de charbon estplus restreinte et fait souvent partie du domaine des connaissancesspécifiques des constructeurs de chaudières.

1.4.4.3 Absorption des parois

La transmission de chaleur aux parois se fait principalement parrayonnement, la partie due à la convection étant inférieure à 5 %dans les grands foyers.

La chaleur transmise par le rayonnement d’une flamme ou d’unemasse gazeuse à un écran ou à une rangée de tubes est propor-tionnelle à l’angle solide sous lequel est vue la surface plane qu’ilsprésentent vis-à-vis de la direction de ce rayonnement et non pasà leur surface développée ; c’est la raison pour laquelle on évalueles transferts à partir d’une surface projetée (figure 6a ).

L’absorption dépend de l’état de la surface, éventuellement de lacouche plus ou moins importante de dépôts cendreux (combustionde charbon ou même de fuel) et de la nature des réfractaires quipeuvent recouvrir certains secteurs.

L’absorption ou le rayonnement d’une masse gazeuse sontassimilables à ce qui se passe dans un volume garni depoussières en suspension : plus la densité de poussières estélevée, plus il est opaque aux rayons qui cherchent à le traverser.De même, plus ses dimensions sont importantes, plus il y a dematière à rencontrer. C’est la raison pour laquelle interviennentles notions de trajet moyen et de pression partielle.

Les gaz tels que le CO2 ou la vapeur d’eau, à la différence avecl’oxygène ou l’azote, rayonnent ou absorbent du rayonnement.La quantité de matière rencontrée est proportionnelle à lapression partielle du gaz. En outre, une des lois du rayonnementest que tout corps capable d’absorber le rayonnement le réémetdans les mêmes longueurs d’ondes, de sorte qu’une massegazeuse qui a absorbé du rayonnement en provenance d’unecertaine source le restitue vers des zones ou des surfaces à plusbasse température.

Figure 5 – Répartition des composants des produits de combustion intervenant dans le rayonnement

εCO2, εH2O

1 ε– 1 εCO2–( ) 1 εH2O–( ) 1 εcen–( )=

εCO2, εH2O



Lorsqu’un écran comprend des tubes métalliques recouvertsd’une couche soit de réfractaires, soit de dépôts, le rayonnementabsorbé par cette couche a pour effet :

— l’élévation de la température superficielle de la couche et larediffusion d’une partie de l’énergie reçue par rayonnement versles autres surfaces du foyer (figure 6b) ; cette rediffusion dépendde la température superficielle atteinte ;

— la transmission par conduction aux surfaces métalliquessous-jacentes.

Il serait très compliqué de vouloir déterminer pour chaque portionde paroi du foyer une température d’équilibre tenant compte de ceseffets, ce qui nécessiterait d’évaluer l’épaisseur et la conductivité desdépôts. La simplification que l’on apporte à leur prise en compteconsiste à affecter ces portions d’un coefficient de réductiond’absorption (E1, E2 ,..., E5 , figure 7) qui dépend à la fois de la naturedu réfractaire ou du produit déposé, d’une épaisseur estimée enfonction de la position par rapport au noyau de feu et de la fusibilitédes cendres du combustible. On affecte ainsi à chaque surface uncoefficient pour définir une surface propre équivalente, et le calculde l’échange global dans une zone déterminée se fait à partir de cettesurface équivalente, surface qui sera prise dans les calculs commeétant à la température de paroi Tp .

Dans le cas où les tubes sont placés en avant d’une surfaceréfractaire, ce coefficient est modifié en appliquant la méthode deHottel.

Mais, même avec ces simplifications, le calcul des chaleursrayonnées d’une surface sur une autre, de celles absorbées par lesgaz traversés (et ensuite rediffusées uniformément) n’est pasévident : ce n’est qu’après avoir fait d’autres approximations sur lerayonnement mutuel des surfaces que l’on arrive à exprimer le coef-ficient global d’échange (par rayonnement) propre à une zone, àpartir :

— du coefficient de Stefan-Boltzmann corrigé ;— du coefficient de rayonnement des gaz (fonction de leur

teneur en CO2 , vapeur d’eau, cendres, et fonction également dutrajet moyen) ;

— des coefficients de refroidissement propres à chaque surface ;— des encrassements estimés.

Ce coefficient global permet de calculer la températuremoyenne Tg de chaque zone, ses échanges avec les parois ou avecles zones voisines, et de trouver son équilibre thermique.

1.5 Échanges dans le foyer :flux thermiques sur les parois

Les calculs ci-avant permettent de déterminer la température desfumées à la sortie du foyer, le rayonnement sur les parois et versla sortie, et ainsi d’établir la carte du flux thermique sur les écrans,utile pour l’étude de la circulation (§ 2), et la valeur de la chaleurrayonnée vers les échangeurs (surchauffeurs, resurchauffeurs)indispensable pour la détermination de leur surface et du choix deleur métal (article Échangeurs et circuits air/fumées [B 1 462]).

Les résultats sont les suivants :— pour le profil vertical représentant la valeur des flux à différents

niveaux, le maximum de flux se trouve en général au niveau du plansupérieur des brûleurs (figure 8) ;

— dans un plan horizontal, le flux est de 30 % inférieur au fluxmoyen au voisinage des angles ; il est de 15 à 20 % supérieur auflux moyen dans la zone centrale, maximal au centre sauf pour lacombustion tangentielle de charbon où le flux maximal est légère-ment décalé par suite de la rotation imposée à la flamme.

Figure 6 – Absorption des parois

Figure 7 – Attribution des coefficients d’absorptionaux différentes portions de paroi



1.6 Méthodes de calcul simplifiées

À l’époque où les calculs ne se faisaient pas par ordinateur, ladétermination de la température à la sortie du foyer s’obtenait parlecture sur courbes ou abaques de constructeurs, avec :

— en ordonnée, soit la température à la sortie du foyer, soit lepourcentage d’absorption par les parois (rapporté à la chaleurtotale introduite) ;

— en abscisse, l’équivalent d’un flux thermique (chaleur totaleintroduite divisée par la surface projetée).

Ces courbes, valables pour un type de combustible et un excèsd’air donnés, traduisent le phénomène de rayonnement et ontl’allure d’une parabole à axe horizontal du genre y = ax 0,25 + b ; ony associe des corrections pour tenir compte :

— de l’excès d’air ;— du niveau des brûleurs par rapport à la sortie du foyer ;— du recyclage des fumées ;— de la fusibilité des cendres dans le cas du charbon.

Cette méthode est encore utilisée lorsqu’une bonne approxima-tion est suffisante (comportement à une allure différente de lanormale) ou dans le cas d’une recherche de l’effet de petites modi-fications de dimensions.

2. Circulation du fluide chauffé

2.1 Rôle de la circulation

La circulation a deux objectifs principaux :— assurer le refroidissement correct des tubes situés dans les

zones les plus chaudes ou exposés au rayonnement direct du feu,et qui reçoivent en cet endroit le flux maximal de chaleur ;

— assurer la génération de la vapeur saturée, c’est-à-dire lepassage du fluide chauffé de l’état eau à l’état émulsion et vapeur(à l’exclusion des chaudières à pression supercritique pourlesquelles le fluide véhiculé est simplement chauffé).

Nota : ce paragraphe ne traite que des questions relatives à la circulation de l’eau àl’intérieur des tubes et exclut le cas des systèmes à tubes de fumées, ou tubes de foyerimmergés dans un volume d’eau (chaudières de locomotives, rebouilleurs de chaudièresbasse pression).

Les trois types de circulation : circulation naturelle, assistée parpompe et forcée font appel aux mêmes phénomènes physiquesétudiés ci-après mais se différencient en raison des domainesd’application (§ 2.2).

2.1.1 Formation de la vapeur

La formation de la vapeur dans les chaudières s’effectue suivantdeux processus très différents, selon que la pression est inférieureou supérieure à la pression critique de l’eau, soit 221 bar. En effet,aux pressions sous-critiques, la formation de vapeur est un phéno-mène discontinu se produisant à température et pression constantestant que les deux phases eau et vapeur sont présentes ensemble.

Aux pressions supercritiques, il y a passage continu de l’étatliquide à l’état de vapeur et le fluide supercritique peut être assimiléindifféremment à de l’eau très chaude ou à de la vapeur très dense.

Ainsi, du fait de l’existence d’une phase unique, le cas de lacirculation de fluide supercritique est traité (§ 2.2.4) après la circu-lation forcée. Aussi, ce qui suit ne concernera que l’eau et la vapeurà des pressions sous-critiques.

La formation de la vapeur à l’intérieur d’un tube chauffé est unphénomène complexe : lorsque, au contact de la paroi interne dutube chauffé par l’extérieur, l’eau atteint la température de saturation(fonction de la pression), il y a progressivement formation locale debulles (zone de nucléation) qui grossissent et se détachentpériodiquement.

D’où trois conséquences (figure 9) :— les bulles, une fois détachées, se déplacent avec l’eau en

circulation ;— le contact eau/paroi est localement rétabli ;— le volume de la vapeur ainsi créé et par suite le titre en

vapeur x de l’émulsion augmentent progressivement le long duparcours chauffé.

Vis-à-vis de la circulation, la pression a deux effets différents :— lorsque la pression croît, la température de saturation monte,

la quantité de chaleur utilisée pour l’échauffement de l’eauaugmente, et celle nécessaire pour la vaporisation diminue. Il enrésulte que, pour les pressions élevées (à partir de 100 bar environ),la surface des parois de la chambre de combustion est suffisantepour que tous les tubes vaporisateurs y soient disposés, sans qu’ilsoit nécessaire d’assurer une partie de la vaporisation dans unfaisceau tubulaire complémentaire parcouru par les fumées, commecela est le cas pour les pressions plus basses ;

— aux basses pressions, le volume massique de la vapeur esténorme par rapport à celui de l’eau :

140 fois à 12 bar,

30 fois à 50 bar,

13 fois à 100 bar,

et encore 6 fois à 150 bar.

Le cheminement de l’émulsion à l’intérieur d’un tube dépend dela pente et du titre en vapeur avec une succession de zones biendifférenciées.

Les bulles de vapeur, initialement générées le long des parois,envahissent progressivement tout le tube, en provoquant le frac-tionnement de l’eau qui, pour des titres volumiques élevés envapeur, se retrouve sous forme de gouttes entraînées dans le fluxde vapeur.

La forme de cet écoulement diphasique dépend du titre, du débitmassique et des valeurs respectives, à la saturation, de la viscositédynamique, de la masse volumique et de la tension superficielle del’eau et de la vapeur.

Il se produit, en outre, dans le cas d’un tube vertical, un glisse-ment relatif de l’eau dans la vapeur (figure 9) : on peut admettreque, dans la zone de départ où les bulles de vapeur sont petites etpeu nombreuses, celles-ci circulent à la même vitesse que l’eau ;de même, dans la zone supérieure, les gouttes d’eau sont directe-

Figure 8 – Profil vertical de chaleur absorbée



ment entraînées par le flux de vapeur. Par contre, en zone intermé-diaire, la vapeur monte plus vite que l’eau, et le titre réel local dela vapeur est plus faible que le titre moyen calculé en supposantune vitesse massique constante.

Cela complique le calcul des pertes de charge de ces écoulementsdiphasiques et le calcul des gonflements (§ 2.3.1.2).

2.1.2 Transmission de chaleur : température de paroi

Au cours de l’évolution du fluide chauffé à l’intérieur d’un tube,on peut distinguer quatre zones (figures 9 et 10).

■ Dans la zone I, l’eau s’échauffe ; le coefficient d’échange avec laparoi dépend de la vitesse de l’eau dans le tube.

■ Dans la zone II, l’eau est arrivée à la température de saturation,l’excédent de chaleur transmis provoque la vaporisation, avecapparition de bulles de vapeur sur la paroi interne et détachementpériodique de celles-ci. Ce régime de formation de vapeur est géné-ralement désigné par le terme ébullition nucléée.

Par suite de l’agitation locale, le coefficient d’échange estsupérieur à ce qu’il était dans la zone précédente, le métal du tubeest très correctement refroidi, et l’objectif de l’étude de la circula-tion dans les chaudières à pression sous-critique est de se trouverpartout dans les conditions d’ébullition nucléée.

Mais, pour une certaine valeur du flux calorifique, dite flux critique ,la densité des bulles de vapeur devient telle que celles-ci interfèrentet qu’un film de vapeur instable se forme sur la paroi du tube,entraînant la diminution du coefficient d’échange et l’augmentationde l’écart de température entre le fluide et le métal.

■ On entre dans la zone III avec un film non continu, la températurede la paroi interne du tube oscillant ainsi entre deux valeursextrêmes. Le passage du régime d’ébullition nucléée à ce régimed’ébullition par film instable est couramment désigné, dans les textesen langue anglaise, par l’abréviation DNB (departure from nucleateboiling).

Le flux critique est fonction des paramètres suivants :— le débit massique dans le tube : l’augmentation du débit

facilite l’élimination de la couche de vapeur et évite l’instabilité ;— le titre de vapeur (plus il est élevé, plus il y a de risque) ;— la pression (par son influence sur le volume massique, la

tension superficielle, l’enthalpie de vaporisation) ;— l’inclinaison du tube : en effet, suivant son orientation, l’effet

de poussée ascensionnelle s’exerçant sur les bulles facilitera leurarrachement de la paroi ou s’y opposera.

■ Si l’on continue à augmenter le flux calorifique, la quantité devapeur formée devient telle que le film de vapeur ne peut plus êtrebalayé par l’eau et devient stable (zone IV : ébullition par film). Latempérature de la paroi interne se stabilise également et continueensuite à augmenter régulièrement en fonction du flux calorifique.

Le constructeur de la chaudière doit pouvoir déterminer à coupsûr le régime de vaporisation en tout point des circuits. En effet, l’aug-mentation de la température du métal d’un tube, lorsque l’on passede l’ébullition nucléée à l’ébullition par film instable, est telle qu’ellepeut entraîner une détérioration très rapide si le métal n’a pas étéprévu pour ces conditions de fonctionnement. C’est pourquoi lesconditions de passage d’un régime d’écoulement à l’autre et, enparticulier, la détermination de la valeur du flux critique ont fait l’objetd’études expérimentales (en particulier, essais effectués en Francepar Électricité de France en association avec les constructeurs dechaudières).

Les parades usuelles vis-à-vis du DNB consistent principalementà obtenir des débits massiques élevés et des titres en vapeurmodérés, ce qui revient à rechercher des taux de circulationimportants.

Pour obtenir des valeurs de titre plus élevées pour un même fluxcalorifique sur le tube ou pour augmenter la valeur du flux critique,une autre possibilité consiste à utiliser des tubes rainurés intérieure-ment ; l’existence de rainures, d’une profondeur de 1,3 mm environenroulées en hélice, en fractionnant le film qui aurait tendance à seformer dans un tube lisse pour les mêmes conditions de débit, detitre et de flux, permet de conserver un bon coefficient d’échangeinterne.

Le diagramme de la figure 11 donne la relation titre limite/fluxdans un tube lisse et dans un tube rainuré pour une pression de196 bar et un débit massique de 1 000 kg/(m2 · s).

Figure 9 – Écoulement eau-vapeur dans un tube vertical

Figure 10 – Régimes de vaporisation en fonction du flux calorifique



Par contre, lorsque l’on arrive aux conditions critiques pour le tuberainuré, le passage d’un régime à l’autre se fait brutalement, ce quise traduit par des courbes limites, verticales en ce qui concerne lestitres, horizontales en ce qui concerne les vitesses massiques.

Ce phénomène de zone de transition, qui apparaît sous certainesconditions au cours de l’ébullition, oblige le chaudiériste à choisirentre deux options :

— soit une conception telle que l’on se place au-dessous desconditions critiques, ce qui est obligatoire en circulation naturelleou assistée par pompe ; en ce cas, le coefficient d’échange interneα i est élevé, l’écart de température entre fluide à la saturation etmétal est suffisamment faible pour permettre l’utilisation d’unacier normal (tubes lisses ou tubes rainurés) ;

— soit une conception avec une possibilité de vaporisationcomplète suivie d’une zone de surchauffe. Les frontières entre leszones (échauffement, vaporisation et surchauffe) d’un circuit uniquese déplacent en fonction de l’allure de marche pour s’adapter à lapuissance demandée. L’émulsion passe nécessairement du régimede l’ébullition nucléée, à celui de l’ébullition en film, qui peut inter-venir, selon le flux calorifique et la pression, dès que le taux de vapeurdépasse la valeur critique ; il faut alors contrôler que la vitesse del’émulsion est suffisante pour assurer le refroidissement du tube etdéterminer de façon correcte le coefficient d’échange interne αi pourles différentes conditions de marche, de façon à définir la tempé-rature du métal ; cette détermination n’est pas simple ni dans leszones critiques ni pour des pressions élevées, supérieures à 180 bar.

Dans une paroi tubulaire soumise extérieurement à un fluxcalorifique Φ et parcourue intérieurement par de l’eau à la tempé-rature de saturation Ts , la température de la paroi interne du tubeest donnée par la formule :

Les valeurs du coefficient d’échange paroi/fluide α i (en W · m–2 · K–1)ont fait l’objet de recherches nombreuses, en particulier par Jenkin etLottes d’une part, et Miropolsky d’autre part pour le régime diphasique.

En régime monophasique, eau ou vapeur et pour les tubes lisses,Colburn a proposé la formule :

Nu = 0,023 Re0,8 Pr1/3

avec Re nombre de Reynolds,

Pr nombre de Prandtl,

Nu nombre de Nusselt ;

en rappelant que :

avec cp capacité thermique massique à pression constante,

d diamètre intérieur du tube,

V vitesse du fluide,

λ conductivité thermique du matériau,

µ viscosité dynamique,

ν viscosité cinématique (ν = µ /ρ).

Les valeurs de λ, µ, cp et ν se trouvent dans les tables concernantla vapeur (articles spécialisés dans le traité Constantes physico-chimiques).

On constate que le coefficient d’échange α i en écoulementmonophasique est fonction de la vitesse à la puissance 0,8.

La température du métal, à mi-épaisseur et sur sa face externechauffée, se calcule à partir de celle de la paroi interne, de laconduction du métal et de l’épaisseur traversée, ceci en supposantles parois internes propres ; il ne faut pas oublier que la moindrecouche de dépôt interne ajoute une résistance importante autransfert de chaleur ; c’est la raison pour laquelle il faut éviter toutdépôt de tartre ou d’oxyde et, de ce fait, traiter l’eau introduite enchaudière en vue d’éliminer au maximum les sels, si possible pardéminéralisation totale.

2.1.3 Effets sur la conception et la construction

Il résulte des observations précédentes plusieurs conséquences.

■ Nécessité d’une vitesse de circulation suffisante pour avoir uncoefficient d’échange correct et également pour se tenir assez loindu titre critique qui, lui aussi, dépend de la vitesse (action sur ledétachement des bulles) ; cette vitesse de circulation, dont la valeurminimale admissible est déterminée par le débit massique, est del’ordre de 0,6 m/s en circulation naturelle, mais peut atteindre 3ou 4 m/s en circulation forcée.

Un tube peu chauffé mis en parallèle avec d’autres correctementchauffés a une circulation beaucoup plus mauvaise sans que le titreà la sortie diminue beaucoup par rapport à celui de ses voisins. Illui faut à peu près le même rapport volume de vapeur/volume d’eaupour être en équilibre avec eux ; c’est la vitesse dans le tube qui vachanger.

Figure 11 – Titre de vapeur critique en fonction de la densité de flux thermique imposé à un tube vertical lisse et muni de quatre sillons

Exemple : à titre d’information, une couche de 0,5 mm de tartre,pour un flux calorifique de 175 kW/m2, provoque une élévation detempérature du métal de 75 oC environ ; or, les flux maximaux locauxdans un foyer de chaudière sont de l’ordre de 600 kW/m2.

Ts TfΦαi-------+=

Re Vdν

---------- , Prµcp

λ----------- et Nu

αidλ

-----------===



■ Distribution de l’eau dans les tubes et collecte de l’émulsion à lasortie étudiées pour éviter les inégalités de répartition dues auxpertes de charge en amont et en aval. Les tubes d’un écrandébouchent en général dans un même collecteur, dont l’émulsionest transportée au réservoir par une série de tubes de dégagement,et cet ensemble a une certaine perte de charge ; les tubes les moinsbien chauffés de cet écran ont leur circulation ralentie par la perte decharge créée en aval et leur circulation se trouve partiellementétouffée par celle des voisins. Pour y remédier, on cloisonne lecollecteur de façon à affecter plus de dégagements aux tubes moinsbien chauffés (figure 12) ; dans certains cas extrêmes, on faitdéboucher ces tubes directement dans le réservoir.

Des tubes peuvent être mal alimentés par suite d’une perte decharge créée dans les circuits d’alimentation par la demande d’eaudes tubes à fort taux de circulation : des tubes du même groupemal chauffés risquent de présenter un niveau stable à leur partiesupérieure. Le remède consiste à créer des alimentations séparéespour ces tubes.

■ Risques de stratification dans les parcours horizontaux ou peuinclinés (figure 13). La stratification est le régime d’écoulement quipourrait conduire, dans un tube horizontal ou peu incliné sur l’hori-zontale, à une séparation entre la vapeur (en partie haute) et l’eau(en partie basse) (figure 13a ). On l’évite en maintenant une vitessesuffisante d’écoulement pour rester dans le domaine où le brassageest tel que l’on puisse assimiler l’émulsion à un fluide homogène(figure 13b ).

De toute façon, la stratification est à proscrire dès qu’un tuberisque d’être chauffé par le dessus ; l’échauffement du tube côtévapeur peut être important : faible vitesse, mauvais coefficientd’échange, surchauffe de la vapeur, etc. C’est une des raisons pourlesquelles :

— les soles horizontales sont toujours recouvertes de réfractaires,bien qu’en principe il n’y ait que de l’eau à l’entrée des tubes ;

— s’il n’y a pas de réfractaires, on s’impose une pente minimaleen partie basse du foyer ;

— on donne toujours une pente supérieure à 45o au tube de lapartie supérieure d’un nez de voûte, bien qu’il soit en dehors d’unezone soumise au rayonnement direct du foyer ;

— les tubes de plafond sont légèrement inclinés et montantsvers le réservoir, pour être sûr qu’il y aura toujours de l’eau dansla portion inférieure du tube, située côté feu.

Les parcours horizontaux chauffés ne sont admis dans certaineschaudières à circulation forcée ou assistée qu’au prix de grandesvitesses d’eau (2 à 3 m/s) ou d’émulsion, vitesses dont on respecteune valeur minimale quelle que soit l’allure au moyen d’une recir-culation interne.

■ Précaution en cas de répartition d’une émulsion : dans le cas oùun tube vaporisant doit se diviser en aval, par exemple par unebifurcation en deux tubes, on ne peut pas préjuger de la répartitioneau/vapeur dans les tubes d’aval. Une telle bifurcation n’estenvisagée que dans les secteurs à bas flux thermique ou à fort débitmassique, de sorte que, même si toute la vapeur passe dans un seultube, on reste au-dessous des conditions critiques (vis-à-vis du flux).

■ Précautions pour la réalisation de circuits chauffés à courantdescendant (figure 14). La vaporisation crée normalement unecirculation ascendante dans un tube vertical. Toutefois, on peutadmettre d’avoir un circuit (ensemble de tubes) chauffé dans lequell’eau descend en respectant les conditions suivantes :

— la circulation générale doit être bonne, le taux de circulationélevé pour pouvoir disposer d’une perte de charge ou d’une vitesseconfortable dans les tubes descendants ; par suite, cette solution nepeut s’appliquer que dans des chaudières à relativement bassepression, en principe inférieure à 100 bar ;

— le circuit chauffé descendant n’échange que peu de chaleur,uniquement une fraction de celle nécessaire pour porter à ébulli-tion l’eau sortant de l’économiseur ;

— le circuit chauffé descendant n’est pas exposé à des flux dechaleur localement élevés ;

— si ce circuit est composé de nombreux tubes en parallèle etque, par hasard, la vaporisation a commencé dans un tube, lacirculation s’y inverse ; il faut donc prévoir des tracés de sorte quela vapeur puisse remonter jusqu’au réservoir pour s’y dégager.

Le cas des faisceaux vaporisateurs associe un ensemble detubes descendants et de tubes montants chauffés par convection,cas rencontré couramment dans des chaudières de récupération deliqueur noire.

Ce sont les tubes les moins chauffés qui permettent l’alimentationdes autres tubes du faisceau, ainsi que de l’ensemble des écransde foyer. On ne sait pas calculer la circulation dans un faisceau, maison peut cependant définir à peu près le nombre des tubesdescendants et celui des tubes montants pour une allure déterminéede la chaudière.

C’est en fonction de toutes ces considérations que sont choisisles différents modes de circulation et que sont déterminées lesconfigurations des systèmes évaporatoires.

Figure 12 – Cloisonnement du collecteur supérieur

Figure 13 – Écoulement avec et sans stratificationpour une vaporisation dans un tube horizontal



2.2 Modes de circulation

2.2.1 Circulation naturelle

2.2.1.1 Principe de fonctionnement

La circulation de l’émulsion est dite naturelle, en ce qu’elle s’établitd’elle-même dans les circuits de la chaudière, par le jeu des diffé-rences de masse volumique des colonnes de fluide en présence ;le débit en circulation est de quarante à dix fois plus important quele débit de vapeur nominal de la chaudière, pour des pressions defonctionnement allant par exemple de 20 à 120 bar.

L’eau provenant d’un réservoir placé à la partie supérieure descenddans des tubes non chauffés et remonte dans des tubes vaporisantschauffés (figure 15). L’émulsion d’eau et de vapeur qui se forme dansces tubes retourne au réservoir où la vapeur est séparée, l’eau étantrenvoyée aux tubes chauffés, additionnée d’une quantité d’eaud’appoint égale à la quantité de vapeur produite. La circulation estassurée par la différence de poids entre deux colonnes de fluide,l’une contenant de l’eau, l’autre un mélange d’eau et de vapeur. Ilrésulte de ce principe que, toutes choses égales par ailleurs, la cir-culation est d’autant plus intense que la différence de masse volu-mique entre l’eau et la vapeur est plus grande. L’effet de circulationnaturelle diminue donc progressivement lorsque l’on se rapprochede la pression critique de 221 bar.

Pratiquement, son domaine d’application se situe au-dessous de190 bar, pression à laquelle elle reste satisfaisante et sûre. D’ailleurs,à ce niveau de pression, l’emploi du tube rainuré permetd’augmenter encore, dans la zone à haut flux de la chambre decombustion, la marge de sécurité vis-à-vis du DNB.

Le taux moyen de vapeur de l’émulsion correspond toujours aurégime d’ébullition nucléée, qui garantit un bon refroidissement destubes vaporisants avec des coefficients d’échange internes de l’ordrede 20 à 40 kW/(m2 · K). Lorsque la puissance diminue, le taux moyende vapeur varie relativement peu et par suite le débit en circulationdécroît beaucoup moins vite que le débit de vapeur de la chaudière ;cela garantit d’autant mieux le refroidissement des tubes. La circu-lation est donc relativement plus active à basse puissance ; elle

s’amorce facilement lors du démarrage dès l’instant qu’il y a for-mation de vapeur (au-delà de 100 oC). Cela explique la simplicité etla souplesse de fonctionnement des chaudières à circulationnaturelle.

La séparation eau-vapeur requiert la matérialisation d’un pland’eau qui, localisé dans un réservoir à la partie supérieure de lachaudière, permet le dégagement de vapeur et traduit l’équilibrephysique entre les deux phases, à la pression de vapeur saturantefixée par la température atteinte par l’émulsion.

2.2.1.2 Caractères propres de la circulation naturelle

La circulation est d’autant meilleure que :— la pression est plus basse ;— la hauteur motrice est plus grande à condition que les pertes

de charge ne deviennent pas trop importantes en raison de l’allon-gement des circuits ;

— les sections de passage sont plus grandes, d’où l’intérêt destubes d’écrans de gros diamètre (jusqu’à 100 mm) lorsque la pres-sion est faible (inférieure à 100 bar environ) tout en conservantl’épaisseur technologique (minimum d’épaisseur 4 à 5 mm usuel-lement, imposé par les problèmes de soudage d’ailettes ou par lesdéformations de tubes) ;

— la zone de chauffe est située en partie basse des écrans ;— le sous-refroidissement est plus élevé puisqu’il accroît le poids

de la colonne froide ; pour la même raison, les tubes de descentesont en général extérieurs à la chaudière et non chauffés ; s’ils sontintérieurs à la chaudière, on les place dans une zone à faible échangethermique (§ 2.1.3).

La circulation naturelle présente également un aspect d’auto-régulation en ce sens qu’à la longueur et profil égaux un tube pluschauffé que son voisin produit plus de vapeur et a, de ce fait,tendance à circuler un peu mieux, malgré l’accroissement des pertesde charge dues au débit supplémentaire.

Le taux de circulation dans une même chaudière et pour les mêmesconditions thermiques diminue lorsque la pression augmente, saufpour des pressions inférieures à 15 bar où la réduction de pressions’accompagne d’une augmentation du volume de vapeur telle quel’accroissement de la perte de charge des dégagements vient freinerla circulation.

Figure 14 – Coupe d’une chaudière(70 t/h, 63 bar) à circuit chauffé descendant (Raffinerie de Pauillac, Stein Industrie)



2.2.2 Circulation assistée par pompe


Pour surmonter les difficultés que l’on trouve en circulationnaturelle lorsque la pression d’utilisation devient plus importante,ou lorsque le choix d’un modèle de construction d’échangeur imposedes parcours horizontaux ou même descendants, il est apparurationnel d’assurer la circulation grâce à une pompe (centrifuge, engénéral).

Ce mode de fonctionnement a été utilisé et vulgarisé sous ladésignation de système LA MONT, dont les brevets sont depuislongtemps dans le domaine public (figure 16).

■ Avantages

La présence d’une pompe assurant la maîtrise du débit et de laforce motrice, il devient possible :

— d’utiliser la pression disponible pour ajuster au moyen d’undiaphragme le débit de chaque circuit (écrans ou faisceaux vapori-sateurs) en fonction de la chaleur qu’il reçoit, c’est-à-dire demaîtriser le titre en vapeur à leur sortie ;

— de réduire le diamètre des tubes, le problème de l’augmenta-tion des pertes de charge ne se posant plus avec la même acuitéqu’en circulation naturelle ;

— de corriger des erreurs dues à une mauvaise estimation de laquantité de chaleur absorbée ; si un tube est plus chauffé queprévu, il devient possible d’assurer au tube trop chauffé un débitplus important par augmentation du diamètre du diaphragme ;

— de raccourcir les temps de démarrage puisque la circulationest assurée à l’intérieur des tubes dès l’allumage ;

— d’assurer, grâce à une tuyauterie d’un diamètre d’environ80 mm, une circulation d’eau dans l’économiseur pour y éviter lavaporisation dans la phase de démarrage ;

— d’accroître les vitesses de refroidissement, lorsque par exempleil est nécessaire d’intervenir rapidement à l’intérieur de la chaudière ;

— moyennant certaines précautions, de concevoir des parois avecdes circuits horizontaux, ou de constituer des échangeurs avec desparcours alternativement montants et descendants (§ 2.1.3).

■ Inconvénients

● Le prix : dans le prix intervient, non seulement le coût de lapompe ou des pompes en service, mais également celui despompes de réserve ainsi que des robinetteries ou des clapets desécurité.

Les pompes, pour des pressions supérieures à 80 bar, par suitede leur construction très spéciale, sont d’un prix très élevé.

● La consommation : la puissance consommée par les pompes,de l’ordre de 0,5 à 0,8 % de la puissance électrique de l’alternateurassocié, constitue un élément défavorable dans les comparaisonséconomiques, élément souvent pris en compte par les utilisateurs,mais qu’une majorité d’exploitants de centrales estiment largementcompensé par les gains de temps et de combustible d’allumageconsommé pendant les périodes de démarrage et de montée enpression, plus courtes (environ 50 %) qu’avec des chaudières encirculation naturelle.

● Les problèmes d’utilisation : il y a en outre une certaine fragilitéou, tout au moins, la nécessité d’une bonne formation des exploi-tants. Comme toute machine tournante, les pompes présentent desrisques d’ordre mécanique, des problèmes dus aux dilatations diffé-rentielles mais, en plus, du fait de la conception, la nécessitéd’assurer le refroidissement permanent de leurs moteurs quand ilssont immergés.

Figure 15 – Schéma de principe d’une chaudièreà circulation naturelle : exemple de dispositiondes surfaces d’échange

Figure 16 – Schéma de principe d’une chaudièreà circulation assistée LA MONT (circuit fermé) :exemple de disposition des surfaces d’échange



2.2.2.2 Pompes de circulation

La différence essentielle, avec les pompes alimentaires parexemple, est que l’aspiration d’une pompe de circulation est à lapression de la chaudière. Contrairement aux autres pompes, on nepeut pas assurer l’étanchéité aux presse-étoupe par un étagementdes pressions, pour finalement n’avoir comme différence de pres-sion vis-à-vis de l’atmosphère aux deux embouts que la pressionà l’aspiration. C’est pourquoi, au-dessous de 80 bar, ces pompes sontà presse-étoupe extérieur et au-dessus de 80 bar à moteur noyé.

Les pompes de circulation doivent délivrer une hauteur mano-métrique relativement faible (de l’ordre de 2 à 3 bar). Le débit estlimité au minimum nécessaire, pour maintenir le régime d’ébullitionnucléée dans le circuit et pour ne pas grever la consommation dela pompe.

Dans la zone de 160 à 170 bar de pression de fonctionnement, cedébit vaut environ 2 à 3 fois le débit nominal de vapeur.

Pour les chaudières de centrales thermiques, les pompes decirculation sont au nombre de 3 ou 4, généralement dimensionnéesde façon que la pleine charge de la chaudière puisse être assuréelorsqu’une pompe est à l’arrêt (figure 17). Chacune des pompes peutêtre isolée par une vanne motorisée à l’aspiration et un clapet denon-retour blocable au refoulement, afin d’empêcher l’établissementd’un circuit inverse à travers une pompe à l’arrêt. La différence depression entre aspiration et refoulement des pompes est mesuréepar des manomètres différentiels, qui entraînent le fonctionnementd’une alarme, ou même la coupure des feux dans les cas où cettepression différentielle deviendrait accidentellement inférieure à cellecorrespondant au débit de circulation nécessaire.

La figure 18 présente l’une des pompes de circulation réaliséespour les chaudières de 600 MW de la centrale de Porcheville (EDF).L’inducteur du moteur est isolé du circuit d’eau par une chemised’entrefer frettée résistant à la pression (dans d’autres conceptions,l’inducteur est en contact avec l’eau). La partie rotorique baigne dansl’eau à haute pression. L’eau de la cavité rotorique est en effet enéquilibre de pression avec l’eau de la chaudière, mais elle circuleen circuit fermé, sous l’action d’une pompe auxiliaire montée en boutd’arbre moteur, ce qui permet, grâce à un réfrigérant auxiliaire, dela maintenir à une température compatible avec la tenue des isolants.Cette eau assure à la fois le refroidissement du moteur et la lubri-fication des paliers.

Le moteur est généralement placé au-dessous de la pompe, pouréviter qu’un dégagement d’air accidentel puisse former une pochequi interromprait la lubrification.

2.2.2.3 Extension de la circulation assistée par pompe : tubes rainurés

L’objectif est de diminuer le débit d’eau en circulation et, parconséquent, les pertes de charge et la puissance consommée,grâce à l’emploi de tubes rainurés dans les écrans ou dans leszones soumises au flux de chaleur le plus élevé.

Le taux de circulation descend à 2,2 ou 2,5 environ. L’économied’énergie justifie l’augmentation de prix due à l’achat de tubesrainurés au lieu de tubes lisses.

Ce principe est applicable quel que soit le combustible utilisé.

Figure 17 – Circulation assistée pour les chaudièresde centrales thermiques : schéma Figure 18 – Pompe de circulation pour chaudière

à circulation assistée



2.2.2.4 Chaudière à très faible taux de circulation

On peut admettre des taux de circulation de l’ordre de 1,1 ou 1,2,c’est-à-dire des titres de vapeur à la sortie des écrans voisins de 90 %,à condition que les flux thermiques soient relativement faibles, touten conservant une construction en tubes lisses.

C’est le cas des chaudières à gaz de hauts-fourneaux, deschaudières à lignite et des chaudières de récupération de l’énergiecontenue dans des gaz chauds.

La circulation est assurée par une seule pompe (il y a une pompede réserve à démarrage en temps réduit, de l’ordre de 7 s) et laséparation eau/vapeur est faite par un séparateur vertical.

Vu le faible taux de circulation, ce type de chaudière est quelque-fois assimilé à une chaudière à circulation forcée.

2.2.3 Circulation forcée


Sous sa forme la plus simple, une chaudière à circulation forcéeest constituée par un ensemble de tubes alimentés en parallèle,dans lesquels l’eau est successivement réchauffée et vaporisée,puis la vapeur surchauffée (figure 19). La circulation de l’eau estassurée par les pompes alimentaires dont la hauteur de refoule-ment est déterminée en tenant compte de la perte de charge totaledes circuits évaporateurs et surchauffeurs.

Ce principe permet une grande liberté dans la conception descircuits, puisque la circulation est toujours assurée quel que soit letracé des tubes évaporateurs, qui peuvent comporter des partieshorizontales ou même descendantes.

De plus, le diamètre de ces tubes évaporateurs peut être pluspetit que dans les chaudières à circulation naturelle ou mêmeassistée puisque, d’une part, le débit d’eau à l’entrée ne dépassepas le débit de vapeur de la chaudière (taux de circulation de 1) et,d’autre part, il est possible de choisir une perte de charge élevée.

Les divers régimes de vaporisation existent successivementdans un même tube évaporateur, l’ébullition étant successivementnucléée, puis par film. Cependant, la plus grande vitesse du fluidedans les tubes améliore le coefficient de transmission interne entretube et fluide, ce qui limite la température atteinte par le métal,même dans les zones où l’ébullition se produit par film.

Les chaudières à circulation forcée peuvent, en principe, êtreutilisées pour toutes les pressions sous-critiques ou supercritiques.

L’utilisation aux pressions supercritiques sera examinée plusspécialement au paragraphe 2.2.4.

■ Principe de réalisation

Le développement des chaudières à circulation forcée s’esteffectué autour de deux conceptions à l’origine assez différenciées :les chaudières Benson et les chaudières Sulzer.

Dans les chaudières Benson, la vaporisation se faisait à l’origine(1927) à une pression supérieure au point critique et la vapeur étaitensuite détendue jusqu’à sa pression d’utilisation, avant d’être sur-chauffée. En tout point du circuit, le fluide se trouvait donc sous uneseule phase, mais l’application de ce principe présentait cependantcertains inconvénients : circuit vaporisateur conçu pour une pressiontrès élevée, augmentation de puissance des pompes alimentaires,difficulté de réalisation de la détente. C’est pourquoi les chaudièresBenson ont été conçues ultérieurement avec un circuit vaporisateurà la pression d’utilisation (aux pertes de charge près). L’étage finalde ce circuit se trouve dans une zone de flux calorifique modéré etla vapeur passe ensuite directement dans le surchauffeur.

Les chaudières Sulzer étaient à l’origine (1932) du type mono-tubulaire, c’est-à-dire qu’elles comportaient un tube unique (ouplutôt, en réalité, plusieurs tubes en parallèle entre lesquels le débitd’eau était réparti avant tout début de vaporisation) dans lequels’effectuait la vaporisation de l’eau puis la surchauffe de la vapeur.Cette conception d’origine a ensuite évolué grâce à l’introductiond’un séparateur d’eau et de vapeur, qui fixe un point du circuit au-delàduquel il n’existe plus que de la vapeur, quelles que soient lesconditions de fonctionnement.

■ Évolution

La généralisation de la construction par écrans soudés imposecertaines limites à la conception puisque l’on ne peut souder entreeux que des tubes dont les températures sont proches dans toutesles conditions de fonctionnement. Deux conceptions restent alorspossibles : les tubes verticaux et les tubes disposés en spirale.

● Lorsque les tubes d’écrans sont disposés verticalement, lasection de passage est telle dans le cas des chaudières de grandepuissance que, même à des allures proches de l’allure nominale, ledébit d’alimentation ne serait pas suffisant pour assurer une vitesseconvenable dans les tubes. Il est donc nécessaire d’assurer unerecirculation par pompe de l’eau sortant du séparateur (figures 20aet b ). Le débit de recirculation augmente naturellement aux bassespuissances, ce qui permet d’assurer un débit suffisant à l’entrée desécrans quelle que soit la vaporisation.

● Avec la conception en spirale, on peut, au contraire, choisir lenombre de tubes à disposer en parallèle de façon que le débit àl’entrée de ces tubes soit suffisant à partir d’une allure donnée de lachaudière. Ces tubes étant régulièrement répartis sur le périmètre dela chambre de combustion, on détermine leur inclinaison de façonque leur pas permette de les assembler en panneaux soudés. Il restecependant nécessaire d’assurer une recirculation aux basses puis-sances. Cette recirculation peut être obtenue soit par une pompeauxiliaire renvoyant l’eau du séparateur à l’entrée de l’économiseur,soit par retour vers le dégazeur de l’eau provenant du séparateur,après passage dans un échangeur (échangeur de démarrage) quicède à l’eau d’alimentation la chaleur contenue dans l’eau de retourdu séparateur (figure 20c ).

Cet échangeur de démarrage permet, tout en assurant une recir-culation en passant par les pompes alimentaires, de conserver lemaximum de chaleur dans le système.

Les plus récentes des chaudières françaises de centralesthermiques sont conformes à cette conception (tubes en spirale etéchangeur de chaleur) et leur fonctionnement à différentes alluresmet en jeu les systèmes décrits ci-après (figure 21).Figure 19 – Schéma de principe d’une chaudière à circulation forcée

pure : exemple de disposition des surfaces d’échange



Figure 20 – Schéma du circuit et diagramme débit /charge d’une circulation forcée avec recirculation

Figure 21 – Schéma simplifié des circuits d’une chaudière avec échangeur de démarrage



Lorsque la vaporisation est supérieure à 35 % de sa valeur nomi-nale, le débit d’eau d’alimentation est égal au débit de vapeur, etle séparateur n’est traversé que par de la vapeur. Lorsque la vapo-risation devient inférieure à ce seuil, le débit d’eau à travers lesécrans est maintenu constant par action sur le réglage de la pompealimentaire.

Il s’établit alors un niveau d’eau dans le séparateur : ce niveauest maintenu constant par action sur les vannes (V1 , V2 ou V3) quiassurent le retour de l’eau soit vers le condenseur, soit vers labâche alimentaire.

La vanne V1 est utilisée lors du fonctionnement à des alluresinférieures à 35 % de l’allure nominale et permet d’envoyer lapurge du séparateur vers la bâche alimentaire par l’intermédiairede l’échangeur de démarrage. Cet échangeur assure le réchauffagede l’eau d’alimentation et permet d’éviter un apport excessif dechaleur dans la bâche alimentaire.

Au cours des démarrages à chaud, on utilise en complément lavanne V2 qui permet d’évacuer la purge du séparateur vers lecondenseur, toujours à travers l’échangeur de démarrage. Enfin, ledébit important à évacuer pendant quelques minutes au cours desdémarrages à froid, en raison du phénomène de gonflement, estenvoyé directement au condenseur par la vanne V3 .

L’installation est exploitée en pression glissante, c’est-à-dire queles soupapes d’admission de la turbine restent ouvertes et que leréglage de puissance du turboalternateur s’effectue par action surle débit de combustible.

Des by-pass haute pression C1 et basse pression C2 permettentdes démarrages rapides.

■ Avantages

● La circulation forcée, mettant en jeu des débits réduits et desvitesses plus élevées qu’en circulation naturelle, requiert dessections de passage plus faibles : elle permet donc l’emploi de tubesde plus petit diamètre, plus minces à pression donnée, et moinssensibles aux contraintes thermiques ; il en résulte une économie dematière appréciable, à laquelle s’ajoute celle du réservoir principal,supprimé dans le cas de la circulation forcée sans recirculation ; cetavantage est d’autant plus sensible que la pression est élevée. Il enrésulte également une faible inertie thermique, qui permet nonseulement des gains de temps en montée en température et encharge, mais surtout, et c’est cela qui constitue son principal intérêt,autorise la marche en pression glissante, bien adaptée au fonction-nement et à la sauvegarde de la turbine associée.

● L’établissement de la circulation avant l’allumage des feuxgarantit, lors de la première phase du démarrage, une mise entempérature plus rapidement homogène des circuits.

● Le schéma de circulation forcée est plus facilement applicableau voisinage de la pression critique et au-delà, ce qui permetd’atteindre des rendements de cycle thermodynamique plus élevésqu’en circulation naturelle.

■ Inconvénients

● Il faut utiliser une eau très pure, totalement déminéralisée.Pour l’alimentation des chaudières à circulation forcée, on utilisefréquemment une installation de purification des condensats (ditepolishing ) qui comprend à la fois une filtration permettantd’éliminer les oxydes et une déminéralisation.

● Il est nécessaire de maîtriser l’instabilité intrinsèque des tubeschauffés, dont la courbe caractéristique perte de charge/débit n’estpas monotone croissante. La répartition des débits entre deuxcircuits identiques et chauffés de la même façon n’est pas stable : eneffet, la moindre différence de chauffage crée une émulsion un peuplus riche, et augmente sensiblement la perte de charge d’un circuitpar rapport à l’autre ; il s’ensuit une réduction relative de débit quiaccentue le phénomène de déséquilibre.

Le remède classique pour pallier ces deux inconvénients est derecourir à des diaphragmes appropriés, qui permettent en mêmetemps d’ajuster la répartition des débits entre des circuits différem-ment chauffés, au prix de l’augmentation de la perte de chargeglobale des circuits.

2.2.3.2 Domaine d’application

Le domaine d’application de la circulation forcée se situe en Franceau-dessus de 150 bar. Au-delà de 190 bar, la circulation forcée estsans rivale et ne rencontre d’autre obstacle que la technologie desmatériels.

Elle est particulièrement bien adaptée aux chaudières de centralesthermiques de grande puissance dont le rôle est maintenant desuivre les variations de la demande, en permettant aux centralesnucléaires de fonctionner le plus possible en régime de base.

Un second domaine d’application de la circulation forcée existepour les petites chaudières produisant de 0,5 à quelquestonnes/heure de vapeur à basse pression, inférieure à 10 bar. Deconception très simple, généralement monotubulaires, elleséchappent à la difficulté d’assurer l’équirépartition des débits entreles circuits. La consommation d’énergie auxiliaire, bien que forte envaleur relative, reste acceptable du fait de leur taille limitée. Grâceà leur encombrement réduit et à leur faible inertie thermique, ceschaudières détiennent le record de rapidité de mise en régime,2 à 8 min selon la capacité, et elles fonctionnent ainsi au rythme desmachines qu’elles desservent.

2.2.4 Chaudières supercritiques

L’augmentation de rendement des cycles thermiques avecl’accroissement de la pression de vapeur a naturellement conduit,dès que les possibilités technologiques l’ont permis, à réaliser desinstallations à pression supercritique. De très hautes pressions ontété envisagées et ont fait l’objet de réalisations présentant danscertains cas un caractère expérimental, par exemple la centraled’Eddystone aux États-Unis où a été réalisée une chaudière de970 t/h à 365 bar avec surchauffe et double resurchauffe à 650 oC.

Actuellement, compte tenu des difficultés de réalisation, il estapparu que ces caractéristiques extrêmes n’étaient pas économi-quement justifiées, et les chaudières supercritiques ont des pres-sions de l’ordre de 250 bar et ne comportent souvent qu’une seuleresurchauffe. Cependant, les Japonais ont un programme d’étudeset de développement des cycles à très haute pression.

Au niveau conception, elles se rattachent soit au type circulationassistée, soit au type circulation forcée, suivant que les écrans sontverticaux ou en spirale.

■ Circulation assistée

Les écrans verticaux nécessitent une recirculation par pompeauxiliaire dès que la puissance est inférieure à environ 70 % de lapuissance nominale (figure 22) ; ils sont maintenus en permanenceà une pression supérieure à la pression critique et il y circule un fluidemonophasique quelle que soit la puissance.

Une pompe de circulation (§ 2.2.2.2) est mise en serviceau-dessous d’un seuil de débit et renvoie une partie du fluide sortantdes écrans vers un mélangeur recevant également l’eau d’alimen-tation. Le démarrage à froid s’effectue vannes fermées, la pressionsupercritique étant assurée par la pompe alimentaire, réglée par lasoupape assurant un débit de décharge vers le séparateur. L’eausortant du séparateur est envoyée dans le puits du condenseur.Suivant la progression de la montée en pression, la vapeur sortantdu séparateur est envoyée successivement au condenseur, audégazeur, puis à l’entrée des surchauffeurs.



En marche normale, les soupapes assurent le réglage du débit etjouent le rôle des soupapes de turbine ; le surchauffeur fonctionneen pression glissante.

Comme la pompe alimentaire doit assurer la compression de l’eauà une valeur très élevée, quelle que soit l’allure, ce qui conduit àune dépense d’énergie auxiliaire importante, ce type de chaudièren’est justifié qu’à condition de marcher en base, c’est-à-dire enpermanence à sa puissance nominale.

■ Circulation forcée

La conception en écran spirale permet de concevoir la chaudièresupercritique comme une extension vers des pressions plus élevéesde la chaudière classique à circulation forcée, et d’assurer logique-ment une marche en pression glissante.

À pleine puissance, le fluide est monophasique depuis les pompesalimentaires, dans la chaudière, le surchauffeur et les liaisons ; il ale comportement d’une vapeur surchauffée au cours de sa détentedans la turbine, jusqu’à des pressions relativement basses.

À une puissance plus réduite, le fluide entrant encore à pressionsupercritique dans l’économiseur pourra ressortir du surchauffeur,vu les pertes de charge des circuits internes de la chaudière, à unepression sous-critique, sous forme de vapeur surchauffée.

Quand débit et pression diminuent, on se retrouve alors dans unsystème analogue à celui de la chaudière à circulation forcée, avecun point de vaporisation situé dans les écrans de foyer (§ 2.2.3).

Aux basses puissances, un débit minimal doit être maintenu parla pompe alimentaire, grâce à un échangeur de démarrage.

2.2.5 Comparaison des différents modesde circulation

Le tableau 1 permet de faire la synthèse des différentes caracté-ristiques, dispositifs auxiliaires, particularités de fonctionnement etla comparaison entre les trois modes de circulation. (0)

2.3 Réservoirs. Séparateurs

Dans le cas de la circulation naturelle ou assistée, il fautrechercher une séparation aussi complète que possible entre l’eauet la vapeur, pour deux raisons principales :

— favoriser la circulation de l’émulsion en permettant d’alimenterles circuits descendants de la chaudière avec un fluide de masse volu-mique maximale, c’est-à-dire une eau pratiquement dépourvue devapeur ;

— délivrer une vapeur sèche, pratiquement dépourvue d’eau audépart du réservoir supérieur, de façon à préserver le surchauffeurs’il existe, ou le réseau d’utilisation, des inconvénients néfastes duprimage.

Cette séparation est effectuée dans des réservoirs, gros cylindreshorizontaux à parois épaisses, appelés aussi ballons.

Dans le cas de la circulation forcée, où la séparation eau/vapeurn’est nécessaire qu’aux basses allures, on se contente d’un dispo-sitif plus simple, appelé séparateur, constitué d’un cylindre verticalde faible diamètre par rapport à sa longueur.

2.3.1 Réservoir

Le rôle d’un réservoir est multiple ; c’est l’endroit où s’effectuent(figure 23) :

— la séparation de l’eau et de la vapeur contenues dans l’émul-sion en provenance des écrans et des faisceaux vaporisateurs ;

— l’équilibrage des pressions eau/vapeur et l’équilibrage desdébits eau/vapeur grâce au maintien d’un plan d’eau ;

— l’introduction de l’eau d’alimentation dans le systèmeévaporatoire ;

— la répartition correcte de l’eau dans les tubes de descente,avec le minimum d’entraînement de vapeur ;

— le stockage partiel ;— l’introduction et la dilution des produits de traitement de l’eau

en chaudière ;— l’extraction de déconcentration.

Figure 22 – Schéma du circuit et diagramme débit /charged’une chaudière supercritique à circulation combinée

Exemple : une chaudière supercritique fonctionnant dans cesconditions a été construite, par Stein Industrie, pour la centrale danoisede Westkraft : 1 080 t/h, 251 bar, surchauffe 560 oC, resurchauffe560 oC.



2.3.1.1 Séparation eau/vapeur

■ Primage

La présence de gouttelettes d’eau entraînées par la vapeur saturéesortant du réservoir s’appelle primage.

Le primage est très néfaste, non seulement à cause de la chutedes caractéristiques vapeur qui ne répondent plus aux besoins del’utilisateur, mais surtout à cause des sels contenus dans l’eauentraînée, qui vont soit polluer le réseau d’une chaudière à vapeursaturée, en particulier dans le cas d’industries alimentaires, soitmettre en danger la longévité du surchauffeur et éventuellement dela turbine, lorsque l’installation en comprend une. En effet, ces selsse déposent sur les parois des tubes du surchauffeur, où l’eau ainsientraînée se vaporise, et ils constituent un dépôt isolant (tartre ousilice) qui limite le refroidissement du métal par la vapeur.

Un primage prolongé peut conduire à l’obstruction complète decertains tubes par accumulation des dépôts de sels, et entraîner unéchauffement du métal tel que les tubes gonflent, s’amincissent etéclatent à brève échéance sous l’effet de la pression.

En outre, des impuretés peuvent être amenées par solubilité decertains corps (tels que la silice) dans la vapeur à très haute pres-sion. Une séparation efficace de l’eau et de la vapeur permet deréduire à des valeurs acceptables (par exemple de l’ordre de 0,2 %)les entraînements d’eau. Par ailleurs, le contrôle de la pureté del’eau en chaudière permet à la fois de réduire les conséquencespour la vapeur d’un entraînement d’eau et de limiter la teneur enimpuretés mises en solution dans la vapeur.

Tableau 1 – Comparaison des différents modes de circulation

Modes de circulation Circulation naturelle Circulation assistée par pompe Circulation forcée

Pressions usuelles ............... (bar) 150 (180 rarement) 100 à 200 > 150 et supercritique

Taux de circulation ...................... 30 (BP) 4 (tubes lisses) 15 (HP) 2,5 (tubes rainurés)

1,2 (§ 2.2.2.4)

Variations d’allures ...................... instantanée 15 % sur réserve lente au-delà de 15 %

moyenne rapideby-pass 100 %

Inertie ............................................ importante moyenne faible

Pression en fonction de la charge fixe fixeexceptionnellementglissante asservie

glissante

Démarrages ou refroidissements longs moyens rapides avec dispositifs particuliersà basse allure

Régulation de débit d’eaud’alimentation...............................

pour maintenir le niveau du réservoir

pour maintenir le niveau du réservoir ou du séparateur

à partir de la température ou de l’enthal-pie en aval du surchauffeur basse tempé-ratureou pour maintenir le niveau du séparateur à basse allure

Fiabilité.......................................... tributaire de l’entretien des pompes (partie mécanique) risque de cavitation

dépend surtout du système de régulation à basse allure et du by-pass

Consommation des auxiliaires.... nulle importante(taux de circulation 4)moyenne(taux de circulation 1,2)

importante (perte de charge et vitesse élevées)

Dispositifs particuliers — pompes— refroidissement du moteur— contrôle permanent de la

hauteur manométrique

— by-pass HP/BP— circuits annexes au démarrage/et à

basse allure— régulation de : l’alimentation, la tempé-

rature du séparateur, la pression glis-sante

Fonctionnement normal surveillance du niveau du réservoir

surveillance du niveau du réser-voir et de la cavitation

— pression glissante— seuil de pression minimale— séquences de sécurité— débit minimal de recirculation— répartition des températures de vapeur

à la sortie des écrans

Démarrage/Arrêt gonflement — séquences liées ou gonfle-ment

— déclenchement général sur l’arrêt de la pompe

— mise en service rapide de la pompe de réserve

— surveillance en variation de charge— sécurité sur déclenchement de la tur-

bine— séquences liées au gonflement— vaporisation dans l’économiseur— limitation des variations de tempéra-

ture

Points à surveiller régulation de niveau du réservoir

— mécanique— alarmes des pression et

température— graissage— pompes de secours— système de refroidissement

— fuites des by-pass— blocages des by-pass— vannes de décharge— pompes de circulation— régulation



En général, ce primage est rapidement perceptible ; en effet :— pour une chaudière à vapeur saturée, il réduit considérable-

ment la capacité thermique du fluide délivré (eau + vapeur), ce quel’utilisateur constate très vite ;

— pour une chaudière avec surchauffeur, il fait chuter très forte-ment la surchauffe, ce qui est encore plus net.

■ Principe de séparation

On utilise, pour la séparation, la différence de masse volumiqueentre l’eau et la vapeur. Ce seul principe montre que la séparationdevient de plus en plus difficile à mesure que la pression augmente,puisque la différence de masse volumique entre l’eau et la vapeurdiminue, pour s’annuler à la pression critique.

Ainsi, pour obtenir un résultat acceptable sans dispositif particu-lier, il faudrait disposer à la fois :

— d’une surface de plan d’eau très importante, correspondantpar exemple à un dégagement de vapeur à une vitesse inférieureà 0,3 m/s ;

— d’une eau très pure ;— d’un volume important de vapeur au-dessus du plan d’eau,

permettant la décantation des gouttelettes d’eau circulant à trèsfaible vitesse dans la phase vapeur.

L’adjonction d’un système séparateur permet de réduire levolume nécessaire et comprend, selon la qualité de séparationrequise par l’utilisation, soit un séparateur primaire seul, soit unséparateur primaire associé à un sécheur secondaire.

Ce système met en jeu :— la décantation, qui se produit normalement dans les parcours

horizontaux et qui est améliorée par la création de parcours verticauxdescendants ; elle est plus particulièrement efficace pour les gouttesde grande dimension, les faibles vitesses ascensionnelles de vapeuret pour les basses pressions ;

— la centrifugation, qui est une amélioration de la décantation,surtout efficace pour la séparation primaire, c’est-à-dire l’élimina-tion des gouttes d’eau de grande dimension.

• Dans la variante la plus simple, la centrifugation est obtenuepar des changements de direction dus à des chicanes interposées(figures 24a et 25) ; les pertes de charge sont faibles.

• Les séparateurs cyclones donnent de meilleurs résultats(figure 24b ) et sont à recommander aux pressions élevées ; ilsutilisent la vitesse de l’émulsion, pour la centrifuger et projeter l’eausur les parois, le long desquelles elle se rassemble, tandis que lavapeur se dégage au centre, avec une faible proportion d’eauentraînée. Les cyclones délivrent dans la phase liquide une eau pra-tiquement dépourvue de vapeur résiduelle, si bien que le plan d’eaun’est pas perturbé par le dégagement correspondant.

De tels dispositifs créent en revanche une perte de charge (del’ordre de 40 à 60 millibar) sur le circuit de l’émulsion, à prendre encompte dans le calcul de la circulation, qu’elle freine légèrement ;

— l’agglutination sur des surfaces humides, obtenue enprovoquant des changements brusques de direction de la veine devapeur qui contient des gouttelettes d’eau. Par suite de leur inertieplus grande, ces gouttelettes sont projetées contre les parois,

Figure 23 – Équipement de séparation de vapeur des chaudières



captées et maintenues sur les parois humides par des phénomènesde tension superficielle ; l’eau s’écoule ensuite en film le long desparois et des dispositifs spéciaux sont prévus pour éviter qu’à lasortie de l’appareil la lame d’eau ne soit reprise par le flux de vapeur.

Telle est la conception des sécheurs disposés immédiatementau-dessus des cyclones (figure 24b ), et également en partie hautedes réservoirs (S2 en figure 23). On distingue deux types :

• ceux constitués par des lames ondulées (figure 24b ),• ceux composés de treillis superposés dont les mailles ont des

pas différents (figure 25) ; les fils de treillis constituent le lieud’accrochage des gouttelettes et l’eau s’écoule le long des filslégèrement inclinés.

Si les conditions sont peu sévères, une simple tôle perforée ouun tube perforé de prélèvement de vapeur à la partie supérieure duréservoir peut suffire.

2.3.1.2 Maintien du niveau dans le réservoir

L’efficacité des dispositifs de séparation ne peut être obtenueque si le niveau dans le réservoir est correctement réglé. En effet,si le niveau est trop haut et dépasse les dispositifs de mise enrotation des séparateurs centrifuges, ceux-ci ne peuvent assurerleur fonction et la séparation se fait mal ; il y a alors entraînementd’eau dans la vapeur (primage). Par ailleurs, le niveau ne doit pasdescendre au-dessous d’un seuil de sécurité, afin qu’il subsistetoujours une garde d’eau permettant d’éviter la création de vortexà l’entrée des tubes de descente et d’assurer avec une sécuritésuffisante l’alimentation des écrans vaporisateurs. Le niveau doitdonc être maintenu, quelles que soient les conditions de fonction-nement, entre deux limites relativement rapprochées.

■ Contrôle du niveau

On utilise, pour le contrôle du niveau dans les réservoirs à trèshaute pression, des appareils indicateurs à lecture directe et desappareils à transmission à distance, qui fournissent un signalpermettant d’agir sur une chaîne de régulation.

● Indicateurs de niveau à lecture directe : la réglementationfrançaise des appareils à pression de vapeur oblige à installer surtoute chaudière au moins deux indicateurs de niveau dont l’un doitêtre à tube de verre ou système équivalent (art. 15 du décret du2 avril 1926).

Pour les hautes pressions, les indicateurs sont constitués par unboîtier muni de hublots à glaces rondes, équipés d’un système deprismes et de verres colorés, qui font apparaître à l’observateur laphase eau en vert et la phase vapeur en rouge.

Figure 24 – Dispositifs de séparation par centrifugation Figure 25 – Équipement de séparation de vapeur des chaudièresà circulation naturelle, avec sécheurs à treillis superposés



Pour les très hautes pressions, ils sont plus délicats et doiventêtre protégés des variations brusques de température : si lachaufferie n’est pas du type entièrement fermé, il est nécessaire deprévoir un abri protégeant les indicateurs de niveau des courantsd’air.

Au moins un des indicateurs doit être visible depuis la salle decontrôle. On utilise à cet effet soit une transmission de l’image parjeu de miroirs, soit, lorsque les dimensions ou les dispositions dela chaufferie l’imposent, une transmission par télévision.

● Indicateurs de niveau à lecture indirecte : on utilise soit desappareils à flotteur, soit des manomètres différentiels.

La figure 26 représente le principe d’un indicateur à manomètredifférentiel. On réalise, par condensation et déversement, un niveaude référence et on mesure la différence de hauteur entre la colonnede référence et la colonne d’eau dans le réservoir.

Un transmetteur de pression différentielle élabore un signalélectrique représentatif du niveau, qui peut recevoir une correctionpour tenir compte de la variation de masse volumique de l’eau enfonction de la pression.

■ Régulation de niveau. Gonflement

La qualité de la régulation du niveau d’eau, entre deux limitesadmissibles de niveau haut et bas, joue un rôle important dans lefonctionnement de la chaudière. Suivant la précision exigible, on faitappel à des systèmes de régulation à un, deux ou trois éléments,qui sont le niveau, le débit de vapeur et le débit d’eau.

● La régulation à un élément, pilotée seulement par le niveau, estsuffisante s’il y a peu de variations de puissance ; mais elle esttrompée par le phénomène de gonflement : un accroissement de lademande de vapeur entraîne instantanément un retard de l’apportthermique du combustible par rapport au prélèvement thermiquede la vapeur et, par suite, une légère chute de pression. Celle-cientraîne une auto-vaporisation instantanée d’une partie de l’eaudans toute la chaudière, qui augmente instantanément le taux devapeur de l’émulsion et son volume massique. Il en résulte uneélévation transitoire, mais très sensible, du niveau d’eau dans leréservoir, correspondant au gonflement de l’émulsion.

C’est ainsi qu’une régulation pilotée par le niveau commence parréduire l’alimentation en cas d’augmentation de débit de vapeur,alors que l’inverse serait nécessaire ; si bien qu’une fois les débitsd’eau et de vapeur stabilisés et le gonflement disparu, le niveau enchaudière peut se trouver trop bas, et avoir tendance à descendreencore plus bas du fait, cette fois, de l’eau froide apportée massi-vement pour rattraper la valeur de consigne. En effet, cette eaucondense alors une partie de la vapeur de l’émulsion, ce qui tendà diminuer son volume massique, donc à faire baisser le niveau, età exagérer la demande d’alimentation.

Le phénomène est rigoureusement inverse lors d’une réductionimportante du débit de vapeur, entraînant un tassement transitoiredu niveau qui appelle à augmenter le débit d’eau, alors qu’il s’agitd’une diminution du débit demandé.

● La régulation à deux éléments est pilotée par le débit de vapeuret le niveau, ce dernier intervenant à titre correctif, à plus longueéchéance lors des transitoires. Le système est logique puisqu’ils’agit d’apporter à la chaudière un débit d’eau équivalent au débitde vapeur prélevé, et il constitue une amélioration sensible maissouvent insuffisante.

● Le perfectionnement classique est la régulation à trois éléments,pilotée par le débit de vapeur, le débit d’eau, et le niveau. Le signalpilotant la vanne d’alimentation résulte alors de la différence entredébit de vapeur et débit d’eau, ce qui évite de modifier le débit d’eauplus que nécessaire, même en cas de variations importantes. Onévite ainsi d’accentuer les fluctuations de pression. Le niveau agittoujours en terme correctif à plus longue échéance.

Il est enfin possible de prévoir un point de consigne de niveauvariable en fonction de la charge, d’autant plus élevé que l’allurese rapproche de l’allure nominale, réservant ainsi au gonflementune marge d’autant plus réduite que la possibilité de prise decharge elle-même se réduit. La régulation à trois éléments autorisedes variations de puissance rapides.

■ Sécurité de manque d’eau

Le seuil de manque d’eau est le niveau le plus bas qui assure lerefroidissement des parties métalliques de la chaudière en contactavec les fumées. Il est donc primordial d’arrêter les feux si leniveau tend à baisser au-dessous de cette limite, pour éviter dechauffer très fortement les parties de tubes ou de tôles de réservoirinsuffisamment protégées, voire dénoyées.

C’est pourquoi la sécurité de manque d’eau impose la coupuredes feux et consiste toujours en deux détecteurs de niveau distincts,intervenant à deux seuils très rapprochés, supérieurs ou égaux auseuil théorique de manque d’eau.

2.3.1.3 Stockage, mélange et répartition

On compte sur la réserve d’eau contenue dans le réservoir pourparer aux à-coups provoqués par les opérations de démarrage,montée en pression, variations rapides de puissance (et, en parti-culier, coupure brutale de la demande en cas de déclenchement duturboalternateur).

En outre, c’est dans le réservoir que s’effectue le mélange entrel’eau en circulation dans le système évaporatoire et celle en prove-nance de l’économiseur, mélange généralement assuré par un tuberépartiteur muni de trous.

Dans le réservoir, on trouve également :— l’aboutissement du système d’injection de réactif associé au

traitement d’eau ;— souvent, le prélèvement pour la purge de déconcentration ;— les dispositifs de prélèvement d’échantillon permettant de

juger de la teneur en sels de l’eau, et du primage dans la vapeur.

Le réservoir doit aussi permettre d’éviter l’entraînement de vapeurdans les descentes d’eau ; cet entraînement peut se faire soit parceque les bulles de vapeur dégagées ou présentes sous le plan d’eaune disposent pas d’un temps suffisant pour arriver à la surface, soitparce que la hauteur d’eau au-dessus des piétements de descenten’est pas suffisante pour éviter la formation d’un vortex.

Un réservoir de chaudière est donc un compromis entre beaucoupd’exigences, la première étant d’assurer un diamètre minimalcompte tenu de l’épaisseur imposée par les pressions élevées, touten disposant de volume suffisant pour installer les dispositifs deséparation dans la zone de vapeur et conserver également unecharge d’eau suffisante au-dessus des piétements de descente.

Figure 26 – Indicateur de niveau à manomètre différentiel



2.3.2 Séparateur

C’est un appareil simplifié auquel on demande de jouer tempo-rairement une partie du rôle du réservoir, principalement aux alluresréduites des chaudières à circulation forcée, périodes où la protec-tion des parties chauffées nécessite une recirculation d’eau.

Les fonctions se réduisent alors :— à la séparation eau/vapeur par centrifugation, mais le primage

peut s’élever à 1 ou 2 % ;— au maintien d’un niveau d’eau, pour ajuster correctement

l’arrivée d’eau d’alimentation à la demande de vapeur.

Dès que le débit de la chaudière dépasse le seuil de recirculation,le réglage combiné de la chauffe et du débit permet d’avoir de lavapeur légèrement surchauffée dans le séparateur, qui marchealors à sec.

La disposition des tubulures d’entrée d’émulsion, de sortie d’eauest telle qu’elles provoquent un mouvement giratoire dans le sépara-teur qui se comporte comme un cyclone, la sortie de vapeur étantà l’extrémité supérieure, en général dans l’axe de l’appareil sinonpar tubulures excentrées (figure 27).

Le séparateur est constitué essentiellement d’un long cylindrevertical, dont le diamètre intérieur est d’environ 800 mm, permettantle passage d’un homme suspendu à un harnais, ou assis sur uneplate-forme de petite dimension. Ce diamètre réduit permet, malgréles hautes pressions associées aux chaudières à circulation forcée,de rester à une épaisseur suffisamment faible pour ne pas créer descontraintes thermiques inadmissibles et admettre des gradients detempératures élevés.

Sur certaines chaudières de grande puissance, à pression trèsélevée, le système de séparation se compose de 4 séparateurs, unpar écran de foyer, intégrés dans le système de recirculation d’eau ;les sorties de vapeur se rejoignent ensuite dans un séparateurcomplémentaire unique.

Les chaudières à très faible taux de circulation (1 à 1,5), objetsdu paragraphe 2.2.2.4, sont munies de séparateurs « humides » ence sens qu’on leur confère le rôle d’un réservoir avec maintien d’unniveau d’eau et séparation eau/vapeur à toutes les allures ; mais leprimage est assez fort et n’est admissible qu’en raison de la pré-paration de l’eau dont la qualité exigée est équivalente à cellenécessaire pour une chaudière à circulation forcée.

2.3.3 Cas particulier de la double circulation

La double circulation est une application astucieuse de la circu-lation naturelle qui permet aux chaudières de fonctionner avec uneeau d’appoint anormalement saline et chargée en silice pour lapression d’utilisation envisagée, sans recourir à une purge de décon-centration trop forte, ni à la déminéralisation totale de l’eau. On peutainsi se contenter d’un traitement simple de décarbonatation et dési-liciage. Mais l’intérêt économique de cette solution a pratiquementdisparu en France depuis une trentaine d’années, avec le dévelop-pement des résines échangeuses d’ions et la mise à disposition surle marché, à des prix abordables, d’installations de déminéralisationtotale utilisant ces résines. Cependant, dans certains cas particuliers,où une grande quantité de vapeur est perdue et où il y a nécessitéd’une quantité d’eau d’appoint importante, la double circulationconserve son avantage.

Le procédé consiste à ménager dans la chaudière deux circuitsd’eau et d’émulsion, distincts et spécialisés (figure 28) :

— le circuit primaire I, correspondant aux surfaces d’échange lesplus sollicitées du point de vue de l’échange thermique, dans lequella concentration en sels sera limitée à la valeur compatible avec lapression de fonctionnement, grâce à une purge de déconcentrationimportante effectuée vers le circuit secondaire ;

— le circuit secondaire II, correspondant aux surfaces d’échangeles moins chargées de la chaudière, plus tolérantes quant à lalimite maximale de salinité, dans lequel la concentration en selssera plus élevée.

La purge de déconcentration p du circuit secondaire, qui n’estautre que la purge globale de la chaudière, est limitée en fonctionde la plus forte concentration admissible. Au contraire, la purge p1du circuit primaire est importante parce que, tenant lieu d’alimen-tation pour le circuit secondaire, elle doit égaler la somme de laproduction de vapeur de ce circuit secondaire et du débit de purgeglobal de la chaudière.

En écrivant que la quantité de sels entrant dans un réservoir estégale à celle sortant et en supposant le primage négligeable(figure 28), on obtient pour l’un et l’autre des réservoirs :

Ac = (V2 + p ) c1 = pc2

La valeur de V2 résulte directement de la part des surfacesd’échange affectée au circuit secondaire ; V2 est généralementcompris entre 20 et 40 % de V .

Le dispositif de double circulation comprend une dispositioncomplémentaire qui permet d’améliorer la qualité de la vapeursans modifier les facteurs de concentration : elle consiste à amenerV2 au contact de l’eau d’alimentation froide du circuit primaire, defaçon à condenser tout ou partie de la production de vapeur ducircuit secondaire dans le circuit primaire. Ce système de lavage dela vapeur secondaire permet d’éliminer les effets de son primage,constitué de gouttelettes à forte concentration.

L’adaptation d’une chaudière industrielle à la double circulationest relativement simple : elle consiste à disposer dans le réservoirsupérieur un cloisonnement particulier (figure 29) séparant lescircuits primaire et secondaire avec leur descente d’eau individuelle,tout en réservant les communications nécessaires au passage :

— de l’eau du primaire vers le secondaire ;— de la vapeur du secondaire vers le primaire, à travers le

dispositif de lavage ou de barbotage.Figure 27 – Coupe schématique d’un séparateur :mouvement giratoire

Exemple numérique : en admettant V2 = 0,3 V

on obtient pour une concentration c de l’eau d’alimentation :

purge continue de déconcentration 5 % 1 %concentration du circuit primaire c1 = 2,9c 3,3c

concentration du circuit secondaire c2 = 20c 100cLa concentration du circuit secondaire dépend essentiellement de la

purge continue et celle du circuit primaire dépend du rapport du débitde vapeur du circuit secondaire au débit total de vaporisation.

p 0,05 V = p

0,01 V =

purge continue de 5 ou 1 % ( ) , soit



2.4 Calculs de circulation

L’objectif final du calcul est de s’assurer que n’importe quel tubedu système évaporatoire, pour tous les cas de fonctionnementenvisagés, est correctement refroidi par le fluide qui le parcourt,c’est-à-dire que la contrainte qu’il subit du fait de la pression estcompatible avec la contrainte admissible pour le métal à la tempé-rature à laquelle il est porté.

Il faut donc déterminer :— le débit par tube ;— son titre en vapeur en différents points ;— le flux de chaleur reçu localement.

Si l’on constate que l’ensemble débit, titre et flux reste à l’inté-rieur du domaine de l’ébullition nucléée, le coefficient d’échangeinterne est suffisamment élevé pour que l’on n’ait pas à s’inquiéterde la température du métal ; dans le cas contraire, il faut évaluerce coefficient.

La procédure de calcul du débit par tube dépend essentiellementdu type de circulation de la chaudière :

— en circulation naturelle, la force motrice est fournie par lechauffage du tube et la création de vapeur ;

— en circulation assistée par pompe, il s’y ajoute celle apportéepar la pompe ;

— en circulation forcée, le débit global est égal à la productionde vapeur de la chaudière en dehors du domaine où une recircu-lation s’impose.

2.4.1 Circulation naturelle

■ Descriptif de la circulation

Le réservoir constitue le point de départ de la circulation. Selonle schéma de la figure 30, le débit d’émulsion en circulation MEdescend par le circuit I sous forme d’eau, du moins à l’entrée, etremonte par le circuit II vers le réservoir, sous forme d’une émulsionde plus en plus chargée en vapeur au fur et à mesure qu’elle absorbede la chaleur le long de son parcours. Si ρ1 est la masse volumiquemoyenne du fluide dans le circuit I , et ρ2 dans le circuit II, si H estla hauteur de la chaudière entre le plan d’eau dans le réservoir etle point bas du circuit, et si ∆p1 et ∆p2 sont les pertes de charge res-pectives de l’émulsion dans les circuits I et II , le débit ME en cir-culation est tel que :

pression motrice ascensionnelle = pression résistante

H (ρ1 – ρ2 ) g = ∆ p1 + ∆ p2 ( + ∆ p cyclone éventuel)

On voit que le débit ME résultant de cet équilibre ne dépend pasdirectement du débit de vapeur MV de la chaudière, mais seulementde la conception et du dimensionnement des différents circuits, etde la façon dont ils sont chauffés, c’est-à-dire des facteurs qui déter-minent d’une part la pression motrice et d’autre part la pression résis-tante, constituée par les pertes de charge.

Le circuit I est de préférence non chauffé (colonnes d’alimenta-tion extérieures), ou le moins chauffé de toute la chaudière (tubesde descente localisés en fin de parcours des fumées). Dans ce cas,la vitesse du fluide est de l’ordre de 1,5 à 2 m/s.

Figure 28 – Schéma de la double circulation



Le circuit II ascendant et chauffé est de préférence constitué detubes verticaux. Il comporte des tubes chauffés suivis de tubes dedégagement généralement non chauffés et nécessaires pour bouclerle circuit sur le réservoir. Selon leur disposition et leur dimension-nement, ils sont plus ou moins favorables à la circulation.

L’idéal est évidemment que les tubes d’alimentation descendentet que les tubes de dégagement montent.

La vitesse de circulation requise à l’entrée des tubes chauffés estde l’ordre de 0,3 à 0,6 m/s selon l’inclinaison des tubes et la pression.

La hauteur H de la chaudière n’est pas systématiquement favo-rable à la circulation car elle intervient non seulement dans l’expres-sion de la force ascensionnelle, mais aussi dans la perte de chargeaccrue par la longueur des circuits.

En principe, la totalité de la vapeur produite et véhiculée dansl’émulsion rejoint le réservoir et se dégage grâce au dispositifsymbolisé sur la figure 30 par un cyclone (détail figure 24b ). Cedébit de vapeur, (1 + x ) M V , comprend :

— d’une part, la production de vapeur effective de la chaudière M Vqui est dirigée vers la sortie ou vers le surchauffeur (lequel n’inter-vient pas dans le principe de la circulation) ;

— d’autre part, la quantité de vapeur xMV qui permet, en secondensant, de réchauffer jusqu’à la température de saturation ledébit MV d’eau alimentaire, généralement délivrée à une tempéra-ture inférieure par l’économiseur, ou tout à fait froide, en l’absenced’économiseur.

Simultanément, le séparateur restitue la quantité d’eau complé-mentaire de l’émulsion [ME – (1 + x ) M V] qui reconstitue le débitd’eau ME à l’entrée du circuit I, grâce à l’apport M V de l’eaualimentaire et à celui de la vapeur condensée xM V qui a servi à laréchauffer à la température de saturation.

Au total, le réservoir reçoit un débit M V d’eau alimentaire froideet restitue un débit MV de vapeur saturée, tandis que la chaudièrevéhicule un débit ME d’émulsion, contenant en moyenne (1 + x ) M Vde vapeur.

Selon que l’on rapporte le débit en circulation ME au débit effectifde la chaudière M V ou au débit réellement vaporisé (1 + x ) M V , enposant :

ME = NM V = N1 (1 + x ) MV

le taux moyen de l’émulsion en chaudière s’exprime par :

Le rapport N est souvent considéré comme le nombre decirculations de la chaudière, alors que le véritable nombre decirculations, dont l’inverse correspond justement au taux moyen del’émulsion en vapeur, est égal à N1. Nous attirons l’attention sur cettedifférence entre N et N1, d’autant plus importante que le terme xdéfini plus haut est rarement négligeable : il ne s’annulerait que sil’eau était portée juste à saturation dans l’économiseur avant l’entréeen chaudière, et il deviendrait exceptionnellement négatif avec unéconomiseur vaporisateur délivrant de l’émulsion.

■ Répartition de la chaleur absorbée par les écrans

Elle est obtenue à partir du bilan global d’échange dans le foyeren tenant compte des profils de flux dans le foyer et des zoneschauffées (§ 1.5).

Il faut distinguer entre :— le flux moyen par zone, dont l’intégration étendue à l’ensemble

du foyer correspond au bilan d’échange réel sur les parois. Il permetde calculer le titre en vapeur et la vitesse dans les tubes, critèresen général suffisants pour la circulation naturelle dans le cas dechaudières à tubes lisses et à pression inférieure à 120 bar ;

— le flux majoré d’un coefficient d’incertitude sur la répartitioncalorifique estimée, qui conduit à un échange accru et à une aug-mentation du titre de la vapeur générée par un tube ;

Figure 29 – Schéma d’un habillage de réservoirde chaudière pour la double circulation

Figure 30 – Chaudière à circulation naturelle : débits mis en jeu

τ11 x+( ) M V

ME------------------------------- 1 x+

N-------------- 1

N1---------= = =



— le flux local maximal, encore plus élevé que le précédent, utiliséuniquement pour définir la marge par rapport aux conditionscritiques du DNB. Cette détermination complémentaire est indis-pensable pour des pressions supérieures à 150 bar et dans le casd’utilisation de tubes rainurés.

■ Détermination du débit de circulation

Le calcul de circulation, effectué par itération, permet de déter-miner le débit d’équilibre, c’est-à-dire le débit pour lequel la pertede charge dans le circuit est égale à la charge motrice due à la dif-férence de poids des colonnes de fluides.

La teneur en vapeur de l’émulsion en chaque point du tube estdéterminée pour un débit choisi arbitrairement, à partir de lacourbe de répartition du flux calorifique (le tube étant divisé entronçons pour les besoins du calcul).

On détermine alors la perte de charge totale dans le circuit, enutilisant les formules classiques que l’on pourra consulter dans lesdifférents articles de la rubrique Mécanique des fluides du traitéSciences fondamentales.

On détermine, par ailleurs, à partir de la teneur en vapeur entout point, le poids de la colonne d’émulsion et, par différence avecle poids de la colonne d’eau, la charge motrice.

Ces calculs doivent être effectués pour plusieurs valeurs du débitd’entrée, dont deux au moins se trouvent de part et d’autre du débitd’équilibre recherché. Ce débit peut alors être déterminé par inter-polation graphique. On en déduit le titre en vapeur en différentspoints.

En pratique, ces calculs de circulation, très longs si l’on veutobtenir une bonne précision, sont toujours effectués sur ordinateur.Le calcul est fait, non par tube individuel, mais par famillesregroupant tous les tubes ayant un même tracé et recevant un fluxcalorifique de même répartition.

On compare ensuite, pour différents niveaux, le titre de vapeurdans le tube majoré d’une marge de sécurité, avec la valeur limitede ce titre qui risquerait de provoquer une surchauffe locale dutube (apparition du DNB sous l’effet du flux maximal local) pour lesmêmes conditions de pression, vitesse massique et flux interne(figure 31) ; la comparaison de ces deux titres permet de juger sila circulation est suffisante : les deux courbes ne doivent pas secouper.

On s’assure également que, même dans des régions peuchauffées, la vitesse ou la composition de l’émulsion sont telles qu’iln’y a pas possibilité de stratification et d’établissement d’un pland’eau à l’intérieur du tube.

Le débit qui s’établit naturellement dans un tube dépend de lachaleur qu’il reçoit, de ses pertes de charge et de la hauteur motricequi résulte de sa production de vapeur ; mais il est également tri-butaire des pertes de charge des circuits amont et aval, communesavec d’autres tubes.

L’aboutissement du calcul de circulation correspond aussi à l’opti-misation de ce réseau de tubes, c’est-à-dire à la détermination dunombre et du diamètre des tubes d’alimentation (liaison entre lestubes de descente et le bas des écrans) et des tubes de dégagement.

2.4.2 Circulation assistée par pompe

Le calcul est mené de la même façon qu’en circulation naturelle,la hauteur manométrique donnée par les pompes venant s’ajouterà l’effet de circulation naturelle. Cependant, l’introduction de pompesde circulation met à la disposition du constructeur un paramètre sup-plémentaire pour la détermination des circuits.

Il est alors possible d’admettre des pertes de charge plus impor-tantes dans les écrans vaporisateurs, donc des diamètres plus petits.C’est ainsi que les chaudières à très haute pression en circulationnaturelle ont couramment des tubes vaporisateurs de 63,5 mm dediamètre extérieur, alors que des diamètres de 44,5 ou 51 mm sontutilisés en circulation assistée.

Par ailleurs, la hauteur manométrique des pompes est choisie defaçon à permettre l’installation d’un diaphragme à l’entrée de chaquetube vaporisateur. Ces diaphragmes sont calculés pour chaque tubeen fonction de son tracé et du flux calorifique qu’il reçoit, de façonqu’il soit parcouru par le débit d’eau nécessaire.

On peut ainsi déterminer le débit dans les tubes de façon que lestitres de vapeur le long du tube approchent le maximum compatibleavec la sécurité vis-à-vis du DNB.

L’adoption de diaphragmes présente un avantage supplémentaire:en cas de sous-estimation des échanges sur une famille de tubes,l’agrandissement des orifices permet d’accroître le débit dans lestubes de cette famille, correction impossible en circulation naturelle.

2.4.3 Circulation forcée

L’étude de la circulation consiste :— à rechercher la bonne répartition du fluide dans les tubes, pour

tenir compte des différences de tracé et d’absorption. Bien que parconstruction on s’efforce d’établir une égalité de longueur entre tousles tubes du foyer (cendrier et écrans en spirale), et autant que pos-sible une égalité d’absorption (1,5 à 2 tours de la spirale), il subsistedes écarts dus aux déviations locales, contournement des brûleursou des ramoneurs par exemple ; on l’obtient en créant une perte decharge par des diaphragmes ;

— à vérifier que pour toutes les allures, du fait de la grandeinfluence du débit sur le coefficient interne, la température destubes reste compatible avec la nature de l’acier retenu ;

— à contrôler la stabilité du système en étudiant l’effet d’inégalitésde chauffe, par suite d’arrêts de certains brûleurs ou par présencede zones encrassées, et à juger de leur effet sur la température dela vapeur à la sortie, avec comme objectif d’éviter des écarts tropimportants d’un tube à l’autre pour limiter les contraintes dans lamembrane entre tubes et ne pas provoquer la déformation desécrans.

La détermination des pertes de charge du tube chauffé est plusdélicate que dans les autres systèmes de circulation puisque l’on ytrouve successivement de l’eau, une émulsion qui s’enrichit pro-gressivement de 0 à 100 % de vapeur, et enfin une vapeur qui sesurchauffe.

Le calcul du coefficient d’échange interne α i doit se faire lui aussipar itération vu l’influence de la température de la paroi interne surce coefficient.

Figure 31 – Évolution du titre de vapeur d’un tube d’écran arrière (avec voûte)


Do

c. B

1 4

64

11 -

199

3

POUR

EN

S

Conception et calcul des chaudières

par Jean PARISOTIngénieur de l’École Centrale des Arts et ManufacturesIngénieur-conseil, ThermicienAncien Chef de service Calcul/Conception de Stein Industrie

AVOIR

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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copieest strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique Doc. B 1 464 − 1

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Tou

AVOIR

Fabricants. ConstructeursLe Syndicat National de la Chaudronnerie, de la Tôlerie et de la Tuyauterie

Industrielle (SNCT) peut à la demande fournir la liste de ses adhérents.

Citons toutefois Babcock Entreprise.Babcock Wanson.CNIM Constructions Navales et Industrielles de laMéditerranée.Sereys.Socomas.Stein Fasel.Stein industrie.

PLUS

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