Transcript exercices combustion - Aix Marseille Université

Exercices combustion (feuille 1)
1 ) Combustion du gaz des Pays Bas (Groningue)
En utilisant la composition du gaz de Groningue donnée en cours et le tableau de calcul proposé en 6.3 du cours
- Déterminer les valeurs de Va0, Vf0, V'f0 pour la combustion stœchiométrique d’un Nm3de gaz
- Déterminer la composition des fumées, les proportions de CO2 et O2 pour la combustion stœchiométrique et
pour la combustion complète oxydante avec 20 % d’excès d’air
2 ) Combustion gaz d’après analyse
On étudie une combustion de gaz naturel, cette combustion a fait l’objet d’une analyse de fumées dont les résultats sont
γO2 = 4 %
γCO2= 9,6 %
γCO = 10 ppm (donc à négliger pour les calculs...)
Température ambiante en chaufferie : 25 °C
température des fumées : 200 °C
Le combustible utilisé est le gaz d’Algérie (terminal de Montoir)
- D'après les résultats d'analyse caractériser la combustion étudiée (type de combustion).
- Déterminer le coefficient d'aération par un calcul basé sur γO2, on demande un calcul littéral basé sur les
définitions des compositions de fumées. Une vérification par le diagramme de Biard est possible.
Un relevé de compteur indique un débit de gaz de 200 m3.h-1 ( mesuré à 300 mb effectifs et 15 °C)
- Déterminer la puissance fournie par le brûleur.
- Déterminer le rendement de combustion par rapport au PCI et au PCS et la puissance utile de la chaudière.
3 ) Combustion du gaz de Sibérie
Composition donnée dans le cours. Utiliser le tableau du chapitre 6-3
- Déterminer le pouvoir comburivore Vao et les pouvoirs fumigènes sec Vfo et humide V'f o de ce combustible.
- Déterminer le γCO2,0 ( aussi appelé γmax)
On étudie une combustion dont l'analyse donne γCO2 = 10 % avec γCO négligeable
- Déterminer le taux d'aération λ du brûleur par le calcul
- Déterminer le débit de gaz nécessaire (à 300 mb et 15 °C) pour fournir une puissance utile de 1000 kW si les
fumées sont rejetées à 160 °C, température de l'air en chaufferie 15 °C, les pertes de la chaudière vers
l'ambiance étant négligées (ηchaudière = ηcombustion) On calculera le rendement par la formule de Siegert.
- Quelle augmentation de rendement peut-on escompter en réduisant le taux d'aération de 5 %, toutes choses
égales par ailleurs ?
4 ) Chaufferie gaz de forte puissance
On étudie une chaufferie fonctionnant au gaz naturel (Algérie-Fos). La puissance utile est de 4500 kW (3 chaudières
identiques de 1500 kW), le rendement des chaudières est de 92 % et le rendement de combustion de 93%
Les brûleurs sont réglés avec un coefficient d'aération λ = 1,15
-
Déterminer la puissance de flamme d'un brûleur
Déterminer le débit de gaz d'une chaudière en Nm3.s-1 puis le débit relevé au compteur de la chaufferie si la
pression est de 300 mb et la température de 15 °C (3 chaudières)
Donner les valeurs de Va, Vf, γO2, γCO2 - en déduire le débit volumique d'air nécessaire à la combustion
Donner la section utile de la bouche d’entrée d’air de la chaufferie pour une vitesse < 1m.s-1
( débit volumique = section * vitesse, en unités du système international)
Donner la masse de CO2 rejetée par kW.h de chaleur utile produite
5 ) Chaudière fuel
On étudie une chaudière fonctionnant au fuel domestique, d’une puissance utile de 250 kW
L’analyse des fumées donne les résultats suivants :
Absence de suies, γO2 non mesuré, γCO2 = 12.5 %, γCO = 50 ppm
La température ambiante en chaufferie est de 25 °C, la température des fumées est de 185 °C
- D’après le diagramme d’Ostwald : caractériser la combustion, donner le taux d'aération λ
- En utilisant la formule de Siegert : déterminer le rendement de combustion
- Calculer la consommation instantanée de fuel de la chaudière, en considérant ηch ≈ ηc
- Donner la masse de CO2 rejetée par kW.h de chaleur utile produite
6 ) Chaudière gaz à condensation
On étudie une chaudière individuelle gaz atmosphérique à condensation, installée dans la cuisine d’un appartement
(temp. Ambiante 20 °C) le taux d’aération est λ = 1.5 (gaz algérien terminal de Fos)
La température des fumées est de 70 °C, on condense 60 % de la vapeur d’eau produite par la combustion : Calculer le
rendement de combustion. (formule rendement GDF gaz type H du cours et données sur le gaz annexes page 23)
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F. PAIRE
Exercices 1
Exercices combustion (feuille 2)
2-1) Brûleur fioul deux allures
On étudie un brûleur fioul domestique installé dans une chaudière d'une puissance nominale de 125 kW
Le rendement global de la chaudière est estimé à 91 % par rapport au PCI
Le gicleur installé dans le brûleur a un calibre de 2,25 USgal./h (soit 7,14 kg/h) sous une pression de 7 bar.
(ρ fioul= 840 kg.m-3, on rappelle qu'un gallon US vaut 3,78 litres)
Le brûleur est à deux allures, les deux allures sont obtenues au niveau du fioul par un changement de pression de pulvérisation.
•
Donner les pressions de pulvérisation du fioul pour obtenir la puissance nominale de la chaudière en deuxième allure et une
puissance 2/3 en première allure.
Rappel de mécanique des fluides : dans une singularité la perte charge est proportionnelle au carré de la vitesse, donc au carré du
débit volumique. Sur un gicleur fioul la perte de charge est considérée égale à la perte de pression statique, c'est à dire à la pression
effective de pulvérisation en amont du gicleur.
2-2) Analyse physique de la condensation
En se basant sur les résultats de combustion stoechiométrique d'un gaz d'Algérie (Fos) du tableau chap. 6.4
On étudiera deux cas distincts : λ = 1 et λ = 1,2 et on supposera que les fumées sont à la pression atmosphérique normale.
•
Déterminer la température à laquelle l'humidité contenue dans les fumées commence à se condenser.
•
Déterminer la part d'humidité qui est condensée si on refroidit les fumées jusqu'à une température de 30 °C
Rappel : pression de vapeur saturante de l'eau (pour un tableau complet : http://www.thermexcel.com/french/tables/eau_atm.htm)
Température
pression absolue
Température
pression absolue
0
611 Pa
50
12335 Pa
20
2337 Pa
60
19919 Pa
30
4242 Pa
70
31161 Pa
40
7375 Pa
80
47359 Pa
On peut aussi utiliser la formule approchée de pvs(θ) :
(pvs(θ) = 611*EXP(7,257.10-2* θ - 2,937.10-4 . θ 2 +9,81.10-7 .θ 3 - 1,901.10-9.θ 4)
2-3) Combustion gaz d’après analyse
On étudie une combustion de bio-gaz épuré, ( 97,3 % de CH4, 1,7 % de C02, 1 % de N2) cette combustion a fait l’objet
d’une analyse de fumées dont les résultats sont γO2 = 3,5 %
γCO2 : non analysé
γCO = 10 ppm (donc à négliger
pour les calculs...)
Température ambiante en chaufferie : 20 °C
température des fumées : 180 °C
PCI = 9,7 kW.h / Nm3
Un relevé de compteur indique un débit de gaz de 350 m3.h-1 ( mesuré à 300 mb effectifs et 20 °C)
- Déterminer les caractéristiques de la combustion stoechiométrique de ce gaz en utilisant la table de calcul du
cours
- Déterminer le taux d’excès d’air par un calcul basé sur γO2, on demande un calcul littéral basé sur les
définitions des compositions de fumées. Une vérification approximative par le diagramme de Biard est
possible.
- Déterminer par le calcul le γCO2
- Déterminer la puissance fournie par le brûleur.
- Déterminer le rendement de combustion par rapport au PCI et la puissance utile de la chaudière. (formule
GDF pour les gaz naturels type H)
On décide d'ajouter un refroidisseur complémentaire (condenseur) permettant de rejeter les fumées à 45°C dans les
conditions nominales de fonctionnement
•
A partir des pressions de vapeur déterminer la proportion d'eau condensée dans les fumées
•
Déterminer le nouveau rendement de combustion (formule GDF pour les gaz naturels type H)
•
Déterminer la nouvelle puissance utile de la chaudière, condenseur compris.
2-4) Changement de gaz
On étudie une chaudière gaz atmosphérique, utilisée dans un premier temps avec du GPL (propane commercial).
La puissance utile est de 356 kW, la pression d'utilisation du GPL est de 37 mbar (effectifs), les gicleurs ont un diamètre
de 0,9 mm - On passe au gaz naturel suite à l'implantation d'un réseau, on veut la même puissance utile de la chaudière.
•
Donner le nouveau diamètre des gicleurs pour une pression de gaz de 20 mb (effectifs)
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Exercices 2
Exercices combustion (feuille 3)
Exercices complémentaires à faire en autonomie. Corrigés fournis
3-1) Chaudière fuel
On étudie une chaudière fonctionnant au fuel domestique, consommant 35l/h de FOD (ρ= 840 kg/m3)
L’analyse des fumées donne les résultats suivants :
quantité de suies négligeable, γO2= 4 %, γCO2 non mesuré , γCO = 50 ppm
La température ambiante en chaufferie est de 25 °C, la température des fumées est de 200 °C
-
D’après le diagramme d’Ostwald : caractériser la combustion, donner le taux d’excès d’air
En utilisant la formule de Siegert : déterminer le rendement de combustion
Calculer la puissance utile de la chaudière, en considérant ηch ≈ ηc
Déterminer la taille du gicleur et la pression de pulvérisation exacte (choisir gicleur pour p voisine de 12 bar)
Donner la masse de CO2 rejetée par kW.h de chaleur utile produite
-
La pression de pulvérisation a été déréglée : elle est de 16 bar : quel est le nouveau débit de combustible ?
Quel est le taux d'aération λ si aucun autre réglage du brûleur n'a été modifié ? Que risque-t-on ?
-
3-2) Bilan de fonctionnement
On étudie une chaufferie au gaz naturel (Fos)
La documentation chaudières et brûleurs permet d'attendre une puissance utile de 560 kW, avec un rendement de
chaudière de 93,5 % et des pertes par les parois des chaudières de 0,2 % de la puissance chaudières
la chaufferie est alimentée en gaz moyenne pression ( p effective = 300 mb, T° 15 °C)
Déterminer le rendement de combustion et la puissance des brûleurs ainsi que le débit de combustible au
compteur.
On effectue des mesures de combustion sur la chaufferie en fonctionnement ( température ambiante 20 °C)
On constate une température de fumées de 175 °C et un taux de CO2 de 9,2 %, CO négligeable.
Quel est le rendement de combustion ?
Le débit de combustible a été réglé à la valeur calculée précédemment. Quelle est la puissance utile de la
chaufferie ?
Un meilleur réglage de la tête de combustion puis de l'excès d'air permet d'atteindre un taux de CO2 de 10,3 %, sans
augmentation notable du taux de CO
la température des fumées chute à 160 °C
Peut-on se satisfaire du réglage ?
3-3) Etude d'une rénovation avec changement de combustible
On étudie une chaufferie existante avant et après changement de brûleur et de combustible pour faire le bilan des
améliorations constatées.
Le combustible initial est du fuel domestique, le débit de fuel mesuré au compteur lorsque les deux chaudières
(identiques) sont à plein régime est de 112 litres /h
On fait alors une analyse de fumées qui donne une température de fumées de 185 °C et un taux de CO2 de 12 % , le taux
de CO est de 200 ppm (résultats pratiquement identiques sur les deux chaudières, température en chaufferie 20 °C)
Déterminer la puissance des brûleurs et la puissance utile des chaudières
Après rénovation (passage au gaz Fos) on mesure sur les chaudières une température de fumées de 170 °C et un taux
de CO2 de 10,2 % avec un taux de CO de 30 ppm.
Quel doit être le débit de gaz mesuré au compteur (pression effective 20 mb et T°=15 °C) pour que la puissance
de la chaufferie soit inchangée ?
On a consommé 339000 litres de fuel la dernière année avant rénovation, combien aurait-on consommé de gaz si
la rénovation avait été faite une année plus tôt ? (donc pour la même quantité d'énergie fournie)
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Exercices 3