Transcript B1462

Conception et calcul des chaudières :
échangeurs et circuits air/fumées
par
Jean PARISOT
Ingénieur de l’École Centrale des Arts et Manufactures
Ingénieur-conseil, Thermicien
Ancien Chef de service Calcul/Conception de Stein Industrie
1.
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Échangeurs ................................................................................................
Rôle des échangeurs ...................................................................................
Architecture générale. Ordre de parcours des fumées ............................
1.2.1 Répartition des échanges. Variation suivant l’allure .......................
1.2.2 Moyens d’action sur les échanges ....................................................
1.2.3 Contraintes technologiques et économiques...................................
Choix de la position et de l’ordre des échangeurs ...................................
Bilan global des échanges. Bilan individuel..............................................
Calcul des échangeurs ................................................................................
1.5.1 Objet du calcul ....................................................................................
1.5.2 Méthode de calcul ..............................................................................
Conception des échangeurs. Éléments de construction ..........................
Calcul de la température du tube et sélection du métal...........................
1.7.1 Effet de la température du fluide chauffé .........................................
1.7.2 Écart de température entre fluide et métal.......................................
1.7.3 Exemple de profil de température métal à mi-épaisseur................
1.7.4 Contraintes ..........................................................................................
Protections ...................................................................................................
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Circuits air/fumées..................................................................................
Nature des circuits.......................................................................................
Réchauffeurs d’air........................................................................................
2.2.1 Échangeurs à surface .........................................................................
2.2.2 Échangeurs du type régénératif ........................................................
Pertes de charge. Vitesses d’air et de fumées. Marges sur débit et
pressions ......................................................................................................
Ventilateurs ..................................................................................................
Problèmes liés aux circuits d’air et de fumées..........................................
Pour en savoir plus...........................................................................................
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Doc. B 1 464
a chaudière est composée d’une succession d’échangeurs, d’une géométrie
et d’une surface bien déterminées et invariables, soumis quant à leurs
échanges thermiques à des lois physiques complexes, avec comme complication
supplémentaire le fait que tout changement du comportement d’un appareil a
des effets sur l’appareil qui se trouve en aval, que ce soit sur le circuit des fumées
ou sur le circuit du fluide chauffé.
B 1 462
11 - 1993
L
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].
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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES _______________________________________________________________
1. Échangeurs
1.1 Rôle des échangeurs
D’un point de vue très schématique, une chaudière à combustible
fossile peut se ramener à :
— un foyer servant à convertir l’énergie potentielle contenue dans
le combustible (pouvoir calorifique) en gaz chauds et en
rayonnement ;
— des échangeurs utilisés principalement pour transférer
l’énergie contenue dans ces gaz à un fluide utilisable dans un cycle
thermodynamique de production d’électricité, fluide qui dans le
cadre de cette étude est de l’eau sous forme liquide ou vapeur utilisée
actuellement dans la quasi-totalité des cycles de production
d’énergie.
Si l’on suit le parcours de ce fluide le long de la chaudière (figure 1),
il traverse successivement les principaux échangeurs suivants :
économiseur, vaporisateurs (parois du foyer sur la figure),
surchauffeurs et resurchauffeurs.
Figure 1 – Exemple de chaudière
au charbon avec la succession d’échangeurs :
économiseur, vaporisateurs, surchauffeurs
et resurchauffeurs
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■ L’économiseur : l’eau venant du poste de réchauffage, alimenté
par les soutirages de la turbine, s’y échauffe avant son introduction
dans le réservoir ou le séparateur (séparateur « humide »). L’eau à la
sortie de cet appareil est généralement à une température inférieure
à la température de saturation (pour les cycles sous-critiques), mais,
dans certains cas, l’économiseur peut être vaporisant.
L’économiseur, divisé parfois en différents éléments, est généralement constitué de tubes à ailettes (fuel ou gaz naturel) ou de tubes
lisses (charbon et autres). Pour des raisons d’optimisation des
échanges et pour des raisons de prix, il est généralement situé sur
le parcours des fumées entre le dernier surchauffeur ou resurchauffeur et le réchauffeur d’air.
■ Les vaporisateurs : ils assurent la fin de l’échauffement de l’eau
(quand l’économiseur n’est pas vaporisant) et la production de la
vapeur. Les vaporisateurs sont généralement constitués par les
écrans soudés de la chaudière mais doivent parfois être complétés
par des faisceaux, notamment dans le cas des chaudières à faible
pression (enthalpie de vaporisation élevée).
■ Les surchauffeurs : situés sur le parcours des fumées entre la
sortie du foyer et l’économiseur, ils servent à élever la température
de la vapeur depuis l’état saturé (chaudières à réservoir) ou légèrement surchauffée (circulation forcée). Ce sont généralement des
échangeurs tubulaires bien que certaines parties de la surchauffe
puissent se faire dans des parois de la chaudière (cages arrière de
chaudière, surchauffeurs muraux, écrans de chaudières à circulation forcée).
■ Les resurchauffeurs : ils ont un rôle identique à celui des surchauffeurs, à savoir élever la température de la vapeur resurchauffée
provenant de la turbine à un niveau déterminé fixé au contrat (article
Conception et calcul des chaudières : généralités et bilans [B 1 460])
■ Les désurchauffeurs (mentionnés pour mémoire) : destinés à
refroidir et à moduler la température de la vapeur surchauffée ou
resurchauffée, ils sont rarement tubulaires (immergés dans le réservoir) mais généralement assimilables à des échangeurs par mélange
puisqu’ils procèdent par injection d’eau dans la vapeur.
■ Les autres échangeurs associés à la chaudière : non directement
en liaison avec l’eau ou la vapeur du cycle, ils n’en sont pas moins
indispensables au bon fonctionnement de l’installation.
● Le réchauffeur d’air : échangeur air de combustion /gaz de
combustion, est le seul capable, du fait de la température de l’air le
traversant (entrant à la température ambiante ou légèrement
préchauffé), d’abaisser la température des fumées pour obtenir un
rendement élevé (typiquement 110 et 150 oC).
Cet appareil, parfois subdivisé entre air primaire et air secondaire
(figure 1), peut être :
— tubulaire, volumineux et lourd mais ne présentant pas de
fuites ;
— régénératif, plus compact et léger mais avec un taux de fuite
inéluctable variant de 5 à 10 %.
L’utilisation d’autres types d’appareils, tels que les caloducs, est
aussi envisageable dans l’espoir de réunir les avantages des deux
modèles ci-dessus sans en avoir les inconvénients.
● Le préchauffeur d’air : dans le but principal de protéger le
réchauffeur d’air et les gaines de fumées placées en aval des risques
de corrosion par condensation d’acide pendant les démarrages
(sauf si le combustible utilisé au démarrage est du gaz ou du fuel) ou
pendant le fonctionnement normal (centrales au fuel lourd), il est
nécessaire de préchauffer de quelques dizaines de degrés l’air
entrant dans le réchauffeur d’air. Le préchauffeur est placé au
refoulement du ventilateur de soufflage ; il n’est pas indispensable
dans le cas du charbon mais souvent recommandé.
Cette fonction est assurée généralement par un échangeur à
tubes ailetés où l’air est réchauffé par de la vapeur (condensation)
ou de l’eau.
CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES
● L’échangeur de démarrage : spécifique des chaudières à circulation forcée, il permet de récupérer une grande partie de l’énergie
contenue dans l’eau circulant dans la chaudière au débit minimum
imposé pendant la période de démarrage (article Conception et
calcul des chaudières : foyer et circulation [B 1 461]).
1.2 Architecture générale.
Ordre de parcours des fumées
La chaudière doit assurer :
— un débit de vapeur strictement et rapidement égal à celui
demandé par le réseau utilisateur ou la turbine ;
— une pression constante au point d’utilisation de la vapeur (ou,
dans le cas d’un système à pression glissante, la pression associée
à la puissance demandée) ;
— le maintien de la température de la vapeur surchauffée dans
un domaine assez large (30 à 100 % de l’allure) ;
— le maintien de la température de la vapeur resurchauffée entre
le control point et l’allure maximale, en général entre 60 et 100 %.
L’architecture générale de la chaudière, et en particulier la
disposition des échangeurs, doit à la fois tenir compte :
— des moyens de réglage disponibles ;
— des contraintes technologiques ou économiques liées à la
résistance mécanique des tubes constituant les échangeurs pour
les températures où ils sont utilisés ;
— des contraintes liées directement à la température, à la vitesse
des fumées et à la nature du combustible telles que encrassement
ou érosion par les cendres (fusibles ou collantes), corrosion, etc. ;
— des contraintes imposées par le supportage : intervalles entre
panneaux, reprise des charges, etc.
1.2.1 Répartition des échanges.
Variation suivant l’allure
Les quantités de chaleur à transférer depuis les fumées vers l’un
ou l’autre des échangeurs et les conditions des échanges varient avec
la puissance globale produite, et cela pour plusieurs raisons :
— la quantité de chaleur à fournir à la resurchauffe, pour le maintien d’une température finale constante, est proportionnellement
plus importante à basse allure que celle à fournir à la surchauffe
quand la chaudière est à pression fixe ;
— en pression glissante, la quantité de chaleur nécessaire à la
vaporisation s’accroît, toutes proportions gardées, quand l’allure et
la pression diminuent ;
— les températures baissent avec l’allure, que ce soient celles
des fumées à la sortie du foyer ou celles du fluide chauffé (eau
d’alimentation, vapeur à resurchauffer).
Il est donc nécessaire de trouver des moyens d’action sur les
échanges, pour obtenir les performances désirées (températures et
quantités de chaleur).
1.2.2 Moyens d’action sur les échanges
■ Action sur la vapeur
Le plus simple et le plus généralement appliqué est l’injection
d’eau dans la vapeur, de préférence en amont du dernier échangeur
(surchauffeur ou resurchauffeur) ; la vaporisation de cette eau
produit un refroidissement de la vapeur. L’injection nécessite un
certain nombre de précautions :
— une eau correctement déminéralisée (obtenue parfois par
condensation de vapeur saturée prélevée au réservoir) ;
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— une pulvérisation en fines gouttelettes dans la vapeur à
refroidir ;
— une protection des parois internes des tubes par une jaquette
en acier inoxydable dans la zone de refroidissement pour y limiter
les contraintes thermiques (figure 2).
Il y a également le mélange de vapeur directe avec de la vapeur
en provenance d’un échangeur de refroidissement placé dans le
réservoir.
■ Action sur le débit de fumées :
— soit par modification de l’excès d’air au détriment du
rendement ;
— soit par recyclage de fumées, généralement prélevées à l’entrée
du réchauffeur d’air et réinjectées dans le foyer ; il n’y a pas modification du débit à la cheminée, donc pas de perte de rendement.
L’accroissement du débit de fumées abaisse la température dans
le foyer et à sa sortie, réduit l’échange dans les appareils de tête
et accroît l’échange dans les appareils de queue par suite du
refroidissement plus réduit des fumées.
■ Action sur la répartition des fumées
En divisant le trajet des fumées en circuits parallèles, avec
prédominance de surchauffeurs dans l’un des circuits et de resurchauffeurs dans l’autre, et en modulant les débits de fumées entre
l’un ou l’autre. Cette disposition est rarement adoptée car coûteuse.
■ Action sur la température de sortie du foyer (et des échanges
dans celui-ci)
Par modification de la position du feu soit par adoption de brûleurs
inclinables, soit par utilisation de brûleurs à des niveaux différents.
1.2.3 Contraintes technologiques et économiques
La recherche économique de réduction des surfaces des
échangeurs conduirait à placer les appareils où l’on veut des
températures de vapeur élevées dans les zones où les fumées sont
les plus chaudes ; on est cependant confronté aux problèmes liés
à la tenue du métal des tubes portés à haute température. Ce sont
donc des questions de limitation de contraintes admissibles en fonction de cette température et d’obligation de refroidir le métal au
moyen d’un bon coefficient d’échange interne (entre fluide chauffé
et métal) qui vont déterminer à la fois le sens du parcours de la vapeur
(méthodique ou antiméthodique) et la position relative de chaque
échangeur sur le trajet des fumées.
Le diagramme de la figure 3, en suivant le parcours des fumées
de gauche à droite, permet de comparer l’évolution de leur température par rapport à celle des fluides chauffés. Les échangeurs
situés dans une région où les fumées sont à plus de 900 oC sont
antiméthodiques (co-courant) ; au-dessous de 830 oC, ils sont
méthodiques (contre-courant).
Figure 2 – Injection d’eau dans la vapeur en amont du resurchauffeur
À titre d’exemples, pour des chaudières au fuel ou au gaz naturel
à pression fixe, on peut avoir le réglage de la resurchauffe :
— par recyclage de gaz (figure 4a ) ; le resurchauffeur est à
l’arrière pour bénéficier au mieux de l’échange qui est augmenté en
aval à cause du recyclage dont l’effet est plus marqué à basse allure ;
— au moyen de brûleurs inclinables (figure 4b ) ; le resurchauffeur
est en position médiane ; il est placé plus en mont, dans la limite
compatible avec la tenue du métal de ses tubes pour bénéficier au
maximum de la remontée du feu dans le foyer sous l’effet de l’inclinaison des brûleurs vers le haut lorsque l’allure de la chaudière est
plus basse.
Pour des chaudières tour à charbon et à pression glissante, on
peut avoir le réglage de la resurchauffe :
— par injection d’eau (figure 5a ), RHT en troisième position et
brûleurs fixes ;
— au moyen de brûleurs inclinables (figure 5b ), RHT en deuxième
position ;
— par action sur l’excès d’air (figure 5c ).
La resurchauffe est plus facile à obtenir à basse allure du fait de
la pression glissante, le recyclage des fumées étant exclu par suite
de la forte teneur en cendres des combustibles.
Pour choisir la position des échangeurs sur le parcours des
fumées, on utilise aussi le fait que les échanges par rayonnement
interne sont plus importants dans les zones à haute température et
qu’il y a prédominance des échanges par convection dans les
zones à basse température.
1.3 Choix de la position
et de l’ordre des échangeurs
1.4 Bilan global des échanges.
Bilan individuel
Suivant le mode d’action retenu (§ 1.2.2), il existe une grande
variété de solutions.
Le choix dépend de nombreux paramètres, essentiellement :
— du type de chaudière choisi en fonction du combustible (article
Conception et calcul des chaudières : généralités et bilan [B 1 460]),
du mode de fonctionnement et du type de circulation retenus ;
— des performances souhaitées (§ 1.2) ;
— des moyens de régulation (§ 1.2.2).
Le maintien de la plage de resurchauffe joue à cet égard un rôle
prédominant.
— Le bilan des énergies à fournir au fluide chauffé pour différentes
allures (en différenciant échauffement, vaporisation, surchauffe et
resurchauffe), la puissance introduite par le combustible, et
corrélativement les débits de fumées, ont été déterminés dans
l’article Conception et calcul des chaudières : généralités et bilans
[B 1 460].
— Le calcul du foyer a permis de connaître la répartition des énergies rayonnées sur les parois, vers les échangeurs de sortie, et la
température des fumées (article Conception et calcul des
chaudières : foyer et circulation [B 1 461]).
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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES
Figure 3 – Évolution de la température des fumées et des fluides chauffés le long du parcours dans la chaudière au fuel de 300 MW :
diagramme correspondant à l’allure nominale
Cet ensemble de résultats, associé au choix d’un mode de réglage
et de la définition de nombre d’échangeurs par fonction, permet de
répartir entre chacun d’eux la puissance que l’on désire leur voir
réaliser. Cette recherche doit être effectuée successivement à pleine
allure, puis à des puissances partielles, pour ensuite placer les
échangeurs sur le parcours des fumées dans l’ordre que l’on estime
a priori le plus convenable.
De cette répartition des puissances désirées pour chacun d’eux
résulte, par bilan, la détermination des puissances à transmettre par
les fumées et, par suite, l’évolution des températures de celles-ci le
long du parcours.
1.5 Calcul des échangeurs
Enfin :
— le calcul des échanges à différentes allures, en particulier à
celles pour lesquelles il y a une garantie de tenue de température
de la vapeur produite ;
— le calcul des injections et la détermination des paramètres de
réglage tels que recyclage, inclinaison des brûleurs, etc. ;
— l’évaluation de la température du fluide chauffé dans son
parcours à l’intérieur du tube ;
— la sélection des métaux (§ 1.7.4).
Étant donné la complexité du calcul des échanges thermiques, on
est pratiquement obligé, avant d’aborder ce calcul, de se fixer a priori
le diamètre extérieur des tubes et leur disposition géométrique (pas
transversal, longitudinal, § 1.6).
1.5.1 Objet du calcul
1.5.2 Méthode de calcul
C’est en premier lieu :
— la détermination de la surface de l’échangeur ;
— la détermination des données de construction : pas transversal
et longitudinal, diamètre des tubes à utiliser (éventuellement
détermination de la surface ailetée), encombrement de l’échangeur.
La détermination :
— des coefficients d’échange par convection : de mode transversal (externe côté fumées) ou de mode longitudinal (interne côté
fluide chauffé) ;
— du coefficient de rayonnement ;
— de la conduction dans le métal ;
— du coefficient d’échange global résultant ;
— de la différence de température moyenne logarithmique
(DTML) ;
— des pertes de charge créées par les frottements externes (côté
fumées) et internes (côté fluide chauffé) ;
n’est pas détaillée ici, car non spécifique de l’article. Le lecteur se
reportera utilement l’article Échangeurs de chaleur [B 2 345] dans
ce traité.
Ensuite :
— la distribution du fluide chauffé dans l’échangeur : nombre de
tubes en parallèle par élément ;
— les pertes de charge à pleine allure côté fluide chauffé ;
— la vitesse et les pertes de charge côté fumées ;
— la vérification des critères acoustiques et vibratoires.
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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES _______________________________________________________________
Figure 5 – Réglage de la resurchauffe dans le cas
d’une chaudière tour à charbon et à pression glissante
Figure 4 – Réglage de la resurchauffe dans le cas d’une chaudière
au fuel ou au gaz à pression fixe
À partir de ces données, on peut obtenir successivement :
— la surface totale de l’échangeur nécessaire pour réaliser le
bilan individuel désiré ;
— le nombre d’éléments et de circuits à mettre en parallèle aussi
bien du côté fumées que du côté fluide chauffé ;
et vérifier que le diamètre des tubes initialement retenu est
compatible avec les pertes de charge autorisées.
Cependant, pour les applications pratiques et leur adaptation aux
échangeurs de chaudière, il est bon de rappeler quelques
particularités :
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— la valeur prise par le coefficient de rayonnement dans les
espaces entre tubes est importante dans les zones à haute température, où précisément les tubes sont écartés ; elle est souvent du
même ordre de grandeur que celle du coefficient de convection ;
— en première approximation, s’il ne s’agit pas d’évaluer la
température du métal, on peut négliger l’effet du coefficient
d’échange interne, toujours très élevé, donc sans grande influence
sur le coefficient d’échange global ;
— la simplification apportée par l’utilisation du DTML cache
l’hypothèse d’une capacité thermique massique constante pour
gaz et fluide chauffé, hypothèse valable pour les fumées et erronée
pour de la vapeur au voisinage du point de saturation ou du point
critique ; pour y remédier, il est parfois utile de fractionner (pour le
calcul uniquement) un surchauffeur basse température en deux ou
trois parties ;
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— chaque constructeur applique des coefficients réducteurs
empiriques à chaque échangeur pour tenir compte d’effets parasites.
Le principal d’entre eux est l’encrassement par dépôt de produits
cendreux sur la face externe des tubes, sous forme adhérente dans
les zones à haute température, mais aussi sous forme d’amas de
cendres fines directement sur des tubes horizontaux, avec le risque
de bouchage du passage des gaz. Ces dépôts ne doivent pas être
négligés dans le cas de certains fuels surtout sur des tubes munis
d’ailettes circulaires ;
— la distribution des vitesses et débits de fumées n’est pas
homogène :
• en amont et en aval d’un changement de direction du trajet
des fumées,
• dans le cas où une certaine partie de l’échangeur ne remplit pas
tout l’espace disponible (boucle réduite par rapport aux voisines),
• si l’échangeur est constitué de tubes multiples dans un même
plan ; la perméabilité aux gaz n’est pas la même aux environs des
parois que dans le centre de l’échangeur,
• au voisinage d’une dérivation des circuits de fumées (carneaux
parallèles, prises de recyclage).
1.6 Conception des échangeurs.
Éléments de construction
Les échangeurs sont constitués d’une multitude de tubes
regroupés (figure 6) :
— en panneaux ou éléments, qui sont dans un même plan,
parallèles au sens de parcours des fumées et équidistants entre
eux du pas transversal ST ;
— dans un même élément, les tubes sont perpendiculaires au
trajet des fumées, distants entre eux du pas longitudinal SL, plus
ou moins nombreux, alimentés en parallèle par le même collecteur
d’entrée et débitant dans le même collecteur de sortie.
La conception résulte de la prise en considération de nombreux
facteurs auxquels, suivant les cas, il faut accorder plus ou moins
d’importance.
CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES
■ Pour tous les combustibles, ce sont :
— la prise en compte du supportage des éléments qui, au-delà
de 600 oC de température de fumées, n’est concevable qu’à l’aide
de tubes parcourus par un fluide de refroidissement, eau ou le plus
souvent vapeur.
Dans les chaudières de puissance plus réduite, dont les carneaux
ne sont pas trop profonds, le supportage peut être fait directement
par les parois refroidies ; au-delà de 3 ou 4 m de profondeur, il
devient nécessaire de disposer de tubes de suspension intermédiaires, à moins que l’échangeur ne s’autosupporte, en étant
constitué de tubes verticaux (figure 7a ) :
— la prise en compte de phénomènes vibratoires, qui résultent
souvent de la synchronisation de tourbillons de Karman avec la
fréquence acoustique des cavités, peut imposer le choix d’un pas
longitudinal plus faible ;
— le pas transversal est choisi de façon à maintenir une vitesse
de gaz optimale, maximale compatible avec l’érosion, en
compensant la diminution de volume des gaz refroidis par un
resserrement des tubes (figure 8) ; cependant, il faut une certaine
harmonie entre les pas des échangeurs superposés, pour assurer
leur supportage par les tubes de suspension.
Ces considérations interviennent pour le choix des pas longitudinaux et transversaux :
— le choix du diamètre extérieur du tube, qui peut être un a priori
ou une conséquence selon les cas :
• pour les très hautes pressions, on a intérêt à choisir un petit
diamètre, ce qui permet un gain d’épaisseur, plus de compacité
d’échangeur, une température de métal plus proche de celle du fluide
interne, un supportage plus serré puisque les portées admissibles
sont réduites, mais conduit à des longueurs plus importantes à
mettre en œuvre et à une vitesse massique plus élevée dans chaque
tube, ce qui peut être évité par la multiplication de tubes en parallèle
côté fluide chauffé,
• pour les faibles pressions, tubes de resurchauffeur par
exemple, c’est plutôt le diamètre le plus élevé, compatible avec
l’épaisseur minimale technologique nécessaire pour le soudage, qui
sera retenu,
• par ailleurs, on n’a pas intérêt, pour des questions d’approvisionnement et de facilité de mise en œuvre, à trop diversifier les
diamètres.
Figure 6 – Vue cavalière d’un échangeur
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Figure 7 – Supportage des éléments
suivant que l’échangeur est vertical
ou horizontal
■ Pour le cas particulier des combustibles solides, ce sont :
— la quantité de cendres ;
— la température de fusibilité ;
1.7 Calcul de la température du tube
et sélection du métal
qui interviennent sur :
— le pas transversal des éléments et même la section des
carneaux (vitesse de fumées limitée pour réduire les effets de
l’érosion) ;
— le pas longitudinal des tubes (tubes jointifs pour diminuer
dans les zones à haute température les dépôts de cendres collantes
et faciliter leur enlèvement par ramonage) ;
— la disposition générale des échangeurs et leur étagement :
pour permettre aux fragments de dépôts détachés par le ramonage
de descendre à travers les autres échangeurs, il est logique de
placer les grands pas transversaux en bas, d’où la conception des
chaudières tour à circuit de fumées ascendant (figure 9).
Une fois le diamètre choisi, c’est l’évaluation de la perte de charge
de l’échangeur côté fluide chauffé qui va déterminer le nombre de
circuits à installer en parallèle dans un même élément.
La température du métal d’un tube d’échangeur dépend :
— de celle du fluide intérieur ;
— de la conductivité du métal et de son épaisseur ;
— du coefficient de transmission interne ;
— du flux de chaleur reçu sous forme de rayonnement et de
convection.
L’ensemble de ces paramètres permet, mieux que la prise en
compte de la température extérieure des fumées, d’estimer la
température locale maximale à laquelle le métal devra résister, tout
en étant soumis aux contraintes dues à la pression du fluide qui
circule à l’intérieur.
La figure 10 illustre bien le résultat de ce calcul sur un tube du
SHT à pleine allure.
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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES
élevé (rayonnement, écart de température), ce qui conduit souvent
à une température de métal trop élevée pour correspondre à une
valeur économiquement admissible. On est contraint alors à une
disposition antiméthodique (circulation parallèle), tout au moins
pour la zone de sortie de l’échangeur (boucle retournée, figure 10).
En ce qui concerne la température du fluide chauffé, il faut
distinguer entre :
— la température moyenne calculée pour satisfaire l’échange ;
— la température majorée de toutes les marges destinées à
couvrir les disparités telles que :
• les écarts de la distribution du fluide chauffé entre les tubes
(résultant de la perte de charge et des pressions dynamiques au raccordement sur les collecteurs),
• les écarts sur l’estimation des échanges dus soit à une
mauvaise évaluation des coefficients d’échange, du rayonnement
reçu ou des encrassements, soit à une disparité de distribution des
fumées entre une partie ou l’autre de l’échangeur,
• les écarts dus à l’influence des autres échangeurs.
Certains codes de calculs imposent, pour couvrir l’ensemble de
ces risques, une seule marge minimale appliquée à la température
moyenne : pour le code français, 35 oC dans la zone chauffée par
convection, 50 oC dans celle exposée au rayonnement direct du
foyer.
1.7.2 Écart de température entre fluide et métal
Figure 8 – Espacement des panneaux d’échangeur
Compte tenu des coefficients de transmission interne et externe
et de la paroi du tube, le profil des températures dans un tube
parcouru par un fluide et chauffé extérieurement a l’allure donnée
sur la figure 11.
Il faut remarquer que l’élévation de température (T 2 – T 1 ) dans
l’épaisseur même de la paroi est relativement faible par rapport à
l’élévation de température entre fluide et paroi interne (T 1 – T 0 ),
écart directement lié à la quantité de chaleur absorbée et inversement proportionnel au coefficient de transmission interne.
1.7.3 Exemple de profil de température métal
à mi-épaisseur
Pour le premier tube d’un échangeur à panneaux (figure 8) soumis
au rayonnement externe, le diagramme de la figure 12 met en
évidence l’importance de la connaissance de la distribution des flux
absorbés et surtout celle du maximum local ; la position M de la
génératrice la plus sollicitée varie suivant la situation du tube dans
l’échangeur : en avant, face à un rayonnement direct du foyer
(figure 12), en avant ou en arrière, en regard d’une cavité ou en avant
pour les échanges par convection.
1.7.4 Contraintes
1.7.4.1 Contrainte limite admissible S
Figure 9 – Disposition générale des échangeurs et leur étagement
1.7.1 Effet de la température du fluide chauffé
Cette température s’accroît depuis l’entrée jusqu’à la sortie de
l’échangeur. La recherche du minimum de surface conduisant à
choisir une disposition méthodique (contre-courant), la plus haute
température du fluide chauffé se trouve dans la zone de la plus haute
température de fumées, celle où se trouve en général le flux le plus
Elle dépend :
— de la nature du métal, c’est-à-dire de ses caractéristiques
mécaniques ;
— du mode de déformation du métal sous l’effet des contraintes
et de la température ; on distingue en effet :
• une région basse température où la contrainte maximale
admissible est définie par rapport à la rupture R 20 ,
• une région moyenne température où la valeur limite est fixée
par rapport à la limite élastique R p 0,2 ,
• une région haute température où la contrainte limite est une
fraction de la rupture par fluage en 105 h, σ 5 .
R10
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B 1 462 − 9
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Figure 10 – Sélection des métaux pour l’échangeur SHT à pleine allure avec l’évolution de leur température le long du trajet pour le tube 1
1.7.4.2 Contrainte à laquelle est soumis le tube
Les codes de calcul des matériels sous pression ne prennent en
compte que la contrainte radiale due à la pression interne, nettement
plus importante que la contrainte longitudinale et celle de flexion
due au poids ; ils imposent une formule de calcul de l’épaisseur minimale du tube e telle que :
PD
e = ----------------------2SE + P
avec D diamètre extérieur du tube,
E coefficient de déforcement de soudure (en général, égal à 1
compte tenu des contrôles radiographiques couramment
effectués),
P pression de calcul,
S contrainte limite admissible.
L’ASME (code américain) module sa formule en incorporant un
facteur y compris entre 0,4 et 0,7 suivant la température et adopte :
PD
e = --------------------------------2 ( SE + Py )
Le tableau 1 résume les grandeurs nécessaires à prendre en
compte pour l’établissement de cette épaisseur e pour différents
codes français et étrangers.
1.7.4.3 Sélection du métal
Le tableau 1 ainsi que les figures 13 et 14 permettent de choisir,
suivant l’un ou l’autre des codes en fonction de la contrainte
appliquée et de la température calculée à mi-épaisseur, soit l’épaisseur minimale du tube pour un métal donné (après prise en compte
des tolérances de fabrication de celui-ci), soit la nature du métal à
adopter pour une épaisseur prédéterminée.
La figure 10
échangeur SHT.
représente
le
résultat
d’application
sur
un
(0)
B 1 462 − 10
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Tableau 1 – Détermination, en fonction du code de calcul choisi, de l’épaisseur minimale du tube
pour la sélection du métal du tube
Code de calcul
AFNOR NF E 32-103
ASME Section I
ISO R 831
TRD (allemand)
R 20
---------4
R 20
---------2,7
R 20
---------2,4
R p0,2
--------------1,5
R p0,2
--------------1,5
R p0,2
--------------1,6
R p0,2
--------------1,5
σ
5
R10
--------------1,5
σ
5
R10
--------------1,5
σ
5
R10
--------------1,6
σ R2 × 10 5 mini
R 20
R 20
ou ---------------------2,85
2,5
(tubes) (collecteurs)
Contrainte admissible,
la plus petite parmi :
Domaine élastique : timbre
Fluage : pression réelle
de fonctionnement
Pression de calcul
PD
e = ----------------------2SE + P
Formule de calcul
timbre
PD
e = ---------------------------------2 ( SE + Py )
σ
5
R10
ou ---------------1,5
pression maximale prévisible en service
PD
e = -----------------------2 SE + P
PD
e = ----------------------2SE + P
y variant de 0,4 à 0,7
R 20
Rp0,2
σ
R10
5
résistance à la rupture minimale à 20 oC,
limite élastique minimale à la température de calcul à 0,2 %,
d’allongement rémanent,
contrainte moyenne de rupture par fluage en 100 000 h à la
température de calcul,
D
E
e
P
S
diamètre extérieur,
coefficient de déforcement,
épaisseur minimale nécessaire,
pression de calcul,
contrainte admissible.
Figure 11 – Écart de température entre fluide et métal
1.8 Protections
Il n’est généralement pas prévu de surépaisseur pour limiter les
effets de la corrosion et de l’érosion.
La corrosion interne n’est pas à craindre dans les tubes du foyer,
vu le traitement de l’eau d’alimentation indispensable pour éviter
les dépôts d’oxydes, de même que dans les surchauffeurs en raison
de la présence de vapeur sèche.
La corrosion externe à haute température est à redouter pour tout
combustible, solide ou liquide, dont les cendres contiennent du
soufre et du sodium. Cette corrosion (courbe de Kessler), pour une
teneur en S et Na déterminée, dépend à la fois de la température
du métal et de la température des fumées (figure 15) ; la meilleure
précaution pour en limiter les effets est de se placer en dehors de
la zone active, pour tous les points de l’échangeur, ce qui est plus
facilement obtenu avec un appareil antiméthodique (circulation
parallèle).
Figure 12 – Profil de la température du métal à mi-épaisseur
pour le premier tube d’un échangeur à panneaux
soumis au rayonnement externe
La corrosion externe à basse température est à craindre pour un
métal au-dessous du point de rosée, c’est-à-dire pour les économiseurs basse température réalisés généralement en tubes
manchonnés de fonte et les réchauffeurs d’air que l’on protège par
remontée de la température grâce au préchauffage de l’air.
La meilleure précaution contre l’érosion est la limitation de la
vitesse des fumées, en fonction de la nature et de la teneur en cendres
du combustible, la silice étant l’élément le plus redouté.
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Figure 13 – Exemples de courbes de contraintes admissibles
pour trois aciers différents pour tubes (code américain)
Figure 14 – Exemples de courbes
de contraintes admissibles suivant le code
français pour différents aciers pour tubes
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Figure 15 – Courbe de Kessler
Figure 16 – Schéma du circuit air/fumées
2. Circuits air/fumées
2.1 Nature des circuits
L’air atmosphérique, utilisé pour la combustion dans le foyer, a
l’inconvénient de ne contenir que 20 % d’oxygène et d’obliger à véhiculer comme ballast dans le système quatre fois plus d’azote que
l’oxygène dont on a besoin pour la combustion. En outre, cet air
atmosphérique contient de la vapeur d’eau.
La chaleur contenue dans les fumées produites par la combustion
est partiellement captée dans le foyer par les tubes des écrans et,
en aval du foyer, dans des échangeurs dont les fonctions peuvent
être diverses : surchauffeurs, resurchauffeurs ou vaporisateurs et
économiseurs (figure 16).
— Lorsque l’eau d’alimentation est à une température suffisamment basse (105 à 130 oC, ce qui est le cas des chaudières industrielles), l’échangeur situé le plus en aval peut être l’économiseur
et les fumées peuvent sortir entre 130 et 160 oC avec un rendement
convenable.
— Dans le cas des centrales thermiques où l’eau d’alimentation
est fournie à une température relativement élevée (240 à 270 oC),
en raison de l’utilisation des soutirages dont le rôle est d’améliorer
le rendement du cycle de la turbine, il devient nécessaire de continuer
à épuiser la chaleur des fumées en se servant alors de l’autre source
froide disponible que constitue l’air atmosphérique. C’est la justification de l’insertion d’un réchauffeur d’air (RA).
L’air chaud sortant du réchauffeur d’air a aussi un effet bénéfique
sur la qualité de la combustion, effet dépendant toutefois de la nature
du combustible. Il serait inutile de réchauffer l’air pour du gaz naturel
ou du fuel oil léger ; il est intéressant de le réchauffer pour un fuel
lourd et indispensable de le faire avec du charbon. La température
de l’air dans ce cas doit être d’autant plus élevée que le charbon
possède moins de matières volatiles. En outre, l’air chaud participe
au séchage du charbon associé au broyage (combustion pulvérisée).
Pour la combustion sur grille, la température de l’air doit être inférieure à 150-180 o C pour éviter un échauffement excessif des
barreaux.
— L’objectif d’un bon rendement conduit à rechercher des basses
températures de fumées à la cheminée (130 à 160 oC) et entraîne
une extension de la surface des réchauffeurs d’air et une augmentation de leur prix ; il y a lieu de définir le rendement choisi en fonction
de critères économiques. Par ailleurs, la recherche de basses
températures met en danger de corrosion les zones froides des
réchauffeurs (ou de l’économiseur lorsqu’il n’y a pas de réchauffeurs
d’air) et oblige à prendre certaines précautions, en particulier à préchauffer l’air ou plus rarement l’eau, de sorte que les zones les plus
froides du métal soient à une température supérieure à celle du point
de rosée des fumées.
Le préchauffeur d’air (PRA) est en général alimenté en vapeur de
soutirage basse pression et la température de l’air qui en sort est
alors modulée pour que la somme (température de l’air à l’entrée
du réchauffeur d’air + température des fumées à la sortie du réchauffeur d’air) soit constante – la demi-somme de ces deux températures
représente assez bien la température du métal du réchauffeur d’air
dans sa zone la plus froide – avec une précaution supplémentaire
qui impose de ne jamais descendre au-dessous d’une certaine température de fumées, 150 o C environ (protection des gaines,
dépoussiéreurs et cheminées situés en aval).
Les principaux éléments constitutifs des circuits d’air et de fumées
sont les suivants (figure 16).
■ L’air réchauffé est envoyé au foyer soit en circuit unique (fuel et
gaz) et réparti sur chaque brûleur, soit en circuit divisé dans le cas
du charbon pulvérisé, une partie de l’air servant à transporter le
combustible (air primaire).
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B 1 462 − 13
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Le broyage et le séchage du charbon peuvent introduire, en fonction de l’humidité du combustible et de sa teneur en matières volatiles, des complications importantes de ces circuits d’air primaire en
raison de la pression d’air et parfois de la température d’air plus
élevée demandées. On se trouve alors en présence d’un circuit d’air
primaire spécial, avec son propre ventilateur et des portions de
réchauffeur d’air spécifiques (article Équipements de combustion
pour combustibles solides. Combustion en suspension [B 117,6],
dans ce traité).
La configuration des circuits d’air et de fumées se complique dès
que l’on dédouble les réchauffeurs et les ventilateurs soit pour des
raisons de taille, soit pour assurer une certaine sécurité de marche,
un demi-circuit permettant d’obtenir 60 % de l’allure maximale
continue.
La division en deux circuits parallèles introduit alors des bretelles
d’équilibrage ou de transfert, en amont et en aval des réchauffeurs
d’air, avec des registres d’isolement dont la conception doit être
particulièrement étudiée et soignée (étanchéité, absence de blocage
en position intermédiaire).
Par suite de la relative faiblesse à la fois des coefficients d’échange
et des écarts de température, les surfaces nécessaires sont très
importantes et les tonnages de matériaux à mettre en œuvre sont
très élevés.
Les solutions classiques sont :
— les échangeurs tubulaires (figure 17) généralement divisés en
secteur chaud et secteur froid (plus ou moins martyr – conçu pour
permettre le remplacement des tubes corrodés) ;
— les échangeurs à plaque, généralement en fonte.
2.2.2 Échangeurs du type régénératif
Ces échangeurs sont caractérisés par le passage sur un empilage
de tôles minces ou d’éléments en céramique de fumées à refroidir
et d’air à réchauffer en alternance régulière ; l’ensemble peut être
comparé à une éponge de chaleur avec une première phase de stockage de la chaleur des fumées dans les tôles, suivie d’une restitution
à l’air en deuxième phase.
■ L’air et les fumées sont généralement mis en mouvement par des
ventilateurs
L’économie de la puissance des auxiliaires voudrait que toute
l’énergie soit obtenue uniquement par le ventilateur de soufflage ;
dans ce cas, l’ensemble des circuits d’air et de fumées est sous pression depuis l’aval du ventilateur jusqu’à la cheminée ; cette solution
s’est révélée d’une pratique difficile, surtout pour le charbon en
raison des dommages engendrés par la moindre fuite dans un
casing, pour la partie en aval du foyer (agrandissement de l’orifice
par érosion, envoi de cendres à l’extérieur, jets de gaz chauds, etc.),
et aussi du fait de la complication apportée aux appareils d’extraction
des cendres.
C’est pourquoi on revient à une solution dite de foyer équilibré,
c’est-à-dire à quelques millibars au-dessous de la pression atmosphérique, tout le circuit de fumées étant alors mis en dépression
grâce à un ventilateur de tirage (le tirage naturel de la cheminée ne
suffisant pas).
■ Le circuit de recyclage des fumées est courant sur les chaudières
de forte puissance au fuel et au gaz, plus rare sur les chaudières à
charbon (en raison des érosions de ventilateurs par les cendres) ; le
recyclage contribue à la modulation de la température des fumées
(§ 1.2.2) en vue du réglage de la resurchauffe.
Sur le circuit des fumées, on trouve aussi (non figurés sur le
schéma de la figure 16), en aval du réchauffeur d’air : un
dépoussiéreur et éventuellement une installation de traitement des
fumées pour captage des polluants tels qu’oxydes de soufre ou
d’azote.
2.2 Réchauffeurs d’air
On distingue trois grandes catégories : les échangeurs à surface,
ceux de type génératif eux-mêmes divisés en appareils à empilage
fixe ou à gaines fixes. Le lecteur se reportera utilement à l’article
spécialisé Échangeurs de chaleur [B 2 345] dans ce traité.
2.2.1 Échangeurs à surface
Il n’y a pas de contact direct entre l’air et les fumées et toujours
interposition d’une surface paroi constituée de tubes en acier, fonte,
verre, etc. ou de tôles.
L’air y est toujours à une pression supérieure à celle des fumées,
mais sans que cette différence de pression n’entraîne de problèmes
pour la construction ; l’air ou les fumées, suivant les conceptions,
sont indifféremment à l’intérieur ou à l’extérieur des tubes.
B 1 462 − 14
Figure 17 – Exemple de réchauffeur d’air tubulaire
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On distingue deux types (figure 18) suivant que l’ensemble des
tôles empilées est fixe ou mobile :
— le type à empilage fixe comporte de part et d’autre d’un stator
des portions de gaines tournantes, compartimentées, reliées aux
circuits d’air et de fumées ;
— le type à gaines fixes a un rotor constitué d’empilage de tôles,
tournant suivant un axe vertical ou horizontal ; cette lourde masse
tourne lentement (1 à 3 tr/min). Les appareils de grande dimension
sont de préférence à axe vertical, à cause du risque de déséquilibre
et de balourd.
Les échangeurs de type régénératif ont pour eux un avantage de
prix et d’encombrement ; leur inconvénient réside dans les interfaces
air/fumées avec des joints dont l’étanchéité est difficile à ajuster
(encrassement, usure et dilatations) d’où une introduction permanente d’air dans les fumées. Il s’y ajoute celle due au transfert d’un
compartiment à l’autre au cours de la rotation. Cette introduction
d’air est de l’ordre de 5 % pour les grands appareils et peut atteindre
10 % pour les autres.
CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES
2.3 Pertes de charge. Vitesses d’air
et de fumées. Marges sur débit
et pressions
Côté air, la principale perte de charge est celle introduite par le
réchauffeur d’air, à laquelle s’ajoute la dynamique aux brûleurs avec,
en plus, sur le circuit d’air primaire dans le cas du charbon la perte
de charge du circuit de broyage.
La vitesse de l’air dans les gaines est de l’ordre de 15 à 25 m /s,
celle au brûleur dépend du combustible et du modèle choisi.
Côté fumées, les pertes de charge vont en croissant de l’amont
vers l’aval. À l’intérieur de la chaudière, les vitesses de fumées
sont importantes (25 m /s ou plus) pour le gaz ou le fuel mais
limitées en raison du risque d’érosion par les cendres dans le cas
des combustibles solides.
Côté recyclage, les pertes de charge sont celles du circuit principal des échangeurs majorées de celles des gaines d’aspiration/
refoulement et de la dynamique d’introduction dans le foyer.
Figure 18 – Réchauffeurs d’air du type régénératif à empilage mobile ou fixe
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B 1 462 − 15
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Pour la détermination des ventilateurs, il faut tenir compte de
marges à prendre sur le débit et les pressions.
2.4 Ventilateurs
Sur le débit, en raison :
— du risque d’erreur dans l’évaluation de la teneur en oxygène
du combustible ;
— de la répartition de l’air aux brûleurs ;
— de l’excès d’air ;
— de la fuite au réchauffeur d’air ;
— de la perte de rendement ;
— et pour le débit-volume à passer dans les ventilateurs de
soufflage et de tirage, des températures plus élevées que celles
prévues (ou contractuelles) ou de la baisse de la pression atmosphérique, en particulier celle due à l’altitude du lieu (environ 1,2 %
par 100 m).
À ces marges, indispensables pour le ventilateur de soufflage,
s’ajoute, pour le débit de fumées et le ventilateur de tirage, celles
dues au risque d’augmentation du ballast des fumées (erreur
d’analyse de combustible, teneur en eau accrue, etc.).
Sur les pressions, en raison :
— de l’accroissement des pertes de charge par suite des marges
sur le débit ;
— d’une provision pour l’augmentation de la vitesse de l’air et
de la dynamique aux brûleurs ;
— de l’accroissement des encrassements et des obstructions
côté fumées.
Ce problème de fixation des marges est très important à la fois :
— pour le fournisseur, car ce sont en premier lieu les ventilateurs,
trop justes en débit et pression, qui peuvent limiter la puissance de
la chaudière ;
— pour le client, qui désire que son matériel puisse faire face à
des conditions parfois hors de la normale.
Il est fréquent que ces marges soient déterminées et imposées
par le client lui-même (EDF, Houillères) ou par les ingénieurs
consultants.
Sans entrer dans des caractéristiques déjà étudiées par ailleurs
(article Ventilateurs. Compresseurs. Notions fondamentales.
Dimensionnement [BM 4 500] dans ce traité), il est utile de rappeler :
— que les ventilateurs sur des fumées chargées en poussières
doivent tourner plus lentement et être munis d’aubages de
conception particulière (de préférence, centrifuge, aubages
renforcés, matériaux sélectionnés) ;
— qu’une augmentation de 10 % du débit entraîne une augmentation de perte de charge de 20 % et, par suite, une augmentation de
puissance de 30 % ;
— qu’à cause des marges prises sur les débit et pression le
ventilateur pour l’allure normale fonctionne loin de son point de
dimensionnement, donc dans une zone de mauvais rendement ;
— que la modulation de débit est en général obtenue par un
système d’aubages mobiles à l’aspiration et rarement par variation
de vitesse ;
— que le débit minimal (ventelles fermées) d’un ventilateur muni
d’aubages à l’aspiration est d’environ 25 % de son débit maximal.
B 1 462 − 16
2.5 Problèmes liés aux circuits
d’air et de fumées
Ces problèmes ont été abordés à propos des échangeurs (§ 1) et
sont rappelés ci-après ; ce sont :
— l’érosion due aux cendres ;
— les dépôts en tout genre : cendres, imbrûlés, suies et oléums ;
— pour les combustibles liquides sulfureux, la corrosion,
principalement à basse température, à la fois dans la zone de l’économiseur, du réchauffeur d’air et des gaines de fumées, surtout en
période de démarrage ;
— enfin, les vibrations :
• synchronisme entre les tourbillons de Karman en aval des
tubes d’échangeur et la fréquence propre des cavités,
• résonance entre la fréquence propre de la gaine et celle des
aubes de ventilateur devant l’orifice du refoulement.
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© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
Conception et calcul des chaudières
par
E
N
Jean PARISOT
Ingénieur de l’École Centrale des Arts et Manufactures
Ingénieur-conseil, Thermicien
Ancien Chef de service Calcul/Conception de Stein Industrie
Bibliographie
Ouvrages généreux
Aide-mémoire du thermicien A3 E2Th. Éd.
Européennes Thermique et Industrie (1987).
IDEL’CIK (I.E.). – Mémento des pertes de charge. Éd.
Eyrolles (Paris).
FALTIN (H.). – Technische Wärmelehre. Acad.
Verlag (Berlin).
LOISON (R.). – Chauffage industriel et utilisation
des combustibles. Tome 1, éd. J. et R. Sennac
(Paris) (1956).
ROSENHOW (W.M.) et HARTNETT (J.P.). – Handbook of heat transfer. Éd. McGraw-Hill.
SCHMIDT (T.) et GRIGULL (U.). – Properties of water
and steam in SI units 0-800 oC, 0-1 000 bar. 2e éd.,
190 p., éd. Springer-Verlag (Berlin) (1979).
Wärme Atlas. 5e éd. (diff. Lavoisier) (1988).
Doc. B 1 464
11 - 1993
Bilans
BAILLY (M.). – Thermodynamique technique. 1)
Chaleur, principes, gaz et vapeur. 2a) Production
et transferts de la chaleur, écoulements. 2b)
Machines thermiques et frigorifiques, tables
numériques. 3) Compléments et problèmes.
4 vol., 565 + 464 + 571 + 766 p., éd. Bordas
(Paris) (1979).
CARNOT (N.L.S.), CLAYPERON (E.) et CLAUSIUS
(R.). – Reflections on the motive power of fire
and other papers on the second law of thermodynamics. Éd. Dover Pubs (1962).
CHAMBADAL (P.). – La thermodynamique. 116 p.,
éd. Eyrolles (Paris) (1974).
DE SOETE (G.) et al. – Aspects physiques et
chimiques de la combustion. 166 p., éd. Technip
(Paris) (1976).
GOSSE (J.). – Guide technique de thermique.
245 p., éd. Dunod (Paris) (1981).
JOHNSON (A.J.) et AUTH (G.H.). – Fuels and
combustion handbook. McGraw-Hill (New York)
(1951).
KELLER (A.). – Evaluation of steam-power-plant
losses by means of the entropy-balance
diagram. Transactions of the ASME, 72,
p. 949-953, oct. 1950.
KLING (R.). – Thermodynamique générale et applications. 492 p., éd. Technip (Paris) (1980).
KREISINGER (H.). – High and net heat values of fuel.
Combustion, 2 (2), p. 25-26 et 47, août 1930.
KREITH (F.). – Transmission de la chaleur et thermodynamique. 654 p., 1re éd., Masson (Paris)
(1967).
MONNOT (G.) et al. – La combustion dans les fours
et les chaudières. Éd. Technip (Paris) (1978).
Coals Facts. National coal association
(Washington) (1979).
NUBER (F.) et NUBER (K.). – Calcul thermique des
chaudières. 384 p., éd. Dunod (Paris) (1972).
POLLOCK (W.H.), GOETZ (G.J.) et PARK (E.D.). –
Advancing the art of boiler design by combining
operating experience and advanced coal evaluation techniques. American Power Conference,
Chicago (Illinois),18-20 avril 1983.
RANKINE (J.M.). – A manual of the steam engine
and other prime movers. Griffin and Co.
(Londres) (1908).
SPALDING (D.B.). – Combustion and mass transfer.
416 p., éd. Pergamon Press (Oxford) (1979).
Van TIGGELIN et al. – Oxydations et combustion.
2 vol., + 488 p., éd. Technip (Paris) (1968).
Foyer
ADIUTORI (E.P.). – The new heat transfer. 1) New
concepts. 2) Research and developments. 3)
Equipments design and analysis. Éd. Ventuno
Press (Cincinnati), 3 vol., 228 + 334 + 259 p.
(1974, 1975, 1976).
BUETERS (K.A.). – Combustion products emissivity
by FE operator. Combustion, 45 (9), p. 12-18,
mars 1974.
BUETERS (K.A.), COGOLI (J.G.) et HABELT (W.W.).
– Performance prediction of tangentially fired
utility furnaces by computer mode. Fifteenth
Symposium (International) on Combustion,
Tokyo, 25-31, p. 1245-1260 et Pittsburgh, août
1974 ; The combustion Institute (1974).
BOLTZMANN (L.). – Deducton of Stefan’s formula
for radiation from Maxwell’s electromagnetic
theory of light. Annalen der Physik und der
Physikalischen Chemie, 22, p. 291-294 (1884).
COREY (A.C.), GRABOWSKI (H.A.) et CROSS (B.J.).
– External corrosion of furnace-wall tubes-III.
Further data on sulfate deposits and the significance of iron sulfide deposits. Transactions of
the ASME, 71, p. 951-963, nov. 1949.
DELHAYE (J.-M.). – Transferts de chaleur associés à
l’ébullition ou à la condensation des corps purs
s u r d e s p a r o i s . A 1 5 6 0 , Te c h n i q u e s d e
l’Ingénieur, traité Génie énergétique, août 1990.
GOSSE (J.). – Rayonnement thermique. 156 p., éd.
Scientifiques Riber (Paris) (1975).
GOUFFE (A.). – Formules et données numériques
sur la transmission de la chaleur. Cahier 1.
Transmission de la chaleur par rayonnement.
139 p., éd. Eyrolles (Paris), 2e éd. (1978).
GRAY (W.A.) et MULLER (R.). – Engineering calculations in radiative heat transfer (Calculs
d’ingénierie relatifs au transfert de chaleur par
rayonnement). 175 p., éd. Pergamon Press
(Oxford) (1974).
P
O
U
R
HOTTELL (H.C.) et SAROFIM (A.C.). – Radiative
Transfer. McGraw-Hill (New York) (1967).
HOWELL (J.R.) et PERLMUTTER (M.). – Monte-Carlo
solution of thermal transfer through radiant
media between gray walls. Transaction of the
ASME Journal of Heat Transfer, 86, p. 116-122,
fév. 1964 ; aussi dans : ASME Paper no.
63-AHGT-1 (1963).
KRZHIZHANOVSKII (R.E.) et al. – Influence of
particle size of ash on the structure and effective
thermal conductivity of loose deposits. Thermal
Engineering (translation of Teplo Energetika),
19 (10), p. 36-39 (1972).
MARSKELL (W.G.) et MILLER (J.M.). – Some
aspects of deposit formation in pilot-scale pulverized-fuel-fired installations. Journal of the
Institute of Fuel, 29 (188), p. 380-387, sept. 1956.
MOODY (A.H.) et LANGAN (D.D.Jr.). – Fusion
temperature of coal ash as related to composition. Combustion, 6 (8), p. 13-20, fév. 1935.
MULCAHY (M.F.) et al. – Fireside deposits and their
effect on heat transfer in a pulverized-fuel-fired
boiler, part I : The radiant emittance and
effective thermal conductance of the deposits.
Journal of the Institute of Fuel, 39 (308),
p. 385-394, sept. 1966.
MULLIKIN (H.F.). – Evaluation of effective radiant
heating surface and application of the
Stefan-Boltzmann law to heat absorption in
boiler furnaces. Transactions of the ASME, 57,
p. 517-529 (1935).
NUSSELT (W.). – Der Verbrennungsvorgang in der
Kohlenstaubfeuerung (The combustion process
in pulverized coal furnaces). VDI Zeitschrift, 68
(6), p. 124-128, 9 fév. 1924.
PLANCK (M.). – Theory of heat radiation. 2e éd.,
Dover Publications (New York) (1959).
ROSIN (P.). – Die thermodynamischen und wirtschaftlichen Grundlagen der Kolhenstaubfeuerung (Thermodynamic and economic bases of
pulverized coal firing). Braunkohle, 24 (11),
p. 241-259, 13 juin 1925.
SIEGEL (R.) et al. – Thermal radiation heat transfer
(Transfert de chaleur par radiation thermique).
2e éd., Hemisphere Publishing Company.
STEFAN (J.). – Über die Beziehung zwischen der
Wärmestrahlung und der Temperatur. Akademie
der Wissenschaft, Sitzungs Berichte, 79,
p. 391-428 (1879).
WOHLENBERG (W.J.) et MORROW (D.G.). – Radiation in the pulverized-fuel furnace. Transactions
of the ASME, 47, p. 127-176 (1925).
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
Doc. B 1 464 − 1
S
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V
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I
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N
S
A
V
O
I
R
P
L
U
S
CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES
_________________________________________________________________________________________________
Circulation
GIBLIN (R.). – Transmission de la chaleur par
convection naturelle. 230 p., Collection de l’ANRT,
3e recueil de la collection publié sous l’égide de
la SFT, éd. Eyrolles (Paris) (1974).
GRIMISON (E.D.). – Correlation and utilization of
new data on flow resistance and heat transfer for
cross flow of gases over tube banks. Transactions of the ASME, 59, p. 583-594 (1937).
HUGE (E.C.). – Experimental investigation of effects
of equipment size on convection heat transfer
and flow resistance in cross flow of gases over
tube banks. Transactions of the ASME, 59,
p. 573-581 (1937).
KAKAC (S.), BERGLES (A.E.) et MAYINGER (F.). –
Heat exchangers. Thermohydraulic fundamentals and design. 1 131 p., éd. McGraw-Hill (New
York) (1981).
KAMMERER (M.). – Les interactions des structures et
des écoulements et les contraintes thermiques.
3e Section Contraintes thermiques, 480 p., éd.
École Centrale des Arts et Manufactures (Paris)
(1970).
KERN (D.Q.). – Process heat transfer (Transmission
de la chaleur dans les processus industriels).
McGraw-Hill (New York), 871 p. (1950).
LAROZE (S.). – Résistance des matériaux et
structures. 3) Contraintes et déformations
d’origine thermique. 259 p., Masson (Paris)
(1979).
MARCHAL (R.). – Transmission de chaleur par
convection dans les tubes. 200 p., Collection de
l’ANRT, éd. Eyrolles (Paris) (1974).
BERGLES (A.E.) et al. – Two phase flow and heat
transfer in the power and process industries
(Écoulement et transfert de chaleur diphasiques
dans l’industrie et la production d’électricité).
707 p, éd. Hemisphere Publishing Corporation
(Washington) (1981).
DAVIS (R.F.). – Expansion theory of circulation in
water tube boilers. Engineering, 163, p. 145-148
(1947).
GABRIELLI (F.) et GRABOWSKI (H.A.). – Steam
purity at high pressure. ASME-IEEE-ASCE Joint
Power Generation Conference, Charlotte (NC),
8-10 oct. 1979.
GOODSTINE (S.L.). – Vaporous carryover of sodium
salts in high-pressure steam. Proceedings of the
American Power Conference, 36, p. 784-789,
(Chicago) Institute of Technology (1974).
GROENEVELD (D.C.) et SNOEK (C.W.). – A comprehensive examination of heat transfer correlations
suitable for reactor safety analysis (Examen
compréhensif des corrélations de tranfert de
chaleur adaptées à l’analyse de sûreté des
réacteurs nucléaires). Multiphase Science and
Technology 2.
GROENEVELD (D.C.), CHENG (S.C.), LEUNG (L.K.H.)
et NGUYEN (C.). – Computation of single – and
two – phase heat transfer rates suitable for
water-cooled tubes and subchannels (Calcul des
coefficients d’échange de chaleur pour les tubes
et sous-canaux refroidis par eau). Nuclear Engineering and Design, 114, p. 61-77, 2 tabl., 6 fig.,
bibl. (25 réf.), North-Holland (1989).
HEWITT (G.F.), DELHAYE (J.M.) et ZUBER (N.). –
Hemisphere Publishing Corporation Springer-Verlag, p. 181-274 (1986).
KATTO (Y.). – Critical heat flux (Flux de chaleur
critique). Advances in Heat Transfer, 17,
HARTNETT (J.P.) et IRVINE (T.F. Jr) éd., p. 1-64,
Academic Press (1985).
POWELL (E.M.) et GRABOWSKI (H.A.). – Drum
internals and high-pressure boiler design. ASME
paper no 54-A-242, (New York) American Society
of Mechanical Engineers (1954).
RAVESE (T.). – The application and development of
the turbo steam separator. Combustion, 26 (1),
p. 45-57, juil. 1954.
SILVER (R.S.). – A thermodynamic theory of circulation in water tube boilers. Proceedings of the
Institution of Mechanical Engineers, 153,
p. 261-281 (1945).
McADAMS (W.H.). – Heat transmission. 3e éd. (New
York) McGraw-Hill (1954).
MISSENARD (A.). – Conductivité thermique des
solides, liquides, gaz et de leurs mélanges.
576 p., éd. Eyrolles (Paris) (1965).
PHILLIPS (D.) et WAGONER (C.L.). – Use of differential
thermal analysis in exploring minimum temperature limits of oil ash corrosion. Corrosion, 17 (8),
p. 102-106, août 1961.
PIERSON (O.L.). – Experimental investigation of the
influence of tube arrangement on convection
heat transfer and flow resistance in cross flow of
gases over tube banks. Transactions of the
ASME, 59, p. 563-572 (1937).
RAHMEL (A.). – Influence of calcium and magnesium
sulfates on high temperature oxidation of austenitic chrome-nickel steels in the presence of alkali
sulfates and sulfur trioxides, Mechanism of
corrosion by fuel impurities. Proceedings of the
International Conference Held at the Marchwood
Engineering
Laboratories
(Marchwood-Hampshire), H.R. Johnson and D.J.
Littler éd., 20-24 mai 1963.
REESE (J.T.), JONAKIN (J.) et KOOPMAN (J.G.). –
How coal properties relate to corrosion of high
temperature boiler surfaces. Proceedings of the
American Power Conference, 23, p. 391-399
(1961).
Échangeurs. Circuits air/fumées
BONTEMPS (A.) et GOUBIER (C.) et al. – Échangeurs
de chaleur. Techniques de l’ingénieur, traité
Génie énergétique, B 2 340, fév. 1994 ; B 2 341,
mai 1995 ; B 2 342, août 1994 ; B 2 343,
fév. 1994 ; B 2 344, fév. 1995 ; B 2 345, août 1995.
FORTIER (A.). – Mécanique des fluides et transferts
de chaleur et de masse par convection. 237 p.
Éd. Masson (Paris) (1975).
ROHSENOW (W.M.), HARTNETT (J.P.) et GANIC
(E.N.). – Handbook of heat transfer fundamentals
(Manuel de base sur les transferts de chaleur).
McGraw-Hill Book Company (1985).
WATTS (G.W.) et BURROWS (W.R.). – The basic
elastic theory of vessel heads under internal
pressure. Transactions of the ASME Journal of
Applied Mechanics, 71, p. 55-73, mars 1949.
Comportement en régime variable.
Performances
BENEDICT (R.P.). – Fundamentals of temperature,
pressure and flow measurements (Principes de
mesures des températures, des pressions et des
débits). John Wiley and Sons. éd., (New York)
517 p. (1977).
BURBACH (H.E.), FOX (J.D.) et HAMILTON (T.B.). –
Steam generator design features for variable
load operation. Proceedings of the American
Power Conference, 41, p. 561-579 (Chicago),
IIIinois Institute of Technology (1979).
CHAUDRON. – Les hautes températures et leurs
applications en physique et en chimie. 2.
Mesures physiques à hautes températures. Éd.
Masson (Paris), 60 p. (1973).
FRUCHTMAN (I.) et al. – Cycling of supercritical power
plants in the US Joint ASME/IEEE Power Generation Conference, Miami Beach, 4-8 oct. 1987 ;
American Society of Mechanical Engineers Paper,
no. 87-JPGC-PWR-50 (New York) (1987).
GABRIELLI (F.) et al. – Contamination prevention of
superheaters and reheaters during initial startup
and operation. Proceedings of the American
Power Conference, 38, p. 296-310 (Chicago)
(1976) ; IIIinois Institute of Technology (1976).
HEBRARD (P.) et al. – Méthodes et moyens de
mesure de débit de gaz. Éd. Chiron (Paris), 199 p.
(1979).
KLEFENZ (G.). – La régulation dans les centrales
thermiques. Éd. Eyrolles (Paris) (1974).
LIVOIS (G. de). – Régulation des générateurs de
vapeur et des centrales thermiques. Bordas, éd.
(Paris), 194 p. (1979).
MALICET (R.). – Guide d’exploitation des
chaufferies. 2e édition, revue et complétee,
550 p., éd. Eyrolles (Paris) (1980).
Revues
Brennstoff Wärme Kraft (D) (m.).
Combustion (USA) (m.).
Entropie (F) (bim.).
Power (USA) (m.).
Revue Générale de Thermique (F) (m.).
Revue Sulzer (CH) (m.).
Teploenergetika (USA) (m.).
Normalisation
Association Française de Normalisation AFNOR
Deutsches Institut für Normung DIN
NF E 32-100
E DIN 1942
1-90
NF E 32-130
11-84
NF E 32-131
9-82
Code de construction des générateurs de vapeur.
272 p. comprend 8 parties de E 32-101 à E 32-120,
dont E 32-103 : calcul de résistance des éléments
soumis à une pression intérieure.
Générateurs
d’essais.
de
vapeur,
à
combustion,
code
Générateurs de vapeur. Évaluation conventionnelle
de la perte par les parois en exploitation.
Doc. B 1 464 − 2
6-79
Abnahmeversuche an Dampferzeugern.
British Standards Institution BSI
BS 2885
1974
Code for acceptance tests on stationary steam generators of the power station type.
International Organization for Standardization ISO
ISO/R 831
1968
Rules for construction of stationary boilers.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
_________________________________________________________________________________________________ CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES
Codes de construction et d’essais
ASME Boiler and Pressure Vessel Committee, Boiler and Pressure Vessel Code
(New York) éd. American Society of Mechanical Engineers.
CODAP 1980. — Code français de construction des appareils à pression. Éd.
Syndicat de la Chaudronnerie (Paris) 1980.
ASME Steam generating units. ASME Performance test codes PTC 4.1,
American Society of Mechanical Engineers (New York), latest edition.
ASME Steam generating units. Power test codes (Bilan des générateurs de
vapeur). PTC 4.1, American Society of Mechanical Engineers, 1964, additifs
1968 et 1969.
ASME Perfomance test codes : PTC 1, General instructions. PTC 2, Code on
definitions and values ; PTC 3.1, Diesel and burner fuels ; PTC 3.2, Solid fuels ;
PTC 3.3, Gaseous fuels ; PTC 4.2, Coal pulverizers ; PTC 4.3, Air heaters ;
PTC 11, Fans ; PTC 21, Dust separating apparatus ; PTC 27, Determining dust
concentration in a gas stream (New York) American Society of Mechanical
Engineers, latest edition.
ASME Performance test codes : PTC 19.3, Temperature measurement (New
York) American Society of Mechanical Engineers, latest edition.
ASME Performance test codes ; PTC 19.5, Supplements on instruments and
apparatus (New York) American Society of Mechanical Engineers, latest
edition.
ASTM Standards, Part 26, Gaseous fuels : coal and coke ; Atmospheric
analysis. D 2015, Test for gross calorific value of solid fuel by the adiabatic
bomb calorimeter ; D 2961, Test for total moisture in coal reduced to No. 8 top
sieve size (limited purpose method) ; D 3172, Proximate analysis of coal and
coke ; D 3173, Test for moisture in the analysis sample of coal and coke ;
D 3174 Test for ash in the analysis sample of coal and coke ; D 3177, Test for
total sulfur in the analysis sample of coal and coke ; D 3178, Test for carbon
and hydrogen in the analysis sample of coal and coke ; D 3180, Calculating
coal and analysis from As-Determined to different bases ; D 3286, Test for
gross calorific value of solid fuel by isothermaljacket bomb calorimeter ; D
3302, Test for total moisture in coal ; (Philadelphie) American Society for
Testing and Materials, latest edition.
Fabricants. Constructeurs
Le 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 la
Méditerranée.
Sereys.
Socomas.
Stein Fasel.
Stein industrie.
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