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Chaudières

Introduction

Les chaudières produisent de l'eau chaude ou de la vapeur qui est utilisée par les procédés industriels ou qui sert au chauffage des locaux et de l'eau. Un large éventail de types et de tailles de chaudières permet de répondre aux besoins variés des installations industrielles ou autres.

La plupart des chaudières renferment trois composants principaux : un brûleur qui convertit le combustible en chaleur, un échangeur de chaleur qui transfère la chaleur à de l'eau ou de la vapeur, et un récipient qui renferme l'eau à chauffer. Une cheminée permet d'évacuer les sous-produits de combustion (gaz de combustion) et l'eau chaude – ou la vapeur – est acheminée par un système de distribution aux points d'utilisation. Un schéma du processus de combustion est présenté à la figure 1.

Le gaz naturel et le mazout sont les combustibles les plus couramment utilisés dans les chaudières mais on utilise également le propane, l'électricité, le charbon et la biomasse. On se sert généralement de chaudières électriques lorsque les risques d'incendie associés aux chaudières à combustion constituent un danger pour la sécurité et lorsqu'il est important de réduire la pollution atmosphérique.

Figure 1. Schéma d'une chaudière

Chaudière schéma

La durée de vie d'une chaudière est d'environ 25 ans; il est donc essentiel de tenir compte des coûts du combustible et des frais d'entretien à long terme, ainsi que des coûts d'achat ou de modernisation. Dans le cas d'un nouveau modèle à rendement élevé, les coûts du combustible peuvent être jusqu'à 40 p. 100 moins élevés que ceux d'un modèle classique, ce qui, sur 25 ans, peut représenter des économies considérables. Dans de nombreux cas, le simple fait de moderniser une chaudière peut en améliorer le rendement d'au moins 20 p. 100.

Mesure du rendement

Les chaudières affichant une puissance calorifique comprise entre 300 000 Btu/h et 2 500 000 Btu/h se caractérisent par leur rendement thermique :

Rendement Thermique

C'est le rendement thermique en régime permanent qui nous intéresse – c'est-à-dire, lorsque les gaz de combustion se sont réchauffés et qu'ils ont atteint une température d'équilibre. De nombreux systèmes de combustion ne fonctionnent pas en régime permanent; en effet, ces systèmes étant le siège de variations de puissance, à la hausse et à la baisse, l'état d'équilibre n'est atteint qu'après un long moment et parfois même jamais. Presque tous les systèmes fonctionnant en régime transitoire sont beaucoup moins efficaces que ceux qui fonctionnent en régime permanent.

Le rendement thermique est une valeur mesurée uniquement en régime permanent et qui ne tient pas compte de l'effet des pertes de chaleur dues à un fonctionnement cyclique ou transitoire. Cette mesure diffère du rendement énergétique annuel (AFUE) nominal, qui mesure le rendement moyen d'un système sur une période d'un an. L'AFUE nominal tient compte du fonctionnement en régime cyclique de l'unité de chauffage et des pertes d'énergie qu'elle subit en réponse aux fluctuations de charge – lesquelles dépendent des changements de temps et du réglage des thermostats par les occupants.

Normes et règlements

Au Canada, les chaudières au gaz et au mazout qui produisent moins de 300 000 Btu/h sont régies par la Loi sur l'efficacité énergétique. Aucune norme canadienne similaire n'existe pour les chaudières produisant plus de 300 000 Btu/h. Aux États-Unis, les chaudières dont la puissance calorifique est supérieure à 300 000 Btu/h doivent respecter des normes prescrites par la National Energy Policy Act. Selon cette loi, le rendement thermique en régime permanent des grosses chaudières à gaz doit être d'au moins 80 p. 100, tandis que celui des grosses chaudières au mazout, doit être d'au moins 83 p. 100.

Pertes thermiques durant la combustion

Ces pertes sont causées par :

  • les gaz de combustion secs. Ces pertes sont liées à la température des gaz de combustion et dépendent des températures du conduit de fumées et de l'air de combustion, ainsi que de l'excès d'air (un gaspillage d'énergie puisque la chaleur transportée par cet air est évacuée par la cheminée).
  • la présence d'hydrogène dans le combustible. Lors de la combustion, l'hydrogène présent dans le combustible donne lieu à la formation d'eau qui, en passant à l'état de vapeur, absorbe de la chaleur.
  • la présence d'humidité dans le combustible. Ces pertes correspondent à la chaleur absorbée lors de la vaporisation de l'eau présente dans le combustible. La biomasse, les déchets et le lignite renferment naturellement d'importantes quantités d'eau.
  • les pertes par l'enveloppe. Ce sont les pertes de chaleur qui se produisent par rayonnement à travers l'enveloppe de la chaudière.
  • une combustion incomplète.
  • certains autres facteurs. La présence d'humidité dans l'air, les fuites d'air ou de gaz de combustion ou la chaleur absorbée par les cendres.

Comment le système de combustion peut-il être amélioré?

Les gaz de combustion constituent la principale cause des pertes thermiques. De 18 à 22 p. 100 de l'énergie disponible est évacuée par la cheminée. Les pertes par rayonnement et par convection par les parois de la chaudière viennent augmenter ces pertes de 1 à 4 p. 100.

Voici les quatre principaux moyens permettant de réduire les pertes thermiques associées aux gaz de combustion :

  • améliorer le rendement de la conversion du combustible en chaleur (rendement accru du système de combustion)
  • diminuer la quantité d'air nécessaire à une combustion satisfaisante
  • s'assurer que l'enveloppe de la chaudière est étanche, de sorte qu'il n'y ait ni perte ni infiltration d'air ou de chaleur vers ou depuis l'extérieur de la chambre de combustion
  • améliorer le rendement du transfert de chaleur à la vapeur ou à l'eau chaude (rendement accru de l'échangeur de chaleur).

Les pratiques d'exploitation telle l'extraction sont à l'origine d'autres pertes, tout comme les sources d'inefficacité dans les systèmes de distribution de vapeur et d'eau chaude.

Rendement accru du système de combustion

Les chaudières récentes intègrent généralement plusieurs nouvelles technologies. Ces mêmes technologies peuvent aussi être appliquées lorsque l'on modernise d'anciennes chaudières. Parmi les nouvelles technologies, voici les plus importantes :

  • Combustion assistée par ventilateur : À l'origine, les chaudières et les appareils de chauffage exploitaient le tirage naturel, c.-à-d. la force ascensionnelle de l'air chaud dans la cheminée pour aspirer l'air dans la chambre de combustion et l'expulser par la cheminée. Un coupe-tirage permettait de limiter la condensation dans la cheminée et de s'assurer que le brûleur et la flamme étaient isolés des fluctuations de pression de l'air extérieur, en ajoutant de l'air « de dilution » aux gaz de combustion. En même temps, l'air de dilution abaissait la tension de vapeur à laquelle les gaz de combustion se condensaient, endommageant ainsi le conduit de fumées. Toutefois, il y avait une perte de rendement en raison de l'évacuation d'air intérieur chaud par la cheminée.

    Les brûleurs à ventilateur plus récents permettent de mieux mélanger le combustible et l'air et n'exigent plus de coupe-tirage. L'excès d'air est donc réduit. Il y a aussi moins de pertes thermiques avec ces brûleurs parce qu'une moins grande quantité d'air chaud est évacuée par la cheminée.

    Le ventilateur améliore également le transfert de chaleur à l'intérieur de la chaudière en améliorant l'écoulement des gaz de combustion dans l'échangeur de chaleur.

    Deux types de systèmes assistés par ventilateur sont offerts : un système à air soufflé qui utilise un ventilateur pour injecter le mélange combustible-air dans la chaudière, et un système à tirage induit qui comporte un ventilateur à la sortie de l'échangeur de chaleur.

  • Registres motorisés : Ces dispositifs se ferment automatiquement lorsque le brûleur est éteint et préviennent ainsi toute perte de chaleur par la cheminée.

  • Allumage électrique : Les anciennes chaudières au gaz sont équipées d'une veilleuse qui reste toujours allumée, que le brûleur soit allumé ou non. Les dispositifs d'allumage électrique ou les autres dispositifs d'allumage intermittent permettent d'éviter un tel gaspillage de combustible. Un circuit de commande actionne l'allumeur et, si le brûleur ne s'allume pas du premier coup, l'allumeur est à nouveau actionné jusqu'à ce que le brûleur s'allume.

  • Alimentation en air de combustion étanche : Ce type d'alimentation en air de combustion permet de contrôler plus étroitement le processus en prévenant toute infiltration d'air dans le bâtiment. Dans une chaudière à alimentation en air de combustion étanche, l'air est aspiré directement de l'extérieur au moyen d'une gaine étanche, ce qui permet de s'assurer que l'air intérieur chauffé ne soit pas mélangé à l'air extérieur pendant la combustion.

  • Combustion pulsatoire : Au lieu de produire une flamme continue, les systèmes à combustion pulsatoire produisent une série « d'impulsions de combustion » rapides dans une chambre de combustion étanche. Ce procédé à haute turbulence transfère très efficacement la chaleur à l'échangeur de chaleur et permet aux gaz de combustion de se condenser dans les chaudières à condensation.

Chaudières à condensation

Les chaudières à condensation à haut rendement comportent également des échangeurs de chaleur perfectionnés dont la conception et les matériaux permettent d'extraire une plus grande quantité de chaleur des gaz de combustion avant que ces gaz ne soient évacués. Grâce à cette efficacité d'extraction accrue, la température des gaz de combustion diminue suffisamment pour que la vapeur d'eau produite durant la combustion se condense et libère ainsi sa chaleur latente, ce qui améliore le rendement. Comme quelque 12 p. 100 de l'énergie d'une chaudière à gaz est emmagasinée sous forme de chaleur latente, les économies d'énergie possibles sont considérables. Par contre, il y a un inconvénient : le condensat étant généralement acide, il faut l'évacuer par une conduite jusqu'à un drain.

Le rendement des chaudières à condensation modernes varie de 90 à 96 p. 100. Le rendement des nouveaux modèles classiques sans condensation n'est que de 70 à 85 p. 100. De nombreuses chaudières âgées de plus de 20 ans affichent généralement un rendement compris entre 60 et 70 p. 100; il y aurait donc lieu de les moderniser ou de les remplacer. Un certain nombre de chaudières à condensation alimentées au gaz naturel sont disponibles sur le marché, mais très peu de chaudières au mazout sont offertes dans le commerce.

Il est important de noter que, pour que la vapeur d'eau contenue dans les gaz de combustion puisse se condenser, la température de ces gaz doit être inférieure au point de rosée de l'eau. Pour qu'il y ait condensation, la température de l'eau, à son retour dans la chaudière, doit être inférieure à 60 °C. Si, à l'arrière de la chaudière, il n'y a aucune surface d'échange de chaleur dont la température est inférieure à ce point de rosée, la condensation n'aura pas lieu et cette occasion d'économiser de l'énergie sera perdue, même s'il s'agit d'une chaudière « à condensation ».

Si vous désirez moderniser votre chaudière actuelle, vous pouvez en améliorer le rendement en ajoutant un économiseur, échangeur qui utilise la chaleur contenue dans les gaz de combustion pour préchauffer l'eau d'alimentation. Un économiseur à condensation permet de récupérer plus efficacement la chaleur des gaz de combustion en refroidissant ces derniers en dessous du point de rosée. Un économiseur à condensation récupère ainsi la chaleur sensible des gaz de combustion et la chaleur latente de l'eau qui se condense. Vous devez toutefois vous assurer que le condensat ne pénètre pas dans la chaudière, parce qu'il est très corrosif.

Les chaudières à condensation alimentées au mazout sont plus coûteuses, du au fait que :

  • La condensation est beaucoup plus difficile à réaliser avec ces chaudières parce que le soufre contenu dans le mazout transforme l'eau condensée en acide sulfurique qu'il faut alors neutraliser. L'échangeur de chaleur doit être de très haute qualité pour prévenir la corrosion par cet acide.
  • Comparativement au gaz naturel, le mazout renferme 50 p. 100 moins d'énergie emmagasinée sous forme de chaleur latente.
  • Le point de rosée du mazout est bas, soit 47 °C, par rapport au point de rosée du gaz naturel qui est de 60 °C; c'est pour cette raison qu'il est très difficile de condenser la vapeur d'eau contenue dans les gaz de combustion.

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