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Article

1 - SYSTÈMES DE COMBUSTION

2 - TYPES ET CALCUL DE CIRCULATION EAU/VAPEUR

3 - ÉCHANGEURS DANS LES PARTIES SOUS PRESSION

4 - CIRCUITS AIR/FUMÉES

Article de référence | Réf : BE8731 v1

Types et calcul de circulation eau/vapeur
Chaudières. Systèmes de combustion, circuits eau/vapeur et air/fumées

Auteur(s) : Markus HAIDER, Philippe SEGUIN

Relu et validé le 30 août 2023

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RÉSUMÉ

Avec les critères de conception des échangeurs (parties sous pression et autres) et des circuits air/fumées, cet article donne une vue d'ensemble des systèmes constitutifs d'une chaudière. Il détaille principalement les systèmes de combustion et leurs spécificités, ainsi que les types de circulation eau/vapeur (circulation naturelle, assistée par pompe, forcée, etc). Par la suite, il expose le cas des échangeurs dans les parties sous pression et aide aux choix des matériaux. Finalement, les circuits air/fumées sont analysés (nature des circuits, réchauffeurs d’air, ventilateurs, etc).

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ABSTRACT

This article provides an overview of the component systems of a boiler with the design criteria of exchangers (pressure parts and others) and air/smoke circuits. It mainly details combustion systems and their specificities as well as the types of water/steam circulation (natural, pump-assited, forced, etc.). It also presents the case of exchangers in pressure parts and provides advice regarding the choice of materials. It ends on the analysis of air/smoke circuits (nature of the circuits, air-heaters, ventilators, etc).

Auteur(s)

  • Markus HAIDER : Professeur à l'université technique de Vienne (Autriche) - Directeur de l'Institut d'énergétique et thermodynamique

  • Philippe SEGUIN : Directeur du Département Systèmes de combustion - CNIM – Division Environnement

INTRODUCTION

Les bilans énergétique et de matière des chaudières ont fait l'objet d'un premier dossier [BE 8 730].

Le système de combustion et le système de circulation eau/vapeur sont les éléments les plus spécifiques d'une chaudière. Avec les critères de conception des échangeurs sous pression et des circuits air/fumées, ce dossier [BE 8 731] donne une vue d'ensemble des systèmes constitutifs d'une chaudière.

Le dossier suivant [BE 8 732] est consacré à des applications spécifiques comme les chaudières de puissance, les chaudières à déchets, les chaudières à biomasse et les chaudières de récupération.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8731


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2. Types et calcul de circulation eau/vapeur

L'importance de la circulation eau/vapeur est mentionnée dans le dossier [BE 8 730]. Les phénomènes physiques en jeu sont résumés pour ensuite discuter des différents systèmes. Les trois types de circulation : circulation naturelle, assistée par pompe et forcée font appel aux mêmes phénomènes physiques qui se différencient par leurs domaines d'application.

2.1 Phénomènes

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2.1.1 Température de paroi

Au cours de l'évolution du fluide chauffé à l'intérieur d'un tube, on peut distinguer quatre zones (figure 18).

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

Dans la zone II, l'eau est arrivée à la température de saturation, l'excédent de chaleur transmis provoque l'évaporation, avec apparition de bulles de vapeur sur la paroi interne et détachement périodique de celles-ci. Ce régime de formation de vapeur est généralement désigné par le terme ébullition nucléée.

Par suite de l'agitation locale, le coefficient d'échange est supérieur à ce qu'il était dans la zone précédente, le métal du tube est très correctement refroidi, et l'objectif de l'étude de la circulation dans les chaudières à pression sous-critique est de se trouver partout dans les conditions d'ébullition nucléée.

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

On entre dans la zone III avec un film non continu, la température de la paroi interne...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SCHÄFF (K.) -   Entwicklung zum heutigen Wärmekraftwerk. Band I der Fachbuchreihe « Kraftwerkstechnik ».  -  VGB Power Tech.

  • (2) - KATHER (A.), KESSEL (W.), BRÜGGEMANN (H.) -   Entwicklung und Betriebserfahrungen mit Schmelzfeuerungen.  -  VGB Kraftwerkstechnik, Heft 8, S.707/14 (1995).

  • (3) - IDEL‘CHIK (I.E.) -   Handbook of hydraulic resistance coefficients of local resistance and of friction.  -  NTIS_AEG-TR-6630 (1960).

  • (4) - SPIEGEL (W.) et al -   Dynamische chlorinduzierte Hochtemperaturkorrosion von Verdampfer- und Überhitzerbauteilen aufgrund spezieller Belagsentwicklungen.  -  Basé sur des essais dans l'usine d'incinération d'ordures menagères de Düsseldorf, Flingern, mai 2005.

  • (5) - DOLEZAL (R.) -   Dampferzeugung : Verbrennung, Feuerung, Dampferzeuger.  -  Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (1990).

  • (6)...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Chaudières. Bilans et dimensionnement.

  • Chaudières de puissances à déchets, à biomasse et de récupération.

1 Outils logiciels

KED PPSD (calcul chaudière) http:// www.ked.de

NOWA (circulation eau-vapeur) http://www.iet.tuwien.ac.at

ASPEN PLUS® (cycles thermiques, réactions) http:// www.aspentech.com

IPSE PRO (cycles thermiques, réactions) http:// www.simtechnology.com

EBSILON®PROFESSIONAL (cycles thermiques, réactions) http://www.steag-systemtechnologies.com

APROS (simulations dynamiques) http://www.apros.fi

ANSYS FLUENT (simulations CFD 3D) http:// www.ansys.com

STAR CCM+ (simulations CFD 3D) http:// www.cd-adapco.com

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