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Jonathan Gamba
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HEIG-VD
Etude d’un stand d’essai vapeur surchauffée Travail de diplôme
Jonathan Gamba
28/07/2017
Jonathan Gamba
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Table des matières 1 Résumé ........................................................................................................................................ 3
2 Introduction ................................................................................................................................. 4
3 Situation actuelle ......................................................................................................................... 5
3.1 Présentation du laboratoire ...................................................................................................... 5
3.2 Chaudière Loos ........................................................................................................................ 5
3.3 Plan de test et résultats de la chaudière Loos .......................................................................... 6
4 Objectifs ...................................................................................................................................... 9
5 Microturbine à vapeur ............................................................................................................... 10
5.1 Système global ...................................................................................................................... 10
5.2 Schéma de principe de la turbine et fonctionnement ............................................................. 12
5.3 Description technique ............................................................................................................ 15
5.4 Manuel d’installation, sécurité, conseils, conditions d’utilisation ......................................... 16
5.5 Installation et raccordement .................................................................................................. 18
6 Calcul de la puissance de surchauffe ......................................................................................... 20
7 Puissance électrique .................................................................................................................. 22
8 Première variante : Chaudière à huile HTT ............................................................................... 25
8.1 Présentation de la chaudière .................................................................................................. 25
8.2 Caractéristiques et choix de l’huile thermique ...................................................................... 26
8.3 Test de la chaudière ............................................................................................................... 28
8.4 Échangeur de chaleur récupéré .............................................................................................. 29
8.5 Échangeur Vahterus .............................................................................................................. 37
8.6 Schéma de principe de l’installation ...................................................................................... 38
8.7 Dessin d’implantation et 3D .................................................................................................. 38
8.8 Choix de la matière et dimensionnement de la tuyauterie ..................................................... 39
8.9 Choix de l’isolation ............................................................................................................... 46
8.10 Éléments de fonctionnement ................................................................................................. 47
8.11 Calcul des pertes de charge ................................................................................................... 51
8.12 Pertes thermiques .................................................................................................................. 55
8.13 Récapitulatif des conditions à l’entrée du kit ........................................................................ 57
8.14 Régulation ............................................................................................................................. 57
8.15 Investissement, coûts ............................................................................................................. 58
8.16 Autre possibilité (transporter la vapeur) ................................................................................ 61
9 Deuxième variante : Surchauffeur électrique ............................................................................ 63
9.1 Présentation du surchauffeur électrique ................................................................................ 63
9.2 Législation (contrôler) ........................................................................................................... 63
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9.3 Schéma de principe de l’installation ...................................................................................... 63
9.4 Dessin d’implantation et 3D .................................................................................................. 64
9.5 Choix de la matière et dimensionnement de la tuyauterie ..................................................... 64
9.6 Choix de l’isolation ............................................................................................................... 64
9.7 Éléments de fonctionnement ................................................................................................. 65
9.8 Calcul des pertes de charge ................................................................................................... 65
9.9 Calcul des pertes thermiques ................................................................................................. 65
9.10 Récapitulatif des conditions à l’entrée du kit ........................................................................ 65
9.11 Régulation ............................................................................................................................. 65
9.12 Investissement, coûts ............................................................................................................. 66
10 Troisième variante : Récupération au niveau des fumées produites par la chaudière à vapeur 67
10.1 Surchauffe par récupération de la chaleur des fumées .......................................................... 67
10.2 Propriétés des gaz de combustion .......................................................................................... 68
11 Comparaison et analyse des variantes 1 et 2 ............................................................................. 73
12 Conclusion ................................................................................................................................. 74
13 Bibliographie ............................................................................................................................. 75
14 Symboles et abréviations ........................................................................................................... 77
15 Liste des figures ......................................................................................................................... 81
16 Liste des graphiques .................................................................................................................. 81
17 Liste des tableaux ...................................................................................................................... 81
18 Liste des équations .................................................................................................................... 83
19 Annexes ..................................................................................................................................... 84
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1 Résumé
L’Institut de Génie Thermique de la HEIG-VD souhaite créer un stand produisant de la vapeur
surchauffée. Celle-ci alimente une microturbine à vapeur produite par le fabricant Green Turbine. Cette
dernière est montée sur un kit qui regroupe les éléments indispensables au fonctionnement d’une telle
machine. Cet ensemble est composé d’un condenseur, d’un circuit de refroidissement ou encore de
dispositifs de sécurité et de régulation. La production d’électricité maximale atteignable est de 15 [kWe],
mais au sein de l’IGT moins de 11 [kWe] sont envisageables. Cette baisse est due au fait que les
caractéristiques de la vapeur disponible ne correspondent pas au fonctionnement optimal de la
microturbine.
Comme la vapeur requise doit être surchauffée pour un fonctionnement sûr de l’appareil, différentes
variantes pour la surchauffe sont étudiées. En particulier, l’utilisation d’une chaudière à huile thermique,
d’un surchauffeur électrique et d’une récupération sur les gaz de fumées produits par la chaudière à
vapeur. Suite à une analyse de ces différentes possibilités, il s’avère que seules deux d’entre elles
paraissent réalisables. En effet, la récupération de chaleur sur les gaz de fumées ne répond pas aux
critères nécessaires à la surchauffe, de ce fait sa conception n’est pas étudiée plus en détails.
Concernant les variantes avec l’huile thermique et le surchauffeur électrique, un dimensionnement
complet des installations a été réalisé. Le schéma de principe, les dessins d’implantation ainsi que le
dimensionnement et le choix de tout le matériel nécessaire ont été effectués en fonction de la variante
considérée.
Les coûts liés à l’investissement pour la variante avec la chaudière à huile thermique sont de 162'000
[CHF]. Concernant celle avec le surchauffeur électrique, ils sont moins élevés avec une valeur de 96'000
[CHF]. La production d’énergie électrique annuelle possible dans les deux cas est d’environ 23 [MWh].
L’installation avec le surchauffeur électrique est la plus sûre, elle permet un fonctionnement qui limite
les risques pour le personnel. L’implantation et la simplicité de réalisation vont aussi à l’encontre de la
solution avec l’huile thermique. Ces différents aspects permettent de dire qu’une surchauffe électrique
et sans huile thermique serait privilégiée.
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2 Introduction
Ce projet consiste en l’étude d’un stand d’essai de vapeur surchauffée. Le laboratoire de St-Roch
possède une installation capable de produire de la vapeur industrielle, c’est à l’aide de cette dernière que
le stand sera développé. La vapeur produite est saturée et répartie à l’aide d’un collecteur vers différents
stands présents dans le laboratoire. En fonction de la consommation de vapeur, la chaudière s’enclenche
et se déclenche de manière à être capable de répondre aux différents besoins.
La vapeur saturée produite par cette chaudière est actuellement utilisée pour différentes applications qui
permettent de mettre en évidence son utilité via des procédés qui sont présents dans l’industrie. Les
stands présents dans l’Institut de Génie Thermique IGT sont au nombre de quatre. Ils sont principalement
utilisés lors des laboratoires effectués par les étudiants qui suivent le cours chaleur et
chauffage/climatisation ou pour des cours de formation.
Le premier est un stand composé de deux échangeurs de chaleur permettant de mettre en évidence le
transfert entre la vapeur saturée et l’eau. Le type de branchement est variable de manière à pouvoir
comparer un fonctionnement des échangeurs en série ou en parallèle.
Le second stand est une cuve à double manteau dans laquelle la vapeur saturée est injectée afin de
chauffer l’eau présente dans cette dernière. Les deux fluides sont séparés par la double paroi de la cuve
de manière à ce que l’échange se fasse indirectement. Ainsi, il est possible de déterminer les différentes
pertes thermiques inhérentes à cette installation et de les quantifier.
Le troisième stand met en évidence plusieurs purgeurs de condensat branchés de manière modulable
afin de pouvoir étudier leur comportement respectif dans diverses situations. Il permet de mieux
comprendre leur fonctionnement et de réaliser à quel point ils sont importants sur une installation de
vapeur.
Le dernier stand consiste à injecter de la vapeur directement dans une conduite de climatisation, cela
permet notamment d’humidifier l’air. Par la suite, différentes mesures peuvent être effectuées afin de
mieux comprendre l’impact engendré.
De la même manière, le stand développé dans ce travail doit permettre aux étudiants et autres personnes
concernées d’étudier sous forme pratique la production et l’utilisation de la vapeur surchauffée.
Différents moyens de surchauffe seront étudiés afin de déterminer lequel est le plus approprié.
Cependant, concernant la vapeur surchauffée, uniquement son utilisation au travers d’une turbine sera
traitée. Ceci car les applications liées à ce type de vapeur ne sont pas nombreuses ou pas forcément
intéressantes à visualiser en laboratoire. Ainsi, différentes manipulations pourraient être créées pour
permettre une meilleure compréhension du système et de son fonctionnement.
La vapeur surchauffée et son utilisation sont donc les sujets principaux de cette étude, notamment
puisque aucune production de ce type n’est encore existante dans ce laboratoire. Plusieurs solutions
seront étudiées, celle qui comprend les dispositifs les plus adaptés à l’environnement de l’IGT pourra
être choisie. Ceci en fonction de différents paramètres tels que les coûts, l’implantation, ou encore la
facilité de réalisation.
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3 Situation actuelle
3.1 Présentation du laboratoire
Avant tout, une vue de dessus du laboratoire de l’IGT est présentée de manière à situer les lieux :
Figure 1 : Vue de dessus de l'Institut de Génie Thermique IGT
Une Chaudière à vapeur est déjà présente dans la partie U32 et une chaudière à huile thermique est aussi
à disposition à l’opposé dans la zone U44. Le futur emplacement du stand de vapeur surchauffée est à
définir et dépendra de différents paramètres.
3.2 Chaudière Loos
Comme mentionné précédemment, le laboratoire possède une chaudière à vapeur saturée. De la marque
Eisenwek Theodor Loos GmbH elle peut aussi produire de l’eau surchauffée et possède 2 parcours. Cette
dernière a été fabriquée en 1988 et se trouvait dans les laboratoires de la société Serono SA avant d’être
installée dans les locaux de St-Roch en U32. Dans le cadre de cette étude, uniquement la production de
vapeur saturée sera considérée. Voici les caractéristiques fournies par le fabricant qui permettent de
définir les limites de fonctionnement de l’installation :
Unité
Fluide caloporteur (Eau / Vapeur saturée)
Capacité totale 570 [ltr.]
Partie liquide (niveau d’eau bas) 425 [ltr.]
Pression
Pression de service max. admissible 10 [bar]
Pression d’ouverture des soupapes de sûreté 10 [bar]
Température
Température de service admissible 184 [°C]
Équipement
Pression nominale PN 25 [bar]
Soupapes de sûreté (2 unités) DN 25 [-]
Capacité de décharge par soupape 1’675 [kg/h]
Manomètre jusqu’à max. 16 [bar]
Indicateurs de niveau (2 unités) Réflexion [-]
Appareil d’alimentation
Pompe entraînée par moteur électrique (1 unité) 1’000 [kg/h]
Combustible
Huile légère - [-]
Gaz - [-]
Brûleur Weishaupt GL 1/1-E
Débit total 21.4 [kg/h]
U44 U38 U32
Chaudière
à vapeur
Chaudière
à huile
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Puissance électrique connectée - [-]
Puissance max. continue 233 [kW]
Surface de chauffe 6.4 [m2]
Débit de vapeur max. 350 [kg/h]
Tableau 1 : Caractéristiques techniques de la chaudière Loos.
Le constructeur fournit des informations concernant les conditions en fonctionnement maximum. Ces
dernières ne sont pas forcément atteignables dans le cas de cette chaudière qui n’est pas récente et qui
n’est peut-être plus capable de produire à un régime aussi élevé que celui indiqué ci-dessus. Pour
s’assurer que les paramètres disponibles dans la fiche technique de la chaudière sont représentatifs du
fonctionnement réel, des tests seront effectués. Ainsi, il sera possible de confirmer les valeurs qui
précèdent ou alors de débuter sur des bases totalement différentes mais justifiées.
3.3 Plan de test et résultats de la chaudière Loos
Cette série de tests permet principalement de déterminer le débit maximum que peut délivrer la
chaudière tout en maintenant une pression de consigne constante. De plus, elle permet une meilleure
compréhension de l’utilisation ainsi que du fonctionnement global de l’installation. Le stand des
échangeurs étant un très grand consommateur, il est le seul utilisé pour les tests. La marche à suivre est
décrite ci-dessous :
1. Débuter avec une pression de consigne faible au départ sur le stand échangeur.
2. Attendre que la pression soit atteinte et relever la valeur du débit.
3. Calculer la puissance correspondante.
4. Contrôler que la valeur de consigne est respectée au stand des échangeurs. (Si ce n’est pas le
cas, en déterminer les causes).
5. Passer à la pression de consigne supérieure sur le stand.
6. Effectuer la même démarche qu’aux points 3 et 4.
7. Procéder ainsi jusqu’à la pression maximale que la chaudière est capable d’atteindre.
8. Pour déterminer la pression maximale ainsi que le débit, trouver le point entre la pression stable
et celle qui diminue. (Si la pression diminue alors que le brûleur est en fonction, cela signifie
que la chaudière n’est plus capable de fournir le débit nécessaire).
S’assurer qu’aucune purge (ébouage et dessalage) n’est effectuée durant toute la durée des tests.
À noter que lors du fonctionnement des consommateurs, plus la température de retour des condensats
issus des différents procédés est loin de celle de l’eau de la bâche d’alimentation (105 °C), plus la
consommation de vapeur sera élevée. D’où l’intérêt d’installer un préchauffeur de condensat avant
l’entrée dans la bâche de manière à limiter cette consommation. Cependant, cet aspect est considéré
comme négligeable dans le cadre de ce travail.
Ce protocole a été effectué avant que la séance de test sur la chaudière n’ait lieu. De ce fait, plusieurs
remarques ont été prises en compte avant d’effectuer les essais. C’est la raison pour laquelle les étapes
n’ont pas été suivies à la lettre.
Suite aux tests, il s’avère que le fait de tester la chaudière à des pressions inférieures à 5 [bar] n’est pas
utile. Effectivement, une turbine à vapeur nécessite une certaine pression minimum afin de pouvoir
fonctionner correctement. Si la pression en sortie de chaudière est déjà trop faible, celle à l’entrée de la
turbine le sera encore plus du fait des pertes de charge inhérentes au réseau de distribution. Cependant,
si l’application visée met en évidence l’utilisation de pression plus faible, le protocole ci-dessus est
applicable en intégralité. Dans le cas présent, une simple montée en pression progressive a été effectuée
jusqu’à atteindre la pression maximale de fonctionnement évoquée au point 8 ci-dessus.
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De plus, la chaudière peut être alimentée par deux combustibles différents, de l’huile légère ou du gaz.
Actuellement elle fonctionne uniquement au gaz, ce qui limite sa plage de fonctionnement. En effet, elle
ne peut atteindre que difficilement les 8 [barA] en fonctionnant avec du gaz alors que sa puissance
pourrait augmenter avec l’huile légère. Puisqu’à l’heure actuelle il n’est pas prévu de réutiliser l’huile
légère, il n’a pas été possible de tester la chaudière à plus haute pression. C’est donc les caractéristiques
obtenues avec un fonctionnement au gaz naturel qui seront considérées dans ce travail.
Concernant le débit de vapeur, il est très difficile de quantifier de manière précise sa variation en
fonctionnement entre 6 et 8 [barA]. Le débitmètre ne fournissant pas de valeurs stables, la valeur de 250
[kg/h] est celle qui, en moyenne, correspond au débit maximum atteignable par la chaudière aujourd’hui.
Suite à ces tests, les caractéristiques nominales de la vapeur saturée en sortie de chaudière ont pu être
déterminées. L’installation sera dimensionnée pour un fonctionnement avec de la vapeur saturée dans
les conditions suivantes :
Pression
[barA]
Température
vap. tab. [°C]
Débit
vapeur
[kg/h]
Enthalpie de
vapeur saturée
𝒉′′ [kJ/kg]
Enthalpie de
l’eau saturée
𝒉𝟐′ [kJ/kg]
Enthalpie de l’eau
d’alim. saturée 𝒉𝟏′
[kJ/kg]
Puissance de
chauffage
[kW]
8 170 250 2’768 721 440 162
Tableau 2 : Caractéristiques de l’eau et de la vapeur saturées
Les informations concernant les enthalpies et les températures correspondantes sont issues d’un site
internet de spécialiste dans ce domaine [1].
L’eau d’alimentation issue de la bâche alimentaire est maintenue à une pression d’environ 1.3 [barA],
ce qui correspond à une température proche des 105 [°C]. Une fois que l’eau a atteint la chaudière, elle
est chauffée jusqu’à la pression de 8 [barA] puis évaporée à pression et température constantes jusqu’à
saturation (environ 170 [°C]). Il est alors possible de calculer une puissance qui caractérise cette montée
en pression ainsi que l’évaporation :
Puissance chauffage
nécessaire : ��𝑐ℎ𝑎𝑢𝑓𝑓𝑎𝑔𝑒 = ��𝑚𝑎𝑥,𝑣𝑎𝑝 ∙ [(ℎ2
′ − ℎ1′ ) + (ℎ′′ − ℎ2
′ )] (1)
Équation 1 : Calcul de la puissance nécessaire pour atteindre les conditions de fonctionnement
��𝑐ℎ𝑎𝑢𝑓𝑓𝑎𝑔𝑒 = 250
3′600∙ [(721 − 440) + (2768 − 721)] = 162 [𝑘𝑊]
Pour mettre en évidence cette montée en pression et en température puis l’évaporation de manière
qualitative, le graphique 1 de la page suivante est présenté. Il s’agit d’un diagramme « Température –
Entropie » (T-S) sur lequel différentes informations indispensables sont indiquées. Bien entendu, la
température et l’entropie sont les grandeurs principales représentées respectivement en ordonnée et en
abscisse. Ensuite, la pression, l’enthalpie et le volume massique sont aussi indiqués. Après avoir tracé
l’évolution de l’eau se transformant en vapeur, ces différentes caractéristiques permettent alors
d’effectuer le même calcul que celui présenté à l’équation 1. En revanche, la précision des valeurs
obtenues pour l’enthalpie est moins grande que si elles sont tirées des tables de vapeur.
La puissance de chauffage calculée est basée sur le débit maximum disponible avec cette chaudière.
Ceci même si la microturbine à vapeur qui sera présentée par la suite consomme un débit moins
conséquent. La raison principale de cette démarche sera développée au point 7.
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Chauffage et évaporation
Graphique 1 : Diagramme T-S mettant en évidence le chauffage et l'évaporation de l'eau dans la chaudière [2]
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4 Objectifs
Après avoir effectué un bilan de la situation actuelle, notamment au niveau du producteur de vapeur
saturée et du lieu, il s’agit de dimensionner le stand. Pour ce faire, les conditions de fonctionnement
doivent être définies et surtout réalisables avec les capacités de cette chaudière à vapeur.
Pour mettre en évidence la consommation de la vapeur surchauffée, la turbine est l’application principale
connue à ce jour. Elle offre la possibilité d’une production d’énergie électrique au travers d’une
génératrice. Le stand à créer doit être capable de fonctionner à une pression d’entrée de 8 [barA] et à
une température de vapeur surchauffée maximum de 220 [°C].
Il existe différents moyens permettant de produire de la vapeur surchauffée. Dans le cadre de cette étude,
trois d’entre eux seront considérés et comparés, ceci afin de déterminer lequel correspondrait le mieux
aux objectifs fixés. Le premier serait d’utiliser la chaudière à huile thermique qui se situe déjà dans le
laboratoire de manière à surchauffer la vapeur au travers d’un échangeur. Le second serait d’utiliser un
surchauffeur électrique directement en sortie de chaudière de manière à atteindre la température cible.
La troisième variante viserait à utiliser les gaz de fumées produits par la chaudière à vapeur au travers
d’un échangeur. Ces différentes manières de procéder impliquent des conceptions totalement différentes
et de ce fait, une mise en œuvre qui est propre à chaque cas.
C’est pour cette raison que pour chacune de ces variantes, le dimensionnement de la tuyauterie, de
l’isolation ainsi que de tous les éléments liés au fonctionnement et à la sécurité doit être effectué. Les
diamètres de tuyauteries, les pertes de charge, les pertes thermiques ou encore les débits font partie des
éléments importants à considérer pour favoriser un fonctionnement optimal.
Afin de clarifier le fonctionnement et le montage de l’installation, un schéma de principe propre à
chacune des variantes sera réalisé. Ceci uniquement pour celles qui sont développées en intégralités pour
ne pas surcharger le document inutilement.
De plus, le laboratoire comporte plusieurs halles indépendantes dans lesquelles différentes installations
sont présentes. Il est important de déterminer le meilleur lieu d’implantation pour ce stand de vapeur
surchauffée de manière à limiter les dépenses et favoriser les aspects pratiques tels que la place
disponible ou la gêne occasionnée. C’est la raison pour laquelle plusieurs possibilités d’emplacement
seront étudiées en fonction de la variante. Dans un premier temps, les trois variantes citées ci-dessus
seront considérées et traitées. Si des sous-variantes sont envisageables, elles seront mentionnées et
traitées si nécessaire. Le dimensionnement d’une des solutions qui ne paraît pas réalisable sera stoppé,
ceci en indiquant les raisons de cette décision.
Chacun des éléments utilisés sera répertorié en fonction de la variante, ainsi le coût total de l’installation
pourra être calculé. Les investissements respectifs à chacune d’elles seront alors utilisés afin de
déterminer la meilleure option.
Finalement, ce document permet de choisir quel serait le meilleur moyen de mettre en évidence
l’utilisation de la vapeur surchauffée. En plus de cela, les types d’éléments de fonctionnement ainsi que
les différents fournisseurs sont indiqués. Les offres liées aux dispositifs les plus importants ont été
réalisées par les entreprises concernées. Cela permettra un contact plus rapide dans le cas de la réalisation
du projet.
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5 Microturbine à vapeur
5.1 Système global
Pour mettre en évidence l’utilisation de la vapeur surchauffée, la turbine à vapeur est le moyen le plus
approprié. Elle est utilisée dans l’industrie pour la production d’énergie électrique allant de quelques
kW à plusieurs MW. Les conditions présentes dans le laboratoire de l’école permettent rapidement de
faire le choix de se diriger vers une turbine de petite taille. De ce fait, plusieurs fabricants ont été
contactés afin de trouver la turbine la mieux adaptée. Cependant, après de nombreuses demandes auprès
de fournisseurs tels que Siemens, Baxter Energy, QNPower, Technolab SA, Doosan Škoda Power ou
encore General Electric, aucune turbine adéquate n’a été trouvée. Effectivement le débit, la pression et
les températures disponibles étaient trop faibles pour le fonctionnement des turbines fabriquées par ces
constructeurs. Technolab SA est une des seules compagnies à proposer des maquettes mettant en
évidence des microturbines. Cependant les caractéristiques de la vapeur acceptables pour le
fonctionnement de ces dernières étaient cette fois-ci trop faibles pour que cela soit intéressant.
C’est auprès d’un fabricant hollandais qu’une turbine a finalement été trouvée. Il s’agit d’une petite
entreprise du nom de Green Turbine spécialisée dans le développement et la fabrication de microturbine
à vapeur. Elle propose deux modèles distincts pouvant produire 1.5 [kWe] ou 15 [kWe], ceci si les
conditions nécessaires sont réunies. Selon les valeurs présentées précédemment et après discussion avec
le fabricant, c’est la turbine 15 [kWe] qui est choisie pour le développement du stand de vapeur
surchauffée.
Il s’agit d’un kit comprenant plusieurs éléments nécessaires au fonctionnement d’une installation de
production d’électricité par le biais de la vapeur. Ces derniers sont montés sur un châssis et sont vendus
déjà assemblés. Voici la liste des composants compris dans l’installation [3] :
Élément Nombre Élément Nombre
Green Turbine 15 [kWe] 1 Transmetteur de pression 1
Condenseur 1 Transmetteur de température de la vapeur 1
Pompe à vide 1
Transmetteur de température des
condensats 1
Pressostat 1 Réservoirs sous vide 2
Pompe de condensat 1 Robinet d’arrêt entre les réservoirs 1
Pompe de refroidissement 1
Robinet de mise à la pression
atmosphérique 1
Débitmètre sur refroidissement 1
Connexions pour refroidissement du
générateur 1
Séparateur 1 PLC Hitachi pour régulation du kit 1
Purgeur à flotteur 1 HMI Exor pour visualisation 1
Robinet thermostatique 1 Jauge de lecture de la vitesse 1
Robinet de sécurité (contrôle de
la vitesse) 1
Inductance pour haute tension et haute
fréquence de sortie (armoire électrique) 6
Soupape de sûreté 1 Armoire électrique 1
Buses de contrôle pour
injections vapeur (1 à 6) 3
Variateur 3 phases 400 V + câble de
connexion pour réseau 1
Tableau 3 : Récapitulatif des composants du kit Green Turbine 15 kWe
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Suite à une discussion avec le fabricant, un manuel d’installation a été fourni [4]. Il traite des aspects de
sécurité, d’implantation, de montage, de fonctionnement et d’utilisation. Toutes les informations utiles
contenues dans ce document serviront à expliquer au mieux le fonctionnement des différents points liés
à ce kit de turbine.
L’installation étant assez récente, les photos mises à disposition par le fabricant ne sont pas nombreuses.
Néanmoins, certaines d’entre elles mettent en évidence quelques composants du système. Comme la
figure 2 ci-dessous, d’autres images issues du manuel d’installation permettront par la suite de préciser
certains détails importants.
Figure 2 : Photo du Kit Green Turbine [4]
Le châssis en métal noir qui contient tous les éléments de fonctionnement est composé de pieds dont la
hauteur est modulable pour positionner le système de niveau. Il s’agit d’une installation de petite taille
qui a les dimensions suivantes : 2.2 x 0.75 x 0.50 mètres (hauteur, longueur et largeur) et un poids de
500 [kg]. Selon les informations fournies, les connexions entre les éléments de fonctionnement présents
sur le châssis sont déjà réalisées. Lors de la réception de l’installation, « il suffit » de connecter les 7
entrées et sorties qui seront présentées par la suite.
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5.2 Schéma de principe de la turbine et fonctionnement
Sur la page 14 est dessiné le schéma de principe du système livré par Green Turbine. Plusieurs éléments
indispensables au fonctionnement n’y sont pas représentés. Il s’agit de la bâche d’alimentation, de la
chaudière de production de vapeur saturée, du moyen de surchauffe et du système d’alimentation en eau
de refroidissement. Les schémas entiers de l’installation sont disponibles aux annexes 19.9 et 19.10 en
fonction de la variante. Cette figure 4 met alors en évidence uniquement les composants qui sont inclus
dans le kit.
Comme présenté précédemment sur la figure 2, la connexion de l’alimentation en vapeur surchauffée se
fait sur la partie droite du kit, juste à côté de l’armoire contenant les inductances. C’est à cet endroit que
la vapeur saturée produite par le biais de la chaudière à vapeur puis surchauffée par l’une des variantes
doit être connectée.
Dans le laboratoire de l’école, la vapeur surchauffée produite est acheminée jusqu’au kit puis passe par
un séparateur avant de se diriger vers la turbine. Le nombre d’entrées dans la turbine est variable et peut
évoluer entre 1 et 6 en fonction de l’utilisation. Ensuite, la vapeur sort de la turbine dans une condition
sous vide et est dirigée vers le condenseur. C’est à travers ce dernier que la vapeur condensera pour se
retrouver sous forme de condensat toujours dans une condition sous vide. La condensation se fait à l’aide
d’un circuit d’eau de refroidissement connecté à une pompe qui alimente le condenseur. De plus, ce
circuit d’eau froide permet de refroidir le générateur présent sur la turbine.
Après le condenseur, une pompe sous vide est présente de manière à maintenir le vide dans la turbine,
le condenseur et les deux réservoirs. Le premier réservoir sous vide (celui en position haute) collecte le
condensat. Avec l’aide de la pompe de condensat, l’eau s’écoule jusqu’au second réservoir qui lui aussi
est sous vide. Sur la base d’un intervalle défini, le deuxième vase sera isolé par rapport au premier afin
de faire augmenter la pression au niveau atmosphérique. Ceci par le biais d’un robinet de mise à
l’atmosphère afin de pouvoir pomper les condensats et les renvoyer vers la bâche d’alimentation.
En résumé, les 7 connexions à effectuer lors de l’installation du kit Green Turbine 15 [kWe] sont les
suivantes :
1. Une entrée pour l’alimentation en vapeur surchauffée
2. Une sortie pour les condensats issus du séparateur
3. Une sortie pour les condensats issus du condenseur
4. Une entrée pour le circuit de refroidissement
5. Une sortie pour le circuit de refroidissement
6. Une connexion électrique
7. Une sortie pour la soupape de sûreté
Plusieurs éléments importants sont à préciser en ce qui concerne l’installation et le branchement de la
tuyauterie sur le kit. Notamment au niveau des matériaux et du type de raccords utilisés en fonction de
l’entrée ou de la sortie considérée.
Il s’agit d’une turbine à impulsion de type axial, basé sur le principe de Laval qui possède deux
générateurs à haute vitesse. Cette turbine à roues tournantes opposées utilise un débit de vapeur
surchauffée d’environ 180 [kg/h].
La vapeur peut entrer dans la turbine par l’intermédiaire d’une jusqu’à six buses d’injection (ajout
possible de buses d’entrées). À ce moment, la vapeur est soufflée sur les roues qui tournent à une grande
vitesse. Elles sont positionnées au milieu de la turbine et chacune d’entre elles tourne sur un arbre séparé
qui est connecté à un générateur. Ces derniers se situent chacun d’un côté du boîtier de turbine où se
trouvent les roues.
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À la sortie du générateur, il y a 3 phases AC 866 [Hz] à une vitesse de rotation de 26'000 [tr/min]. Dans
le kit, la turbine est connectée à un variateur de fréquence avec une sortie de 230/380 [V] et 3 phases.
Le branchement s’effectue sur le bornier X0, avec les 3 phases, le neutre et la terre. Voici une image qui
illustre l’endroit où les connexions électriques peuvent être câblées :
Figure 3 : Bornier pour les connexions de la production d'électricité [4]
L’utilisation de l’électricité générée par la turbine pourrait soit se faire à l’interne du laboratoire au
travers d’une application quelconque, soit être réinjectée dans le réseau. Le problème principal à ce
niveau est le fait que la turbine ne fonctionnerait pas toute la journée. En effet, elle serait utilisée
uniquement lors de laboratoires ou de démonstrations. Ce qui signifie que la production d’électricité ne
serait pas continue. De ce fait, le consommateur ne serait alimenté que par moments, ce qui pourrait
poser problème dans un laboratoire. C’est la raison principale qui permet de dire que réinjecter
l’électricité produite dans le réseau est une solution. Toutefois s’il s’agit uniquement d’utiliser l’énergie
produite, un moteur électrique pourrait tout à fait répondre au besoin.
Dans le cas où le projet venait à être réalisé, certaines démarches doivent être faites pour obtenir
l’autorisation d’injecter la production d’électricité dans le réseau. Ceci permettrait notamment de
bénéficier de la Rétribution à Prix Coûtant du courant injecté (RPC). Selon le document mis à disposition
par la Romande Énergie [5], il est effectivement possible d’injecter la totalité de sa production dans le
réseau ou de la vendre à un tiers.
Le client doit informer la Romande Énergie du choix de son modèle de raccordement 3 mois à l’avance,
ceci par le biais de leur site internet. Dans le cas de la production d’électricité avec la turbine à vapeur,
le modèle choisi serait « Injection totale ». Deux compteurs sont nécessaires, un qui permet de mesurer
la consommation et l’autre de mesurer la production d’énergie.
En ce qui concerne la rémunération, puisque l’installation serait mise en service après le 1er juillet 2015,
le prix de reprise tient compte de l’agent énergétique. L’Institut de Génie thermique pourrait recevoir
3.87 [ct/kWh] d’énergie électrique réinjectée [5].
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Figure 4 : Schéma de principe du kit Green Turbine [4]
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Sur la figure 5 ci-dessous, une autre vue de l’installation permet de visualiser l’implantation d’autres
éléments de fonctionnement ou les mêmes que précédemment mais sous un autre angle. Ceci permet de
se rendre compte de la géométrie de l’installation et de l’encombrement.
Figure 5 : Éléments de fonctionnement du kit Green Turbine [4]
Le positionnement des éléments sur le châssis est important et doit être pris en compte. Ceci pour une
bonne raison, lors de l’implantation dans le laboratoire le raccordement doit pouvoir être effectué le plus
simplement possible.
5.3 Description technique
Voici les caractéristiques principales en ce qui concerne la vapeur surchauffée utilisée avec la
microturbine :
Conditions d’entrée dans la turbine Vapeur surchauffée 10-12 [barA] à 200-220 [°C]
Conditions à la sortie de la turbine Vapeur saturée 0.1 [barA] à 45 [°C]
Consommation de vapeur (pour 15 kW) Débit de 0.05 [kg/s], 180 [kg/h]
Taux de vapeur de base Environ 9.8 [kg/kWh] après rectification
Conditions d’entrée du circuit d’eau froide Eau du réseau à 10 [°C] à environ 245 [l/h]
Puissance à la sortie
3 phases AC 1’000 [Hz] et 3 phases AC 50 [Hz]
après rectification.
Modulable de 2.5 à 15 [kW]
Vitesse de la vapeur après les buses Supérieure à 1'000 [m/s]
Température dans le boîtier de turbine Environ 45 [°C]
Tableau 4 : Caractéristiques techniques de la microturbine
Le débit massique de vapeur indiqué dans le manuel d’installation est de 0.04 [kg/s]. Cependant, après
discussion avec le fournisseur, il s’avère que cette valeur est plus élevée avec 0.05 [kg/s].
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Le tableau 4 met en évidence les conditions requises pour la vapeur surchauffée avant l’entrée dans la
turbine. Dans l’IGT, les caractéristiques disponibles pour la vapeur ne sont pas tout à fait égales à celles-
ci. Effectivement la pression utilisée pour le dimensionnement est de 8 [barA], ce qui correspond à une
différence de 4 [bar] par rapport à la pression la plus élevée admissible par le kit.
Après discussion avec le fournisseur, il s’avère que l’utilisation est tout de même possible avec des
pressions moins importantes. Le seul impact serait une production d’électricité moins conséquente que
dans les conditions nominales. La température de surchauffe étant tout de même atteignable avec des
pressions moins grandes, cela ne représente pas de problème au niveau du fonctionnement.
La turbine pourrait même fonctionner avec de la vapeur saturée, toutefois il faudrait s’assurer qu’elle
est sèche à 99.5 %. Pour prendre le moins de risque possible, il est préférable de la surchauffer à une
température de 10 à 40 [°C] plus élevée que celle de saturation.
5.4 Manuel d’installation, sécurité, conseils, conditions d’utilisation
5.4.1 Manuel d’installation
Le fabricant met à disposition un manuel d’installation en anglais qui vise principalement à aider le
client à utiliser le système de manière sûre et efficace. Dans un premier temps, une section permet de
comprendre comment l’utiliser et qui contacter en cas de problèmes ou de questions. Tous les aspects
ne sont pas couverts par ce document, cependant il permet une approche suffisante.
Comme mentionné plus tôt, toutes les indications citées dans ce travail concernant le kit Green Turbine
sont issues de cette documentation [4]. Puisque le but n’est pas de copier les informations, seulement
les plus importantes seront mentionnées. Les autres étant disponibles à l’annexe 19.8 dans le document
complet (en anglais).
5.4.2 Aspects sécuritaires, conseils et conditions d’utilisation
Lorsqu’un système de ce genre est utilisé, il est impératif que le personnel qui le manipule soit au courant
de points essentiels à respecter et qu’ils aient une compréhension parfaite du système. Ces derniers sont
nombreux et n’ont pas tous la même importance, cependant ils doivent tout de même être respectés et
appliqués.
Une installation correcte est vitale pour un bon fonctionnement. C’est pour cette raison qu’un personnel
compétent et expérimenté doit être employé pendant l’installation. Cela signifie qu’ils doivent être
certifiés pour travailler selon la norme NEN-EN-ISO 4023 : 2009. Il s’agit d’une norme relative aux
tuyaux et flexible en caoutchouc pour la vapeur.
Voici les principaux points :
- Ne jamais connecter à l’alimentation en vapeur du kit une source avec une pression et une
température inconnues.
- Un espace suffisant doit être prévu autour et en dessus du système, pour permettre une
installation et une maintenance appropriées.
- Installation verticale uniquement.
- Aucun changement de composants n’est autorisé mis à part si cela est en accord avec Green
Turbine.
- En raison de problèmes de sécurité, tels que le risque d'explosion ou d'empoisonnement du
personnel, la turbine ne peut être utilisée avec aucun autre fluide moteur que la vapeur.
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- Une mauvaise installation des tuyaux peut entraîner des dysfonctionnements du système global.
- L’installation ne doit pas être implantée dans un endroit où la température peut atteindre les 0
[°C] ou moins, un environnement sans gel est impératif. De même pour une température trop
élevée, elle ne doit pas dépasser les 35 [°C]. Elle ne doit pas non plus être utilisée dans un endroit
où de la moisissure ou de l’eau peuvent entrer en contact avec la turbine.
- Il est supposé que le client possède un programme de sécurité basé sur une analyse approfondie
des dangers industriels. Avant d’installer l’élément, il est conseillé de revoir le programme de
sécurité pour assurer qu’il couvre les dangers liés aux machines rotatives. Voir norme SN-EN-
ISO 12100.
- Le générateur de vapeur doit être équipé d’une soupape de sûreté qui peut être utilisée en cas
d’urgence pour stopper la production de vapeur.
- Ne pas effectuer de modification sur le système PLC (Programmable Logic Controller) ou
installer des composants supplémentaires sur le kit. Cela pourrait engendrer des situations
dangereuses et imprévisibles. La turbine ne doit jamais être utilisée en contournant les sécurités
ou les éléments de fonctionnement.
- Effectuer un contrôle régulier des protections, des dispositifs d’arrêts et des protections de
surpression est indispensable pour une utilisation sûre.
- Le système PLC protège l’installation contre les vitesses trop importantes ou encore les
surtensions. Lors d’une vitesse trop élevée, une erreur apparaît et la turbine s’arrête
immédiatement. Il est absolument essentiel que tout le système PLC soit en condition pour
fonctionner de manière optimale en cas de besoin.
- Le système PLC indique une erreur si la qualité de la vapeur requise n’est pas adaptée pour les
conditions de fonctionnement.
- La soupape de sûreté ne doit en aucun cas être bloquée.
- Une vérification complète de l’installation doit être effectuée avant toute utilisation de la
turbine. Les sécurités ainsi que les fonctions de contrôle doivent avoir été vérifiées.
- Ne pas serrer les raccordements trop fort, notamment sur l’alimentation vapeur, cela peut
engendrer des risques de ruptures (si fileté, mettre du téflon).
- Attention à la température de l’eau de refroidissement à la sortie du condenseur, elle n’est pas
censée atteindre des températures trop élevées (45 [°C] maximum). La géométrie et la surface
de l’échangeur n’étant pas connues, un test en fonctionnement serait nécessaire pour déterminer
la température en sortie. Elle doit être au maximum de 60 [°C], la température de l’eau dans les
égouts ne doit pas dépasser les 40 [°C] après mélange [6].
- La qualité de l’eau d’alimentation de la chaudière se doit d’être déminéralisée et vérifiée
périodiquement.
Si tous ces points sont respectés, l’utilisation de la turbine est en bonne voie. Néanmoins, le fait de lire
le manuel en entier avant de faire fonctionner la machine est indispensable. Même si les indications ne
sont pas disponibles en français, l’effort de compréhension est nécessaire pour des questions de sécurité
et de fonctionnement.
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5.5 Installation et raccordement
Sur les figures précédentes qui montrent les éléments qui composent le kit, il paraît clair que la tuyauterie
n’est pas identique partout. Effectivement, un mélange de tuyauterie flexible et rigide a été utilisé pour
le raccordement. Cependant, le fabricant spécifie qu’en fonctionnement rien ne vibre et qu’il est possible
d’utiliser uniquement des tuyaux rigides. Ceci permet notamment de simplifier le raccordement et
d’homogénéiser le type de matériel utilisé.
Afin de reprendre la même structure, les 7 connexions sont citées dans le même ordre que celui présenté
au point 5.2 (selon le manuel du fabricant) :
1. Alimentation en vapeur surchauffée : Tuyau rigide fileté DN20
2. Condensat issu du séparateur : Tuyau rigide fileté DN15
3. Condensat issu du condenseur (pompe de condensat) Tuyau flexible 19 [mm] de diamètre
4. Circuit de refroidissement (entrée) : Tuyau flexible 52 [mm] de diamètre
5. Circuit de refroidissement (sortie) : Tuyau flexible 52 [mm] de diamètre
6. Une connexion électrique : 3 x 400 [V] sur bornier
7. Soupape de sûreté : Tuyau rigide fileté DN20
Puisqu’il a été décidé que certaines connexions ci-dessus seraient modifiées, des précisions sont données
au niveau du montage des raccords. Les fiches techniques respectives des éléments utilisés sont
disponibles à l’annexe 19.13.
5.5.1 Alimentation en vapeur surchauffée
L’entrée de l’alimentation en vapeur surchauffée du kit est un tuyau rigide avec un filetage DN20 (3/4’’)
et la conduite de vapeur surchauffée en DN 25 (1’’) (voir point 8.8.7). Pour raccorder cette partie du
système tout en gardant la même base que le fournisseur, il existe un élément produit par Hans Kohler
AG. Il s’agit d’un « bout à souder » avec un filetage plus petit, ainsi le tuyau DN25 peut être soudé à cet
élément puis visé au kit avec du DN20. Voici une image qui illustre sa géométrie :
Figure 6 : Bout à souder plus grand que le filetage [7]
5.5.2 Condensat issu du séparateur et soupape de sûreté
Le condensat qui provient du séparateur avant l’entrée dans la turbine ainsi que la sortie pour la soupape
de sûreté sont respectivement des conduites rigides filetées DN15 (1/2’’) et DN20 (3/4’’). Les tuyaux
de retour de condensat et de sortie vers l’extérieur pour la soupape sont du même diamètre que leur
connexion respective (voir point 8.8.7). Cela permet de simplement raccorder les connexions entre les
tubes et le kit avec un manchon à souder avec un filetage du côté kit turbine. Les deux côtés de l’élément
ont le même diamètre, voici une illustration et sa géométrie :
Figure 7 : Manchon à souder, filetage femelle, égal [7]
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5.5.3 Condensat issu du condenseur (pompe de condensat)
Pour ce raccordement, le fournisseur prévoit un tuyau flexible de 19
[mm] de diamètre. Il a été décidé de le remplacer par une conduite
rigide. Pour ce faire, il est nécessaire d’enlever le raccord pour tube
flexible déjà présent sur la pompe de retour des condensats. Le
diamètre de la connexion sur la pompe n’étant pas connu, seuls le
type d’élément et la dimension du diamètre opposé peuvent être
choisis. Il faudrait vérifier la taille de la connexion sur la pompe lors
de la réception du kit et commander le raccord en fonction. Il
s’agirait alors d’une réduction d’un diamètre indéfini d’un côté et
DN20 (3/4’’) femelle de l’autre. Ci-contre, une photo du composant
en question :
Figure 8 : Mamelon de réduction mâle/femelle [8]
Ensuite, pour connecter la tuyauterie de retour du condensat à la réduction, un raccord mobile fileté
DN20 (3/4’’) mâle et femelle peut être utilisé. De cette manière, en cas de maintenance ou de problème
avec la pompe la partie tuyauterie peut être déconnectée sans problème. De même que pour les autres
éléments, voici une photo et la géométrie :
Figure 9 : Raccord mobile mâle/femelle [7]
5.5.4 Circuit de refroidissement (entrée et sortie)
En ce qui concerne le circuit de refroidissement, il entre à nouveau dans une pompe de circulation, passe
dans l’échangeur pour ensuite en sortir et aller à l’égout. Pour ces deux connexions, le même raccord
qu’au point 5.5.3 est utilisé. Il s’agit du mamelon de réduction dont les dimensions côté kit sont à
nouveau inconnues et de DN20 (3/4’’) côté tuyauterie. Le choix se ferait donc aussi lors de la réception
du système. Cette fois-ci, une vis de rappel DN20 (3/4’’) et 22 [mm] à visser dans la réduction et à sertir
sur la tuyauterie Optipress du réseau d’eau est utilisée. Ainsi, il est à nouveau possible de dévisser le
raccord en cas de problèmes ou autres.
Figure 10 : Vis de rappel Optipress [9]
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6 Calcul de la puissance de surchauffe
Comme la puissance de chauffage nécessaire est connue, autrement dit le débit et la pression de vapeur,
la puissance de surchauffe peut être déterminée. Les caractéristiques de la turbine étant définies, la
valeur maximale de fonctionnement pour la température l’est aussi. Tout d’abord, il a été nécessaire de
fixer une température à laquelle la vapeur saturée doit être surchauffée, ceci toujours à la même pression.
La température de 220 [°C] a été choisie, elle correspond au maximum acceptable en fonctionnement
nominal.
Pression
[barA]
Température vap.
surchauffée [°C]
Débit vapeur
[kg/h]
Enthalpie de vapeur
surchauffée h [kJ/kg]
8 220 250 2’885
Tableau 5 : Caractéristiques de la vapeur surchauffée à l'entrée de la microturbine
Afin d’obtenir une vapeur surchauffée ayant les caractéristiques citées précédemment, une certaine
puissance de surchauffe est nécessaire. Cette dernière est indépendante du moyen utilisé pour atteindre
la température cible, elle sera donc identique peu importe la variante. Les enthalpies respectives de la
vapeur saturée et surchauffée à des températures et des pressions définies sont connues et présentées
dans le tableau 2 et le tableau 5. Le débit de vapeur étant lui aussi connu, il est possible de calculer la
puissance nécessaire à la surchauffe à l’aide de l’équation suivante :
Puissance de
surchauffe : ��𝑠𝑢𝑟𝑐ℎ𝑎𝑢𝑓𝑓𝑒 = ��𝑣𝑎𝑝 ∙ (ℎ𝑣𝑎𝑝.𝑠𝑢𝑟𝑐ℎ. − ℎ
′′) (2)
Équation 2 : Calcul de la puissance nécessaire à la surchauffe
��𝑠𝑢𝑟𝑐ℎ𝑎𝑢𝑓𝑓𝑒 = 250
3600∙ (2885 − 2768) = 8.1 [𝑘𝑊]
Puisqu’à 8 [barA] la température de la vapeur est de 170 [°C] la puissance calculée ci-dessus
correspondrait à une surchauffe de 50 [°C]. Une surchauffe de 40 [°C] serait suffisante cependant c’est
la température maximale de travail de 220 [°C] qui est utilisée pour le dimensionnement. De la même
manière pour le débit de vapeur, une valeur de 180 [kg/h] serait suffisante, cependant c’est la valeur
maximale qui est considérée. Ainsi, si le système est capable de surchauffer la vapeur dans les conditions
calculées, il le sera automatiquement avec un débit et une température cible plus faibles.
Que la surchauffe s’effectue au moyen d’un échangeur huile-vapeur, d’un surchauffeur électrique ou
d’une récupération sur les gaz de fumées, c’est cette valeur qui sera considérée. Certes, la puissance sera
un peu trop élevée mais cela simplifiera les recherches des moyens de surchauffe.
Cela permet aussi de conserver une certaine marge de manœuvre sur la régulation de la température de
la vapeur surchauffée. En effet, il est impératif que la valeur soit atteinte sans quoi le fonctionnement
du système ne serait pas optimal. En plus de ne pas être efficace, cela pourrait poser des problèmes au
niveau de la turbine d’un point de vue mécanique.
Ci-dessous, le même diagramme que celui utilisé précédemment pour le chauffage. Cette fois-ci, il met
en évidence la surchauffe de la vapeur.
Comme pour l’équation 1, la puissance de surchauffe calculée est basée sur le débit maximum disponible
avec cette chaudière. À nouveau, la raison principale est développée au point 7.
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Graphique 2 : Diagramme T-S mettant en évidence la surchauffe maximale avant l'entrée dans la turbine [2]
Surchauffe
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7 Puissance électrique
Comme spécifié précédemment, les conditions disponibles dans le laboratoire ne sont pas celles qui sont
nécessaires pour une production électrique de 15 [kWe]. Cela signifie que la puissance électrique
produite par la turbine avec une pression de 8 [barA] et une température de vapeur surchauffée de 200
[°C] sera moins élevée (valeur de la surchauffe idéale selon fabricant). Le graphique 3 montre la
différence entre un fonctionnement dans la plage de pression et de température indiquées par le fabricant
et les conditions pouvant être obtenues en laboratoire. Après discussion et confirmation du fournisseur,
il s’avère que les conditions optimales de fonctionnement ne sont pas réunies à la pression maximale de
fonctionnement. En effet, la meilleure production est obtenue à une pression de 10 [barA] et une
température de 200 [°C]. Le débit que la turbine est capable de consommer à cette pression est de 0.05
[kg/s]. De plus, une information très importante au niveau de la turbine est connue, il s’agit du rendement
isentropique qui est de 50%. Connaissant ces valeurs et en relevant les enthalpies correspondantes, il est
possible de calculer la puissance fournie par la turbine dans les meilleures conditions. Premièrement,
l’enthalpie h2,10barA peut être déterminée à l’aide des valeurs lues sur le graphique 3 et du site TLV [1].
Enthalpie en
fonctionnement
réel :
ℎ2,0.1𝑏𝑎𝑟𝐴 = 𝜂𝑖𝑠 ∙ (ℎ2𝑠,0.1𝑏𝑎𝑟𝐴 − ℎ1,10𝑏𝑎𝑟𝐴) + ℎ1,10𝑏𝑎𝑟𝐴 (3)
Équation 3 : Calcul de l'enthalpie en fonctionnement réel
ℎ2,10𝑏𝑎𝑟𝐴 = 0.5 ∙ (2′120 − 2′828) + 2′828 = 2′474 [𝑘𝐽/𝑘𝑔]
Sur la base de ces valeurs, la puissance mécanique de la turbine peut être déterminée selon l’équation
suivante :
Puissance
mécanique turbine : 𝑃𝑚é𝑐 = ��𝑣𝑎𝑝 ∙ (ℎ1,10𝑏𝑎𝑟𝐴 − ℎ2,0.1𝑏𝑎𝑟𝐴) (4)
Équation 4 : Calcul de la puissance mécanique
𝑃𝑚é𝑐 = 0.05 ∙ (2′828 − 2′474) = 17.7 [𝑘𝑊]
Toujours selon le fournisseur [4], le rendement du générateur est d’environ 85 %. Il est alors possible
de calculer la puissance électrique à la sortie du générateur :
Puissance
électrique : 𝑃é𝑙𝑒𝑐 = 𝑃𝑚é𝑐 ∙ 𝜂𝑔é𝑛é𝑟𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟 (5)
Équation 5 : Calcul de la puissance électrique
𝑃é𝑙𝑒𝑐 = 17.7 ∙ 0.85 = 15 [𝑘𝑊]
Maintenant que le calcul de la puissance disponible dans les conditions optimales a été démontré, il est
possible de déterminer la puissance qui serait disponible dans le laboratoire (sans tenir compte des pertes
de charge). Si les conditions définies en haut de page sont considérées, les valeurs des enthalpies ainsi
que celle du débit vont changer. Si le cycle de référence de 10 [barA] est considéré, que le rendement
isentrope et la température de condensation ne varient pas, il est possible de tracer le cycle pour 8 [barA].
Les valeurs des enthalpies sont indiquées dans le tableau 6 et directement reportées sur le graphique 3
pour les deux cycles. Elles ont toutes été soit déterminées graphiquement soit à l’aide de l’équation 3.
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En ce qui concerne le débit massique, il va diminuer si la pression est inférieure (8 [barA]). En effet, la
turbine provoquant une perte de charge trop grande, la pression n’est plus assez élevée pour fournir les
0.05 [kg/s]. Pour remédier à ce problème, une buse supplémentaire devrait être installée sur la turbine.
Plus le nombre de buses augmente, plus le débit que la microturbine est capable de consommer fait de
même. C’est pour cette raison que le calcul des puissances de chauffage et de surchauffe est basé sur la
valeur maximum disponible. Ainsi si une augmentation de la production d’électricité par la turbine est
envisagée, les appareils de surchauffe seraient capables de fournir la puissance nécessaire. De plus,
comme déjà cité, trouver des appareils d’une puissance encore plus faible que celle considérée en
fonctionnement maximum devient difficile.
Cependant, il n’est pas possible de connaître le débit à 8 [barA] précisément sans effectuer des tests
directement sur l’installation. C’est pourquoi, Green Turbine a été contacté mais n’a répondu qu’à une
partie de la question. La valeur qui a été fournie est uniquement celle de la puissance électrique qui
pourrait être obtenue dans ces conditions. Celle-ci est d’approximativement 11 [kWe], il est donc
possible de recalculer le débit à partir de cette valeur et des enthalpies. Ceci selon l’équation 5 qui permet
de trouver une puissance mécanique de 13 [kW]. Ensuite, le débit peut lui aussi être déterminé sur la
base de l’équation 4 à nouveau par transformation de formule, il est de 0.04 [kg/s]. Cependant, celui qui
sera utilisé pour les calculs de dimensionnement est celui pour un fonctionnement optimal.
Voici le tableau qui récapitule la valeur des enthalpies utilisées pour les calculs en fonction de la pression
considérée :
Puissance Débit Enthalpie Valeur Unité
15 kWe 0,05 kg/s
h1,10barA 2'828
[kJ/kg]
h2s,0.1barA 2'120
h2,0.1barA 2'474
11 kWe 0,04 kg/s
h1,8barA 2'839
h2s,0.1barA 2'182
h2,0.1barA 2'511
Tableau 6 : Résumé des enthalpies utilisées en fonction des conditions de fonctionnement
Attention, les enthalpies h2s,0.1barA et h2,0.1barA n’ont pas les mêmes valeurs à 8 [barA] ou à 10 [barA].
En ce qui concerne la différence de puissance qu’il est possible de fournir, elle est de 4 [kW] selon les
informations données par le fournisseur. Cette valeur n’est pas très élevée, mais sur une production déjà
faible au départ, la perte n’est pas négligeable.
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Graphique 3 : Diagramme T-S comparant un cycle à 10 barA et un cycle à 8 barA [2]
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8 Première variante : Chaudière à huile HTT
8.1 Présentation de la chaudière
Il s’agit d’une chaudière HTT type CPS 09-5-100-1 de 1994. Elle se situe dans le laboratoire U44 et
utilise les propriétés de l’huile thermique qui lui permettent d’atteindre des températures élevées. Une
fois que ce fluide caloporteur a atteint une température suffisante, il peut être utilisé afin de chauffer un
autre fluide de travail par échange de chaleur. Cette chaudière pourrait alors être utilisée pour surchauffer
la vapeur saturée disponible dans le laboratoire.
Voici les différentes caractéristiques fournies par le fabricant de la chaudière à huile thermique :
Unité
Puissance
Chauffage (pouvant être câblée, mais pas le cas actuellement) 100 [kW]
Chauffage connecté 75 [kW]
Refroidissement 46 [kW]
Température
Température min. 80 [°C]
Température max. 300 [°C]
Pression
Pression de service 10 [bar]
Équipement
Raccord réchauffeur DN 50 [-]
Raccord réchauffeur PN 16 [bar]
Fluide caloporteur (huile thermique)
Syltherm 800 - [-]
Capacité agrégat 200 [ltr.]
Vase d’expansion
Capacité 150 [ltr.]
Température 300 [°C]
Pression de service 6 [bar]
Pompe de circulation
Débit du fluide 12 [m3/h]
Puissance 2.2 [kW]
Tableau 7 : Caractéristiques de fonctionnement de la chaudière à huile thermique.
Comme indiqué dans le tableau 7, la chaudière à huile ne fonctionne pas au maximum de ses capacités,
ceci pour différentes raisons internes au laboratoire. L’énergie électrique de 75 [kW] (maximum au sein
du laboratoire) est utilisée afin de chauffer l’huile thermique par l’intermédiaire de corps de chauffe
(agrégat). La température peut être fixée à l’aide d’un régulateur présent sur le panneau de commande.
Une fois la température cible atteinte, l’huile chauffée est dirigée vers un robinet trois voies qui régule
le débit en fonction du consommateur. Ce robinet permet non seulement d’alimenter le consommateur,
mais aussi de rediriger le fluide vers la chaudière.
Un vase d’expansion rempli avec de l’azote est raccordé au circuit afin de remédier aux variations de
volume du fluide caloporteur. Il permet aussi d’imposer une pression de fonctionnement au système de
manière à ce que l’huile reste sous sa forme liquide.
Jonathan Gamba
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8.2 Caractéristiques et choix de l’huile thermique
Le type d’huile thermique présente dans la chaudière n’est pas connu à ce jour, il est possible qu’il
s’agisse de Calflo HTF ou alors de Syltherm 800. La possibilité qu’un mélange des deux types d’huiles
soit présent dans le système ne peut pas être exclue. De plus, elle est présente dans l’installation depuis
un certain temps, ce qui pose un problème conséquent au niveau de ses propriétés. Effectivement, cela
signifie que même en déterminant le type d’huile dont il s’agit, ces dernières ne seraient sans doute plus
identiques à celles disponibles dans la littérature.
Bien qu’un stock d’huile soit disponible dans le laboratoire, le même problème subsiste, aucune
indication sur le type n’est disponible. Un changement total de l’huile aurait pu être entrepris, cependant
en plus de ne pas en connaître l’origine la quantité disponible ne serait sans doute pas suffisante.
Ce sont les raisons pour lesquelles même s’il était possible de déterminer ses caractéristiques, une
vidange totale de l’huile de l’installation et un remplacement par une huile neuve sont préférables. Ceci
en cas de réelle utilisation du système. De cette manière, les propriétés de l’huile seraient connues et
ainsi aucun doute ne persisterait à ce sujet. Tous les calculs de dimensionnement ont été effectués à
partir de l’huile Syltherm 800 dont les caractéristiques sont disponibles en ligne [10] et dont la démarche
de sélection sera détaillée par la suite. Il est important de mentionner que toute la base de l’étude de
cette variante repose sur cette huile. Donc, en cas de réalisation du projet il est impératif de procéder à
la vidange et au remplacement de celle présente dans le système.
Concernant le choix de la nouvelle huile, plusieurs fournisseurs conseillent certains types en fonction
des températures de fonctionnement. Différents fluides sont répertoriés en fonction de leur composition,
les fluides organiques synthétiques, silicone ou encore ceux à base de glycol inhibé.
Selon l’entreprise Dow Oil and Gas [10], si l’application de transfert de chaleur réclame une température
maximum d’utilisation supérieure à 175 [°C], un fluide organique haute température ou un fluide
silicone est recommandé. Effectivement, ils sont spécialement conçus pour être thermiquement stables
à de hautes températures pouvant atteindre jusqu’à 400 [°C]. Le fait que les pressions de vapeur soient
bien inférieures à celles de la vapeur d’eau lorsqu’ils sont amenés à ces températures rend leur utilisation
moins chère et plus pratique. De plus les plages de température de fonctionnement de certains fluides
tels que les fluides DOWTHERM et SYLTHERM sont étendues. La stabilité des fluides à haute
température, la pompabilité à basse température ainsi que le transfert de chaleur sont aussi des
paramètres déterminants lors du choix d’un fluide caloporteur. Les deux types cités ont l’avantage
d’offrir toutes ces caractéristiques, c’est pourquoi l’un d’entre eux a été choisi pour permettre la
production de vapeur surchauffée.
Plusieurs critères doivent être pris en compte lors du choix d’un fluide, qu’il s’agisse d’un DOWTHERM
ou d’un SYLTHERM. Il est recommandé de privilégier un type dont la température d’utilisation
maximum recommandée est supérieure à la température de fonctionnement la plus élevée attendue. Ceci
assure un excellent transfert de chaleur ainsi qu’une plus grande durée de vie du fluide. Voici un
graphique comparatif qui permet de mettre en évidence les différences existantes entre chaque type.
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Graphique 4 : Températures de fonctionnement en fonction du type d'huile. [11]
Le stand de vapeur surchauffée nécessite de hautes températures du fluide caloporteur puisque la
température de la vapeur surchauffée doit atteindre une température maximum de 220 [°C]. Cette
température cible est fonction de la turbine à vapeur choisie dans le cadre de ce projet. Le graphique
montre que le fluide silicone SYLTHERM 800 couvre une large plage de température de fonctionnement
qui permettrait de remplir la fonction d’apport en énergie chaleur à la vapeur saturée. De plus, cette huile
présente d’excellentes propriétés de pompabilité à plus basse température en cas d’utilisation dans une
application autre du laboratoire. Finalement, les pressions de fonctionnement liées à ce type de fluide
sont moindres que celles de la vapeur, ce qui limite grandement les risques d’incident.
Jonathan Gamba
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8.3 Test de la chaudière
Le test aurait cette fois-ci pour but de caractériser la chaudière à huile thermique du laboratoire. Cela
permettrait de définir les différentes températures que l’huile peut atteindre et ainsi connaître les limites
de fonctionnement de cette installation.
Tout d’abord, certains points doivent être détaillés de manière à situer le problème. La chaudière est
équipée d’un débitmètre qui ne fournit pas une valeur fiable, une autre méthode devrait alors être utilisée
pour obtenir des valeurs cohérentes.
Pour ce faire, un débitmètre à ultrason représenterait une technologie suffisante et nécessaire.
Cependant, il ne peut pas être utilisé lorsque la température augmente pour des raisons purement
mécaniques, les éléments de fixation ne le supporteraient pas. Il aurait tout de même pu être utilisé pour
une température ambiante de l’huile, c’est-à-dire sans enclencher les résistances électriques de la
chaudière. Ceci même si lorsque la température augmente, les propriétés de l’huile changent, plus
particulièrement sa viscosité. Les différents graphiques et tables disponibles permettraient de déterminer
l’évolution de ces propriétés en fonction de la température. Ensuite, le débit de l’huile aurait pu être
déterminé par calcul.
Sinon, l’installation aurait pu être branchée à un système (échangeur ou autre) permettant de créer une
consommation d’énergie thermique. Ainsi cette dernière aurait pu être quantifiée et à l’aide d’un bilan
thermique sur ce système, le débit massique aurait pu être déterminé.
Ces méthodes auraient permis de quantifier le débit tout en sachant que si la température de l’huile
augmente, sa viscosité doit diminuer et engendrer une augmentation de ce dernier. Le fait de quantifier
cette variation aurait indiqué si elle est négligeable ou alors trop importante pour ne pas en tenir compte.
Cependant, comme mentionné au point 8.2 qui traite des caractéristiques de l’huile thermique, la nature
de celle qui est présente actuellement dans la chaudière n’est pas connue. De plus elle n’est pas récente
ce qui signifie que les propriétés réelles ne correspondent sans doute plus à celle d’une huile neuve.
Comme il a été décidé que l’huile thermique serait totalement remplacée en cas de réalisation du projet,
aucune mesure du débit n’a été effectuée sur cette installation.
Toutefois les températures maximum et minimum sont fournies et suite à une discussion avec M. Carré
(collaborateur scientifique), les températures de fonctionnement optimales se situent entre 200 et 300
[°C].
Concernant le débit, il a été décidé de considérer une valeur plus faible que celle présente sur la plaquette
signalétique de la pompe de circulation. Ceci permet d’utiliser les caractéristiques suivantes pour l’huile
en sortie de chaudière :
Température
huile [°C]
Débit
d’huile
[m3/h]
Chaleur
spécifique
[J/kg∙K]
Masse
volumique
[kg/m³]
Conductivité
thermique
[W/m∙K]
Viscosité
dynamique
[mPa∙s]
250 10 2’001 724 0.0918 0.69
Tableau 8 : Caractéristiques de l'huile thermique en sortie de chaudière
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8.4 Échangeur de chaleur récupéré
8.4.1 Définition et caractéristiques
La chaudière à huile thermique était munie à la base d’un échangeur de chaleur en acier d’une puissance
de refroidissement de 46 [kW]. Comme son nom l’indique, il était normalement utilisé afin de refroidir
l’huile de retour dans la chaudière.
Cependant, il n’est actuellement plus monté sur l’installation pour différentes raisons. Principalement à
cause du débit de 2 [m3/h] nécessaire pour son bon fonctionnement. Du fait du débit d’eau trop faible
disponible dans le laboratoire, des dysfonctionnements sont apparus lors de l’utilisation du système. Il
a été décidé de le démonter et de le remplacer par un simple tube.
Puisqu’il n’est actuellement plus utilisé et à disposition, il pourrait remplir les conditions de
fonctionnement nécessaires à la surchauffe de la vapeur saturée. Effectivement, voici les caractéristiques
présentes sur la plaquette signalétique :
Unité
Puissance
Chauffage (initialement prévu pour le refroidissement c.f. Tableau 7) 46 [kW]
Température
Température min. dans les tubes 80 [°C]
Température max. dans les tubes 300 [°C]
Température min. dans le récipient 80 [°C]
Température max. dans le récipient 300 [°C]
Pression
Pression max dans les tubes 6 [bar]
Pression max dans le récipient 10 [bar]
Surface
Surface d’échange 0.9 [m2]
Capacité
Dans les tubes 3 [ltr.]
Dans le récipient 8 [ltr.]
Tableau 9 : Caractéristiques techniques de l'échangeur de chaleur huile/vapeur
Il s’agit d’un échangeur de chaleur avec un faisceau de tubes en U (6) équipé d’une isolation thermique
(10) qui limite les déperditions de chaleur. À l’intérieur du récipient (7), des chicanes (8) sont disposées
de manière à diriger le fluide ou pour la nouvelle application, la vapeur. Une bride (9) permet le
démontage facilité du couvercle (5) de manière à pouvoir accéder au faisceau de tubes. L’entrée et la
sortie de l’huile thermique se situeraient aux points 3 respectivement 4. Concernant l’entrée et la sortie
de la vapeur, elles se situeraient alors respectivement aux points 1 et 2.
Figure 11 : Schéma de principe de l'échangeur de chaleur huile/eau [12]
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8.4.2 Vérification du fonctionnement
Il est possible de déterminer le nouveau coefficient global de transfert de chaleur U. Effectivement,
celui-ci ne sera pas identique à un fonctionnement entre de l’eau et de l’huile puisque de la vapeur
remplacerait l’eau. La puissance de transfert de chaleur de 46 [kW] présentée ci-dessus n’est pas valable
pour l’utilisation de l’échangeur dans le cadre de ce travail. Plusieurs équations empiriques permettent
d’effectuer un calcul représentatif de cette puissance afin d’obtenir une valeur théorique pour le transfert.
Premièrement, le démontage de l’échangeur a dû être effectué de manière à être en mesure de connaître
sa géométrie plus en détail. Une fois désassemblé, il était clair que l’huile passait dans la partie externe
et que l’eau de refroidissement passait dans les tubes. Ceci pour les raisons suivantes, de l’huile était
encore présente dans le récipient et les entrées et sorties des tubes en U étaient rouillées. De plus, un des
joints qui permettait de séparer les différentes parties de l’échangeur était endommagé. Ces différents
points relevés permettent déjà dans un premier temps de se poser la question de poursuivre ou non la
démarche. En effet, un joint d’étanchéité peu récent devrait être trouvé et commandé, puis un nettoyage
complet de la rouille présente dans les tubes devrait être entrepris. Ces premiers obstacles sont constatés
avant de commencer à effectuer un calcul. En plus de cela, l’échangeur doit répondre à la demande en
chauffage de 8.1 [kW].
Malgré les éléments relevés qui vont à l’encontre de la poursuite de cette solution avec la récupération
de l’échangeur, il est tout de même intéressant de connaître la puissance de surchauffe qu’il pourrait
fournir. C’est pourquoi la vérification de son fonctionnement dans des conditions différentes est
effectuée.
Pour ce faire, la méthode utilisée est issue de la présentation « Dimensionnement d’échangeurs
tubulaires » [13]. Dans un premier temps, il est impératif de définir certaines dimensions et certains
paramètres indispensables aux calculs, ils sont les suivants :
Dimensions de l’échangeur :
Diamètre d’un tube 𝒅𝒕𝒖𝒃𝒆 [m] 0.008
Épaisseur d'un tube é𝒑𝒂𝒊𝒔. [m] 0.002
Longueur d’un tube 𝑳𝒕𝒖𝒃𝒆 [m] 0.45
Nombre de tubes 𝑵𝒃𝒓𝒆𝒕𝒖𝒃𝒆 [-] 52
Tableau 10 : Dimensions internes de l'échangeur
Propriétés du côté de l’huile (à l’intérieur des tubes) :
Température entrée 𝑻𝒊𝒏,𝒉𝒖𝒊𝒍𝒆 [°C] 250
Température sortie 𝑻𝒐𝒖𝒕,𝒉𝒖𝒊𝒍𝒆 [°C] 225
Différence de température ∆T [°C] 25
Débit d’huile dans un tube ��𝒉𝒖𝒊𝒍𝒆 [m³/s] 5.34∙10-5
Masse volumique ρ [kg/m³] 724
Chaleur spécifique cp [J/kg∙K] 2’001
Viscosité dynamique η [Pa∙s] 6.90∙10-4
Viscosité cinématique 𝝂 [m2/s] 9.53∙10-7
Conductivité thermique λ [W/m∙K] 91.8∙10-3
Facteur d'encrassement Rf [m2∙K/W] 9.00∙10-6
Tableau 11 : Propriétés utilisées pour l'huile
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Propriétés du côté de la vapeur (à l’extérieur des tubes) :
Température entrée 𝑻𝒊𝒏,𝒗𝒂𝒑 [°C] 170
Température sortie 𝑻𝒐𝒖𝒕,𝒗𝒂𝒑 [°C] 220
Différence de température ∆T [°C] 50
Débit vapeur ��𝒗𝒂𝒑 [m3/s] 16.7∙10-3
Masse volumique ρ [kg/m3] 4.17
Chaleur spécifique cp [J/kg∙K] 2’495
Viscosité dynamique η [Pa∙s] 1.50∙10-5
Viscosité cinématique 𝝂 [m2/s] 3.60∙10-6
Conductivité thermique λ [W/m∙K] 33.0∙10-3
Facteur d'encrassement Rf [m2∙K/W] 9.00∙10-6
Tableau 12 : Propriétés utilisées pour la vapeur
Ces paramètres étant définis, il est possible de calculer une surface de passage à considérer pour le côté
huile et le côté vapeur. Ceci afin de pouvoir déterminer une vitesse à l’intérieur des tubes respectivement
entre les tubes. Les valeurs utiles aux calculs ont été présentées dans le tableau 10.
Surface de passage pour
l’huile :
𝑆ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 =𝜋 ∙ 𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒
2
4
(6)
Équation 6 : Calcul de la surface de passage d'un tube
𝑆ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 =𝜋 ∙ 0.008²
4= 5.027 ∙ 10−5 [𝑚²]
Vitesse : 𝑣 =��
𝑆 (7)
Équation 7 : Calcul de la vitesse dans un tube
𝑣ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 =5.34 ∙ 10−5
5.027 ∙ 10−5= 1.063 [𝑚/𝑠]
Pour le côté vapeur, afin de simplifier le calcul tout en respectant l’ordre de grandeur, une surface selon
la figure 12 a été considérée. Puisque la vapeur est à l’extérieur des tubes, les dimensions e et L sont
directement mesurées sur l’échangeur pour des valeurs respectivement de 0.007 et 0.160 [m].
Uniquement les quatre espaces principaux sont considérés dans le calcul.
e
L
Figure 12 : Surface considérée pour le passage de la vapeur
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Surface de passage
considérée pour la
vapeur :
𝑆𝑣𝑎𝑝 = 4 ∙ 𝑒𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑠 ∙ 𝐿𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑐ℎ𝑖𝑐𝑎𝑛𝑒 (8)
Équation 8 : Surface de passage de la vapeur
𝑆𝑣𝑎𝑝 = 4 ∙ 0.007 ∙ 0.160 = 4.48 ∙ 10−3 [𝑚²]
Pour calculer la vitesse de la vapeur dans l’échangeur, l’équation 7 est aussi utilisée. Le résultat obtenu
pour cette dernière est de 3.72 [m/s].
Une fois que les vitesses respectives sont connues, le nombre de Reynolds propre à chacun des
écoulements peut être calculé selon la formule suivante :
Nombre de
Reynolds : 𝑅𝑒 =
𝑣 ∙ 𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒𝜈
(9)
Équation 9 : Calcul du Nombre de Reynolds
𝑅𝑒ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 =1.063 ∙ 0.008
9.53 ∙ 10−7= 8′923 [−]
Concernant le côté vapeur, comme il ne s’agit pas d’une section circulaire, il est nécessaire de calculer
un diamètre hydraulique. Ceci selon une formule qui nécessite de définir plusieurs paramètres,
notamment au niveau de la géométrie de l’échangeur. Les deux figures suivantes permettent de les
mettre en évidence.
Avec une valeur pour le Ltp de 0.0175 [m] et un Dt égal au diamètre des tubes précédemment cité, il
est possible de calculer le diamètre hydraulique selon la formule suivante :
Diamètre
hydraulique : 𝑑ℎ,𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 =4 ∙ (0.866 ∙ 𝐿𝑡𝑝
2 −𝜋 ∙ 𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒
2
4 )
𝜋 ∙ 𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒
(10)
Équation 10 : Calcul du diamètre hydraulique pour la vapeur
𝑑ℎ,𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 =4 ∙ (0.866 ∙ 0.01752 −
𝜋 ∙ 0.0082
4 )
𝜋 ∙ 0.008= 0.0342 [𝑚]
Figure 13: Géométrie des tubes et de l'échangeur et grandeurs considérées [13]
Jonathan Gamba
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Ensuite, le calcul du nombre de Reynolds pour le côté vapeur s’effectue à nouveau selon l’équation 9.
Le résultat obtenu dans ce cas est 35'352 [-].
Le nombre de Prandtl est aussi déterminé pour l’huile et la vapeur, ceci selon l’équation suivante :
Nombre de
Prandtl : 𝑃𝑟 =
𝑐𝑝 ∙ 𝜇
𝜆 (11)
Équation 11 : Calcul du Nombre de Prandtl
𝑃𝑟ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 =2′001 ∙ 6.90 ∙ 10−4
0.0918= 15 [−]
Le résultat pour le nombre de Prandtl du côté de la vapeur est obtenu selon la même équation 11 et est
de 1.13 [-].
La suite de la démarche consiste à déterminer le nombre de Nusselt du fluide et du gaz. Les formules
utilisées sont différentes de par le fait que l’huile passe dans les tubes et que la vapeur se répand à
l’intérieur du récipient de l’échangeur.
Concernant l’huile, l’équation utilisée est tirée du support de cours « Calcul et Gestion de Réseaux »
[14] et est la suivante :
Nombre de Nusselt de
l’huile : 𝑁𝑢ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 = 0.023 ∙ 𝑅𝑒ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒
0.8 ∙ 𝑃𝑟ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒0.3 (12)
Équation 12 : Calcul du Nombre de Nusselt côté huile
𝑁𝑢ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 = 0.023 ∙ 89230.8 ∙ 150.3 = 75 [−]
Concernant la vapeur, l’équation utilisée est tirée de la même présentation « Dimensionnement
d’échangeurs tubulaires » [13] qui propose la méthode utilisée pour cette vérification :
Nombre de Nusselt
de la vapeur : 𝑁𝑢𝑣𝑎𝑝 = 0.36 ∙ 𝑅𝑒𝑣𝑎𝑝0.55 ∙ 𝑃𝑟𝑣𝑎𝑝
13 (13)
Équation 13 : Calcul du Nombre de Nusselt côté vapeur
𝑁𝑢𝑣𝑎𝑝 = 0.36 ∙ 35′3520.55 ∙ 1.13
13 = 119 [−]
Une fois ces propriétés connues, il est possible de calculer les coefficients de convection propres à l’huile
et à la vapeur selon l’équation suivante :
Coefficient de
convection : ℎ =
𝑁𝑢 ∙ 𝜆
𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒 (14)
Équation 14 : Calcul du coefficient de convection
ℎℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 =75 ∙ 0.0918
0.008= 861 [
𝑊
𝑚2 ∙ 𝐾]
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Page 34
La même équation 14 est utilisée pour le calcul du coefficient de convection du côté de la vapeur.
Attention toutefois à utiliser le diamètre hydraulique calculé précédemment. La valeur obtenue est de
115 [𝑊
𝑚2∙𝐾].
Toute cette démarche est utile afin d’être en mesure de calculer le coefficient global de transfert de
chaleur U cité précédemment. Il est fonction des deux coefficients de convection ci-dessus, des surfaces
d’échange interne et externe, du diamètre des tubes, de la conductivité thermique de l’acier et de la
résistance due à l’encrassement.
La surface de transfert de chaleur interne est calculée comme suit :
Surface d’échange
interne : 𝑆𝑖 = 𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒 ∙ 𝜋 ∙ 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒 ∙ 𝑁𝑏𝑟𝑒𝑡𝑢𝑏𝑒 (15)
Équation 15 : Calcul de la surface de transfert de chaleur interne
𝑆𝑖 = 0.008 ∙ 𝜋 ∙ 0.45 ∙ 52 = 0.588 [𝑚²]
La surface de transfert de chaleur externe est calculée comme suit :
Surface d’échange
externe : 𝑆𝑒 = (𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒 + 2 ∙ é𝑝𝑎𝑖𝑠. ) ∙ 𝜋 ∙ 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒 ∙ 𝑁𝑏𝑟𝑒𝑡𝑢𝑏𝑒 (16)
Équation 16 : Calcul de la surface de transfert de chaleur externe
𝑆𝑒 = (0.008 + 2 ∙ 0.002) ∙ 𝜋 ∙ 0.45 ∙ 52 = 0.882 [𝑚²]
En partant du principe que le transfert de chaleur est entravé par un certain encrassement, une résistance
Rfint de 9.00∙10-6 [𝑚²∙𝐾
𝑊] pour l’intérieur des tubes et Rfext de 1.70∙10-5[
𝑚²∙𝐾
𝑊] pour l’extérieur des tubes
sont déterminées et utilisées d’après VDIFouling [15]. Ces deux valeurs sont approximatives et ont été
définies selon la précédente utilisation de l’échangeur. C’est-à-dire lorsque de l’eau et de l’huile
circulaient respectivement à l’intérieur et à l’extérieur des tubes. La conductivité thermique de l’acier
λacier est posée à une valeur de 50 [𝑊
𝑚∙𝐾], il est alors possible de calculer le coefficient global de transfert
de chaleur :
Coefficient
global de
transfert de
chaleur :
𝑈 =1
1ℎ𝑣𝑎𝑝
+ 𝑅𝑓𝑒𝑥𝑡 +𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒 ∙ ln (
𝑆𝑒𝑥𝑡𝑆𝑖𝑛𝑡
)
2 ∙ 𝜆𝑎𝑐𝑖𝑒𝑟+𝑆𝑒𝑥𝑡𝑆𝑖𝑛𝑡
∙1
ℎℎ𝑢𝑖𝑙𝑒+𝑆𝑒𝑥𝑡𝑆𝑖𝑛𝑡
∙ 𝑅𝑓𝑖𝑛𝑡
(17)
Équation 17 : Calcul du coefficient global de transfert de chaleur U
𝑈 =1
1115
+ 1.70 ∙ 10−5 +0.008 ∙ ln (
0.8820.588
)
2 ∙ 50+0.8820.588
∙1861 +
0.8820.588
∙ 9.00 ∙ 10−6
= 95 [𝑊
𝑚2 ∙ 𝐾]
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Page 35
Afin de calculer la puissance de transfert de chaleur de l’échangeur, il est nécessaire de calculer la
différence de température moyenne logarithmique. Elle est fonction des températures d’entrée et de
sortie de l’huile et de la vapeur. Les températures qui caractérisent la vapeur sont connues et imposées,
Tin,vap = 170 [°C] et Tout,vap= 220 [°C]. En ce qui concerne la température d’entrée de l’huile, elle est
fixée dans un premier temps à Tin,huile= 250 [°C]. Quant à la température de sortie de l’huile, elle a été
déterminée de manière à obtenir un facteur de correction F plus haut que le minimum conseillé par la
méthode utilisée. Cette dernière a été fixée à 225 [°C] et l’impact qu’une augmentation ou une
diminution a sur la puissance transférée a été contrôlé. Il s’agit alors des meilleures conditions de
fonctionnement pour cette plage de température. Le facteur de correction est déterminé selon le
graphique 5 sur la base de deux coefficients R et P :
Coefficient R : 𝑅 =𝑇𝑖𝑛,𝑣𝑎𝑝 − 𝑇𝑜𝑢𝑡,𝑣𝑎𝑝
𝑇𝑜𝑢𝑡,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 − 𝑇𝑖𝑛,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 (18)
Équation 18 : Calcul du Coefficient de température R
𝑅 =170 − 220
225 − 250= 2.00 [−]
Coefficient P : 𝑃 =𝑇𝑜𝑢𝑡,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 − 𝑇𝑖𝑛,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒𝑇𝑖𝑛,𝑣𝑎𝑝 − 𝑇𝑖𝑛,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒
(19)
Équation 19 : Calcul du coefficient de température P
𝑃 =225 − 250
170 − 250= 0.313 [−]
Graphique 5 : Détermination du facteur de correction [13]
Selon le graphique ci-dessus, le facteur de correction pour les températures de travail précédemment
citées est d’environ 0.86.
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La différence de température moyenne logarithmique se calcule selon l’équation suivante :
Température
moyenne
logarithmique
∆𝑇𝑚𝑜𝑦,𝑙𝑜𝑔 =(𝑇𝑖𝑛,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 − 𝑇𝑜𝑢𝑡,𝑣𝑎𝑝) − ( 𝑇𝑜𝑢𝑡,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 − 𝑇𝑖𝑛,𝑣𝑎𝑝)
ln ((𝑇𝑖𝑛,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 − 𝑇𝑜𝑢𝑡,𝑣𝑎𝑝)( 𝑇𝑜𝑢𝑡,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 − 𝑇𝑖𝑛,𝑣𝑎𝑝)
)
(20)
Équation 20 : Calcul de la température moyenne logarithmique
∆𝑇𝑚𝑜𝑦,𝑙𝑜𝑔 =(250 − 220) − (225 − 170)
ln ((250 − 220)(225 − 170)
)= 41.2 [°𝐶]
La puissance de transfert de chaleur peut alors être calculée. Cette dernière est valable pour un
fonctionnement de l’échangeur avec de l’huile à l’intérieur et de la vapeur à l’extérieur des tubes et se
détermine comme suit :
Puissance de transfert
de chaleur �� = 𝑈 ∙ 𝑆𝑡𝑜𝑡 ∙ ∆𝑇𝑚𝑜𝑦,𝑙𝑜𝑔 ∙ 𝐹 (21)
Équation 21 : Calcul de la puissance de transfert de chaleur de l’échangeur
�� = 95 ∙ 0.9 ∙ 41.2 ∙ 0.86 = 2′973 [𝑊]
Le résultat obtenu indique que si l’échangeur est utilisé dans le cadre de ce projet, il ne suffirait pas à
surchauffer suffisamment la vapeur saturée. Effectivement, comme spécifié au point 6 la puissance
nécessaire pour atteindre une température de 220 [°C] est de 8.1 [kW]. Or, l’échangeur ne pourrait
fournir qu’environ 3.0 [kW]. Même dans les conditions où le débit et la surchauffe nécessaires sont plus
faibles, cette puissance transférée ne serait pas suffisante.
Cela met en évidence le fait que la récupération de matériel n’est pas toujours envisageable. En effet, la
puissance obtenue dans ce cas de figure ne permet pas d’atteindre l’objectif fixé. C’est la raison pour
laquelle cette option ne sera pas développée plus en détails dans ce projet. De plus, les calculs effectués
ci-dessus ont été réalisés de manière à favoriser l’utilisation de cet élément. En réalité il s’avère que
l’intérieur des tubes est tout de même rouillé de manière conséquente, ce qui aurait impliqué un
nettoyage de ces derniers. Sans compter le fait que lors de sa précédente utilisation pour refroidir l’huile,
les opérateurs ont remarqué un dysfonctionnement. L’échangeur dégageait une fumée de nature
inconnue, sans doute à cause d’une fuite ou du joint d’étanchéité qui était rompu.
Certaines mesures de réparations auraient pu être prises si les calculs avaient fourni des résultats qui
allaient dans le bon sens. Malheureusement, en plus de l’état actuel de l’élément, les calculs prouvent
qu’il ne conviendrait pas pour cette utilisation.
Suite à la présentation intermédiaire de ce travail, il a été décidé avec M. Weber que cet échangeur serait
écarté de cette variante. La suite consiste alors au choix d’un échangeur ayant la capacité de surchauffer
la vapeur de manière suffisante pour qu’elle soit utilisable.
Jonathan Gamba
Page 37
8.5 Échangeur Vahterus
Le problème principal de la recherche d’un échangeur de chaleur pour ce système, c’est la puissance
nécessaire à la surchauffe. Effectivement, même dans le cas où la turbine est au maximum de ses
capacités, la puissance de surchauffe nécessaire est de 8.1 [kW]. Cela représente une valeur faible pour
un échangeur tubulaire qui est le type privilégié pour une application avec de la vapeur saturée. Ceci
principalement à cause des coups de bélier qui sont susceptibles d’endommager certains autres types.
Un dimensionnement sur mesure devrait alors être entrepris pour obtenir un échangeur qui correspond
aux caractéristiques. Cela engendrerait des coûts supplémentaires énormes qui ne seraient pas
acceptables pour un projet de cette envergure. Après discussion avec M. Da Riva (Professeur HEIG-
VD), il s’avère qu’un échangeur à plaque pourrait tout de même être utilisé, pour autant que toutes les
conditions de fonctionnement correspondent.
C’est pour cette raison que, dans un premier temps, un logiciel de dimensionnement d’échangeur a été
utilisé. Il s’agit de Swep qui a été mis à disposition par la HEIG-VD durant le semestre et qui s’avère
être un fournisseur. Ce dernier permet de dimensionner uniquement les échangeurs à plaques en fonction
d’une application souhaitée. Il suffit de lui indiquer les informations les plus importantes telles que les
types de fluides, les niveaux de température ou encore les débits. Ensuite, plusieurs propositions
d’échangeurs à plaques sont répertoriées en fonction de leur efficacité respective. Toute la
documentation technique de l’appareil et les propriétés des deux fluides sont disponibles directement
sur le logiciel ou sur leur site internet. Un échangeur type B12 correspondait en tout point à l’application
d’après les premières analyses effectuées par le programme. Cependant, après vérification et prise de
contact avec le fournisseur, les niveaux de température de l’huile thermique sont trop importants. En
effet, la température maximale atteignable ne dépasse pas les 200 [°C] et le logiciel ne le signal pas.
Après plusieurs recherches, un fabricant finlandais a été trouvé avec l’aide de M. Cotting (personne de
contact chez Transthermic AG). Cette puissance de surchauffe faible posait problème aux différents
fournisseurs qui ne possédaient que des échangeurs surdimensionnés. Finalement, c’est un échangeur à
plaque et à calandre « Plate and Shell » qui est proposé par l’entreprise Vahterus Oy, spécialiste dans ce
type d’appareil. Il s’agit du type PSHE 3/2HA-24/1/1 qui est non seulement capable de fournir la
puissance nécessaire à la surchauffe, mais qui en plus n’est pas encombrant. Cela permet une
implantation simple et totalement adaptée à l’installation de vapeur surchauffée. Selon le fabricant, cet
appareil est soumis à l’ordonnance RS 930.11 dans la catégorie II et le module D1. Il s’agit d’un
échangeur qui devrait tout de même être construit sur mesure. Voici les caractéristiques techniques
principales de cet élément ainsi qu’un dessin préliminaire (documentation en annexe 19.17) :
Figure 14 : Dessin préliminaire de l'échangeur [16]
Échangeur de chaleur Vahterus
Type PSHE 3/2HA-24/1/1
Entièrement soudé
DN (toutes les connexions) 25
PN 25
Température (max. pas
indiqué) 250 [°C]
Connexions À brides
Tableau 13 : Caractéristiques techniques principales
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Page 38
8.6 Schéma de principe de l’installation
Le Schéma de principe du stand de vapeur surchauffée a été réalisé dans la continuité de celui mis à
disposition par M. Cereghetti. Ainsi, il a été possible d’y ajouter la partie contenant la chaudière à huile
thermique et la microturbine à vapeur. Cela a permis de connecter directement l’alimentation vapeur et
les retours de condensat sur les conduites déjà représentées sur le schéma.
8.6.1 Précisions
La partie ajoutée se trouve en haut à gauche du dessin et deux éléments entourés en traits discontinus
sont présents. Il s’agit de la chaudière à huile et du kit Green Turbine qui sont redessinés selon les plans
des fournisseurs respectifs [12] ; [4]. En plus de cela la purge de ligne, les deux robinets trois voies et
l’échangeur de chaleur sont aussi visibles entre les deux installations précitées. Le point qu’il faut tout
de même préciser, c’est le fait que l’alimentation de vapeur n’a pas été prise sur le collecteur. Elle est
directement connectée sur la conduite qui provient de la chaudière à vapeur, ceci de manière à limiter
au maximum les pertes de charge. Les dimensions des conduites et certains commentaires sont aussi
disponibles de manière à ce que le maximum d’informations soit indiqué. Un by-pass de la turbine par
un des robinets trois voies est aussi mis en place. Ceci afin d’empêcher la vapeur qui n’aurait pas les
caractéristiques requises d’atteindre la turbine et de l’endommager.
8.7 Dessin d’implantation et 3D
Concernant l’implantation du système dans le laboratoire, peu de possibilités étaient envisageables avec
cette variante. En effet, la place disponible et le fait que la chaudière à huile ne peut pas être déplacée
limitent fortement l’endroit où une telle installation peut être implantée. D’un point vu pratique, la
meilleure solution serait d’avoir tous les éléments à proximité les uns des autres. Ceci de manière à
limiter les pertes de charge et les pertes thermiques. Malheureusement ce n’est pas possible, il est donc
nécessaire de trouver des solutions moins ergonomiques mais réalisables. L’élément le plus important
reste tout de même la vapeur et ses caractéristiques à l’entrée de la turbine. C’est pourquoi le choix le
plus judicieux est de positionner le kit proche de la chaudière à vapeur et non pas de la chaudière à huile.
Les arguments et le développement des points qui vont à l’encontre de la variante où le système de
microturbine serait placé proche de la chaudière à huile sont présentés au point 8.16.
Il s’avère que dans la partie U38 du laboratoire, une installation utilisée auparavant pour une application
liée au froid est sur le point d’être supprimée. Elle occupe une surface assez importante qui
correspondrait au besoin du stand de vapeur surchauffée. Actuellement, le stand utilisé pour les
manipulations du traitement d’eau est aussi dans cette partie du laboratoire. Après discussion avec M.
Cereghetti, il a été convenu que toute cette partie pourrait être déplacée si le stand de vapeur surchauffée
venait à être installé.
Tous les dessins d’implantation liés à la variante où le kit Green Turbine serait installé dans la partie
U38 de l’Institut de Génie Thermique sont disponibles en annexe 19.11. La partie U32 du laboratoire a
été dessinée lors d’un cours de CAO qui a été suivi le dernier semestre. Deux personnes ont travaillé sur
le projet durant le semestre, M. Despont et moi-même. Tout le reste du dessin de l’installation (stand de
vapeur surchauffée, chaudière à huile, échangeur pour la surchauffe, etc.) et du bâtiment a été réalisé
dans le cadre de ce travail de bachelor.
Afin que la tuyauterie et les différents éléments soient un peu plus visibles, plusieurs vues de plans,
d’élévations ou en trois dimensions sont présentées.
Jonathan Gamba
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Une vue contenant le niveau le plus bas du bâtiment permet de visualiser le kit, l’échangeur de chaleur
ou encore les robinets trois voies. Ensuite une vue contenant le niveau supérieur permet de se rendre
compte du parcours que font les conduites de vapeur, de condensat ou encore celles de l’huile thermique.
Plusieurs vues d’élévations sont aussi à disposition et donnent la possibilité de voir la hauteur de plafond
nécessaire ainsi que le chemin des différentes conduites. En plus de cela, quelques vues en trois
dimensions montrent l’implantation du stand de vapeur surchauffée.
En ce qui concerne la cotation, il faut préciser que les éléments de fonctionnement tels que les robinets,
les purgeurs ou encore les filtres sont issus de familles mises à disposition directement sur Revit. De ce
fait, il ne s’agit pas forcément de l’élément qui serait réellement installé sur le système. De même pour
le kit Green Turbine, la chaudière à huile ou encore l’échangeur de chaleur qui ont entièrement été
dessinés dans le cadre de ce projet selon les modèles réels. Les dimensions et les distances sont indiquées
de manière indicative et varieront lors du montage. Néanmoins, elles permettent de se faire une idée
globale qui s’approche au mieux de la réalité pour l’installation des éléments.
8.8 Choix de la matière et dimensionnement de la tuyauterie
8.8.1 Type de tuyauterie vapeur, condensat
Hans Kohler SA est le fournisseur choisi pour toutes les conduites de l’installation (sauf huile thermique
et eau de refroidissement). Une liste des matières, dimensions, poids et autres caractéristiques est mise
à disposition en annexe 19.14. Afin de rester dans la même qualité de matériaux et pour éviter tout
problème de corrosion, l’acier inoxydable est utilisé. Actuellement, la plupart des conduites existantes
sur l’installation sont en acier 1.4435 AISI 316L. Le fournisseur propose un type d’une qualité quelque
peu inférieure à ce dernier avec une moins grande teneur en molybdène. Il s’agit du type 1.4404 316L
qui est tout de même d’une qualité suffisante pour cette application et qui permet une économie par
rapport au 1.4435. De plus, le 1.4404 est soudable sans devenir sensible à la corrosion intergranulaire
[17]. Le fournisseur livre des longueurs de conduite de 6 mètres à l’achat.
L’installation est composée de différents réseaux qu’il faut distinguer afin de dimensionner la tuyauterie
correctement. Les principales lignes de tuyauterie à dimensionner dans cette variante et avec cette
matière sont celles de l’alimentation de vapeur saturée, de vapeur surchauffée et du retour des
condensats.
Comme présenté précédemment, le fabricant de la microturbine à vapeur fournit certaines informations
au niveau du kit qu’il propose. Même si les dimensions des différentes connexions indiquées dans le
manuel d’installation sont définies, des adaptations peuvent être effectuées. Il paraît raisonnable de
respecter au mieux les indications disponibles et d’effectuer le moins de modifications possible.
Cependant comme indiqué au point 5.5, une tuyauterie rigide remplacera les flexibles préconisés par le
fournisseur.
8.8.2 Type de tuyauterie pour l’eau de refroidissement
Toutes les conduites qui concernent l’eau sanitaire du laboratoire proviennent du fabricant Nussbaum
RN. Le même fournisseur a été choisi pour que le moins de problèmes possible ne soient rencontrés au
niveau du raccordement avec le réseau. Il s’agit du type « Optipress-tuyau 81080 » en acier inoxydable
1.4401 vendu à nouveau par tube 6 mètres de longueur.
Jonathan Gamba
Page 40
8.8.3 Type de tuyauterie pour l’huile thermique
Étant donné que l’huile thermique traverse tout le laboratoire, il est impératif que certaines dispositions
soient prises pour la sécurité des personnes. L’huile thermique est un fluide qui, lorsqu’il est transporté,
comporte certains risques non négligeables. Si une conduite standard en acier était choisie et qu’elle
venait à être endommagée, cela pourrait avoir des conséquences dramatiques pour les personnes
présentes sur place. En effet, l’huile peut atteindre des températures élevées, elle est inflammable et
surtout toxique. C’est pour cette raison qu’une tuyauterie spéciale fabriquée par Brugg Group a été
choisie. Après discussion avec un professionnel interne à l’entreprise, c’est le modèle « conduite à gaine
en acier » qui est conseillé. Voici une image qui illustre sa conception :
Figure 15 : Conduite à gaine en acier [18]
Comme le montre l’image ci-dessus, un tube en acier se trouve à l’intérieur de la conduite, c’est celui-
ci qui transporte l’huile thermique, ensuite une isolation permet de limiter les déperditions thermiques.
L’intérieur est similaire à une conduite standard, mais afin d’assurer la sécurité en cas de fuite ou à
l’inverse en cas de choc depuis l’extérieur, une partie supplémentaire est ajoutée. En effet, après
l’isolation un espace annulaire, un tube enveloppe et un revêtement sont présents. La fermeture étanche
entre le tuyau intérieur et le tuyau enveloppe permet une évacuation de l’espace annulaire. Cette
évacuation assure la disparition de toute humidité restante, de plus le caractère isolant du système en est
considérablement amélioré. Le fait de maintenir et de contrôler le vide permet de vérifier que la conduite
intérieure ou la conduite enveloppe ne fuit pas. Cela permet d’assurer la sécurité lorsque le système est
en fonctionnement.
Ce type de tube est conçu sur mesure en fonction de l’application et est particulièrement adapté aux
températures et pressions extrêmement élevées. En règle générale, les coudes et les supports sont
prémontés en usine, ce qui permet une plus grande sécurité par rapport au montage sur le chantier [18].
Le fournisseur a été contacté et toutes les informations relatives au projet lui ont été données. Cependant,
les informations concernant l’offre ont été fournies l’avant-dernier jour avant le rendu de ce projet. La
documentation reçue est mise à disposition et un document en ligne est disponible. Il parcourt tous les
aspects importants allant de la préparation du matériel jusqu’à la certification [19].
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Page 41
8.8.4 Dimensionnement tuyauteries vapeur, huile, eau de refroidissement
La même méthode de calcul a été utilisée pour chacune des tuyauteries dimensionnées, sauf celle de
retour des condensats. Un exemple est effectué avec la conduite de vapeur saturée. Dans un premier
temps, il est nécessaire de connaître le débit massique, la masse volumique ainsi que la vitesse souhaitée
dans la conduite. Comme indiqué dans la présentation de la turbine à vapeur, la consommation de vapeur
pour une production de 15 kW est de 0.05 [kg/s]. Concernant la vitesse de la vapeur maximum souhaitée,
elle a été fixée à 30 [m/s]. Connaissant la masse volumique disponible dans le tableau 12, les calculs
suivants peuvent être effectués :
Débit volumique : �� =𝑚
𝜌
(22)
Équation 22 : Calcul du débit volumique
�� =0.05
4.17= 12.0 ∙ 10−3[𝑚3/𝑠]
Surface interne de la
tuyauterie : 𝑆𝑖𝑛𝑡. =𝑉
𝑣
(23)
Équation 23 : Calcul de la surface intérieure de la conduite
𝑆𝑖𝑛𝑡. =12 ∙ 10−3
30= 4.00 ∙ 10−4 [𝑚²]
Diamètre intérieur : 𝐷𝑖𝑛𝑡 = √𝑆𝑖𝑛𝑡. ∙ 4
𝜋 (24)
Équation 24 : Calcul du diamètre intérieur de la conduite
𝐷𝑖𝑛𝑡 = √3.20 ∙ 10−4 ∙ 4
𝜋= 0.0226 [𝑚]
Selon la documentation mise à disposition par le fournisseur Hans Kohler SA précédemment cité, une
conduite DN25 est nécessaire. Effectivement, avec un diamètre extérieur de 33.7 [mm] et une épaisseur
de 2.6 [mm], le diamètre intérieur serait de 28.5 [mm]. Ceci équivaudrait à une vitesse réelle dans la
tuyauterie d’environ 18.8 [m/s] selon l’équation 23 dans laquelle la vitesse serait isolée et le diamètre
réellement disponible considéré.
Un diamètre inférieur pourrait tout de même être choisi. Cependant, il faut tenir compte de certains
aspects non négligeables au niveau du consommateur de vapeur. Effectivement, la pression ainsi que la
température disponible à l’entrée de ce dernier ne sont pas négligeables. De plus, un diamètre DN20
engendrerait une vitesse dans la tuyauterie plus élevée mais toujours acceptable de 32 [m/s]. Il faut donc
trouver le bon compromis entre pertes de charge, pertes thermiques et vitesse de manière à obtenir les
meilleures conditions possibles à l’entrée de la turbine.
Pour ce faire, les pertes de charge et thermiques jusqu’à l’entrée du kit de la turbine doivent être calculées
en fonction du diamètre de la tuyauterie. Ainsi, le meilleur choix pourra être effectué en comparant les
valeurs obtenues. Il s’avère qu’un diamètre de tuyauterie DN25 correspond mieux au bon
fonctionnement du kit, le détail du calcul concernant ce choix sera présenté par la suite au point 8.11.
Jonathan Gamba
Page 42
Le principe est identique pour les autres conduites, typiquement celle de vapeur surchauffée. En effet,
selon les calculs un diamètre DN20 devrait être choisi, mais pour diminuer la perte de charge c’est à
nouveau du DN25 qui serait utilisé.
8.8.5 Dimensionnement tuyauteries de condensat
Concernant le dimensionnement de la tuyauterie de retour des condensats, certains calculs différents ont
dû être effectués. Il est nécessaire de déterminer un débit de condensat issu de la vapeur saturée. La
charge de condensat sera la plus importante lors du démarrage de l’installation, du fait de la vapeur
condensée restée dans certaines parties de la tuyauterie. C’est sur cette base que la conduite de retour
des condensats doit être dimensionnée. Le calcul s’effectue à nouveau sur la conduite d’alimentation de
vapeur saturée. Ceci par le biais du débit de condensat du chauffage des tuyaux et de la charge de
condensat des pertes de chaleur radiante. Les formules utilisées sont issues du manuel vapeur et
condensat de Armstrong [20].
Connaissant les dimensions de la tuyauterie et les caractéristiques de la vapeur saturée, il est possible
dans un premier temps de calculer le débit de condensat du chauffage des tuyaux et la charge de
condensat des pertes de chaleur radiante :
Débit de condensat
chauffage tuyaux : ��ℎ =
𝑝𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 ∙ 𝑙𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 ∙ 𝑐𝑝𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 ∙ (𝑇𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 − 𝑇𝑎𝑚𝑏)
𝑟 ∙ 𝑡𝑑é𝑚𝑎𝑟𝑟𝑎𝑔𝑒∙ 60 (25)
Équation 25 : Calcul du débit de condensat issue du chauffage des tuyaux
��ℎ =2.025 ∙ 23 ∙ 0.5 ∙ (170 − 25)
2′047 ∙ 30∙ 60 = 3.3 [𝑘𝑔/ℎ]
Charge de
condensat
pertes chaleur
radiante :
��𝑟 =0.12 ∙ 𝜋 ∙ 𝑙𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 ∙ (𝑇𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) ∙ 𝑡𝑑é𝑚𝑎𝑟𝑟𝑎𝑔𝑒
𝑟 ∙ (1𝜆∙ ln (
𝑑1 + 2 ∙ 𝑠𝑖𝑠𝑜𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑑1
) +2
𝛼 ∙ (𝑑1 + 2 ∙ 𝑠𝑖𝑠𝑜𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛))
(26)
Équation 26 : Calcul de la charge de condensat issue des pertes de chaleur radiante
𝑚𝑟 =0.12 ∙ 𝜋 ∙ 23 ∙ (170 − 25) ∙ 30
2′047 ∙ (1
0.062 ∙ ln (0.0285 + 2 ∙ 0.04
0.0285) +
28 ∙ (0.0285 + 2 ∙ 0.04)
)= 0.77 [𝑘𝑔]
Afin de limiter les contraintes mécaniques et éviter tout dégât, le temps de montée en température a été
fixé à 30 minutes ce qui équivaut à un débit ��𝑟 de 1.5 [kg/h] pour les pertes de chaleur radiante. Ces
deux débits permettent alors de calculer un débit de condensat lors du démarrage de l’installation :
Débit total de
condensat : ��𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑡 = ��ℎ + ��𝑟 (27)
Équation 27 : Débit total de condensat lors du démarrage de l'installation
��𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑡 = 3.3 + 1.5 = 4.8 [𝑘𝑔/ℎ]
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Ce débit calculé n’est pas conséquent, ceci paraît réaliste au vu de la taille de l’installation qui n’est pas
très grande. C’est cette valeur de 4.8 [kg/h] qui est utilisée pour le dimensionnement de la conduite de
condensat sur la purge de ligne.
Le débit de condensat lorsque l’installation est en fonctionnement nominal a aussi été calculé. Cependant
il est plus faible que celui du démarrage, le calcul n’est donc pas présenté ici puisqu’il n’a pas été utilisé
pour le dimensionnement. La valeur de ce dernier correspond à environ 35 % de la valeur lors du
démarrage avec 1.7 [kg/h] de condensat.
Comme le débit de condensat ainsi que ses propriétés sont connus, il est possible de dimensionner la
tuyauterie. Ceci en utilisant la même méthode que pour le dimensionnement de la tuyauterie vapeur,
huile thermique et eau de refroidissement. Ainsi toutes les conduites peuvent être dimensionnées de
manière à obtenir le fonctionnement le plus optimal possible. Un récapitulatif des diamètres choisis, des
longueurs et des épaisseurs est présenté dans le tableau 14.
Puisque la pression dans la ligne de condensat allant vers la bâche d’alimentation est d’environ 1.3
[barA] et que celle dans la ligne de vapeur, d’environ 8 [barA], il y a une différence de pression qui peut
provoquer une revaporisation du condensat. Le pourcentage de revaporisation peut aussi être calculé à
l’aide de la conservation de l’énergie et en posant l’équation suivante issue du cours de chaleur suivit à
l’HEIG-VD [21] :
Débit de
revaporisation : ��𝑟𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑠𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 =
��𝑐𝑜𝑛𝑑.𝑓𝑜𝑛𝑐𝑡. ∙ (ℎ8𝑏𝑎𝑟𝐴′ − ℎ1.3𝑏𝑎𝑟𝐴
′ )
(ℎ1.3𝑏𝑎𝑟𝐴′′ − ℎ1.3𝑏𝑎𝑟𝐴
′ ) (28)
Équation 28 : Calcul du débit de revaporisation
��𝑟𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑠𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 =1.66 ∙ (721 − 450)
(2687 − 450)= 0.202 [𝑘𝑔/ℎ]
Ceci correspond à un taux de revaporisation d’environ 12%, ce qui est une valeur tout à fait satisfaisante.
D’autant plus que le débit de condensat n’est pas élevé et que la conduite n’est pas calorifugée donc la
vapeur condenserait rapidement. Ceci prouve que les risques de coup de bélier dans la conduite de retour
ne sont pas élevés et assure un fonctionnement correct du retour à la bâche d’alimentation.
Cette fois-ci, les calculs pour la tuyauterie ont été réalisés sur la base du débit de 0.05 [kg/s] réellement
consommée par la turbine en fonctionnement optimal. Mais un contrôle a tout de même été effectué de
manière à s’assurer que les dimensions des conduites sont adaptées à un fonctionnement avec le débit
maximum disponible avec la chaudière. Ainsi, le système est tout à fait apte à fonctionner pour une plus
grande production tout en respectant les vitesses limites. Toutefois les pertes de charge inhérentes au
système se verraient un peu augmenter.
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Page 44
8.8.6 Législation
En ce qui concerne l’ordonnance sur la sécurité des équipements sous pression, il est possible de
déterminer une classe de risque pour chacune des conduites. Un graphique qui met en relation la pression
et le DN de la tuyauterie est à disposition [22] ; [23]. Voici un exemple pour la tuyauterie de vapeur
saturée :
Graphique 6 : Classe de risque pour tuyauterie gaz-autre fluide [22]
Comme la tuyauterie de vapeur saturée est en DN25 et que la pression de décharge de la soupape de
sécurité de la chaudière est à 10 [bar], il n’y a pas de classe de risque. En effet, la conduite est trop
petite pour qu’elle atteigne la classe I.
En ce qui concerne la tuyauterie de vapeur surchauffée, de condensat, d’eau et d’huile thermique, elles
sont les trois dans le même cas. Cependant elles ne sont pas régies par le même diagramme, mais la
même méthode est utilisée.
En ce qui concerne les modules d’évaluation de la conformité, aucune obligation n’est en vigueur
lorsque la catégorie I n’est pas atteinte.
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Page 45
8.8.7 Résumé de la tuyauterie
Parcours tuyauterie Type de fluide Longueur
[m] DN
Diamètre
extérieur [m]
Epaisseur
[m]
Diamètre
intérieur [m]
Vitesse
max. [m/s]
Vitesse
réelle [m/s]
Epaisseur
isolation
[m]
Tuyau alim. vapeur -
Echangeur Vapeur saturée 23 25 0.0337 0.0026 0.0285 30 19 0.04
Robinet 3 voies -
Stand échangeurs
Vapeur
saturée/surchauffée 13 25 0.0337 0.0026 0.0285 30
Fonction de
la vapeur 0.04
Echangeur - Kit
turbine (filetable) Vapeur surchauffée 3 25 0.0337 0.0026 0.0285 50 21 0.04
Soupape de sécurité-
extérieur Vapeur surchauffée 16 20 0.0269 0.0026 0.0217 50 37. -
Purgeur de ligne -
Conduite condensat Condensat 14 15 0.0213 0.0026 0.0161 0.5 7.3 ∙ 10−3 -
Purgeur kit -
Conduite condensat
(filetable)
Condensat 16 15 0.0213 0.0026 0.0161 0.5
Débit
condensat
inconnu
-
Pompe condensat kit
- Bâche
d'alimentation
(filetable)
Condensat 16 20 0.0269 0.0026 0.0217 1.5 0.15 -
Eau du réseau - Kit
turbine Eau froide 7
22 mm
(Optipress) 0.022 0.0012 0.0208 1.5 0.23 -
Kit turbine - Egoût Eau froide 7 22 mm
(Optipress) 0.022 0.0012 0.0208 1.5 0.23 -
Chaudière huile -
Echangeur Syltherm 800 94 20 0.0269 0.0026 0.0217 1.5 0.5 0.04
Echangeur -
Chaudière à huile Syltherm 800 94 20 0.0269 0.0026 0.0217 1.5 0.5 0.04
Tableau 14 : Récapitulatif pour la tuyauterie de la variante HTT
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8.9 Choix de l’isolation
8.9.1 Tuyauteries vapeur
Toute la tuyauterie d’alimentation pour la vapeur saturée et surchauffée est isolée avec de la laine
minérale U Tech Pipe Section (Ultimate) à structure cylindrique fendue dans le sens longitudinal. Le
fournisseur est Isover Saint-Gobain qui met à disposition une fiche technique pour ce type d’isolation.
Le tableau des caractéristiques importantes ci-dessous est tiré de cette dernière [24] :
Caractéristiques Unité Quantités et valeurs mesurées Norme
Application - Intérieur des bâtiments, principalement dans des locaux non
exposés, en hauteur et à l’abri des chocs -
Performance
thermique
[°C] Température maximale de service : 660 EN14
303
[°C] 10 50 100 150 200 250 300 EN ISO
8497 [W/m∙K] 0.032 0.037 0.043 0.052 0.062 0.074 0.089
[kJ/kg∙K] Capacité thermique spécifique = 0.84 -
Performance
feu -
- Incombustible, matériau de construction d’Euroclasse A1
- Point de fusion > 1’000 °C -
Environnement -
Non dangereuse pour la santé selon le décret allemand sur
les substances dangereuses et le décret sur l’interdiction des
produits chimiques et à la note Q de la directive UE 97/69
-
Résistance à
l’eau -
- Nature des fibres : longues
- Imputrescibles
- Absence de réaction exothermique
- Absence de silicone
-
Tableau 15 : Caractéristiques techniques de l'isolation
Selon un autre document fourni par cette même entreprise [25], l’épaisseur minimale d’isolation du
matériau isolant pour les réseaux à température comprise entre 110 [°C] et 250 [°C] est de 40 [mm].
Ceci pour des tuyauteries dont le diamètre ne dépasse pas une dimension de DN50. De plus, un rapport
effectué par Isover Saint-Gobain qui détaille le résultat obtenu pour l’épaisseur d’isolation en fonction
des caractéristiques est disponible en annexe 19.14. Selon ce document, une telle épaisseur d’isolation
permet de limiter la température en surface d’isolation à 55 [°C]. Ceci afin de protéger au maximum les
personnes, sans toutefois être optimisée énergétiquement. De plus, comme aucune tuyauterie
d’alimentation vapeur ne dépasse DN50, tout le calorifugeage serait de cette épaisseur.
Les coquilles d’isolation nues sont fixées sur la tuyauterie à l’aide de feuillards minces tendus. Ensuite,
l’isolation est elle-même recouverte par un revêtement en tôle d’aluminium d’une épaisseur d’environ
6 à 10 [mm] en fonction de la géométrie. Le supportage est réalisé de manière à ne pas perforer ni
déformer l’isolation [25].
8.9.2 Tuyauterie d’huile thermique
Comme le fournisseur n’a donné aucune information à ce niveau, une des isolations proposées par le
fabricant Isobrugg a été choisie. Dans un premier temps, ce sont des coquilles en fibres de laine de roche
avec un coefficient de transfert de 0.042 [W/m∙K] et une épaisseur de 40 [mm] qui sont considérées. Le
fournisseur a envoyé l’offre trop tardivement pour qu’une modification des calculs soit effectuée.
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Page 47
8.10 Éléments de fonctionnement
Pour que l’installation fonctionne correctement, elle doit être composée d’un certain nombre d’éléments
ayant chacun une tâche bien définie. Ces derniers ont un impact plus ou moins conséquent sur les pertes
de charge en fonction du type. Sur le schéma de principe présenté au point 8.6, le nombre d’éléments de
fonctionnement ainsi que leur type peuvent facilement être déterminés. Les dispositifs principaux de
l’installation sont présentés ci-dessous en fonction de la conduite considérée. D’autres éléments comme
les tés, les coudes, les raccords etc. sont tout aussi importants mais ne sont pas détaillés ici. Une liste
disponible en annexe résume l’entièreté du matériel nécessaire pour l’installation du stand de vapeur
surchauffée.
8.10.1 Conduite d’alimentation vapeur saturée/surchauffée
Sur cette conduite, mis à part le robinet d’arrêt, le robinet de régulation 3 voies définis ci-dessous ainsi
que l’échangeur de chaleur présenté au point 8.5, aucun autre élément de fonctionnement n’est installé.
Ceci afin de limiter au maximum les pertes de charge avant l’entrée dans la turbine. Un groupe de détente
aurait pu être installé sur cette ligne d’alimentation, cependant étant donné la pression déjà limitée il a
été décidé de ne pas l’ajouter. Comme la chaudière à vapeur possède deux pressostats qui permettent de
choisir la pression de consigne, un premier choix de pression peut être fait à ce niveau. En effet, le
premier permet d’atteindre une pression de la vapeur de 4 [barA] et le second de 9.5 [barA] (8 [barA]
en réalité). Ainsi, deux paliers de pression différents peuvent déjà être testés. Si vraiment d’autres
pressions doivent être testées, le montage d’un stand de détente pourrait être envisagé.
L’élément principal choisi pour la régulation est un robinet trois voies de la marque Samson. Grâce à ce
dispositif, le système sera capable de contrôler les caractéristiques de la vapeur surchauffée à l’aide de
sondes de pression et de température. De cette manière, si la vapeur n’a pas les bonnes caractéristiques
pour alimenter la turbine, le robinet dirige la totalité vers le stand des échangeurs déjà existant. Dès
l’instant où les conditions cibles sont atteintes, un servomoteur fait commuter le clapet pour laisser la
vapeur approvisionner la turbine. Voici une photo du robinet en question ainsi que ses caractéristiques
techniques principales.
Figure 16 : Robinet de régulation 3 voies [26]
Robinet 3 voies Samson
Type 3244-7
DN 25
PN 40
Température max. 450 [°C]
Connexion À brides
Régulation Servomoteur 3277
Tableau 16 : Caractéristiques techniques principales
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Page 48
En ce qui concerne les sondes de pression et de température, ce sont respectivement les types « Vegabar
81 » et « Jumo 902820/10 » qui ont été choisis (voir documentation à l’annexe 19.16). Ainsi les
informations de la pression et de la température disponibles peuvent être transmises au système de
régulation. Le robinet trois voies peut alors être piloté par le système en fonction de ces informations.
Même si le robinet de régulation 3 voies est capable de fermer l’accès à la turbine, il est tout de même
nécessaire de pouvoir stopper la totalité de la vapeur provenant de la chaudière. C’est pour cette raison
qu’un robinet d’arrêt à soupape est installé à la sortie de la chaudière à vapeur. Un té est positionné à la
place du coude sur la partie haute de la conduite juste avant de descendre dans le collecteur. De cette
manière, il est possible d’isoler le stand de vapeur surchauffée du reste du système. Voici la géométrie
du robinet en question ainsi que ses caractéristiques techniques principales :
Robinet d’arrêt à soupape Spirax Sarco
Type AV 783
DN 25
PN 16
Température max. 300 [°C]
Connexion À brides
Tableau 17 : Caractéristiques techniques principales
Figure 17: Robinet d'arrêt à soupape [27]
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Page 49
8.10.2 Purge de ligne sur la conduite vapeur
Une purge de ligne est nécessaire au point bas de la conduite de vapeur saturée, juste avant l’entrée dans
l’échangeur de chaleur. Cette dernière est composée de trois robinets à billes, d’un filtre, d’un purgeur
thermostatique et d’un clapet anti-retour. C’est le fabricant Spirax Sarco qui a été contacté pour fournir
le matériel nécessaire. Suite à une discussion avec le spécialiste interne à l’entreprise, deux propositions
étaient à choix. La première était un poste de purge compact et la seconde était de prendre les éléments
séparément. Économiquement parlant les deux possibilités étaient identiques et comme les schémas et
les dessins en trois dimensions étaient déjà réalisés, c’est l’option de l’achat séparé qui a été privilégiée.
Les conditions d’utilisation et les dimensions ont été indiquées au fournisseur qui a fait parvenir les
informations nécessaires en fonction.
Les deux robinets du poste de purge sont identiques avec un fonctionnement à tournant sphérique. Les
caractéristiques principales et la géométrie sont présentées ci-dessous.
Figure 18 : Robinet à tournant sphérique M 10 S [27]
Concernant le robinet de purge et celui de by-pass, ils sont identiques avec un fonctionnement à soupape.
Voici les informations principales sur cet élément ainsi qu’un dessin de sa géométrie.
Figure 19 : Robinet d’arrêt AV6 [27]
Robinet à tournant sphérique Spirax Sarco
Type M 10 S
DN 15
PN 16
Température max. 230 [°C]
Connexion À brides
Passage Intégral
Tableau 18 : Caractéristiques techniques principales
Robinet d’arrêt Spirax Sarco
Type AV6
DN 15
PN 40
Température max. 450 [°C]
Connexion Taraudages
Tableau 19 : Caractéristiques techniques principales
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Concernant le purgeur de condensat, un premier choix avait été effectué avant de contacter le
fournisseur. Il s’agissait d’un purgeur thermodynamique qui d’après la théorie est particulièrement
adapté aux purges de lignes. Cependant, la proposition du fournisseur est d’utiliser un purgeur
thermostatique qui selon son expérience est tout aussi adapté. Il s’agit d’un élément qui possède un filtre
en ‘’Y’’ incorporé, ce qui évite d’en acheter un séparément. Voici les caractéristiques principales et la
géométrie de ce purgeur :
Figure 20 : Purgeur thermostatique SMC32Y [27]
Le dernier élément indispensable à la purge de ligne est un clapet de non-retour. Ce dernier permet
d’éviter au condensat de revenir en arrière en cas de contre-pression dans la tuyauterie de retour. Il est
fortement conseillé par le fabricant de purgeurs d’installer un clapet en aval du groupe de purge. Voici
les caractéristiques principales et la géométrie de l’élément.
Figure 21: Clapet de non-retour DCV3 [27]
Les fiches techniques de tous les éléments qui constituent le groupe de purge sont mises à disposition
en annexe 19.14. Il est nécessaire de bien faire attention à monter le purgeur et le clapet de non-retour à
l’horizontale sans quoi leur fonctionnement en serait altéré.
Purgeur thermostatique Spirax Sarco
Type SMC32Y
DN 15
PN 40
Température max. 350 [°C]
Connexion À brides
Tableau 20 : Caractéristiques techniques principales
Clapet de non-retour à disque Spirax Sarco
Type DCV3
DN 15
PN 16
Température max. 300 [°C]
Connexion Entre brides
Tableau 21 : Caractéristiques techniques principales
Jonathan Gamba
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8.10.3 Conduite d’alimentation et de retour de l’huile thermique
Concernant la régulation de la température pour cette variante, un deuxième robinet 3 voies est
nécessaire. Il est identique à celui installé sur le circuit vapeur et permet de réguler le débit de manière
à augmenter ou diminuer la puissance de transfert de chaleur de l’échangeur Vahterus. En ce qui
concerne le contrôle du bon fonctionnement de cette conduite spéciale, tout est géré par un système de
protection propre à l’entreprise. Ainsi, chacun des paramètres importants tels que le contrôle de fuite, le
maintien du vide dans la partie annulaire ou encore l’humidité sont vérifiés. Le système de vérification
indique dès qu’un problème survient de manière à stopper l’installation automatiquement le plus
rapidement possible.
8.11 Calcul des pertes de charge
La perte de pression est inévitable dans une installation industrielle utilisant de la vapeur. Elle peut être
due à la longueur de la tuyauterie, aux coudes, aux tés ou encore aux différents éléments de
fonctionnement du système. Afin de quantifier cette perte de pression et de connaître les caractéristiques
de la vapeur à la fin d’une conduite, des relations mathématiques sont disponibles dans la littérature.
Certains logiciels sont capables d’effectuer ces calculs et différentes méthodes existent afin d’arriver à
un résultat. Le coefficient de pertes de charge λ’ peut être déterminé soit par itération, soit à partir du
diagramme de Moody ou encore à l’aide d’un diagramme spécifique au fluide. Dans le cadre de ce
projet, la méthode par itération (plus précise) a été choisie. Les relations mathématiques utilisées sont
issues du cours de « Calcul et Gestion de Réseaux » [14]. À nouveau, l’exemple présenté traite de toute
la conduite de vapeur saturée.
Les caractéristiques de la vapeur et les dimensions de la tuyauterie doivent être connues avant de pouvoir
commencer à effectuer les calculs. Elles sont les suivantes :
Caractéristiques données vapeur
saturée 8 [barA] et tuyauterie
DN [-] 25
Diamètre Dext. [m] 0.0337
Epaisseur [m] 0.0026
Diamètre Dint. [m] 0.0285
Débit vapeur ��[kg/s] 0.0500
Débit vapeur �� [m3/s] 0.0120
Vitesse de la vapeur v [m/s] 25
Vitesse réelle de la vapeur v [m/s] 18.8
Rugosité absolue k [m] 4.5 ∙ 10−5
Volume massique [m3/kg] 0.23995
Masse volumique ρvap [kg/m3] 4.17
Viscosité dynamique η [kg/m∙s] 1.5 ∙ 10−5
Viscosité cinématique ν [m2/s] 3.6 ∙ 10−6
Longueur tuyauterie vapeur ltuyau [m] 23
Tableau 22: Caractéristiques utiles au calcul des pertes de charge
Jonathan Gamba
Page 52
8.11.1 Pertes de charge réparties
Premièrement, il est nécessaire de commencer par le calcul du nombre de Reynolds qui permettra de
définir la nature de l’écoulement. Ceci selon l’équation 9 utilisée précédemment, le résultat est de
148’917 [-] qui prouve que l’écoulement est turbulent (Re > 2’340). De ce fait, un calcul itératif doit
être effectué afin de déterminer le coefficient adimensionnel de pertes de charge répartie 𝜆′ (Sinon la
simple équation 𝜆′ =64
𝑅𝑒 aurait pu être utilisée). L’équation suivante fournit une première valeur :
Coefficient de
pertes de
charge : 𝜆′ =
(
1
−2 ∙ 𝑙𝑜𝑔
(
𝑘𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢𝑑𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢3.71
)
)
2
(29)
Équation 29 : Calcul de la première valeur λ'
𝜆′ =
(
1
−2 ∙ 𝑙𝑜𝑔(
4.5 ∙ 10−5
0.02853.71
)
)
2
= 0.0219 [−]
Une fois ce coefficient obtenu, il est réutilisé dans l’équation 30 jusqu’à ce que le résultat obtenu
converge vers la même valeur :
Coefficient
de pertes de
charge : 𝜆′ =
(
1
−2 ∙ 𝑙𝑜𝑔
(
𝑘𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢𝑑𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢3.71 +
2.51
𝑅𝑒 ∙ √λ′)
)
2
(30)
Équation 30 : Calcul du λ' convergent
𝜆′ =
(
1
−2 ∙ 𝑙𝑜𝑔(
4.5 ∙ 10−5
0.02853.71 +
2.51
148′917 ∙ √0.0234)
)
2
= 0.0234 [−]
Après 4 itérations de ce type, la valeur converge vers un λ′ de 0.0234.
Jonathan Gamba
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Ceci permet de calculer les pertes de charge répartie selon l’équation suivante :
Pertes de
charge répartie : ∆𝑃𝑟 = 𝜆
′ ∙𝑙𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢
𝑑𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢∙𝜌𝑣𝑎𝑝2∙ 𝑣𝑣𝑎𝑝2 (31)
Équation 31 : Calcul des pertes de charge réparties
∆𝑃𝑟 = 0.0234 ∙23
0.0285∙4.17
2∙ 18.82 = 13′898 [𝑃𝑎] = 0.139 [𝑏𝑎𝑟]
8.11.2 Pertes de charge singulières
Les pertes de charge singulières dépendent principalement des éléments de fonctionnement, des coudes
et des tés. Il est possible de déterminer pour chacun d’entre eux un coefficient adimensionnel de pertes
de charge singulière ζ. Tout d’abord, il est nécessaire de les répertorier et de définir leur coefficient
respectif. Voici la liste des « accidents » de tuyauterie qui sont susceptibles de perturber le passage de
la vapeur pour la conduite saturée :
Coefficient adimensionnel ζ [-]
Robinet à soufflet DN25 (1x) 5.9
Coudes (8x) 2.8
Tés (2x) 9.0
Somme ζ [-] 17.7
Tableau 23 : Coefficient adimensionnel de pertes de charge singulières
Ces valeurs sont issues d’un extrait du Recknagel obtenu lors du cours de CalGestRés, elles sont définies
sous forme de tableau en fonction de l’élément considéré [28]. Pour tous les robinets présents sur
l’installation, c’est cette méthode qui a été utilisée pour déterminer les pertes de charge propres à chaque
type.
Pertes de charge
singulière : ∆𝑃𝑠 = 𝜁 ∙
𝜌𝑣𝑎𝑝2∙ 𝑣𝑣𝑎𝑝2 (32)
Équation 32 : Calcul des pertes de charge singulières
∆𝑃𝑠 = 17.7 ∙4.17
2∙ 18.82 = 13′115 [𝑃𝑎] = 0.130 [𝑏𝑎𝑟]
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8.11.3 Pertes de charge totale
Maintenant que les deux types de pertes de charge sont calculés, il est possible de connaître la valeur
totale sur le tronçon considéré. Dans le cas de la ligne de vapeur saturée jusqu’avant l’échangeur de
chaleur, le résultat obtenu est de 0.3 [bar]. Si la conduite utilisée était du DN20, les pertes de charge
auraient été de 1 [bar], ce qui prouve que le fait de choisir du DN25 est une bonne chose pour le
fonctionnement du système. Pour les autres conduites, le même calcul a été utilisé afin de s’assurer que
l’huile thermique, les condensats et l’eau de refroidissement peuvent effectuer leurs parcours respectifs
sans problème et sans diminution du débit. Le tableau 24 met en évidence les résultats obtenus pour
chacune des conduites dimensionnées.
Les pertes de charge ont été calculées en partant du principe que les variations de hauteur sont
négligeables pour la tuyauterie vapeur (saturée et surchauffée), pour l’huile thermique et pour l’eau de
refroidissement.
Pour la tuyauterie de vapeur et d’huile thermique, le producteur (chaudière vapeur ou huile) et le
consommateur (turbine ou échangeur) sont à la même hauteur. Ce qui signifie que la différence de niveau
est nulle et que la différence de pression statique l’est aussi.
La tuyauterie d’eau de refroidissement est directement connectée au réseau d’eau de l’école. Le tracé de
ce dernier n’a pas été étudié et donc les variations de hauteur sont inconnues et négligées. L’hypothèse
d’une longueur de tuyauterie de 100 mètres a été faite et les pertes de charge ont été soustraites à la
pression du réseau.
Au contraire, les conduites de retour des condensats sont soumises à une variation de hauteur lors du
retour vers la bâche d’alimentation. Au premier abord, ces variations peuvent paraître négligeables au
niveau des pertes de charge. Cependant, après vérification il s’avère qu’elles représentent environ 30 %
des pertes de charge avec une valeur de 0.35 [bar]. Le tableau ci-dessous met uniquement en évidence
la purge de ligne en ce qui concerne les condensats. Ceci uniquement car la purge issue du séparateur
effectue un tracé similaire à une pression très proche, les valeurs obtenues le sont elles aussi. Pour le
retour des condensats issus du condenseur, la pompe du kit doit être capable de les faire retourner à la
bâche d’alimentation (les pertes de charge étant elles aussi très proches de celles de la purge de ligne).
Toutefois, un contrôle de ce point devrait être effectué par la suite, aucune indication sur la pompe n’est
mise à disposition par le fabricant.
Concernant la vitesse dans la tuyauterie, il paraît difficile de la déterminer à chaque endroit en fonction
de tous les changements de sections qui sont minimes. Les variations de vitesse en lien avec la pression
dynamique ont donc été négligées pour toutes les conduites. Voici les résultats obtenus pour les pertes
de charge totales en fonction de la tuyauterie considérée :
Pression initiale
[barA]
Pertes de charge
[bar]
Pression finale
[barA]
Conduite vapeur saturée 8.0 0.27 7.7
Conduite vapeur surchauffée
(suite saturée) 7.7 0.56 7.2
Conduite condensat
(suite saturée) 7.7 1.1 6.7
Conduite eau de
refroidissement 5.0 0.03 4.97
Conduite huile thermique 3.0 0.74 2.3
Tableau 24 : Pertes de charge en fonction de la conduite
Jonathan Gamba
Page 55
Le calcul des pertes de charge permet d’une part de déterminer les conditions présentes à l’entrée de la
microturbine. D’autre part, il permet de définir si ces dernières ne sont pas trop importantes afin d’éviter
tous problèmes de contre-pression dans la tuyauterie.
Dans le cas de la conduite de condensat et de celle de refroidissement, la perte de charge n’est pas assez
conséquente pour poser un quelconque problème de ce type. Les deux fluides n’auraient alors aucune
peine à atteindre respectivement la bâche d’alimentation et le condenseur du kit Green Turbine.
De même pour la tuyauterie d’huile thermique, la pompe présente sur la chaudière à huile est capable
d’imposer une différence de pression maximale de 3.5 [bar] [12]. Le débit volumique d’huile requis
pour le stand de vapeur surchauffée étant faible (environ 0.6 [m³/h]), la pompe n’aurait alors aucune
difficulté à compenser ces pertes. Une pression de 3 [bar] a été considérée, cependant aucun graphique
∆P en fonction du débit n’est disponible pour la pompe. Mais comme la pression pouvant être fournie
par une pompe diminue quand le débit volumique augmente, c’est l’hypothèse d’une valeur un peu plus
faible que les 3.5 [bar] indiqués qui a été considérée. En réalité, le graphique de la pompe permettrait de
trouver le point de fonctionnement et ainsi d’obtenir la valeur réelle.
En ce qui concerne la conduite de vapeur saturée/surchauffée, la perte de pression pose plus de
problèmes au niveau de la production d’électricité par la turbine. En effet, même si la ligne a été conçue
de manière à limiter au maximum les pertes de charge, elles ne peuvent pas être supprimées.
8.12 Pertes thermiques
Les pertes de température à considérer sont celles qui concernent les conduites de vapeur saturée,
surchauffée et d’huile thermique. Relation utilisée issue du cours « CalGestRés » [14].
Pour les pertes qui concernent la ligne de la vapeur saturée, elles sont déterminées de par la perte de
charge. En effet, la perte de pression inhérente à cette ligne permet de considérer une nouvelle
température de vapeur saturée au bout de la conduite. En réalité, la véritable température ne se situe pas
sur la courbe de saturation, mais la différence étant minime c’est cette dernière qui peut être utilisée.
Avec une pression de 7.7 [barA] au bout de la conduite de vapeur saturée, la température de saturation
est de 169 [°C].
En revanche, pour la conduite de vapeur surchauffée et d’huile thermique, la perte de température ne
peut pas être déterminée par la pression. Elle peut être calculée indépendamment en commençant par
calculer le coefficient global de transfert de chaleur (exemple pour vapeur surchauffée) :
Coefficient global
de transfert de
chaleur
déperditions :
𝑈𝑑é𝑝 =𝜋
1𝛼𝑖 ∙ 𝑑𝑖
+ ∑ (1
2 ∙ 𝜆𝑗∙ 𝑙𝑛 (
𝑑𝑗+1𝑑𝑗))𝑛
𝑗=1 +1
𝛼𝑒 ∙ 𝑑𝑒
(33)
Équation 33 : Calcul du coefficient global de transfert de chaleur pour les déperditions thermiques
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Page 56
𝑈𝑑é𝑝 =𝜋
1346 ∙ 0.0285
+1
2 ∙ 15∙ 𝑙𝑛 (
0.03370.0285
) +1
2 ∙ 0.062∙ 𝑙𝑛 (
0.1140.0337
) +1
8 ∙ 0.114
= 0.29 [𝑊
𝑚 ∙ 𝐾]
Le coefficient 𝛼𝑒 est une valeur standard utilisée lorsque le mouvement de l’air est principalement régi
par une convection naturelle [14]. Pour le coefficient 𝛼𝑖 ,il a été calculé selon l’équation 14 utilisée
précédemment. Les autres grandeurs sont fonction des matériaux utilisés et des propriétés du fluide
considéré. L’équation suivante permet de calculer la puissance thermique transférée à l’ambiant puis la
température en fin de conduite :
Puissance
transférée à
l’ambiant :
��𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 = 𝑈𝑑é𝑝 ∙ 𝑙𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 ∙ (𝑇𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 − 𝑇𝑎𝑖𝑟) (34)
Équation 34 : Calcul de la puissance de déperdition thermique
��𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 = 0.29 ∙ 3 ∙ (220 − 25) = 167 [𝑊]
Température en
fin de conduite : 𝑇𝑓𝑖𝑛 = 𝑇𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 −
��𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓
��𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 ∙ 𝑐𝑝𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 (35)
Équation 35 : Calcul de la température en fin de conduite
𝑇𝑓𝑖𝑛 = 220 −117
0.05 ∙ 2212= 218 [°𝐶]
La baisse de température liée à la tuyauterie d’huile thermique a été calculée sur la base d’un tube
standard isolé. Avec cette méthode, la température à l’entrée de l’échangeur de chaleur pour l’huile
thermique est de 235 [°C]. Cette diminution n’est pas négligeable, cependant en réalité il s’agit d’une
conduite double avec un espace annulaire soumis au vide. Comme mentionné au point 8.8.3, ce type de
tube permet une meilleure isolation que celle considérée dans ce calcul. Même après avoir reçu l’offre
du fabricant de manière tardive, les caractéristiques exactes de cette dernière n’étaient pas indiquées et
le calcul n’a pas pu être effectué. Toutefois, les pertes de température peuvent être considérées comme
moins élevées que cette valeur de 15 [°C] calculée sur une base erronée.
Les pertes de température liées aux conduites de condensat et de refroidissement n’ont pas été calculées
et ne sont pas déterminantes. Le problème de revaporisation dans la conduite de condensat a déjà été
traité au point 8.8.5.
Jonathan Gamba
Page 57
8.13 Récapitulatif des conditions à l’entrée du kit
Voici les conditions au niveau des pressions et des températures de la vapeur surchauffée et de l’huile
thermique à l’entrée du kit Green Turbine :
Pression finale [barA] Température [°C] Débit [kg/h]
Conduite vapeur surchauffée
(suite saturée) 7.2 218 178
Conduite huile thermique 2.3 235 450
Tableau 25 : Récapitulatif des conditions à l'entrée du kit
La longueur de conduite de vapeur surchauffée étant faible, l’échangeur aurait besoin de compenser une
perte de température de la vapeur de seulement 2 [°C]. Par contre, la perte de pression atteint quasiment
les 1 [bar] ce qui provoque une diminution de la production par rapport au cas considéré avec les 8
[barA].
Concernant l’huile thermique, la diminution de température calculée n’est pas négligeable. Même si le
calcul n’est pas totalement représentatif de la réalité (caractéristiques conduites inconnues), la chaudière
à huile devra chauffer l’huile à plus de 250 [°C] ou alors le débit devra être augmenté. Ceci afin de
pouvoir répondre au besoin de surchauffe demandée par la vapeur.
8.14 Régulation
8.14.1 Robinet 3 voies sur la vapeur
Ce robinet a pour fonction principale de bipasser le passage dans le kit de la turbine à vapeur. Ainsi,
tous les risques liés aux dommages pouvant être causés sur la turbine sont évités. Pour ce faire, le
système de régulation Rockwell existant peut aussi être utilisé. De cette manière, les informations
fournies par les sondes de pression et de température présentes sur la tuyauterie de vapeur surchauffée
seraient directement traitées par ce système. Ainsi, la régulation de l’ouverture du robinet 3 voies se
ferait en fonction de valeurs prédéfinies dans le dispositif informatique.
En plus de cette possibilité, le kit est équipé d’un automate Hitachi PLC qui permet de contrôler si la
vitesse est trop élevée, les surtensions ou encore si la pression et la température sont adaptées. Dans le
cas contraire, l’installation entière s’arrête immédiatement afin d’éviter tous problèmes de
fonctionnement. Le cas échéant, cet automate pourrait aussi être utilisé pour diriger le robinet 3 voies
qui permet de bipasser le kit.
Une étude plus approfondie de la programmation et des possibilités d’utilisation devrait être effectuée
dans le cas où le montage de l’installation serait réellement entrepris. Notamment au niveau du nombre
de modules disponibles ainsi que des entrées et sorties analogiques existantes. Si besoin, il est possible
de demander au fournisseur d’augmenter les capacités de l’automate pour répondre à la demande de ce
nouveau stand de vapeur surchauffée.
8.14.2 Robinet 3 voies sur l’huile thermique
De même que pour la régulation du contrôle des caractéristiques de la vapeur surchauffée, il doit être
possible de réguler la puissance de transfert de chaleur de l’échangeur. Pour ce faire, un deuxième
robinet 3 voies est utilisé mais cette fois-ci sur le circuit de l’huile thermique. Son fonctionnement peut
aussi être dirigé par l’automate programmable existant sur la base de la sonde de température citée
précédemment. Lorsque la température n’est pas suffisante ou trop élevée, le robinet peut s’ouvrir ou se
fermer afin de la réguler au mieux. Il s’agit ici d’une régulation de la température de surchauffe par le
Jonathan Gamba
Page 58
débit d’huile thermique. Le robinet trois voies existant sur la chaudière à huile ne pouvant pas effectuer
une régulation de ce type, il serait alors remplacé.
Un autre moyen de régulation de la surchauffe aurait pu être utilisé. En effet, le principe d’injection
d’eau est souvent utilisé dans les chaudières de grandes dimensions. Une fois la vapeur surchauffée, si
la température est trop élevée, l’eau injectée permet de la désurchauffer jusqu’à la température cible.
Cependant, dans le cadre de ce projet, il paraissait plus cohérent d’opter pour le robinet 3 voies afin de
simplifier le fonctionnement et la régulation.
8.15 Investissement, coûts
Afin de se rendre compte au mieux de l’investissement lié à cette variante, une liste de tout le matériel
nécessaire a été réalisée. Étant donné la quantité non négligeable d’éléments qui constituent cette
installation, elle est à disposition en annexe 19.3 sous forme de tableau. Pour tout de même représenter
les différents coûts, un résumé est disponible ci-dessous :
Coûts liés aux éléments Prix [CHF] Remarque
Kit de turbine 46'000 Échangeur de chaleur 6'830
Tuyauterie du système vapeur et eau 5’853 Tous les éléments de montage sont compris
dans ce prix
Tuyauterie du système d'huile thermique 57’152 Tous les éléments de montage sont compris
dans ce prix
Robinetterie 7'238
Prix total hors taxe [CHF] 123’073
Prix total avec TVA 8% [CHF] 132’919
Tableau 26 : Résumé des coûts liés au matériel
Il s’agit ici uniquement du prix total du matériel nécessaire à la réalisation du projet. Vient encore
s’ajouter à cela le nombre d’heures nécessaires au dépôt du matériel, à la préparation du site, au montage
de la tuyauterie, aux soudures, etc. À nouveau, un tableau détaillé de ces différents points est disponible
en annexe 19.4.
Comme il s’agit d’une installation de petite taille, deux personnes sont comptées pour toute la durée des
travaux. Afin de simplifier le calcul, un tarif horaire moyen de 120 [CHF] a été fixé d’après l’entreprise
spécialiste en installation de thermique industrielle Despraz SA. Voici le récapitulatif des coûts liés au
nombre d’heures nécessaires au montage. Bien entendu, certains chiffres ont dû être approximés au
mieux afin d’obtenir des résultats qui paraissent réalistes.
Coûts liés au montage Prix [CHF] Remarque
Lié au temps total de travail 13'200 (2 personnes à 120 CHF/h)
Lié aux soudures 7'955
Location d'une grue de levage mobile
(pour les éléments en hauteur) 5'185 250 CHF par jour (21 jours)
Prix total hors taxe [CHF] 26'340
Prix total avec TVA 8% [CHF] 28’447
Tableau 27 : Résumé des coûts liés au montage
Jonathan Gamba
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En plus de ces deux aspects, les installations utilisées pour produire la vapeur et pour la surchauffer
consomment elles aussi de l’énergie. De ce fait, un coût annuel lié à la consommation de gaz naturel
pour la chaudière à vapeur et d’électricité pour la chaudière à huile doit être considéré. De même pour
la consommation d’eau utilisée pour le refroidissement de la turbine. Les prix par kWh ou par m³ sont
issus de documents mis à disposition par la ville d’Yverdon-les-Bains pour l’eau ou le gaz naturel et par
la Confédération suisse pour l’électricité [29] ; [30] ; [31].
Si l’hypothèse que la turbine fonctionne environ 2'086 heures par année est posée (5 jours sur 7, 08h30
par jour), il est possible de déterminer l’énergie consommée pour la production de la vapeur surchauffée.
Ceci en négligeant les pertes thermiques et les rendements respectifs des chaudières qui impliqueraient
une puissance de surchauffe nécessaire plus élevée. Voici le tableau récapitulatif des coûts annuels
engendrés par les deux chaudières :
Descriptif Valeur Remarque
Puissance de la chaudière à vapeur [kW] 93 Équation 1 pour 144 [kg/h] et 8
[barA]
Énergie annuelle consommée [kWh] 194’222 Puissance chaudière x temps
Prix du gaz naturel [CHF/kW/an] 18 Prendre puissance standard dans
le tableau
Coût annuel du gaz [CHF] 1’676 Puissance chaudière x Prix du
gaz naturel
Coût annuel du gaz [CHF] 644 Si abonnement
Puissance de la surchauffe [kW] 2.88 Équation 2 pour 144 [kg/h] et 8
[barA]
Énergie annuelle consommée [kWh] 6’007 Puissance surchauffe x temps
Prix de l'électricité [CHF/kWh] 0.213
Selon descriptif, catégorie C1,
moyenne sur le canton
Énergie x Prix de l'électricité
Coût annuel de l'électricité [CHF] 1’279
Total consommation hors taxes [CHF] 1’923
Total consommation avec TVA 8% [CHF] 2’077 En considérant l’option
abonnement pour le gaz
Consommation d'eau annuelle [m³] 511
Prix de l'eau [CHF/m³] TVA 2.5% 1.84 Coût annuel pour l'eau de refroidissement [CHF] 943
Total consommation [CHF] 3’020
Tableau 28 : Résumé des coûts liés à la consommation de gaz, d'électricité et d’eau
Si l’électricité produite par la turbine durant la même période est réinjectée dans le réseau, il est possible
de récupérer une certaine somme d’argent. Celle-ci dépend, comme précisé au point 5.2, de la reprise à
prix coûtant RPC en fonction du type de production utilisé. Dans le cas présent, il s’agit d’une énergie
non-renouvelable, refoulée et ceci selon le modèle 2 [5]. Le calcul de la quantité d’énergie produite est
réalisé sur la base de la production possible dans le laboratoire, ceci sans considérer les pertes de charge.
Les résultats obtenus sont représentés dans le tableau suivant :
Jonathan Gamba
Page 60
Descriptif Valeur Remarque
Puissance de la turbine [kWe] 11
Énergie annuelle produite par la turbine [kWh] 22’943 Puissance turbine x temps
Prix de reprise du kWh réinjecté [ct/kWh] 3.87 Selon le modèle 2
Somme annuelle récupérée par réinjection dans le réseau [ct] 88’789 Énergie turbine x prix de reprise
Somme annuelle récupérée par réinjection dans le réseau [CHF] 888
Tableau 29 : Énergie produite et somme annuelle récupérée
Contrairement aux calculs des puissances de chauffage et de surchauffe, cette fois-ci ce sont les
conditions réellement disponibles dans le laboratoire qui ont été considérées. Plus précisément, un débit
de 144 [kg/h] à une pression de 8 [barA] afin de rester cohérent pour les coûts et rétributions concernés.
Toutefois, pour être totalement réaliste, il faudrait tenir compte de la pression disponible après les
pertes de charge. Cependant ce ne serait pas représentatif puisque le débit à cette nouvelle pression
n’est pas connu, il faudrait le déterminer par des tests. Alors, la véritable énergie produite serait encore
plus faible que celle indiquée dans le tableau ci-dessus. Toutefois la valeur ne devrait pas varier
énormément par rapport au résultat obtenu ici.
L’investissement total qui tient compte du matériel et du montage par du personnel qualifié est de
161’366 [CHF]. Il est possible de calculer les annuités en émettant l’hypothèse d’un taux d’intérêt à 3%
et une durée d’amortissement de 10 ans selon l’équation suivante :
Annuités 𝐴 = 𝐼 ∙(1 + 𝑖)𝑛 ∙ 𝑖
(1 + 𝑖)𝑛 − 1 (36)
Équation 36 : Calcul des annuités
𝐴 = 161′366 ∙(1 + 0.03)10 ∙ 0.03
(1 + 0.03)10 − 1= 18′917 [𝐶𝐻𝐹]
Si cette somme est additionnée aux coûts liés à la consommation calculés dans le tableau 28, et que la
reprise à prix coûtant y est soustraite, la somme totale annuelle est d’environ 20’100 [CHF]. Dans ce
prix, toutes les consommations les plus conséquentes sont considérées. Certains paramètres ont été
négligés comme la consommation électrique de la régulation. Toutefois, la précision de ce résultat est
satisfaisante pour une première approximation des coûts annuels.
Jonathan Gamba
Page 61
8.16 Autre possibilité (transporter la vapeur)
Il faut préciser que pour cette variante, une autre implantation a été étudiée. Sachant que la chaudière à
huile thermique présente dans le laboratoire ne peut pas être déplacée (bac de rétention, alimentation
électrique, autre utilisation sur place), les possibilités étaient limitées. La production de vapeur et l’huile
thermique n’étant pas proches dans le laboratoire (environ 100 mètres), cela compliquait encore la
réalisation. La première possibilité a été présentée plus haut et la seconde serait d’effectuer la démarche
inverse en amenant la vapeur saturée jusqu’à un stand de turbine proche de la chaudière à huile. Ceci
tout en considérant l’impact qu’une telle installation aurait sur son propre fonctionnement, sur le
laboratoire, et sur la sécurité des personnes qui y travaillent. C’est d’ailleurs principalement pour ces
raisons que finalement elle n’a pas été étudiée plus en détail.
8.16.1 Aspect technique
Puisque la production de vapeur est implantée à une distance considérable de la chaudière à huile
thermique, cela peut poser problème au niveau du fonctionnement. Effectivement, le kit de turbine à
vapeur a besoin d’une certaine pression et température pour fonctionner de manière correcte. Ceci dit,
la distance qui sépare les deux installations engendrerait des pertes de charge et des pertes thermiques
trop importantes. Un peu moins du triple de la valeur obtenue dans le cas où l’huile est acheminée a été
calculé, ce qui équivaut à une perte de charge de plus de 0.7 [bar] sur la ligne de vapeur saturée. De
même pour la température qui diminuerait aussi d’environ 5 [°C] dans ce cas (en considérant une vapeur
saturée à la fin de la conduite). La démarche de calcul utilisée est identique à celle présentée
précédemment pour le calcul des pertes de charge et pour la détermination de la température. De plus,
la perte de masse au niveau de la vapeur serait elle aussi augmentée après avoir parcouru cette distance.
Ce qui diminuerait les performances de l’installation et demanderait une puissance thermique
supplémentaire pour compenser ces pertes.
Au niveau du retour des condensats, un autre problème aurait dû être traité. Pour commencer, plusieurs
purges de ligne auraient dû être installées le long des conduites. Et puisque la distance est plus
conséquente, s’assurer que la pression est assez élevée pour que les condensats retournent jusqu’à la
bâche d’alimentation est primordial. Pour ce faire, une bâche de récupération des condensats aurait
permis de les regrouper dans un même récipient. Ensuite une pompe de condensat aurait tout renvoyé à
la bâche sans problème. Ceci implique de la tuyauterie supplémentaire ainsi que des coûts de réalisation
plus importants pour la conception.
8.16.2 Implantation et impact sur le laboratoire
L’idée première aurait été que le kit soit juste à côté de la chaudière de manière à regrouper au mieux
l’installation. Cependant, cette place est normalement réservée comme lieu d’entreposage. De plus, un
compresseur et des armoires techniques électriques y sont déjà placés.
Comme cette installation serait utilisée principalement pour des laboratoires, des cours ou des
démonstrations, plusieurs personnes seraient amenées à s’en approcher. Or, si la place disponible pour
circuler autour n’est pas suffisante, il y a beaucoup plus de risques que des contacts aient lieu avec des
éléments à haute température, ce qui ne peut pas être toléré d’un point de vue sécuritaire. De plus, le
fabricant spécifie très clairement que l’espace autour et au-dessus du kit doit être conséquent de manière
à ne pas altérer son fonctionnement.
Le bruit est aussi un des éléments critiques dans cette partie du laboratoire. En effet, plusieurs personnes
travaillent à cet endroit. Des mesures et des tests sont effectués tous les jours et cela poserait problème
si le bruit était trop conséquent lors de l’utilisation du kit. Une protection acoustique pourrait être
installée pour remédier à ce problème, toutefois cela impliquerait à nouveau des coûts supplémentaires.
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Page 62
8.16.3 Sécurité
Mis à part le point qui traite de l’espace à disposition autour du kit, il y a aussi l’aspect de la soupape de
sûreté. Le fait que le système se situerait à côté de la chaudière à huile signifierait que le tracé de la
conduite d’échappement de vapeur serait plus complexe à réaliser. En général, ces conduites sont
directement dirigées vers l’extérieur de manière à limiter tous risques dans le laboratoire. Or, les fenêtres
sont à l’opposé, ce qui implique une nouvelle fois des complications de raccordement et des coûts
supplémentaires.
Cependant, contrairement au transport d’huile thermique, les risques en cas de fuites sont moins
importants. Certes, la température de la vapeur lors d’une fuite est élevée, mais il n’y a pas de risque
d’inflammation ni d’intoxication. Ce qui signifie que d’un point de vue purement sécuritaire, cette option
serait plus sûre que celle avec l’huile thermique acheminée jusqu’au stand de vapeur surchauffée.
En résumé, cette option n’a pas été étudiée plus concrètement car trop de points allaient à son encontre.
En plus de tous les aspects cités ci-dessus, certaines installations existantes ne seront peut-être pas
démontées et donc la place serait encore plus limitée. Puisque dans tous les cas, après discussion avec
M. Cereghetti, aucune installation ne pourrait être installée à cet endroit, il a été décidé de ne pas
développer cette possibilité.
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Page 63
9 Deuxième variante : Surchauffeur électrique
9.1 Présentation du surchauffeur électrique
Cette variante consiste à utiliser un élément qui permettrait de surchauffer directement la vapeur saturée
par le biais d’une source électrique. Plusieurs systèmes différents seraient capables de fournir l’apport
nécessaire à la surchauffe de la vapeur en convertissant l’énergie électrique en énergie chaleur.
Le fabricant Apaco produit un surchauffeur de vapeur qui répond entièrement aux conditions de
fonctionnement fixées. Les caractéristiques suivantes sont mises à disposition par le fournisseur :
Unité
Type
AWE-10 - [-]
Puissance
Chauffage 10 [kW]
Électrique
Tension 3 x 400 [V]
Fréquence 50 [Hz]
Température
Température min. de vapeur produite 170 [°C]
Température max. de vapeur produite 220 [°C]
Pression vapeur
Pression de service 10 [bar]
Équipement
Raccordement PN 16 [-]
Capacité et géométrie
Contenance 37 [ltr.]
Poids 90 [kg]
Diamètre sans isolation 219 [mm]
Longueur totale 1’800 [mm]
Hauteur 760 [mm]
Tableau 30 : Caractéristiques techniques du surchauffeur électrique
9.2 Législation (contrôler)
D’après l’ordonnance sur la sécurité des équipements sous pression RS 930.11, cet appareil serait régi
par la classe de risque II des « Récipient gaz-autre fluide » [23].
En ce qui concerne le module d’évaluation de la conformité, les informations nécessaires n’ont pas été
fournies par le fabricant. La classe de risque II donne la possibilité du module A2 sans assurance qualité
et D1 ou E1 avec assurance qualité.
9.3 Schéma de principe de l’installation
Le Schéma de principe de l’installation a à nouveau été réalisé dans la continuité de celui fourni par M.
Cereghetti. Cette fois-ci, il a été possible d’y ajouter le surchauffeur électrique et la microturbine à
vapeur. Mis à part cette différence flagrante, quelques éléments ont été modifiés, ils sont détaillés ci-
dessous.
9.3.1 Précisions
La partie ajoutée se trouve au même endroit que pour la variante HTT. La place disponible est toutefois
plus conséquente du fait de la plus petite taille du dessin du surchauffeur. Concernant le schéma du
surchauffeur, le croquis mis à disposition par le fabricant a été utilisé comme base et redessiné [32]. En
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Page 64
plus de cela, la purge de ligne est à nouveau présente mais cette fois-ci l’échangeur de chaleur et le
robinet de régulation trois voies pour l’huile ne sont pas nécessaires. Il y a donc un seul robinet 3 voies
pour la régulation de la vapeur saturée. Mis à part ces différences, les conduites vapeur et les retours de
condensat sont identiques à la variante présentée précédemment. Ceci de manière à ce qu’un maximum
de points soient similaires pour qu’une comparaison cohérente puisse être effectuée.
9.4 Dessin d’implantation et 3D
Le même cas de figure est rencontré concernant l’implantation du système dans le laboratoire, peu de
possibilités étaient envisageables. Toutefois, avec cette variante il est possible de regrouper tous les
éléments de fonctionnement assez proches les uns des autres. En effet, le surchauffeur n’étant pas trop
volumineux il peut être placé prêt du kit. Ce qui permet de limiter les pertes de charge et les pertes
thermiques au maximum. C’est donc le même emplacement dans la partie U38 du laboratoire qui a été
choisi pour cette variante.
Une autre possibilité serait de placer le kit dans la partie U38 et le surchauffeur à proximité de la bâche
d’alimentation qui se trouve en U32. Cependant, il faudrait s’assurer que le poids de l’appareil n’est pas
trop élevé pour être placé sur cette structure qui est en hauteur. De plus le volume qu’il occuperait
pourrait poser problème lors des manipulations qui doivent être effectuées pour les contrôles de
l’installation. Cette possibilité pourrait être étudiée par la suite mais n’est pas développée ici.
Tous les dessins d’implantation liés à cette variante sont disponibles à l’annexe 19.12. Le lieu
d’implantation étant identique à celui de la variante HTT, c’est la même base de dessin qui a été utilisée.
Uniquement l’échangeur de chaleur a été remplacé par le surchauffeur électrique et la partie huile
thermique a été supprimée.
Les mêmes vues de plans, d’élévation et en trois dimensions sont disponibles afin de visualiser au mieux
les éléments de fonctionnement et le parcours de la tuyauterie.
En ce qui concerne la cotation, les mêmes commentaires que ceux cités au point 8.7 sont valables. Le
surchauffeur électrique a aussi été dessiné de manière simplifiée dans le cadre de ce projet et selon le
seul croquis mis à disposition par le fabricant.
9.5 Choix de la matière et dimensionnement de la tuyauterie
Pour la tuyauterie vapeur, condensat et eau de refroidissement, une base identique à celle avec la
chaudière à huile thermique (variante HTT) a été utilisée. La même matière est utilisée et les dimensions
de toutes les conduites sont identiques. Se référer au point 8.8 en négligeant la partie qui traite de la
tuyauterie d’huile thermique puisqu’elle n’est pas existante dans cette variante.
9.5.1 Résumé de la tuyauterie
Le résumé de la tuyauterie pour cette variante est identique à celui du tableau 14 au niveau des
dimensions et des longueurs. Les seules choses qui diffèrent sont la connexion de l’alimentation en
vapeur saturée et les conduites qui concernent l’huile thermique. En effet, cette fois-ci l’alimentation en
vapeur saturée est connectée sur le surchauffeur et non pas sur l’échangeur et l’huile thermique n’est
plus utilisée.
Certes les dimensions de l’échangeur utilisé dans la première variante ne sont pas les mêmes que celles
du surchauffeur. Cela implique donc une longueur de tuyauterie sensiblement différente. Cependant elle
est minime et a été négligée de manière à simplifier les calculs.
9.6 Choix de l’isolation
9.6.1 Tuyauteries vapeur
Pour l’isolation des conduites de vapeur saturée et surchauffée, se référer au point 8.9.1.
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Page 65
9.7 Éléments de fonctionnement
Pour ce qui concerne les conduites d’alimentation de vapeur et les retours de condensat, se référer au
point 8.10.
9.8 Calcul des pertes de charge
La méthode de calcul des pertes de charge est identique à celle utilisée au point 8.11. Puisque le système
de surchauffe avec l’échangeur est remplacé par le surchauffeur, cela implique des valeurs qui diffèrent
quelque peu. Ceci uniquement sur la conduite de vapeur, les autres conduites étant identiques. Voici les
résultats obtenus pour les pertes de charge totales en fonction de la tuyauterie considérée :
Pression initiale
[barA]
Pertes de charge
[bar]
Pression finale
[barA]
Conduite vapeur saturée 8.0 0.27 7.7
Conduite vapeur surchauffée
(suite saturée) 7.7 1.1 6.7
Conduite condensat 7.7 1.1 6.7
Conduite eau de
refroidissement 5.0 0.03 4.97
Tableau 31 : Pertes de charge en fonction de la conduite
Pour les conduites de condensat, de refroidissement et de vapeur saturée, les tracés étant identiques à la
variante HTT, les pressions finales le sont aussi.
Toutefois en ce qui concerne la conduite de vapeur surchauffée, même si le chemin que parcourt la
conduite est identique, la pression finale est plus faible. Ceci à cause du surchauffeur qui présente une
perte de charge conséquente, ce qui a finalement un impact non négligeable.
9.9 Calcul des pertes thermiques
Pour les pertes thermiques, se référer au point 8.12
9.10 Récapitulatif des conditions à l’entrée du kit
Voici les conditions au niveau des pressions et des températures de la vapeur surchauffée à l’entrée du
kit Green Turbine :
Pression finale [barA] Température [°C] Débit [kg/h]
Conduite vapeur surchauffée
(suite saturée) 6.7 218 178
Tableau 32 : Récapitulatif des conditions à l'entrée du kit
La baisse de pression est encore plus conséquente que dans la première variante, la production sera alors
encore plus faible. La température quant à elle diminue de la même manière avec une baisse quasiment
négligeable de 2 [°C]. Le surchauffeur n’aurait alors pas besoin de compenser une baisse de température
trop conséquente.
9.11 Régulation
9.11.1 Robinet 3 voies sur la vapeur
Pour la régulation du robinet 3 voies, se référer au point 8.14.1.
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9.12 Investissement, coûts
Pour procéder de la même manière qu’avec la première variante, une liste de tout le matériel nécessaire
est à disposition en annexe 19.5 sous forme de tableau. Pour tout de même représenter les différents
coûts, un résumé est disponible ci-dessous :
Coûts liés aux éléments Prix [CHF] Remarque
Kit de turbine 46'000 Surchauffeur électrique 15'770
Tuyauterie vapeur 5'882 Tous les éléments de montage sont
compris dans ce prix
Robinetterie 4'338
Prix total hors taxe [CHF] 71'991
Prix total avec TVA 8% [CHF] 77’750
Tableau 33 : Résumé des coûts liés au matériel
Voici le récapitulatif des coûts liés au nombre d’heures nécessaires au montage. Bien entendu, certains
chiffres ont aussi dû être approximés au mieux afin d’obtenir des résultats qui paraissent réalistes.
Coûts liés au montage Prix [CHF] Remarque
Lié au temps total de travail 8'160 (2 personnes à 120 CHF/h)
Lié aux soudures 4'999
Location d'une grue de levage mobile
(pour les éléments en hauteur) 3'225 250 CHF par jour (13 jours)
Prix total hors taxe [CHF] 16'384
Prix total avec TVA 8% [CHF] 17’695
Tableau 34 : Résumé des coûts liés au montage
En ce qui concerne les consommations liées à la production de vapeur et à sa surchauffe ainsi que pour
l’eau de refroidissement, les valeurs obtenues pour la première variante peuvent être réutilisées. Le prix
à considérer est de 3’020 [CHF].
La turbine est à nouveau capable de produire une quantité d’énergie qui est moins élevée que la valeur
obtenue avec le calcul des 8 [barA]. La valeur de la pression et de la température réellement disponible
après les pertes de charge est connue, mais pas le débit. Le calcul de la quantité d’énergie produite est
alors à nouveau réalisé sans considérer les pertes de charge. Le résultat obtenu pour l’argent récupéré à
prix coûtant est donc identique à la première variante pour une valeur de 888 [CHF].
Cette fois-ci, l’investissement total qui tient compte du matériel et du montage par du personnel qualifié
est de 95’445 [CHF]. Il est possible de calculer les annuités en émettant les mêmes hypothèses que pour
la première variante, à savoir 3% d’intérêt et une durée d’amortissement de 10 ans. Selon la même
équation 36, les annuités ont été calculées à une valeur de 11’189 [CHF]. Si cette somme est additionnée
aux coûts totaux liés à la consommation et que ceux-ci sont égaux à la valeur du tableau 28. Puis que la
reprise à prix coûtant y est soustraite, la somme totale annuelle est d’environ 13’500 [CHF]. Certains
paramètres ont été négligés comme pour la première variante, mais la précision de ce résultat est aussi
satisfaisante dans un premier temps.
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10 Troisième variante : Récupération au niveau des fumées produites
par la chaudière à vapeur
10.1 Surchauffe par récupération de la chaleur des fumées
Dans la pratique, les fabricants de chaudières ont développé un système permettant de récupérer une
partie de l’énergie perdue dans les gaz de fumées issus de la combustion. Il s’agit d’un échangeur de
chaleur placé soit directement dans un des parcours de la chaudière, soit dans la cheminée à la sortie des
gaz de fumées. Ce dernier a pour but de préchauffer l’eau d’alimentation de la chaudière de manière à
économiser de l’énergie.
Dans le cadre de ce travail, le principe serait similaire mais toutefois le but de la récupération de chaleur
sur les fumées ne serait pas le même. Effectivement, au lieu d’un préchauffage de l’eau d’alimentation,
une surchauffe de la vapeur saturée serait visée. Les possibilités d’implantation sont assez limitées étant
donné que la chaudière est déjà existante. Aucune modification interne à la chaudière ne peut être
effectuée, autrement dit le parcours des gaz de combustion reste identique. Un échangeur de chaleur
vapeur saturée/gaz de fumée pourrait alors uniquement être placé sur la conduite d’évacuation des gaz
de fumées comme suit :
Fumée
Vapeur
surchauffée
Vapeur
saturée
Chaudière à
vapeur saturée
Echangeur de
récupération
Figure 22 : Schéma de la chaudière avec une récupération de chaleur sur les gaz de fumées
La chaudière produit de la vapeur saturée à 8 [barA] qui correspond à une température de 170 [°C]. La
température des gaz de fumée à disposition en sortie de chaudière est de 235 [°C] (valeur issue d’une
mesure effectuée sur l’installation). Avant de commencer à effectuer le dimensionnement d’un
échangeur de chaleur, il est nécessaire de connaître de débit de gaz de fumée. En effet, la température
de ces derniers étant fixée et connue, la puissance de récupération maximum disponible dépend en
grande partie du débit.
La première étape consiste à déterminer les caractéristiques des gaz de fumées en sortie de chaudière
pour être en mesure de calculer cette puissance. Cette dernière permettra de définir si la récupération
disponible est suffisante pour répondre au besoin de surchauffe. Dans le cas contraire, un choix devra
être fait concernant cette variante.
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Page 68
10.2 Propriétés des gaz de combustion
Les caractéristiques de la vapeur saturée en sortie de chaudière étant connues, mais celles des gaz de
combustion ne le sont pas. Il est donc nécessaire de procéder à une série de calculs qui permettront de
déterminer les grandeurs telles que la masse volumique, la chaleur spécifique et surtout le débit des gaz
de fumées. Ceci selon une méthode issue du cours de « Chauffage, Ventilation et Climatisation » [33].
Le combustible considéré ici est le gaz naturel, il existe plusieurs compositions différentes en fonction
de sa provenance. Pour pouvoir effectuer les calculs, les propriétés suivantes pour le gaz naturel ont été
prises en considération :
Élément Concentrations [%-vol]
CH4 87.2
C2H6 2.4
C3H8 3.8
nC4H10 0.7
N2 1.8
CO2 4.1
H2 0
CO 0
Tableau 35 : Concentrations des éléments présents dans le gaz naturel
D’autres paramètres indispensables à la suite des calculs sont considérés :
Paramètres
Coefficient d'excès d'air 𝝀𝒂𝒊𝒓 [-] 1.2
Humidité absolue x* [kgeau/kgd'air sec] 0.0075
Pression gaz nat. [Pa] 103’500
Débit volumique gaz nat. [m3/h] 15
Débit volumique gaz nat. [mN3/h] 14
Tableau 36 : Paramètres liés à la combustion
Ces valeurs permettent dans un premier temps de calculer l’air minimum nécessaire à la combustion
selon l’équation suivante :
Air
minimum : 𝐿𝑚𝑖𝑛 =
1
0.21∙ [∑(𝑛𝑗 +
𝑚𝑗
4)
0
𝑗
∙ ��[𝐶𝑛𝐻𝑚]𝑗 + 0.5 ∙ (��𝐶𝑂 + ��𝐻2) − ��𝑂2] (37)
Équation 37 : Calcul de l'air minimum nécessaire à la combustion
𝐿𝑚𝑖𝑛 =1
0.21∙ [1.74 + 0.084 + 0.19 + 0.0455 + 0.5 ∙ 0 − 0] = 9.83 [
𝑚𝑁,𝑎𝑖𝑟3
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
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Page 69
Ensuite, le volume des gaz humides peut être calculé selon la relation suivante. Ceci en se basant sur le
fait qu’il s’agit d’une combustion complète :
Volume
des gaz
humides : 𝑣𝑔𝑐 =∑(𝑛𝑗 +
𝑚𝑗
2)
0
𝑗
∙ ��[𝐶𝑛𝐻𝑚]𝑗 + ��𝐶𝑂 + ��𝐻2 + ��𝐶𝑂2 + ��𝑁2 + 𝐿𝑚𝑖𝑛 ∙ (𝜆𝑎𝑖𝑟 − 0.21) + 1.6 ∙ 𝜆𝑎𝑖𝑟 ∙ 𝐿𝑚𝑖𝑛 ∙ 𝑥∗ (38)
Équation 38 : Calcul du volume des gaz humides
𝑣𝑔𝑐 = 2.62 + 0.12 + 0.266 + 0.063 + 0.041 + 0.018 + 9.83 ∙ (1.2 − 0.21) + 1.6 ∙ 1.2 ∙ 9.83 ∙ 7.5 ∙ 10−3 = 13 [
𝑚𝑁,𝑔𝑐3
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Un volume spécifique à chacun des composants d’une combustion complète peut être calculé à partir
des équations suivantes. Ils sont calculés pour le CO2, l’H2O, l’O2 et le N2 :
Volume de CO2 : 𝑣𝐶𝑂2 =∑𝑛𝑗
0
𝑗
∙ ��[𝐶𝑛𝐻𝑚]𝑗 + ��𝐶𝑂 + ��𝐶𝑂2 (39)
Équation 39 : Calcul du volume spécifique de CO2
𝑣𝐶𝑂2 = 0.872 + 0.0480 + 0.114 + 0.0280 + 0.041 = 1.10 [𝑚𝑁,𝐶𝑂23
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Volume d’H2O : 𝑣𝐻2𝑂 =∑𝑚𝑗
2
0
𝑗
∙ ��[𝐶𝑛𝐻𝑚]𝑗 + ��𝐻2 + 1.6 ∙ 𝜆𝑎𝑖𝑟 ∙ 𝐿𝑚𝑖𝑛 ∙ 𝑥∗ (40)
Équation 40 : Calcul du volume spécifique d’H2O
𝑣𝐻2𝑂 = 1.74 + 0.0720 + 0.152 + 0.0350 + 1.6 ∙ 1.2 ∙ 9.83 ∙ 7.5 ∙ 10−3 = 2.14 [
𝑚𝑁,𝐻2𝑂3
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Volume d’O2 : 𝑣𝑂2 = 0.21 ∙ (𝜆𝑎𝑖𝑟 − 1) ∙ 𝐿𝑚𝑖𝑛 (41)
Équation 41 : Calcul du volume spécifique d'O2
𝑣𝑂2 = 0.21 ∙ (1.2 − 1) ∙ 9.83 = 0.413 [𝑚𝑁,𝑂23
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Volume de N2 : 𝑣𝑁2 = ��𝑁2 + 0.79 ∙ 𝜆𝑎𝑖𝑟 ∙ 𝐿𝑚𝑖𝑛 (42)
Équation 42 : Calcul du volume spécifique de N2
𝑣𝑁2 = 0.0180 + 0.79 ∙ 1.2 ∙ 9.83 = 9.33 [𝑚𝑁,𝑁23
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
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Le calcul de la masse volumique des gaz de combustion est basé sur les conditions normales (CNTP).
En effet, afin que les résultats soient cohérents, il est nécessaire de se baser sur des conditions de
fonctionnement similaires. Voici le récapitulatif des conditions de calcul ainsi que des différentes masses
volumiques considérées :
Conditions normales
Pression P0 [bar] 101’300
Température T0 [K] 273
Gaz Masse volumique ρ [kg/m3]
CO2 1.96
H2O 0.8
SO2 2.86
O2 1.43
N2 1.25
Tableau 37 : Masses volumiques des éléments aux conditions normales
Pour le calcul des chaleurs spécifiques de chacun des éléments, des valeurs tabulées sont disponibles en
fonction de la température. Voici les valeurs pour des conditions de références :
Chaleur spécifique cp [kJ/mN3∙K]
Tgc [°C] CO2 H2O O2 N2
0 1.61 1.49 1.31 1.30
Tableau 38 : Chaleur spécifique propre à chaque élément pour une température donnée.
Le calcul de la masse des gaz de combustion en sortie de chaudière s’effectue selon la relation suivante :
Masse
volumique : 𝜌𝑔𝑐 =
𝜌𝐶𝑂2 ∙ 𝑣𝐶𝑂2 + 𝜌𝑆𝑂2 ∙ 𝑣𝑆𝑂2 + 𝜌𝐻2𝑂 ∙ 𝑣𝐻2𝑂 + 𝜌𝑂2 ∙ 𝑣𝑂2 + 𝜌𝑁2 ∙ 𝑣𝑁2𝑣𝐶𝑂2 + 𝑣𝑆𝑂2 + 𝑣𝐻2𝑂 + 𝑣𝑂2 + 𝑣𝑁2
(43)
Équation 43 : Calcul de la masse volumique des gaz de combustion
𝜌𝑔𝑐 =1.96 ∙ 1.10 + 2.86 ∙ 0 + 0.8 ∙ 2.14 + 1.43 ∙ 0.413 + 1.25 ∙ 9.33
1.10 + 0 + 2.14 + 0.413 + 9.33= 1.24 [
𝑘𝑔
𝑚𝑁3]
La relation ci-dessous permettrait tout de même de déterminer la masse volumique réelle pour une
pression de 103'500 [Pa] et une température des gaz de fumées de 235 [°C] :
Masse volumique aux
conditions de travail : 𝜌 = 𝜌0 ∙𝑇0 ∙ 𝑃
𝑃0 ∙ 𝑇 (44)
Équation 44 : Calcul de la masse volumique des différents composants
Cependant, comme le débit recherché est un débit massique, il est indépendant des conditions de
fonctionnement et peut donc être calculé sur la base d’une température de 0 [°C] et une pression de
101'300 [Pa].
Jonathan Gamba
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Connaissant la chaleur spécifique et le volume spécifique de chacun des éléments, il est possible de
calculer une chaleur spécifique propre aux gaz de combustion :
Chaleur
spécifique : 𝑐𝑝𝑔𝑐 =
𝑐𝑝𝐶𝑂2 ∙ 𝑣𝐶𝑂2 + 𝑐𝑝𝐻2𝑂 ∙ 𝑣𝐻2𝑂 + 𝑐𝑝𝑂2 ∙ 𝑣𝑂2 + 𝑐𝑝𝑁2 ∙ 𝑣𝑁2𝑣𝐶𝑂2 + 𝑣𝐻2𝑂 + 𝑣𝑂2 + 𝑣𝑁2
(45)
Équation 45 : Calcul de la chaleur spécifique des gaz de combustion
𝑐𝑝𝑔𝑐 =1.61 ∙ 1.10 + 1.49 ∙ 2.14 + 1.31 ∙ 0.413 + 1.30 ∙ 9.33
1.10 + 2.14 + 0.413 + 9.33= 1.36 [
𝑘𝐽
𝑚𝑁,𝑔𝑐3 ∙ 𝐾
]
Dans le cadre de ce travail et afin de simplifier le calcul, seules les conditions normales sont
considérées. La valeur pourrait être corrigée selon une méthode de calcul utilisant l’enthalpie des gaz
de fumée. Cependant selon la littérature, la variation de la chaleur spécifique en fonction de la
température est très faible et peut donc être négligée dans un premier temps. S’il s’avère que la
récupération de chaleur est suffisante après un premier calcul, cette valeur peut être affinée de manière
à rendre les résultats plus précis.
Une fois la masse volumique des gaz de fumées calculée et en connaissant le débit de gaz naturel, il est
possible de déterminer le débit massique des gaz de fumées :
Débit massique : ��𝑔𝑐 = 𝑣𝑔𝑐 ∙ ��𝑔𝑎𝑧 𝑛𝑎𝑡. ∙ 𝜌𝑔𝑐 (46)
Équation 46 : Calcul du débit massique des gaz de combustion
��𝑔𝑐 = 13 ∙ 14 ∙ 1.24 = 227 [𝑘𝑔
ℎ] = 0.0631 [
𝑘𝑔
𝑠]
Le débit massique, la chaleur spécifique et les températures d’entrée et de sortie des gaz de fumées étant
connus, il est possible de déterminer la puissance de récupération. Ceci dans l’hypothèse d’une
température de sortie des gaz égale à la température d’entrée de la vapeur saturée de 170 [°C] :
Puissance de
récupération : ��𝑟é𝑐𝑢𝑝é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = ��𝑔𝑐 ∙ 𝑐𝑝𝑔𝑐 ∙ (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑜𝑢𝑡) (47)
Équation 47 : Calcul de la récupération de chaleur possible
��𝑟é𝑐𝑢𝑝é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 0.0631 ∙ 1.36 ∙ (235 − 170) = 5.6 [𝑘𝑊]
La puissance à disposition dans les conditions de fonctionnement les plus favorables correspond à 69%
des 8.1 [kW] nécessaires à la surchauffe. La solution d’installer un échangeur afin de récupérer la chaleur
des gaz de fumées est alors remise en question.
En effet, les calculs effectués sur l’échangeur des gaz de fumées ont été réalisés de manière très
optimiste. La température des gaz en sortie a été considérée à 170 [°C], autrement dit égale à celle de la
vapeur en entrée. Il s’agirait là d’un échangeur qui fonctionne dans des conditions optimales et qui
transférerait toute la chaleur disponible sans aucune perte. Or, dans la réalité ce ne serait pas le cas et la
puissance disponible se verrait encore diminuer.
Jonathan Gamba
Page 72
Comme cité précédemment, la puissance de surchauffe de 8.1 [kW] correspond à celle nécessaire
lorsque le débit de vapeur est de 250 [kg/h]. En réalité, la turbine consommant 180 [kg/h] dans les
meilleures conditions, la puissance de surchauffe serait alors moins conséquente. Cependant, même dans
ces conditions, la puissance de transfert de chaleur disponible et demandée serait trop proche pour
assurer une surchauffe optimale. Après discussion avec M. Weber, cette variante est totalement mise de
côté et ne va pas être développée plus en détail. Effectivement, le débit des gaz de fumée ainsi que leur
niveau de température ne sont pas assez conséquents pour répondre au besoin de surchauffe de la vapeur.
Une modification interne de la chaudière aurait pu être entreprise, plus précisément au deuxième
parcours. C’est à cet endroit qu’est placé le surchauffeur de vapeur sur les chaudières plus récentes. Ceci
car le niveau de température est bien plus élevé à cet endroit, les conditions sont donc plus propices à
une surchauffe de la vapeur. Cependant, comme mentionné au point 10.1, cette modification n’est pas
envisageable sur la chaudière du laboratoire.
Une autre variante pourrait alors être traitée si l’on considère que le dimensionnement de l’échangeur
sur les gaz de fumée est maintenu. Utiliser une première surchauffe par les gaz de fumées puis une
deuxième avec l’échangeur récupéré étudié au point 8.4. Cette étude impliquerait des complications
supplémentaires liées par exemple à l’implantation des éléments et au niveau des distances. Elle n’est
donc pas étudiée dans le cadre de ce travail.
Jonathan Gamba
Page 73
11 Comparaison et analyse des variantes 1 et 2
Un diagramme sous forme de radar permet de mettre en évidence les points forts et les points faibles
des deux variantes retenues. Cela donne la possibilité de juger de manière visuelle les différences entre
une surchauffe avec de l’huile thermique ou avec un surchauffeur électrique. Cinq aspects différents
sont notés, l’investissement, la production, la sécurité, l’implantation et la simplicité de réalisation. Pour
simplifier le schéma des notes de 0 à 10 sont données, respectivement la moins bonne et la meilleure :
Graphique 7 : Comparatif des deux variantes susceptibles d'être réalisées
L’investissement lié à la variante avec le surchauffeur a obtenu la note de 6, car la somme de 96'000
[CHF] n’est pas exagérée mais tout de même conséquente pour une installation de cette envergure. De
même pour la variante qui utilise l’huile thermique avec 162'000 [CHF], la note de 3 montre alors la
différence entre les deux. Les coûts supplémentaires sont principalement liés à la tuyauterie d’huile
thermique qui représente une somme non négligeable dans l’investissement.
La production d’électricité définie dans le cas d’une pression de 8 [barA] et une température de 200 [°C]
de 11 [kW] n’est déjà pas élevée. Pour les raisons déjà citées au point 8.15, la quantité d’électricité
réellement disponible en considérant les pertes de pression n’a pas pu être calculée. Or, elle serait encore
plus faible que cette valeur de 11 [kW], c’est pour cette raison que les valeurs 3 et 2 sont données
respectivement pour la variante 1 et 2.
D’un point de vue sécurité, il paraît clair que faire traverser de l’huile thermique dans tout le laboratoire
est plus dangereux. La note de 5 est tout de même donnée car la tuyauterie est sûre, cependant il est
préférable d’éviter l’utilisation d’un fluide dangereux dans un lieu où des personnes travaillent. Pour la
sécurité au niveau du surchauffeur électrique, il s’agit d’une installation plus courante sans utilisation
de fluide considéré comme dangereux. L’aspect sécuritaire est plus facilement gérable c’est pourquoi la
note de 8 est attribuée.
En ce qui concerne l’implantation, elle est beaucoup plus facilement réalisable dans le cas de la 2ème
variante. Ceci de par le fait que la chaudière à huile est à l’opposé et qu’elle ne peut pas être déplacée.
De ce fait, la difficulté de réalisation se fait ressentir pour la 1ère variante. En effet, toute la conduite
d’huile thermique devrait être tirée alors que pour la 2ème variante le stand est proche de la production
de vapeur.
0
2
4
6
8
10Investissement
Production
SécuritéImplantation
Simplicité
Comparaison des variantes
Chaudière à huile thermique (1) Surchauffeur électrique (2)
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12 Conclusion
Ce travail avait pour but premier de dimensionner un stand de vapeur surchauffée qui pourrait être
installé dans l’Institut de Génie Thermique de l’HEIG-VD. Ceci au travers de différentes variantes afin
de pouvoir déterminer laquelle d’entre elles est la plus adaptée.
Dans un premier temps, la présentation du laboratoire a permis de mettre en évidence que la production
de vapeur saturée est déjà disponible. Elle a aussi montré qu’une chaudière à huile est utilisable et qu’une
récupération sur les gaz de fumées issus de la chaudière à vapeur peut être étudiée. Après analyse de la
situation une autre possibilité s’est présentée, celle d’utiliser directement un surchauffeur électrique.
Un kit microturbine à vapeur possédant les appareils de fonctionnement principaux a été trouvé et une
présentation des points importants a été effectuée. Notamment au niveau de certaines règles à respecter
et de certains conseils à ne pas négliger. Ensuite certains changements apportés au kit sont décrits,
principalement en ce qui concerne le circuit de refroidissement et les connexions. Cette installation est
capable de produire au maximum 15 [kWe] dans les meilleures conditions. Il s’avère que dans le
laboratoire les caractéristiques de vapeur requises ne sont pas disponibles. C’est une puissance inférieure
à 11 [kWe] qui serait alors réellement générée dans l’IGT, ceci peu importe la variante considérée.
L’énergie qui en découle pourrait alors être utilisée au travers d’un moteur électrique ou alors
directement réinjectée dans le réseau.
Pour commencer, la variante qui utilise la chaudière à huile thermique a été étudiée. La première idée
consistait à récupérer l’échangeur préalablement utilisé pour du refroidissement et l’utiliser pour la
surchauffe. Après une étude approfondie, cette possibilité ne répond pas aux critères pour la surchauffe
de la vapeur. Finalement, c’est un échangeur dimensionné sur mesure qui serait utilisé pour une
surchauffe à l’huile thermique. Ceci au travers d’une tuyauterie double parois spécialement conçue pour
le transport de fluide dangereux. La chaudière à huile thermique ne se trouvant pas à proximité de la
production de vapeur, deux possibilités d’implantations ont été étudiées. Une seule d’entre elles a été
retenue, il s’agit de celle où le kit Green Turbine se situe le plus proche de la chaudière à vapeur dans
la zone U38.
La deuxième variante met en évidence le surchauffeur électrique. Ce dernier est utilisé pour surchauffer
directement la vapeur saturée par le biais de corps de chauffe électriques. Le lieu d’implantation a été
plus facilement déterminé, le plus proche de la production de vapeur s’avère être le plus approprié. C’est
le même emplacement que celui choisi pour la première variante qui serait utilisé. Cela simplifie le
montage de l’installation ainsi que la comparaison entre les variantes.
La dernière variante concerne la surchauffe de la vapeur saturée, ceci au travers d’un échangeur de
chaleur placé sur la cheminée d’évacuation des gaz de fumées de la chaudière à vapeur. Après
détermination des propriétés des gaz de fumées, plus précisément du débit disponible et de la chaleur
spécifique, la récupération possible pour le transfert de chaleur n’est pas suffisante. En effet, il faudrait
soit un débit ou alors une température des gaz plus élevés. Cette variante a donc été mise de côté et n’a
pas été développée plus en détail.
Pour la première et la deuxième variante qui sont celles qui ont été retenues, la conception complète a
été effectuée. Le dimensionnement de la tuyauterie, le schéma de principe, le dessin d’implantation, le
choix des différents composants et des éléments de raccordement caractérisent chacune des variantes.
De plus, le calcul de l’investissement nécessaire et les coûts annuels propres à chacune d’entre elles ont
été réalisés.
Selon les résultats obtenus et en considérant tous les aspects traités précédemment, il est possible
d’émettre une préférence quant à la variante la plus adaptée. En effet, comme la production d’énergie
n’est pas le but premier de ce système, la variante avec le surchauffeur électrique serait privilégiée. En
Jonathan Gamba
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effet mis à part cette génération d’électricité sensiblement plus faible, tous les autres points tels que
l’investissement, la sécurité, l’implantation et la réalisation vont dans le sens de cette 2ème variante.
13 Bibliographie
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http://www.tlv.com/global/FR/corporate-profile/.
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Jonathan Gamba
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Available: https://www.prix-electricite.elcom.admin.ch/Map/ShowSwissMap.aspx.
[32] Apaco, Swiss made the welding factory, Typ AW-10, 2017.
[33] R. Röthlisberger, Chauffage, Ventilation et Climatisation, 2007.
[34] J. Y. MESSE, «ThermExcel,» 3 Août 2016. [En ligne]. Available:
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[35] Flowserve Gestra, «Manuel du condensat,» 2012. [En ligne]. Available:
http://www.gestra.com/products/industrial-electronics/monitoring-condensate.html.
[36] K. Huynen, «Thermodynamique du corps pur et des changements de phases,» 3 Février 2016.
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http://agora.enim.fr/hk/3A_Thermo_C1_Corps_purs/C1_Corps_purs_web.publi/web/co/C1_Co
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[37] Dow Chemical Company, «Product Technical Data,» Octobre 1997. [En ligne]. Available:
http://www.loikitsdistribution.com/files/syltherm-800-product-brochure.pdf.
[38] K. Thévennaz, Interviewee, Prix d'une soudure en fonction du DN. [Interview]. 19 juillet 2017.
Jonathan Gamba
Page 77
14 Symboles et abréviations
Calcul puissances de chauffage, surchauffe et turbine
Descriptif Symbole Unité
Débit massique maximal de la vapeur ��𝑚𝑎𝑥,𝑣𝑎𝑝 [kg/s]
Enthalpie massique de l’eau saturée issue de la bâche d’alimentation ℎ1′ [kJ/kg]
Enthalpie massique de l’eau saturée à la pression d’évaporation ℎ2′ [kJ/kg]
Enthalpie massique de la vapeur saturée ℎ′′ [kJ/kg]
Puissance de chauffage nécessaire pour évaporer l’eau ��𝑐ℎ𝑎𝑢𝑓𝑓𝑎𝑔𝑒 [kW]
Enthalpie massique de la vapeur surchauffée (à 8 [barA]) ℎ𝑣𝑎𝑝.𝑠𝑢𝑟𝑐ℎ. [kJ/kg]
Puissance de surchauffe de la vapeur ��𝑠𝑢𝑟𝑐ℎ𝑎𝑢𝑓𝑓𝑒 [kW]
Enthalpie massique de la vapeur surchauffée à 10 [barA] ℎ1,10𝑏𝑎𝑟𝐴 [kJ/kg]
Enthalpie massique de la vapeur surchauffée à 8 [barA] ℎ1,8𝑏𝑎𝑟𝐴 [kJ/kg]
Enthalpie massique après une détente isentrope dans la turbine à 0.1
[barA] (une fois à 10barA et une fois à 8 barA. Attention valeur différente) ℎ2𝑠,0.1𝑏𝑎𝑟𝐴 [kJ/kg]
Enthalpie massique après une détente réelle dans la turbine à 0.1 [barA]
(une fois à 10barA et une fois à 8 barA. Attention valeur différente) ℎ2,0.1𝑏𝑎𝑟𝐴 [kJ/kg]
Rendement isentrope de la turbine 𝜂𝑖𝑠 [-]
Débit nominal de la vapeur ��𝑣𝑎𝑝 [kg/s]
Puissance mécanique de la turbine 𝑃𝑚é𝑐 [kW]
Rendement du générateur 𝜂𝑔é𝑛é𝑟𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟 [-]
Puissance électrique produite par la turbine 𝑃é𝑙𝑒𝑐 [kWe]
Tableau 39 : Liste des symboles pour la partie puissance de chauffage, surchauffe et turbine
Calcul échangeur récupéré
Descriptif Symbole Unité
Diamètre d’un tube dans l’échangeur 𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒 [m]
Débit massique de l’huile ��ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 [kg/s]
Surface de passage dans le tube 𝑆ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 [m²]
Vitesse de l’huile dans un tube 𝑣ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 [m/s]
Débit d’huile dans un tube ��ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 [m³/s]
Espace entre les tubes dans l’échangeur (voir Figure 12) 𝑒𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑠 [m]
Longueur entre chaque chicane (voir Figure 12) 𝐿𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑐ℎ𝑖𝑐𝑎𝑛𝑒 [m]
Surface de passage de la vapeur 𝑆𝑣𝑎𝑝 [m²]
Viscosité cinématique du fluide 𝜈 [m2/s]
Nombre de Reynolds Re [-]
Espace entre les deux axes de deux tubes dans l’échangeur 𝐿𝑡𝑝 [m]
Diamètre hydraulique pour le passage de la vapeur 𝑑ℎ,𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 [m]
Chaleur spécifique du fluide 𝑐𝑝 [J/kg∙K]
Viscosité dynamique du fluide 𝜇 [Pa∙s]
Conductivité thermique du fluide ou de la matière 𝜆 [W/m∙K]
Nombre de Prandtl 𝑃𝑟 [-]
Nombre de Nusselt 𝑁𝑢 [-]
Coefficient de convection h [W
m2 ∙ K]
Longueur des tubes 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒 [m]
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Nombre de tubes 𝑁𝑏𝑟𝑒𝑡𝑢𝑏𝑒 [-]
Epaisseur de la paroi d’un tube épais. [m]
Surface d’échange interne 𝑆𝑖 [m²]
Surface d’échange externe 𝑆𝑒 [m²]
Résistance d’encrassement intérieure Rfint [m² ∙ K
W]
Résistance d’encrassement extérieure Rfext [m² ∙ K
W]
Coefficient global de transfert de chaleur U [W
m2 ∙ K]
Température d’entrée de la vapeur 𝑇𝑖𝑛,𝑣𝑎𝑝 [°C]
Température de sortie de la vapeur 𝑇𝑜𝑢𝑡,𝑣𝑎𝑝 [°C]
Température d’entrée de l’huile 𝑇𝑖𝑛,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 [°C]
Température de sortie de l’huile 𝑇𝑜𝑢𝑡,ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 [°C]
Coefficient R R [-]
Coefficient P P [-]
Facteur de correction F [-]
Différence de température moyenne logarithmique ∆𝑇𝑚𝑜𝑦,𝑙𝑜𝑔 [°C]
Surface d’échange totale de l’échangeur 𝑆𝑡𝑜𝑡 [m²]
Puissance de transfert de chaleur de l’échangeur �� [W]
Tableau 40 : Liste des symboles pour la partie échangeur de chaleur
Calcul débit et dimensionnement tuyauterie
Descriptif Symbole Unité
Débit du fluide considéré �� [kg/s]
Masse volumique du fluide considéré 𝜌 [kg/m³]
Débit volumique du fluide considéré �� [m³/s]
Vitesse du fluide considéré v [m/s]
Surface interne de la tuyauterie 𝑆𝑖𝑛𝑡. [m²]
Diamètre interne de la tuyauterie 𝐷𝑖𝑛𝑡 [m]
Poids de la tuyauterie 𝑝𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 [kg/m]
Longueur de la tuyauterie 𝑙𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 [m]
Chaleur spécifique de la matière 𝑐𝑝𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 [J/kg∙K]
Température de la vapeur 𝑇𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 [°C]
Température ambiante du laboratoire 𝑇𝑎𝑚𝑏 [°C]
Chaleur latente de vaporisation 𝑟 [kJ/kg]
Temps de démarrage de l’installation 𝑡𝑑é𝑚𝑎𝑟𝑟𝑎𝑔𝑒 [min]
Débit de condensat par le chauffage des tuyaux ��ℎ [kg/h]
Épaisseur d’isolation 𝑠𝑖𝑠𝑜𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 [m]
Conductivité thermique de l’isolation 𝜆 [W/m∙K]
Diamètre intérieur de la tuyauterie 𝑑1 [m]
Coefficient de convection extérieur 𝛼 [W/m2∙K]
Charge de condensat par les pertes de chaleur radiante ��𝑟 [kg]
Débit total de condensat ��𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑡 [kg/h]
Débit de condensat lors du fonctionnement de l’installation ��𝑐𝑜𝑛𝑑.𝑓𝑜𝑛𝑐𝑡. [kg/h]
Enthalpie massique de la vapeur saturée à 8 [barA] ℎ8𝑏𝑎𝑟𝐴′ [kJ/kg]
Enthalpie massique de l’eau saturée à 1.3 [barA] ℎ1.3𝑏𝑎𝑟𝐴′ [kJ/kg]
Enthalpie massique de la vapeur saturée à 1.3 [barA] ℎ1.3𝑏𝑎𝑟𝐴′′ [kJ/kg]
Débit de revaporisation ��𝑟𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑠𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 [kg/h]
Tableau 41 : Liste des symboles pour la partie débit et dimensionnement tuyauterie
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Calcul des pertes de charge
Descriptif Symbole Unité
Rugosité de la matière 𝑘𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 [m]
Diamètre interne de la tuyauterie 𝑑𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 [m]
Coefficient adimensionnel de pertes de charge répartie 𝜆′ [-]
Longueur de la tuyauterie 𝑙𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 [m]
Masse volumique de la vapeur (ou du fluide considéré) 𝜌𝑣𝑎𝑝 [kg/m³]
Vitesse de la vapeur (ou du fluide considéré) 𝑣𝑣𝑎𝑝 [m/s]
Pertes de charge répartie ∆𝑃𝑟 [Pa]
Coefficient adimensionnel de pertes de charge singulière 𝜁 [-]
Pertes de charge singulière ∆𝑃𝑠 [Pa]
Tableau 42 : Liste des symboles pour la partie pertes de charge
Calcul des pertes thermiques
Descriptif Symbole Unité
Coefficient de convection du fluide 𝛼𝑖 [𝑊
𝑚2 ∙ 𝐾]
Coefficient de convection extérieur 𝛼𝑒 [𝑊
𝑚2 ∙ 𝐾]
Diamètre interne de la tuyauterie 𝑑𝑖 [m]
Diamètre externe de la tuyauterie + isolation 𝑑𝑒 [m]
Diamètre externe de la tuyauterie 𝑑𝑗 [m]
Diamètre externe de la tuyauterie + isolation 𝑑𝑗+1 [m]
Conductivité thermique du fluide 𝜆𝑗 [𝑊
𝑚 ∙ 𝐾]
Coefficient global de transfert de chaleur pour les déperditions 𝑈𝑑é𝑝 [𝑊
𝑚 ∙ 𝐾]
Longueur de la tuyauterie 𝑙𝑡𝑢𝑦𝑎𝑢 [m]
Température du fluide considéré au début de la tuyauterie 𝑇𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 [°C]
Température de l’air ambiant 𝑇𝑎𝑖𝑟 [°C]
Puissance thermique transférée à l’ambiant ��𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 [W]
Débit du fluide ��𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 [kg/s]
Chaleur spécifique du fluide 𝑐𝑝𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 [[J/kg∙K]]
Tableau 43 : Liste des symboles pour la partie pertes thermiques
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Page 80
Calcul récupération sur les gaz de fumée
Descriptif Symbole Unité
Masse volumique de l’huile en fct. de la température 𝜌(𝑇) [kg/m3]
Concentration du composant x du gaz naturel ��𝑥 [%-vol]
Nombre d’atomes de carbone 𝑛𝑗 [-]
Nombre d’atomes d’hydrogène 𝑚𝑗 [-]
Air minimum 𝐿𝑚𝑖𝑛 [𝑚𝑁,𝑎𝑖𝑟3
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Coefficient d’excès d’air 𝜆𝑎𝑖𝑟 [-]
Humidité absolue 𝑥∗ [𝑘𝑔𝑒𝑎𝑢
𝑘𝑔𝑑′𝑎𝑖𝑟 𝑠𝑒𝑐]
Masse volumique aux conditions normales CNTP 𝜌0 [𝑘𝑔
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Température aux conditions normales CNTP 𝑇0 [°C]
Pression atmosphérique aux conditions normales CNTP 𝑃0 [Pa]
Volume du composant x des gaz de combustion 𝑣𝑥 [𝑚3
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Masse volumique du composant x des gaz de combustion 𝜌𝑥 [𝑘𝑔
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Masse volumique des gaz de fumée 𝜌𝑔𝑐 [𝑘𝑔
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Volume des gaz humides 𝑣𝑔𝑐 [𝑚𝑁,𝑔𝑐3
𝑚𝑁,𝑔𝑎𝑧3 ]
Masse volumique aux conditions de travail 𝜌 [kg/m³]
Température aux conditions de travail 𝑇 [°C]
Pression aux conditions de travail 𝑃 [Pa]
Chaleur spécifique du composant x des gaz de combustion 𝑐𝑝𝑥 [𝑘𝐽
𝑚𝑁,𝑔𝑐3 ∙ 𝐾
]
Chaleur spécifique des gaz de combustion 𝑐𝑝𝑔𝑐 [𝑘𝐽
𝑚𝑁,𝑔𝑐3 ∙ 𝐾
]
Débit volumique du gaz naturel ��𝑔𝑎𝑧 𝑛𝑎𝑡. [m³/s]
Débit massique des gaz de combustion ��𝑔𝑐 [kg/s]
Température d’entrée des gaz de combustion 𝑇𝑖𝑛 [°C]
Température de sortie des gaz de combustion 𝑇𝑜𝑢𝑡 [°C]
Puissance de récupération ��𝑟é𝑐𝑢𝑝é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 [kW]
Tableau 44 : Liste des symboles pour la partie récupération sur les gaz de fumées
Calcul des annuités
Descriptif Symbole Unité
Investissement I [CHF]
Intérêt annuel 𝑖 [-]
Durée de l’amortissement 𝑛 [an]
Annuités A [CHF]
Tableau 45 : Liste des symboles pour la partie calcul des annuités
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Page 81
15 Liste des figures Figure 1 : Vue de dessus de l'Institut de Génie Thermique IGT ............................................................. 5
Figure 2 : Photo du Kit Green Turbine [4] ............................................................................................ 11
Figure 3 : Bornier pour les connexions de la production d'électricité [4] ............................................. 13
Figure 4 : Schéma de principe du kit Green Turbine [4] ....................................................................... 14
Figure 5 : Éléments de fonctionnement du kit Green Turbine [4] ......................................................... 15
Figure 6 : Bout à souder plus grand que le filetage [7] ......................................................................... 18
Figure 7 : Manchon à souder, filetage femelle, égal [7] ........................................................................ 18
Figure 8 : Mamelon de réduction mâle/femelle [8] ............................................................................... 19
Figure 9 : Raccord mobile mâle/femelle [7] .......................................................................................... 19
Figure 10 : Vis de rappel Optipress [9] ................................................................................................. 19
Figure 11 : Schéma de principe de l'échangeur de chaleur huile/eau [12] ............................................ 29
Figure 12 : Surface considérée pour le passage de la vapeur ................................................................ 31
Figure 13: Géométrie des tubes et de l'échangeur et grandeurs considérées [13] ................................. 32
Figure 14 : Dessin préliminaire de l'échangeur [16] ............................................................................. 37
Figure 15 : Conduite à gaine en acier [18] ............................................................................................ 40
Figure 16 : Robinet de régulation 3 voies [26] ...................................................................................... 47
Figure 17: Robinet d'arrêt à soupape [27] ............................................................................................. 48
Figure 18 : Robinet à tournant sphérique M 10 S ................................................................................. 49
Figure 19 : Robinet d’arrêt AV6 ........................................................................................................... 49
Figure 20 : Purgeur thermostatique SMC32Y ....................................................................................... 50
Figure 21: Clapet de non-retour DCV3 ................................................................................................. 50
Figure 22 : Schéma de la chaudière avec une récupération de chaleur sur les gaz de fumées .............. 67
16 Liste des graphiques Graphique 1 : Diagramme T-S mettant en évidence le chauffage et l'évaporation de l'eau dans la
chaudière [2] ............................................................................................................................................ 8
Graphique 2 : Diagramme T-S mettant en évidence la surchauffe maximale avant l'entrée dans la
turbine [2] .............................................................................................................................................. 21
Graphique 3 : Diagramme T-S comparant un cycle à 10 barA et un cycle à 8 barA [2] ....................... 24
Graphique 4 : Températures de fonctionnement en fonction du type d'huile. [11] ............................... 27
Graphique 5 : Détermination du facteur de correction [13] .................................................................. 35
Graphique 6 : Classe de risque pour tuyauterie gaz-autre fluide [22] ................................................... 44
Graphique 7 : Comparatif des deux variantes susceptibles d'être réalisées ........................................... 73
17 Liste des tableaux Tableau 1 : Caractéristiques techniques de la chaudière Loos. ............................................................... 6
Tableau 2 : Caractéristiques de l’eau et de la vapeur saturées ................................................................ 7
Tableau 3 : Récapitulatif des composants du kit Green Turbine 15 kWe ............................................. 10
Tableau 4 : Caractéristiques techniques de la microturbine .................................................................. 15
Tableau 5 : Caractéristiques de la vapeur surchauffée à l'entrée de la microturbine ............................. 20
Tableau 6 : Résumé des enthalpies utilisées en fonction des conditions de fonctionnement ................ 23
Tableau 7 : Caractéristiques de fonctionnement de la chaudière à huile thermique. ............................ 25
Tableau 8 : Caractéristiques de l'huile thermique en sortie de chaudière .............................................. 28
Tableau 9 : Caractéristiques techniques de l'échangeur de chaleur huile/vapeur .................................. 29
Tableau 10 : Dimensions internes de l'échangeur ................................................................................. 30
Tableau 11 : Propriétés utilisées pour l'huile ......................................................................................... 30
Tableau 12 : Propriétés utilisées pour la vapeur .................................................................................... 31
Jonathan Gamba
Page 82
Tableau 13 : Caractéristiques techniques principales ............................................................................ 37
Tableau 14 : Récapitulatif pour la tuyauterie de la variante HTT ......................................................... 45
Tableau 15 : Caractéristiques techniques de l'isolation ......................................................................... 46
Tableau 16 : Caractéristiques techniques principales ............................................................................ 47
Tableau 17 : Caractéristiques techniques principales ............................................................................ 48
Tableau 18 : Caractéristiques techniques principales ............................................................................ 49
Tableau 19 : Caractéristiques techniques principales ............................................................................ 49
Tableau 20 : Caractéristiques techniques principales ............................................................................ 50
Tableau 21 : Caractéristiques techniques principales ............................................................................ 50
Tableau 22: Caractéristiques utiles au calcul des pertes de charge ....................................................... 51
Tableau 23 : Coefficient adimensionnel de pertes de charge singulières .............................................. 53
Tableau 24 : Pertes de charge en fonction de la conduite ..................................................................... 54
Tableau 25 : Récapitulatif des conditions à l'entrée du kit .................................................................... 57
Tableau 26 : Résumé des coûts liés au matériel .................................................................................... 58
Tableau 27 : Résumé des coûts liés au montage ................................................................................... 58
Tableau 28 : Résumé des coûts liés à la consommation de gaz, d'électricité et d’eau .......................... 59
Tableau 29 : Énergie produite et somme annuelle récupérée ................................................................ 60
Tableau 30 : Caractéristiques techniques du surchauffeur électrique ................................................... 63
Tableau 31 : Pertes de charge en fonction de la conduite ..................................................................... 65
Tableau 32 : Récapitulatif des conditions à l'entrée du kit .................................................................... 65
Tableau 33 : Résumé des coûts liés au matériel .................................................................................... 66
Tableau 34 : Résumé des coûts liés au montage ................................................................................... 66
Tableau 35 : Concentrations des éléments présents dans le gaz naturel ................................................ 68
Tableau 36 : Paramètres liés à la combustion ....................................................................................... 68
Tableau 37 : Masses volumiques des éléments aux conditions normales ............................................. 70
Tableau 38 : Chaleur spécifique propre à chaque élément pour une température donnée. ................... 70
Tableau 39 : Liste des symboles pour la partie puissance de chauffage, surchauffe et turbine ............ 77
Tableau 40 : Liste des symboles pour la partie échangeur de chaleur................................................... 78
Tableau 41 : Liste des symboles pour la partie débit et dimensionnement tuyauterie .......................... 78
Tableau 42 : Liste des symboles pour la partie pertes de charge .......................................................... 79
Tableau 43 : Liste des symboles pour la partie pertes thermiques ........................................................ 79
Tableau 44 : Liste des symboles pour la partie récupération sur les gaz de fumées ............................. 80
Tableau 45 : Liste des symboles pour la partie calcul des annuités ...................................................... 80
Tableau 46 : Éléments de connexions pour la variante avec la chaudière à huile thermique ................ 85
Tableau 47: Eléments de connexions pour la variante avec le surchauffeur électrique ........................ 86
Tableau 48: Liste des prix pour la variante avec la chaudière à huile ................................................... 88
Tableau 49: Temps de montage pour la variante avec la chaudière à huile .......................................... 88
Tableau 50 : Liste des prix pour la variante avec le surchauffeur électrique ........................................ 90
Tableau 51: Temps de montage pour la variante avec le surchauffeur électrique ................................. 90
Tableau 52: Caractéristiques utilisées pour l'eau de refroidissement .................................................... 91
Tableau 53: Caractéristiques utilisées pour la vapeur saturée ............................................................... 91
Tableau 54: Caractéristiques utilisées pour la vapeur surchauffée ........................................................ 91
Tableau 55 : Caractéristiques utilisées pour l'huile thermique .............................................................. 92
Jonathan Gamba
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18 Liste des équations Équation 1 : Calcul de la puissance nécessaire pour atteindre les conditions de fonctionnement........... 7
Équation 2 : Calcul de la puissance nécessaire à la surchauffe ............................................................. 20
Équation 3 : Calcul de l'enthalpie en fonctionnement réel .................................................................... 22
Équation 4 : Calcul de la puissance mécanique ..................................................................................... 22
Équation 5 : Calcul de la puissance électrique ...................................................................................... 22
Équation 6 : Calcul de la surface de passage d'un tube ......................................................................... 31
Équation 7 : Calcul de la vitesse dans un tube ...................................................................................... 31
Équation 8 : Surface de passage de la vapeur ........................................................................................ 32
Équation 9 : Calcul du Nombre de Reynolds ........................................................................................ 32
Équation 10 : Calcul du diamètre hydraulique pour la vapeur .............................................................. 32
Équation 11 : Calcul du Nombre de Prandtl .......................................................................................... 33
Équation 12 : Calcul du Nombre de Nusselt côté huile ......................................................................... 33
Équation 13 : Calcul du Nombre de Nusselt côté vapeur ...................................................................... 33
Équation 14 : Calcul du coefficient de convection ................................................................................ 33
Équation 15 : Calcul de la surface de transfert de chaleur interne ........................................................ 34
Équation 16 : Calcul de la surface de transfert de chaleur externe ........................................................ 34
Équation 17 : Calcul du coefficient global de transfert de chaleur U .................................................... 34
Équation 18 : Calcul du Coefficient de température R .......................................................................... 35
Équation 19 : Calcul du coefficient de température P ........................................................................... 35
Équation 20 : Calcul de la température moyenne logarithmique .......................................................... 36
Équation 21 : Calcul de la puissance de transfert de chaleur de l’échangeur ........................................ 36
Équation 22 : Calcul du débit volumique .............................................................................................. 41
Équation 23 : Calcul de la surface intérieure de la conduite ................................................................. 41
Équation 24 : Calcul du diamètre intérieur de la conduite .................................................................... 41
Équation 25 : Calcul du débit de condensat issue du chauffage des tuyaux .......................................... 42
Équation 26 : Calcul de la charge de condensat issue des pertes de chaleur radiante ........................... 42
Équation 27 : Débit total de condensat lors du démarrage de l'installation ........................................... 42
Équation 28 : Calcul du débit de revaporisation ................................................................................... 43
Équation 29 : Calcul de la première valeur λ' ........................................................................................ 52
Équation 30 : Calcul du λ' convergent ................................................................................................... 52
Équation 31 : Calcul des pertes de charge réparties .............................................................................. 53
Équation 32 : Calcul des pertes de charge singulières........................................................................... 53
Équation 33 : Calcul du coefficient global de transfert de chaleur pour les déperditions thermiques .. 55
Équation 34 : Calcul de la puissance de déperdition thermique ............................................................ 56
Équation 35 : Calcul de la température en fin de conduite .................................................................... 56
Équation 36 : Calcul des annuités ......................................................................................................... 60
Équation 37 : Calcul de l'air minimum nécessaire à la combustion ...................................................... 68
Équation 38 : Calcul du volume des gaz humides ................................................................................. 69
Équation 39 : Calcul du volume spécifique de CO2 .............................................................................. 69
Équation 40 : Calcul du volume spécifique d’H2O ............................................................................... 69
Équation 41 : Calcul du volume spécifique d'O2 ................................................................................... 69
Équation 42 : Calcul du volume spécifique de N2 ................................................................................. 69
Équation 43 : Calcul de la masse volumique des gaz de combustion ................................................... 70
Équation 44 : Calcul de la masse volumique des différents composants .............................................. 70
Équation 45 : Calcul de la chaleur spécifique des gaz de combustion .................................................. 71
Équation 46 : Calcul du débit massique des gaz de combustion ........................................................... 71
Équation 47 : Calcul de la récupération de chaleur possible ................................................................. 71
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19 Annexes
Voici une liste des documents mis à disposition en plus de ce travail. Ils permettent de compléter le
rapport afin que toutes les informations données soient claires.
- 19.1 Tableau des éléments de connexions en fonction de la tuyauterie (variante 1)
- 19.2 Tableau des éléments de connexions en fonction de la tuyauterie (variante 2)
- 19.3 Tableau des prix en fonction des éléments (variante 1)
- 19.4 Tableau des durées pour l’installation (variante 1)
- 19.5 Tableau des prix en fonction des éléments (variante 2)
- 19.6 Tableau des durées pour l’installation (variante 2)
- 19.7 Caractéristiques des fluides utilisés
- 19.8 Manuel d’installation du kit Green Turbine.
- 19.9 Schéma de principe de la variante avec la chaudière à huile thermique (variante 1)
- 19.10 Schéma de principe de la variante avec le surchauffeur électrique (variante 2)
- 19.11 Dessins d’implantation de la variante 1
- 19.12 Dessins d’implantation de la variante 2
- 19.13 Fiches techniques des éléments liés à l’eau de refroidissement
- 19.14 Fiche technique de la tuyauterie vapeur (inclue tuyauterie condensat)
- 19.15 Fiche technique de la tuyauterie d’huile thermique
- 19.16 Fiches techniques des sondes de température et de pression
- 19.17 Devis, rapports de calcul des fournisseurs
- 19.18 Journal de travail
- 19.19 Procès-verbal
- 19.20 Diagramme de Gantt
Jonathan Gamba
Page 85
19.1 Tableau des éléments de connexions en fonction de la tuyauterie (variante 1) :
Parcours tuyauterie Tés Brides PN16 Réductions coniques Coudes Support tuyauterie (cours chaudronnerie) Connexions et éléments spéciaux
Dimension / type Dimension / type Dimension / type Dimension / type Dimension / type Type
Tuyau alim. vapeur - Échangeur 2xDN25 (R-165)
2xDN25 (R-286-16)
+ 8xDN25 (R-358
chaque 6 m.)
1xDN25/DN15 (R-
160) 6xDN25 (R-1651) 11x(33-35) (R-172) -
Robinet 3 voies - Stand échangeurs 1xDN25 (R-165)
1xDN25 (R-286-16)
+ 6xDN25 (R-358
chaque 6 m.)
- 8xDN25 (R-1651) 6x(33-35) (R-172) -
Echangeur - Kit turbine (filetable) ;
(robinet 3 voies entre 2) 2xDN25 (R-165) 2xDN25 (R-286-16) - 3xDN25 (R-1651)
2x(33-35) (R-172) + 2xconsole pour rails R-
6435+2xrails 2000 mm R6410
Bout à souder plus grand que le filetage (R-
404) 3/4''/33.7 (DN20/DN25)
Sonde de pression VEGABAR 81
Sonde de température Jumo 902820/10
Soupape de sécurité-extérieur - 6xDN20 (R-358
chaque 6 m.) - 9xDN20 (R-1651) 7x(26-29) (R-172)
Manchon à souder, filetage femelle, égal
(R-404) 3/4''/26.9 (DN20/DN20)
Purgeur de ligne - Conduite condensat
(filetable) 2xDN15 (R-165)
8xDN15 (R-286-16)
+ 6xDN15 (R-358
chaque 6 m.)
- 10xDN15 (R-1651) 7x(20-23) (R-172) -
Purgeur kit - Conduite condensat
(filetable) 1xDN15 (R-165)
6xDN15 (R-358
chaque 6 m.) - 12xDN15 (R-1651) 8x(20-23) (R-172)
Manchon à souder, filetage femelle, égal
(R-404) 1/2''/21.3 (DN15/DN15)
Pompe condensat kit - Bâche
d'alimentation (filetable) -
6xDN20 (R-358
chaque 6 m.)
1xDN25/DN20 (R-
160) 9xDN20 (R-1651) 8x(26-29) (R-172)
Réduction en bronze Debrunner Acifer
…./3/4'' (dimension à définir en fonction de
la connexion sur la pompe) + raccord léger
R-134-U 3/4''
Eau du réseau - Kit turbine 1x22 (80010) - - 5x22 (80000) -
Réduction en bronze Debrunner Acifer
…./3/4'' (dimension à définir en fonction de
la connexion sur la pompe) + 1xVis de
rappel (81046) 3/4''/22 + Robinet oblique
82000 22
Kit turbine - Egoût - - - 4x22 (80000) -
Réduction en bronze Debrunner Acifer
…./3/4'' (dimension à définir en fonction de
la connexion sur le condenseur) + 1xVis
de rappel (81046) 3/4''/22
Kit turbine - Réseau électrique ou
moteur - - - - - Câble électrique 3x400V livré avec kit
Chaudière huile - Echangeur - Voir offre 1xDN25/DN20 (R-
160) + 1xDN50/DN20 Voir offre Voir offre -
Echangeur - Chaudière à huile - Voir offre 1xDN25/DN20 (R-
160) + 1xDN50/DN21 Voir offre Voir offre -
Tableau 46 : Éléments de connexions pour la variante avec la chaudière à huile thermique
Jonathan Gamba
Page 86
19.2 Tableau des éléments de connexions en fonction de la tuyauterie (variante 2) :
Parcours tuyauterie Tés Brides PN16 Réductions coniques Coudes Support tuyauterie (cours chaudronnerie) Connexions et éléments spéciaux Dimension / type Dimension / type Dimension / type Dimension / type Dimension / type Type
Tuyau alim. vapeur - Surchauffeur 2xDN25 (R-165)
2xDN40 (R-286-16)
+ 8xDN25 (R-358
chaque 6 m.)
1xDN25/DN15 (R-160) 6xDN25 (R-1651) 11x(33-35) (R-172) -
Robinet 3 voies - Stand échangeurs 1xDN25 (R-165)
1xDN25 (R-286-16)
+ 6xDN25 (R-358
chaque 6 m.)
- 8xDN25 (R-1651) 6x(33-35) (R-172) -
Surchauffeur - Kit turbine (filetable)
(robinet 3 voies entre 2) - 2xDN25 (R-286-16) 2xDN40/DN25 (R-160) 3xDN25 (R-1651)
2x(33-35) (R-172) + 2xconsole pour rails R-
6435+2xrails 2000 mm R6410
Bout à souder plus grand que le filetage
(R-404) 3/4''/33.7 (DN20/DN25)
Sonde de pression VEGABAR 81
Sonde de température 902820/10
Soupape de sécurité-extérieur - 6xDN20 (R-358
chaque 6 m.) - 9xDN20 (R-1651) 7x(26-29) (R-172)
Manchon à souder, filetage femelle,
égal (R-404) 3/4''/26.9 (DN20/DN20)
Purgeur de ligne - Conduite condensat 2xDN15 (R-165)
8xDN15 (R-286-16)
+ 6xDN15 (R-358
chaque 6 m.)
- 10xDN15 (R-1651) 7x(20-23) (R-172) -
Purgeur kit - Conduite condensat 1xDN15 (R-165) 6xDN15 (R-358
chaque 6 m.) - 12xDN15 (R-1651) 8x(20-23) (R-172)
Manchon à souder, filetage femelle,
égal (R-404) 1/2''/21.3 (DN15/DN15)
Pompe condensat kit - Bâche
d'alimentation (filetable) -
6xDN20 (R-358
chaque 6 m.) 1xDN25/DN20 (R-160) 9xDN20 (R-1651) 8x(26-29) (R-172)
Réduction en bronze Debrunner Acifer
…./3/4'' …./3/4'' (dimension à définir
en fonction de la connexion sur la
pompe) + R-134-U 3/4''
Eau du réseau - Kit turbine 1x22 (80010) - - 5x22 (80000) -
Réduction en bronze Debrunner Acifer
…./3/4'' (dimension à définir en
fonction de la connexion sur la pompe)
+ 1xVis de rappel (81046) 3/4''/22 +
Robinet oblique 82000 22
Kit turbine - Egoût - - - 4x22 (80000) -
Réduction en bronze Debrunner Acifer
…./3/4'' (dimension à définir en
fonction de la connexion sur le
condenseur) + 1xVis de rappel
(81046) 3/4''/22
Kit turbine - Réseau électrique ou moteur - - - -- - Câble électrique 3x400V livré avec kit
Tableau 47: Eléments de connexions pour la variante avec le surchauffeur électrique
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Page 87
19.3 Liste des prix pour la variante 1
Elément Quantité Fabricant / Type Prix unitaire [CHF] Prix total [CHF] Remarque
Kit de turbine 1 Green Turbine / 15 kWe 46'000 46'000
Echangeur de chaleur 1 Vahterus / PSHE 3/2HA-24/1/1 6'310 6'310 Offre de Vahterus
Tuyauterie vapeur DN25 48 m Kohler / 1.4404 12.90 / m 627 Plus 7.50 [CHF] par position
Offre de Kohler Tuyauterie vapeur, condensat DN20 42 m Kohler / 1.4404 11.20 / m 545
Tuyauterie condensat DN15 42 m Kohler / 1.4404 9.20 / m 394
Tuyauterie eau de refroidissement 22mm 18 m Nussbaum / 81080 2.4 / m 43.2 Prix issu du catalogue Nussbaum
Tuyauterie huile thermique DN20 200 m Isobrugg / Conduite à gaine en acier Voir offre 57’100 Offre de Isobrugg
Isolation vapeur 35mm/40mm 40 m Isover / Ultimate 5.5 / m 220 Coque en aluminium comprise Correspond à environ 34x1.2m
Robinet à soufflet DN25 1 Spirax Sarco / AV783 300 300
Robinet à tournant sphérique DN15 2 Spirax Sarco / M10S 168 336
Purge de ligne (Offre de Spirax Sarco avec rabais de 25% sur
chaque élément)
Robinet à soupape DN15 2 Spirax Sarco / AV6 165.75 332
Purgeur thermostatique (selon prop. fabricant) DN15 1 Spirax Sarco / SMC32Y 391.5 392
Clapet de non-retour à disque DN15 1 Spirax Sarco / DCV3 80 80
Robinet 3 voies avec positionneur et kit de montage 2 Samson / 3244-7 et 3277 2899 5'799 Offre de Samson
Sonde de pression 1 Vega / VEGABAR 81 400 400
Sonde de température 1 Jumo / 902820/10 120 120
Tés DN15 3 Kohler / R-165 21 63
Tés DN25 5 Kohler / R-165 30 150
Tés 22 1 Nussbaum / 80010 13.3 13.3
Bride DN15 8 Kohler / R-286-16 17 136
Bride DN25 5 Kohler / R-286-16 21 105
Bride DN15 12 Kohler / R-358 35 420
Bride DN20 12 Kohler / R-358 35 420 Dont 24 pour tuyauterie huile (hypothèse)
Bride DN25 14 Kohler / R-358 36 504
Réduction conique DN25/DN20 3 Kohler / R-160 10 30
Réduction conique DN25/DN15 1 Kohler / R-160 13 13
Réduction conique DN50/DN20 2 Kohler / R-160 26 52
Coude DN15 22 Kohler / R-1651 12.5 275
Coude DN20 18 Kohler / R-1651 14.5 957 Dont 48 pour tuyauterie huile (hypothèse)
Coude DN25 17 Kohler / R-1651 14.5 247
Coude 22 9 Nussbaum / 80000 10.4 94
Support tuyauterie 20-23 15 Kohler / R-172 15 225
Support tuyauterie 26-29 15 Kohler / R-172 16 240
Support tuyauterie 33-35 19 Kohler / R-172 18 342
Console pour rail 2 Kohler / R64-35 18.1 36
Rail 2000 2 Kohler / R64-10 20.2 40
Bout à souder plus grand que filetage DN20 fileté/DN25 1 Kohler / R-404 16.4 16.4
Jonathan Gamba
Page 88
Manchon à souder, filetage femelle, égal DN20/DN20 fileté 1 Kohler / R-404 12.2 12.2
Manchon à souder, filetage femelle, égal DN15 fileté/DN15 1 Kohler / R-404 11.3 11.3
Raccord léger DN20 fileté mâle/DN20 fileté femelle 1 Kohler / R-134-U 32.9 32.9
Réduction en bronze …. fileté mâle/DN20 fileté femelle 3 Debrunner Acifer / 548.150.300 75.2 226 Prix en fonction de la réduction Debrunner choisie (hypothèse
avec le plus cher)
Vis de rappel DN20 fileté mâle/22 2 Nussbaum / 81046 24.6 49.2
Robinet oblique 22 1 Nussbaum / 82000 62.5 62.5
Prix total hors taxe [CHF] 123’073
Prix total avec TVA 8% [CHF] 132’919
Tableau 48: Liste des prix pour la variante avec la chaudière à huile
19.4 Temps pour le montage variante 1
Temps de montage Durée [h] Remarque
Installation du matériel sur place (Uniquement outillage) 6 Turbine compris et échangeur compris
Trous de passage dans le mur 4
Pose du supportage de la tuyauterie (vapeur, condensat et huile) 24
Assemblage des éléments de raccordement (brides ; vapeur, condensat et huile)
Cette valeur est fournie par
l'entreprise Despraz SA.
Prix d'une soudure en
fonction du DN
214 soudures à effectuer en tous.
DN25: 78 soudures TIG à 30 CHF
DN20: 57 soudures TIG à 23 CHF
DN15: 81 soudures TIG à 16 CHF
DN50 huile: 2 soudures TIG à 48 CHF
DN25 huile: 2 soudures TIG à 30 CHF
DN20 huile: 124 soudures TIG à 23 CHF
Total: 7'955
Information Despraz SA
Montage de la tuyauterie et soudure (vapeur, condensat et huile)
Montage et raccordement tuyauterie d'eau de refroidissement (sertissage) 4
Isolation tuyauterie vapeur (la tuyauterie d'huile est pré-isolée, mais isolation aux raccords à effectuer) 12
Câblage électrique (sondes, robinet 3 voies etc.) 16 Programmation et adaptation au système 24 Essais de fonctionnement du système 8 Nettoyage du lieu de travail 8 Première mise en service 4 Total 110 Sans soudure
Total [J] 21 8.5 heures de travail par jour + soudure
Tableau 49: Temps de montage pour la variante avec la chaudière à huile
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Page 89
19.5 Liste de prix pour la variante 2
Elément Quantité Fabricant / Type Prix unitaire [CHF] Prix total [CHF] Remarque
Kit de turbine 1 Green Turbine 46'000 46'000
Surchauffeur électrique 1 Apaco / Typ AWE-10 9'650 9'650 Plus mise en service 2'000 [CHF] Offre de Apaco
Coffret de commande 1 Apaco / - 5'600 5'600 Offre de Apaco
Tuyauterie vapeur DN25 48 m Kohler / 1.4404 12.90 / m 626.7 Plus 7.50 [CHF] par position
Offre de Kohler Tuyauterie vapeur, condensat DN20 42 m Kohler / 1.4404 11.20 / m 545.1
Tuyauterie condensat DN15 42 m Kohler / 1.4404 9.20 / m 393.9
Tuyauterie eau de refroidissement 22mm 18 m Nussbaum / 81080 2.4 / m 43.2 Prix issu du catalogue Nussbaum
Isolation vapeur 35mm/40mm 40 m Isover / Ultimate 5.5 / m 220.0 Coque en aluminium comprise Correspond à environ 34x1.2m
Robinet à soufflet DN25 1 Spirax Sarco / AV783 300 300
Robinet à tournant sphérique DN15 2 Spirax Sarco / M10S 168 336
Purge de ligne (Offre de Spirax Sarco avec rabais de 25% sur chaque
élément)
Robinet à soupape DN15 2 Spirax Sarco / AV6 165.75 331.5
Purgeur thermostatique (selon prop. fabricant) DN15 1 Spirax Sarco / SMC32Y 391.5 391.5
Clapet de non-retour à disque DN15 1 Spirax Sarco / DCV3 80 80
Robinet 3 voies avec positionneur et kit de montage 1 Samson / 3244-7 et 3277 2899 2'899 Offre de Samson
Sonde de pression 1 Vega / VEGABAR 81 400 400
Sonde de température 1 Jumo / 902820/10 120 120
Tés DN15 3 Kohler / R-165 21 63
Tés DN25 5 Kohler / R-165 30 150
Tés 22 1 Nussbaum / 80010 13.3 13.3
Bride DN15 8 Kohler / R-286-16 17 136
Bride DN25 3 Kohler / R-286-16 21 63
Bride DN40 2 Kohler / R-286-16 34 68
Bride DN15 12 Kohler / R-358 35 420
Bride DN20 12 Kohler / R-358 35 420
Bride DN25 14 Kohler / R-358 36 504
Réduction conique DN40/DN25 2 Kohler / R-160 28 56
Réduction conique DN25/DN20 1 Kohler / R-160 10 10
Réduction conique DN25/DN15 1 Kohler / R-160 13 13
Coude DN15 22 Kohler / R-1651 12.5 275
Coude DN20 18 Kohler / R-1651 14.5 261
Coude DN25 17 Kohler / R-1651 14.5 247
Coude 22 9 Nussbaum / 80000 10.4 94
Support tuyauterie 20-23 15 Kohler / R-172 15 225
Support tuyauterie 26-29 15 Kohler / R-172 16 240
Support tuyauterie 33-35 19 Kohler / R-172 18 342
Console pour rail 2 Kohler / R64-35 18.1 36
Jonathan Gamba
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Rail 2000 2 Kohler / R64-10 20.2 40
Bout à souder plus grand que filetage DN20 fileté/DN25 1 Kohler / R-404 16.4 16.4
Manchon à souder, filetage femelle, égal DN20/DN20
fileté 1 Kohler / R-404 12.2 12.2
Manchon à souder, filetage femelle, égal DN15
fileté/DN15 1 Kohler / R-404 11.3 11.3
Réduction en bronze …. fileté mâle/DN20 fileté femelle 3 Debrunner Acifer /
548.150.300 75.2 225.6
Prix en fonction de la réduction Debrunner choisie (hypothèse avec le plus
cher)
Vis de rappel DN20 fileté mâle/22 2 Nussbaum / 81046 24.6 49.2
Robinet oblique 22 1 Nussbaum / 82000 62.5 62.5
Prix total hors taxe [CHF] 71'991
Prix total avec TVA 8% [CHF] 77750
Tableau 50 : Liste des prix pour la variante avec le surchauffeur électrique
19.6 Temps pour le montage variante 2
Temps de montage Durée [h] Remarque
Installation du matériel sur place (Uniquement outillage et dépose du matériel) 6 Turbine compris et surchauffeur compris
Trous de passage dans le mur 4 Pose du supportage de la tuyauterie (vapeur, condensat) 12
Assemblage des éléments de raccordement (brides ; vapeur, condensat)
Cette valeur est fournie par l'entreprise Despraz
SA. Prix d'une soudure en fonction du DN,
environ 42 heures
216 soudures à effectuer en tous.
DN40: 2 soudures TIG à 42 CHF
DN25: 78 soudures TIG à 30 CHF
DN20: 57 soudures TIG à 23 CHF
DN15: 79 soudures TIG à 16 CHF
Total: 4'999 CHF
Information Despraz SA
Montage de la tuyauterie et soudure (vapeur, condensat)
Montage et raccordement tuyauterie d'eau de refroidissement (sertissage) 4 Isolation tuyauterie vapeur 6 Câblage électrique (sondes, robinet 3 voies, surchauffeur etc.) 8 Programmation et adaptation au système 16 Essais de fonctionnement du système 5 Nettoyage du lieu de travail 5 Première mise en service 2 Total [h] 68 Total [J] 13 8.5 heures de travail par jour + temps de soudure
Tableau 51: Temps de montage pour la variante avec le surchauffeur électrique
Jonathan Gamba
Page 91
19.7 Caractéristiques des fluides utilisés
Caractéristiques eau de refroidissement :
Pression [barA] 5
Température [°C] 10
Capacité thermique [J/kg∙K] 4'180
Viscosité dyn. [Pa∙s] 1.31 ∙ 10−3
Viscosité cin. [m2/s] 1.31 ∙ 10−6
Débit eau [kg/h] 245
Débit eau [m3/h] 0.2
Débit vapeur [m3/s] 6.81 ∙ 10−5
Volume massique [m3/kg] 0.001
Masse volumique [kg/m3] 1000.00
Vitesse eau théorique [m/s] 0.5
Tableau 52: Caractéristiques utilisées pour l'eau de refroidissement
Caractéristiques vapeur saturée :
Pression [barA] 8
Température [°C] 170
Capacité thermique [J/kg∙K] 2’495
Viscosité dyn. [Pa∙s] 1.50 ∙ 10−5
Viscosité cin. [m2/s] 3.6 ∙ 10−6
Débit vapeur [kg/h] 180
Débit vapeur [m3/h] 43.2
Débit vapeur [m3/s] 0.0120
Volume massique [m3/kg] 0.240
Masse volumique [kg/m3] 4.17
Vitesse vapeur théorique [m/s] 30
Tableau 53: Caractéristiques utilisées pour la vapeur saturée
Caractéristiques vapeur surchauffée :
Pression [barA] 8
Température [°C] 220
Capacité thermique [J/kg∙K] 2’224
Viscosité dyn. [Pa∙s] 1.68 ∙ 10−5
Viscosité cin. [m2/s] 4.60 ∙ 10−6
Débit vapeur [kg/h] 180
Débit vapeur [m3/h] 49.2
Débit vapeur [m3/s] 0.0137
Volume massique [m3/kg] 0.274
Masse volumique [kg/m3] 3.66
Vitesse vapeur théorique [m/s] 50
Tableau 54: Caractéristiques utilisées pour la vapeur surchauffée
Jonathan Gamba
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Caractéristiques de l'huile thermique :
Pression [barA] 4
Température [°C] 250
Capacité thermique [J/kg∙K] 2’001
Viscosité dyn. [Pa∙s] 6.90 ∙ 10−4
Viscosité cin. [m2/s] 9.53 ∙ 10−7
Débit huile [kg/h] 450
Débit huile [m3/h] 0.621
Débit huile [m3/s] 1.73 ∙ 10−4
Volume massique [m3/kg] 1.38 ∙ 10−3
Masse volumique [kg/m3] 724
Vitesse huile théorique [m/s] 1.5
Tableau 55 : Caractéristiques utilisées pour l'huile thermique
Jonathan Gamba
Page 93
19.8 Manuel d’installation
Kit Green Turbine
Jonathan Gamba
Page 94
19.9 Schéma de principe
Variante avec la chaudière à huile
Jonathan Gamba
Page 95
19.10 Schéma de principe
Variante avec le surchauffeur électrique
Jonathan Gamba
Page 96
19.11 Dessin d’implantation
Variante avec la chaudière à huile
Jonathan Gamba
Page 97
19.12 Dessin d’implantation
Variante avec le surchauffeur électrique
Jonathan Gamba
Page 98
19.13 Fiches techniques
Eléments liés à l’eau de refroidissement
Jonathan Gamba
Page 99
19.14 Fiches techniques
Eléments et tuyauterie liés à la vapeur
Jonathan Gamba
Page 100
19.15 Fiches techniques
Eléments et tuyauterie liés à l’huile
Jonathan Gamba
Page 101
19.16 Fiches techniques
Sonde température, pression
Jonathan Gamba
Page 102
19.17 Devis, rapports de calculs des
fournisseurs
Jonathan Gamba
Page 103
19.18 Journal de travail
Filière Énergie et Techniques Environnementales THI
Travail de Bachelor Étude d’un stand de vapeur surchauffée
École Haute École d’ingénierie et de gestion du canton de Vaud
Nom Prénom
Élève : Gamba Jonathan
Supérieur direct : Weber Nicolas
Expert : - -
Date Début Fin Durée Activités Particularités/Remarques
20.02.17 08h30 17h00 08h30
- Séance avec M. Weber
- Mise en route du travail
- Début Mind Map et Gantt
- Etude du lieu d’implantation
- Rédaction du PV
Attention à ne pas vouloir
tout faire à la fois
23.02.17 08h00 12h00 04h00
- Suite du Mind Map
- Avancement Gantt
- Journal de travail
24.02.17 13h00 18h00 05h00
- Recherche de littérature
- Fin du Mind Map
- Avancement Gantt
27.02.17 08h30 18h00 09h30
- Séance avec M. Weber
- Structure rapport
- Début rédaction introduction
- Correction Mind-Map
- Correction Gantt
- Rédaction du PV
02.03.17 08h00 12h00 04h00
- Caractéristiques chaudière à huile
- Plan de test chaudière vapeur
- Recherche de littérature
- Début schéma de principe
05.03.17 10h00 12h00 02h00
- Rédaction rapport
- Recherche de littérature
- Finalité du plan de test vapeur
05.03.17 15h00 18h00 03h00
- Rédaction rapport
- Plan de test chaudière HTT
- Journal de travail
- Gantt
06.03.17 08h30 17h00 08h30
- Séance avec M. Weber
- Schéma de principe des variantes
- Rédaction du PV
09.03.17 08h30 11h00 02h30 - Avancement du schéma
13.03.17 08h30 18h00 09h30
- Etude de l’huile thermique
- Etude de la chaudière
- Test de la chaudière vapeur avec
M. Cereghetti
- Modification du plan de test
- Avancement rapport
Le plan de test de la chaudière
n’est pas adapté. Demander impérativement à M. Weber les
conditions de fonctionnement du
stand.
4 Temps de pause 01h00 par jour
53 Total des heures
Jonathan Gamba
Page 104
Date Début Fin Durée Activités Particularités/Remarques
18.03.17 09h00 14h00 05h00
- Schéma de principe (à faire
valider)
- Avancement rapport
20.03.17 08h30 17h30 09h00
- Choix de l’huile thermique
pour la chaudière
- Avancement du rapport
- Discussion avec M. Weber
- Recherche sur la mini-turbine
Pas de séance, visite en U55.
27.03.17 08h30 18h00 09h30
- Avancement du rapport
- Caractéristiques de la chaudière
à huile
- Discussion avec M. Weber
- Modification des schémas de
principe
- Plus 2 variantes mais 3.
- Premier choix des turbines
Pas de séance, visite en U55.
03.04.17 08h30 17h30 09h00
- Modification des schémas de
principes
- Rédaction du rapport
Pas de séance
10.04.17 08h30 18h00 09h30
- Caractéristiques du
surchauffeur électrique
- Calculs liés à la puissance de
surchauffe
- Recherche de turbine
- Rédaction du rapport
Pas de séance
24.04.17 08h30 18h00 09h30
- Démontage de l’échangeur de
chaleur
- Prise des dimensions
- Calculs liés aux pertes de
charge et aux vitesses dans
l’échangeur
- Rédaction du rapport
Pas de séance
01.05.17 08h30 18h00 09h30
- Suite surchauffeur électrique
- Discussion avec M. Da Riva
- Calcul sur l’ancien échangeur
Séance en R26
08.05.17 08h30 18h00 09h30
- Suite et fin du calcul sur
l’ancien échangeur
- Début du dimensionnement de
l’échangeur gaz/gaz
Pas de séance
15.05.17 08h30 18h00 09h30
- Suite du dimensionnement de
l’échangeur gaz/gaz
- Calcul des propriétés des gaz
de fumées
- Recherche de turbine
Pas de séance
22.05.17 08h30 18h00 09h30
- Suite du dimensionnement de
l’échangeur gaz/gaz
- Détermination de la puissance
disponible
- Rédaction du rapport
Séance en R26
29.05.17 08h30 18h00 09h30
- Rédaction du rapport
- Fin des calculs pour
l’échangeur gaz/gaz (pas assez
de puissance)
Pas de séance
10 Temps de pause 01h00 par jour
89 Total des heures
Jonathan Gamba
Page 105
Date Début Fin Durée Activités Particularités/Remarques
04.06.17 09h00 18h00 09h00 - Présentation intermédiaire
- Pré-étude de la microturbine
12.06.17 12h45 18h00 05h00
- Mise en forme des équations
mathématiques
- Mise en forme des références
bibliographiques
- Retouche de la présentation
intermédiaire
15.06.17 08h30 10h00 01h30
- Présentation intermédiaire
devant M. Weber et M.
Cereghetti
Choix des variantes à développer
et mise de côté des autres.
Différents points importants soulignés, tels que la dangerosité
de l’huile thermique.
19.06.17 08h30 17h30 09h00
- Variante avec l’échangeur
huile-vapeur développée dans
le rapport
- Développement des équations
dans le rapport
20.06.17 08h30 18h00 09h30
- Variante avec la récupération
sur les gaz de fumée
développée dans le rapport
- Avancement des schémas de
principe des deux variantes
Attention au DN et aux
connexions du Kit Green Turbine
21.06.17 08h30 18h00 09h30
- Avancement de la conception
Revit de la chaudière à huile
HTT
22.06.17 08h30 17h30 09h00 - Avancement de la conception
Revit du kit Green Turbine
23.06.17 08h30 17h30 09h00
- Avancement de la conception
des différents éléments du
réseau
24.06.17 14h30 18h00 03h30 - Début du calcul des pertes de
charge et des pertes thermiques
26.06.17 08h30 18h00 09h30
- Suite du calcul des pertes de
charge et des pertes thermiques
- Suite des dessins
d’implantation
27.06.17 08h30 18h00 09h30
- Séance avec M. Weber
- Retouche sur les schémas de
principe
- Modification des schémas
d’implantation
28.06.17 08h30 18h00 09h30
- Échange de mail concernant
l’échangeur huile-vapeur
- Calcul des DN selon les
variantes
- Préparation des points à
discuter avec M. Cereghetti
- Modification des schémas
d’implantation
- Modification des schémas de
principe
- Modification du calcul des
pertes de charge
9 Temps de pause 01h00 par jour
85 Total des heures
Jonathan Gamba
Page 106
Date Début Fin Durée Activités Particularités/Remarques
29.06.17 08h30 18h00 09h30
- Discussion pour l’échangeur de
chaleur puisque celui à plaque
ne correspond pas (T° max trop
faible)
- Avancement du rapport,
relecture et modifications
- Discussion avec M. Cereghetti
- Modification des schémas de
principe
Discussion avec M. Cereghetti à
propos des questions sur le
dimensionnement et la conception. Voir avec M. Weber
pour stopper la variante où la
vapeur est amenée vers la chaudière à huile
30.06.17 08h30 18h00 09h30
- Discussion avec M. Weber et
M. Cereghetti concernant la
variante avec la vapeur amenée
à la chaudière à huile
- Avancement du rapport
- Recherche de robinets 3 voies
pour régulation
- Recherche de matériel
La variante avec la vapeur
amenée jusqu’à la chaudière à
huile n’est pas développée plus en
détail. Trop de points qui vont à
l’encontre de cette implantation.
02.07.17 10h00 16h00 06h00
- Avancement du rapport
- Equations pour le
dimensionnement de la
tuyauterie
- Choix de la tuyauterie
03.07.17 08h30 18h00 09h30
- Vérification des équations pour
les pertes thermiques afin de
déterminer le débit de
condensat
- Vérifications des formules des
pertes de charge
04.07.17 08h30 18h00 09h30
- Contact avec plusieurs
fournisseurs pour les éléments
de fonctionnement
- Avancement du calcul des
pertes de charge
- Modification des schémas 3D
et des Schémas de principes
- Contact pour l’échangeur
La puissance nécessaire à la surchauffe est trop faible pour
qu’un échangeur tubulaire soit
dimensionné sur mesure (prix trop élevé). Le fournisseur
recherche une solution qui
pourrait correspondre aux conditions de fonctionnement.
05.07.17 08h00 17h00 09h00
- Fin des calculs pour l’eau de
refroidissement
- Choix des composants pour
alimentation vapeur
- Choix des composants pour
condensat
- Choix des composant pour
l’eau de refroidissement
- Début de l’inventaire des
éléments de tuyauterie
06.06.17 07h30 17h30 09h00
- Suite de la liste du matériel
pour les deux variantes
- Recherches des prix et
demande de devis
- Fin des schémas de principe
- Contact avec les fournisseurs
pour demander l’avancement
- Liste des éléments
6 Temps de pause 01h00 par jour
56 Total des heures
Jonathan Gamba
Page 107
Date Début Fin Durée Activités Particularités/Remarques
07.07.17 08h00 17h00 09h00
- Avancement global du rapport
- Contrôle des schémas de
principe
- Retouches sur les schémas
d’implantation
09.07.17 15h00 21h00 06h00 - Avancement du rapport sur la
turbine à vapeur
10.07.17 08h30 17h30 09h00
- Avancement du rapport sur la
turbine à vapeur et sur le
dimensionnement de la
tuyauterie
11.07.17 07h30 16h30 09h00
- Discussion avec le fournisseur
pour la tuyauterie spéciale
- Avancement du rapport pour
l’isolation et la tuyauterie
12.07.17 07h00 17h00 10h00
- Avancement du rapport pour la
variante HTT
- Correction des dessins
- Rédaction des formules
mathématiques
13.07.17 07h00 17h00 10h00
- Avancement du rapport
- Résolution de problème liés à la
puissance de la turbine (en
cours)
14.07.17 07h30 17h30 10h00
- Avancement global du rapport
- Mise à jour de certains
documents (pertes de charge,
etc.)
15.07.17 10h00 19h00 09h00
- Avancement global du rapport
- Mise à jour des symboles dans
les annexes
16.07.17 08h30 18h00 09h30 - Avancement du rapport,
investissement, coûts
17.07.17 07h30 17h30 10h00 - Avancement du rapport
variante surchauffeur électrique
18.07.17 08h00 17h30 09h30 - Avancement du rapport
- Variantes HTT
19.07.17 07h30 17h30 10h00
- Avancement rapport et
finalisation des coûts et
investissements
20.07.17 08h00 17h30 09h30 - Avancement rapport et analyse
21.07.17 07h30 17h00 09h30 - Avancement rapport et
comparaison
22.07.17 08h30 15h00 06h30 - Finalisation de la partie
rédaction
23.07.17 09h00 18h00 09h00 - Finalisation de la partie
rédaction et annexes
24.07.17 07h30 17h30 10h00 - Relecture et contrôle
25.07.17 07h30 17h30 10h00 - Relecture et contrôle
26.07.17 07h30 17h30 10h00 - Relecture et contrôle
27.07.17 07h30 16h30 09h00 - Finalisation et impression
18 Temps de pause 01h00 par jour
167 Total des heures
Total des heures sur la durée du travail : Environ 450 heures sans l’affiche et sans la présentation.
Jonathan Gamba
Page 108
19.19 Procès-verbal
Séance du lundi 20 février 2017 :
- Lancement du TB
- Discussion du déroulement concernant le TB.
- Réception des directives, de la fiche d’unité et du descriptif du module.
- Commencer à effectuer un Mind-Map et Diagramme de Gantt.
- Dégrossir le sujet en fonction du cahier des charge.
- Définir la situation actuelle ainsi que le travail à fournir jusqu’à la situation finale.
- Se poser la question des moyens disponibles pour surchauffer la vapeur
- Que faire avec cette surchauffe
- Quel débit de vapeur approximatif
Séance du lundi 27 février 2017 :
Points à traiter :
- Quelle puissance, débit, température, pression ? À définir avec caractéristiques actuelles
- Type de la chaudière à huile thermique, voir où elle est ?
- Plusieurs possibilités pour la surchauffe ou se limiter à une seule ? PLUSIEURS
- But finale turbine ou autre chose ? Turbine avec étapes avant production
- Développer tout le stand ? OUI
- Exemples de rapports
- But final à préciser !!!!!
- Demander pour la structure du rapport
Points discutés :
- Présentation du Mind-Map et corrections apportées par M. Weber.
- Discussion à propos des objectifs et de la méthodologie.
- Réponse aux questions posées.
- Présentation de la chaudière à huile thermique.
Séance du lundi 06 mars 2017 :
Points à traiter :
- Faire valider définitivement le Mind-Map.
- Discuter du plan de test des deux chaudières.
- Faire part du problème pour le débitmètre à ultrason.
- Demander pour les deux variantes, afin qu’elles soient CLAIRES.
- Montrer la structure de base du rapport.
- Demander pour l’autre application à par la turbine, DESURCHAUFFE PEUT-ETRE ???
- Demander pour la simultanéité de fonctionnement.
- Discuter des objectifs.
- Définir une date pour les tests.
Points discutés :
- Le Mind Map a été validé par M. Weber.
Jonathan Gamba
Page 109
- Les plans de test des deux chaudières ont été passés en revu. OK pour la chaudière à vapeur et
voir avec M. Carré pour la chaudière à huile.
- Problème débitmètre traité, voir si la solution débitmètre fonctionne quand même ou alors passer
par la méthode du consommateur d’huile et du delta de température.
- Les deux variantes sont claires, une possibilité avec la chaudière à huile. La deuxième avec
récupération des fumées ou surchauffeur électrique.
- Structure de base contrôlée mais pas en détail.
- Pour autre application, soutirage dans la turbine mais trouver dans quel but.
- Pour la simultanéité de fonctionnement voir pour un accumulateur 5-6 bar pour faire fonctionner
le stand des échangeurs en même temps.
- Objectifs plus clairs mais à voir en fonction de l’avancement.
- Voir avec M. Cereghetti pour le rdv la semaine prochaine et avec M. Carré pour l’huile
thermique.
Visite en U55 (pas de séance) le 20 mars 2017 :
- Recherche de la micro-turbine adéquate pour le stand de vapeur.
- Schémas de principes visualisés par M. Weber.
- Choix de l’huile pour la chaudière à huile thermique.
Séance du lundi 27 mars 2017 :
Points à traiter :
- Choix des miniturbines proposées :
- Demander si le débitmètre est disponible ou si j’utilise le débit fourni sur la pompe.
- Schéma de principe et d’implantation et schéma détaillé
Point discutés :
- Envoyer les mails pour obtenir des informations sur les turbines.
- Se baser sur un peu moins que le débit indiqué sur la pompe (non pas 12 [m3/h] mais 10
[m3/h]).
- Schémas de base fourni par M. Cereghetti et continuer avec ce dernier.
Séance du lundi 1 mai 2017 :
Points à traiter :
- Variante avec récupération des fumées (comment démarrer ? pas réalisable mais comment le
démontrer)
- Montrer l’avancement avec l’échangeur et voir si un test est réellement faisable
- Montrer l’avancement avec surchauffeur électrique
- Voir quelle turbine on choisit (la 1ère ou le poste de test ou autre ?)
- Rapport intermédiaire sous quelle forme ? (ce que j’ai fait dans le rapport suffit ?)
Points discutés :
- Réaliser la conception de l’échangeur, géométrie, calcul etc.
- Avancement visualisé par M. Weber et voir avec M. Da Riva si un test avec huile eau est
faisable et repésentatif.
- Avancement du surchauffeur électrique visualisé par M. Weber
- Demander à TECHNOLAB le nom du fabricant
- Où on en est, planning respecté ou non, problèmes rencontrés et résolus, comment on prévoit
la suite. (PowerPoint d’environ 10 slides)
Jonathan Gamba
Page 110
Séance du lundi 1 mai 2017 :
Point à traiter :
- Présenter la Green Turbine 15 kWe (10 kWe dans nos conditions). Attente de la réponse du
fournisseur.
- Montrer l’avancement avec l’échangeur de récupération de fumée.
- Montrer le résultat pour l’échangeur existant qui ne fournit pas assez de puissance (voir pour
un échangeur existant sur le marché ?).
- Discuter du surchauffeur électrique. Quoi d’autre à faire à ce niveau ?
- Faire le point sur l’avancement global et sur les objectifs (combinaison des variantes).
- Demander pour le débit de gaz naturel.
- Si la variante sur les gaz de fumées ne fonctionne pas, tout de même développer l’endroit où
l’échangeur aurait pu être placé et l’implantation des éléments ?
Présentation intermédiaire jeudi 15 juin 2017 :
Remarques de M. Weber et de M. Cereghetti :
- Pour la variante avec échangeur huile-vapeur. Faire attention au fait que l’huile qui traverse le
laboratoire est une chose dangereuse (protéger la tuyauterie).
- Échangeur récupéré pas assez en bon état (mentionner dans le rapport).
- Risque au niveau de l’échangeur huile-vapeur :
o Lors de l’arrêt de l’installation, vérifier que l’échangeur se vide de manière à ne pas
laisser de poche d’eau.
o L’huile thermique peut créer un film huileux ce qui implique un risque de surchauffe.
- Pour la variante avec récupération de chaleur sur les fumées. Modification de la porte
(mentionner dans le rapport mais pas faisable).
- Relever les critères de choix entre les variantes présentées. Aspects techniques, énergétiques,
sécurité etc. pour une aide à la décision.
- Réaliser un radar pour cibler directement la meilleure solution.
- Elimination des variantes avec échangeur huile-vapeur récupéré et avec récupération sur les
gaz de fumée (tout de même développer et prouver dans le rapport).
- La variante avec un nouvel échangeur huile-vapeur et la chaudière à huile est maintenue
(attention, soit on amène l’huile soit la vapeur, faire les deux études et analyser les risques).
- La variante avec le surchauffeur électrique est maintenue.
- Voir le coût annuel de la turbine, fonctionnement, maintenance etc.
Question à poser pour la séance du 27 juin 2017
Points à traiter :
- Conduite de retour des condensats (où connecter et pression à avoir).
- Quelle alimentation en eau de refroidissement prendre et quel est le débit disponible ?
- Montrer l’implantation et voir si ça convient. OK
- Perte de température et de pression pas forcément négligeables, comment traiter ces points ?
- Retour des condensats, comment connecter la pompe avec le filtre ? OK
- Montrer le schéma de principe. OK
- Demander pour le fonctionnement de la turbine (pompe de condensat, ventilé, pompe à vide).
OK
- Demander s’il a une préférence pour le fabricant ou s’il faut prendre le même que l’installation
existante ? OK
- Demander pour les purges de ligne et s’il y a des suppléments à ajouter pour la vapeur
surchauffée. OK
Jonathan Gamba
Page 111
- L’échangeur de chaleur choisi convient-il ? OK
Points discutés :
- Idée de faire une bâche de condensat.
- Voir la température de l’eau du réseau et faire une variante. Voir l’impact que le débit ou la
température de l’eau de refroidissement a sur le fonctionnement de la turbine.
- Purge de ligne au point bas avant l’entrée dans l’échangeur pour les coups de béliers. Et pour la
variante HTT2 purge de ligne tous les 20 m environ.
- Demander si la turbine a déjà été vendue dans les alentours.
- Mettre le stand de détente avant la turbine et voir pour la régulation. Mettre la purge au même
endroit que celle de la turbine.
Question à poser à M. Cereghetti le 29 juin 2017 :
Points à traiter :
- Demander pour le fonctionnement de la chaudière, montée en pression plus évaporation.
- Comment dimensionner la bâche de récupération des condensats ? Comment gérer les
connexions des tubes flexibles du kit sur la bâche de récupération ?
- Où prendre l’eau de refroidissement et où la rejeter ? Débit disponible et à quelle température ?
Voir pour les emplacements si cela convient ? OK
- Demander pour la redondance des purges de ligne, des séparateurs, des soupapes de sûretés etc.
OK
- Demander quelle pression imposer dans la bâche de récupération. OK
- Demander pour les pertes de charge et les pertes de températures comment combiner les deux
calculs ?
- Demander pour la feuille deltaP et deltaT (si la méthode de calcul correspond etc.) OK
- Demander pour la régulation Demander pour plan de test ? Retoucher pour être cohérents mais
sinon OK
- Demander pour les éléments de fonctionnement (fournisseur etc.). OK
Points discutés :
- Voir en fonction de la pompe et faire attention que la pompe ne tire pas au vide. Dimensionner
en fonction de la quantité de condensat issue de la turbine (finalement pas nécessaire).
- La rejeter l’eau de refroidissement à l’égoût ou voir pour récupération et si température trop
élevée passer par le refroidisseur.
- Sonde de température avec automate programmable relié directement à celui existant dans le
laboratoire.
Question à poser pour la dernière séance du 18.07.2017
- Quelles annexes faut-il vraiment mettre ? Car énormément de documents. OK
- Faut-il mettre la clause de confidentialité et le descriptif du TB ? OK
- Demander pour la reprise à prix coûtant si la valeur est correcte. OK
- Demander pour la norme NEN-EN-ISO 4023 :2009. AF EN OK
- Montrer le mail et décider de comment faire pour tube huile. OK
- Voir pour les sources mettre nom et date. OK
- Séparer journal de travail, procès-verbal et diagramme de Gantt du reste ? OK
Jonathan Gamba
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19.20 Diagramme de Gantt
