Production de Vapeur

8/13/2019 Production de Vapeur

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TABLE DES MATIERES Page

AVANT-PROPOS 1

Quelques gnralits sur la combustion 2

PREMIERE PARTIE : LA PRODUCTION CENTRALISEE DE CHALEUR 4

1. Principe 4

2. Les fluides vecteurs de vapeur 5

3. La chaudire vapeur 8

4. Le rseau de distribution de vapeur 10

5. Les rendements 11

6. La rcupration de la chaleur des fumes 18

DEUXIEME PARTIE : LA PRODUCTION DECENTRALISEE DE CHALEUR 22

7. Principe 22

8. La production dcentralise de vapeur 25

9. Le schage 25

10. Le chauffage des liquides 28

11. Le chauffage direct des grands espaces 32

CONCLUSION 41

AIDE MMOIRE 42


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VAPEUR ET USAGES DIRECTSDU GAZ NATUREL

AVANT-PROPOS

Toutes les industries consomment de la chaleur basse temprature (< 200 C)

pour du chauffage dateliers et de locaux administratifs ou pour du process

industriel comme du schage, du chauffage de liquides, etc.

Ces besoins sont disperss dans lusine tandis que la production de chaleur est

traditionnellement localise dans une chaufferie centrale do part un fluide

charg de chaleur. Ce dernier parcourt un rseau de distribution parfois ten-

taculaire avant de cder sa chaleur chacune des utilisations.

Une production centralise de chaleur avec des utilisations disperses conduit

des pertes de chaleur fatales comme celles :

du rseau de distribution par fuites, dperditions thermiques...

de la production centralise qui doit tre dimensionne pour rpondre la

demande maximale ; vu que cette dernire ne survient que peu souvent, lachaufferie fonctionne la plupart du temps en de de sa capacit et ds lors

des carts importants sont observs entre le rendement de combustion de

la chaudire de base et le rendement global de la chaufferie.

Lemploi gnralis de fuel extra lourd avant lre du gaz naturel a amen

recourir systmatiquement de la production centralise de chaleur afin de

rsoudre les problmes de stockage et de prchauffage.

Le gaz naturel est un combustible facile distribuer. La chaufferie centrale

peut ds lors tre remplace par une production dcentralise de chaleur

proximit des utilisations. Dans ce dernier cas, les pertes de distributionnexistent plus et le fluide vecteur de chaleur devient superflu.

Cette brochure met en vidence les diffrences entre ces deux concepts.

Toutes les chaufferies centrales ne peuvent pas tre remplaces par de la pro-

duction dcentralise. Chaque cas demande une tude spcifique. Telle est la

mission du service industrie de lARGB qui peut raliser ces tudes sur base de

mesures en usine afin de conseiller les industriels sur les conomies dnergie

que procurent les applications spcifiques du gaz.

Le concept dUtilisation Rationnelle de lEnergie (URE) peut ainsi tre mis en

pratique.

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QUELQUES GENERALITES SUR LA COMBUSTION

Pouvoir calorifique

Cest la quantit de chaleur libre par la combustion complte dun combustible. Il se forme

la combustion de la vapeur deau qui libre de la chaleur lorsquelle se condense.Le pouvoir calorifique est infrieur (Hi) lorsque cette vapeur reste ltat gazeux dans les fumes.Le pouvoir calorifique est suprieur (Hs) lorsque cette vapeur est totalement condense dans lesfumes.Pour le gaz naturel, Hi quivaut 0,903 Hs

Combustion stchiomtrique (thorique)

Cest la combustion complte du combustible sans excs dair.Elle requiert un volume dair minimum et produit un volume de fumes minimum (sans imbrlsni oxygne) qui est fonction de ce combustible.Ces deux volumes sont respectivement de 0,95 m3 dair et 1,05 m3 de fumes par kWh (Hi) decombustible, quelle que soit sa nature.

Excs dair Facteur dair n

Comme le mlange de lair et du combustible dans un brleur nest jamais parfait, il faut tou-jours, pour obtenir une combustion complte, un volume dair plus lev que celui thorique-ment ncessaire la combustion. Cest lexcs dair dfini par le facteur dair n.

air de combustion utilisFacteur dair n =air de combustion thorique

Excs dair = n - 1

Point de rose

Temprature laquelle dbute la condensation de la vapeur deau dans les fumes.

Point de rose acide :

Temprature laquelle dbute la condensation dacides dans les fumes.


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PROPRIETES DES COMBUSTIBLES

GAZ L GAZ H GAZ H Gasoil Fuel's Gravenvoeren Zeebrugge (1% S)

(m3) (m3) (m3) (litre) (kg)

Densit par rapport lair 0,644 0,631 0,621

Masse spcifique (kg/dm3) 0,83 0,97

Pouvoir cal. infrieur (kWh/) 9,372 10,380 10,707 8,4 kWh/l 11,1 kWh/kg

Pouvoir cal. suprieur (kWh/) 10,368 11,482 11,847

Combustion stchiomtrique

Air thorique (m3/) 9,07 10,04 10,35 9,5 10,5

Fumes correspondantes (m3/) 10,04 11,02 11,34 10,1 11,2

CO2 dans les fumes sches (%) 11,9 12,0 12,0 15,3 16,4

H2O dans les fumes (kg/) 1,57 1,77 1,77 1,02 0,88

Point de rose (C)

n = 1,0 59,0 59,0 59,0

n = 1,1 57,2 57,3 57,4

Point de rose acide (C) 65 76

N.B : valeurs moyennes de 1999 pour le gaz naturel.

m3 dans les conditions normales (0 C et 1013 mbar).

air de combustion 20 C et 50 % dhumidit relative.


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PREMIERE PARTIE

LA PRODUCTION CENTRALISEE DE CHALEUR

EN CHAUFFERIE

1. PRINCIPE

Les principes gnraux dune production centralise de chaleur sont :

le chauffage dun fluide thermique (vapeur, eau surchauffe, huile thermique) la temprature souhai-te dans une chaufferie,

le transport de ce fluide par un rseau de distribution vers les installations consommatrices de chaleur(les utilisations),

le transfert de la chaleur aux utilisations, le retour partiel ou total de ce fluide en chaufferie.

Qg : Chaleur du combustible

Q : Chaleur utile

Fig. 1: Production centralise de chaleur


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2. LES FLUIDES VECTEURS DE VAPEUR

2.1. Leau et les huiles thermiques

Leau convient pour les applications basse temprature (


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PROPRITS THERMODYNAMIQUES DE LA VAPEUR SATURE

Pression Temprature Chaleur sensible Chaleur de Chaleur totaleabsolue d'bullition phase liquide vaporisation vapeur sature(bars) (C) (kWh/t) (kWh/t) (kWh/t)

1,013 100 116 627 743

1,22 105 122 624 746

2,0 120,2 140 612 752

5,0 151,8 178 586 764

10,0 179,9 212 559 771

15,0 198,3 235 540 775

20,0 212,4 252 525 777

25,0 223,9 267 511 778

30,0 233,8 280 498 778

On observe que :

la temprature de la vapeur sature augmente avec la pression ; la chaleur totale de la vapeur varie peu en fonction de sa temprature (et donc de la pression) ; la chaleur de vaporisation diminue lorsque la temprature augmente.

Vu que seule la chaleur de vaporisation est cde lutilisation lorsque la vapeur se condense,il y a intrt fonctionner la temprature la plus basse compatible avec lutilisation car les pertessont plus faibles (vapeur de revaporisation et pertes de distribution voir plus loin).

2.2.3. Dtente de la vapeur

La temprature de la vapeur sature peut tre abaisse par simple dtente dans un rgulateur de pression.Le rglage de temprature par dtente ne cote rien nergtiquement et la vapeur est lgrement sur-

chauffe aprs dtente.


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2.2.4 Vapeur de revaporisation

La dtente du condensat (phase liquide) dans le purgeur dune utilisation de vapeur, provoque un refroi-dissement de la phase liquide et en mme temps la production de vapeur de revaporisation.

Prenons un exemple simple:

la chaleur sensible du condensat 10 bar abs - 180 C est de 212 kWh/t; aprs le purgeur, le condensat la pression de 1,22 bar abs se refroidit 105 C et libre simultan-

ment de la vapeur de revaporisation 105 C. La chaleur sensible du condensat 105 C nest plusque 122 kWh/t;

la diffrence de chaleur sensible du condensat avant et aprs purgeur, qui slve 90 kWh/t estconvertie en vapeur de revaporisation, soit 14,4 % du condensat dans cet exemple (90/624);

la figure 2 schmatise la formation de vapeur de revaporisation la sortie des purgeurs de deuxutilisations, lune 10 bar abs. et lautre 5 bar abs.

Fig. 2: Condensat Vapeur de revaporisation


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3. LA CHAUDIERE VAPEUR

Les caractristiques principales dune chaudire sont: la puissance exprime en t/h de vapeur ou parfois en m2 de surface de chauffe. 1t/h de vapeur

ncessite environ 30 m2 de surface de chauffe et une puissance utile thermique de 0,65 MW.La consommation spcifique correspondante de gaz naturel est denviron 0,84 MWh/h (H

s)

de gaz naturel ou 3 GJ/h(Hs). le timbre : pression maximale de vapeur admissible en exploitation.

Les chaudires vapeur sont classes en deux catgories :

Les chaudires tubes de fumes dans lesquelles les gaz brls parcourent des tubes noys dans leau.Leur puissance schelonne de 1,5 25 t/h de vapeur.

Fig. 3: Chaudire vapeur tubes de fume


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Les chaudires tubes deau dans lesquelles leau de la chaudire circule dans des tubes chauffs parles fumes qui les enveloppent. Elles existent aussi bien en grande puissance (20 150 t/h de vapeur)qu faible puissance (0,1 10 t/h de vapeur). Elles portent alors le nom de gnrateurs de vapeur.

Les chaudires tubes de fumes ont un grand volume deau ; elles prennent beaucoup de place etont une grande inertie avant de ragir. Elles disposent ainsi de rserve pour faire face aux pointesde consommation.

Les gnrateurs de vapeur ont un petit volume deau; ils sont par consquent compacts et ont peudinertie. Ils sont en mesure de sadapter rapidement tout changement de rgime de production.Enfin, lchange de chaleur est de type contre-courant dans les gnrateurs de vapeur, ce qui estfavorable au rendement.

La mise en parallle de gnrateurs de vapeur avec des chaudires classiques est vivement dconseille.

Fig. 4: Gnrateur de vapeur


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4. LE RESEAU DE DISTRIBUTION DE VAPEUR

Un rseau type de distribution de vapeur comporte :

des utilisations de vapeur avec ou sans retour de condensat.

une unit de traitement deau dappoint qui limine les substances minrales entartrant les conduiteset les gnrateurs ; leau dappoint compense les sorties deau ou de vapeur du systme, c.--d. lescondensats qui ne reviennent pas en chaufferie, les purges des chaudires, les fuites et le panache.

une bche alimentaire qui collecte les retours de condensat et leau dappoint. Il est prfrable de lamaintenir en dessous de 90 C pour obtenir un bon dgazage.

un dgazeur qui limine de leau dalimentation de chaudire des gaz dissous comme le CO2 et lO2,cause de corrosions ; ce dgazage se fait en gnral 105 C sous une lgre surpression de 0,2 bar parinjection de vapeur.

Fig. 5: Schma type dun rseau de distribution de vapeur

CHAUFFERIE

EAU DALIMENTATION

TRAITEMENT EAU DAPPOINT

EAU DAPPOINT

BACHE ALIMENTAIRE

CONDENSATS + VAPEUR REVAP.

UTILISATIONS

AVEC RET.

CONDENSATS

UTILISATIONS

SANS RET.

CONDENSATS

DEGAZEUR

PANACHE (VAPEUR REVAP.)

CO2 + O2


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5.1. Rendement de la production de vapeur en chaufferie

c

=chaleur nette sortie chaufferie

=Q1

chaleur du combustible Q g

5.1.1. Description et fonctionnement dune chaufferie

Une chaufferie comporte habituellement plusieurs chaudires. Une ou plusieurs sont en base et les autresen stand by (sous pression et temprature), prtes dmarrer en cas de besoin supplmentaire devapeur ou de dfaillance dune chaudire de base.Les chaudires en stand by consomment du gaz pour compenser leurs propres pertes larrt.Dautres chaudires peuvent, le cas chant, tre en rserve hors circuit vapeur et ne consommentdonc pas de gaz.

La dtermination du rendement dune chaufferie ncessite plusieurs mesures: apport de combustible,

dbits et tempratures de la vapeur produite et de leau dalimentation, dbit de vapeur consomme dansle dgazeur Ces mesures doivent tre effectues sur une priode suffisamment longue pour prendre encompte linfluence des pannes, des nuits, des week-ends, des changements de rythme de production afindvaluer le mieux possible le rendement annuel de la chaufferie.

Le service industrie de lARGB dispose de lappareillage pour effectuer de telles mesures dans deschaufferies sur de longues priodes. Des carts de plus de 10 % entre le rendement de combustion dunechaudire et le rendement total de la chaufferie sont observs frquemment.

5.1.2. Le rendement de combustion dune chaudire

Les fumes, source importante de perte, emportent environ 10 % de la chaleur du combustible lachemine lors dune combustion complte.

Cette perte due aux fumes (Qf) dpend du type de combustible, de lexcs dair de combustion(mesur par la teneur en oxygne des fumes sches) et de la diffrence de temprature fumes/air decombustion (Tf - Ta). Elle sexprime comme suit en pourcentage de la chaleur du gaz naturel :

Qf =68

+ 0,87Tf - Ta

Qg

21 - % O2

sec 100

Le rendement de combustion est : f

= 100 -QfQg

( (

( (


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Comment amliorer ce rendement ?

Par une combustion complte sans produire dimbrls.Un dfaut dair de combustion (n


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5.1.3. Autres pertes en chaufferie

Les dperditions par convection et par rayonnement des parois des gnrateurs : elles sont fonctionde la temprature et de la surface des chaudires. Ces pertes sont constantes, quelle que soit la chargedes chaudires.Elles sont comprises habituellement entre 0,5 et 2 % de la puissance nominale de la chaudire.

Ces pertes ne se limitent pas aux chaudires. Tout rcipient install en chaufferie prsente des pertes demme nature.

Les pertes internes dues laspiration naturelle dair froid travers la chaudire lorsque le brleur est larrt. Ces pertes sont plus importantes avec un brleur tout ou rien quavec un brleur modu-lant . Il faut observer que les constructeurs quipent actuellement systmatiquement les brleurs declapets dair sur les ventilateurs pour limiter ces pertes.

Les purges des chaudires ncessaires pour abaisser la concentration en sel de leau de chaudire (enmoyenne 0,2% de la puissance nominale).

LARGB a dj mesur les consommations de gaz de gnrateurs en stand by c.--d. leurs pertes

larrt. Ces dernires, comprises entre 1,5 et 3 % de la puissance nominale de la chaudire, sont surtoutimportantes en cas de surdimensionnement.Les graphiques ci-aprs donnent le rendement dune chaudire en fonction de sa charge thermique avecbrleurs tout ou rien et modulant .

Fig. 8.1: Rendement dune chaudire avec un brleur tout ou rien


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Fig. 8.2: Rendement dune chaudiere avec un brleur modulant (20-100%)


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5.2. Le rendement du circuit de distribution

d =

chaleur nette disponible pour l'utilisation=

Q2

chaleur nette sortie chaufferie Q 1

5.2.1. Les pertes thermiques des rseaux de distribution

Elles dpendent de la temprature de la vapeur, de la longueur du rseau et de la qualit de son isolation.

Dperditions par parois des canalisations en W/m courant (ambiance de 20C)

Tuyau nu Tuyau revtu Tuyau revtuDiamtre de 20 mm d'isolant de 60 mm d'isolant

canalisation ( = 0,045 W/mC) ( = 0,045 W/mC)

100C 200C 100C 200C 100C 200C

2" 249 769 35 95 18 49

3" 349 1 084 47 128 23 62

4" 432 1 347 58 157 27 74

6" 605 1 896 81 219 36 98

Dans les estimations des dperditions thermiques, il y a lieu de tenir compte des multiples accessoires descircuits de distribution de vapeur tels que les vannes, les purgeurs, les brides, les supports, etc. qui sontdifficiles isoler. Une vanne non isole prsente autant de dperditions thermiques quune dizaine demtres de tuyau calorifug.A ces dperditions sajoutent encore toutes les fuites de vapeur et de condensat.

Un bon rseau de distribution perd nanmoins 0,2 0,4 % de la puissance de la chaufferie par 100 mde canalisation.

5.2.2. Vapeur de revaporisation

Au point 2.2.4, la formation de vapeur de revaporisation a dj t explique ; elle se produit aprs lepurgeur et dans le rseau de retour de condensats.

La vapeur de revaporisation nest que rarement rcupre dans un flashtank. Elle se condense ds lorsdans les circuits de retour de condensats mal isols. Le solde ventuel schappe par le dgazeur sauf side leau dappoint en suffisance achve sa condensation ; dans ce cas, elle est partiellement valorisepour chauffer leau dappoint.


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5.3. Le rendement de lutilisation

Cest le rapport entre la chaleur Q utile lutilisation et celle Q2 cde cette mme utilisation.

chaleur utile pour lutilisation Q u = =

chaleur nette disponible pour lutilisation Q2

Ce rendement varie en fonction du type dutilisation et de la rgulation. La chaleur doit tre cde nonseulement lutilisation mais aussi au moment o le besoin se fait sentir.

Les lments suivants perturbent le rglage des installations: linertie thermique des changeurs de chaleur; des vannes de vapeur non tanches; le mauvais fonctionnement des purgeurs (vapeur dans le rseau de condensats);

des changeurs de chaleur trop volumineux dans les procds discontinus; le manque de prcision du rglage.

5.4. Le rendement global

= c d u

Il y a donc cascade des rendements. La tendance est frquente dassimiler tort le rendement global dusystme au seul rendement de la chaufferie, voire mme au rendement de combustion de la meilleurechaudire, celle qui est en base.Dans un cas favorable comme :

c= 0,92 ;

d= 0,91 et

u= 0,95, on obtient un rendement global de

0,80, ce qui est exceptionnellement bon. Il nest pas rare de rencontrer des rendements globaux de 0,5 0,6 lorsque lutilisation est essentiellement du chauffage de grands espaces.


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6. LA RECUPERATION DE CHALEUR DES FUMEES

La chaleur des fumes constitue la perte thermique prpondrante dune chaudire. Il est ds lors normalde la rcuprer autant que possible.

On constate que le rendement de combustion faugmente linairement lorsque la temprature des

fumes (Tf) diminue et ce jusqu 57,5 C. En fait, seule la chaleur sensible des fumes est rcupre.

Par contre, ce rendement crot beaucoup plus rapidement lorsque la temprature des fumes Tf passe

sous la barre du point de rose de 57,5 C. La chaleur latente de condensation de la vapeurdeau produite lors de la combustion commence tre rcupre en plus de la chaleur sensible.

La rcupration de la chaleur des fumes avec condensation conduit des rendements fsuprieurs 1.

Cette anomalie nest quapparente vu que le pouvoir calorifique infrieur du combustible (Hi) estpris en considration pour dterminer la chaleur du combustible amen au brleur Qg et non le pouvoircalorifique suprieur (Hs). La diffrence Hs Hi nest autre que la chaleur de condensation de toute lavapeur deau des fumes.

Fig. 9: Rendement de combustion et temprature des fumes(10% dexcs dair, air de combustion 20C)

f


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6.1. Comment rcuprer la chaleur des fumes ?

Il existe deux types de rcuprateurs :

Les rcuprateurs/condenseurs de fumes : ce sont des appareils en acier inoxydable avec suffisam-ment de surface dchange, capables de condenser la vapeur deau des fumes condition que la tem-prature dentre du fluide prchauffer soit infrieure 50 C.

Les conomiseurs et les prchauffeurs dair de combustion : ce sont des appareils surface dchan-ge plus rduite, et dont la temprature dentre du fluide prchauffer est suprieure 60 C afinquil ny ait pas de condensation.

6.2. Que faire de la chaleur rcupre ?

Cette chaleur est utilise de manire optimale lorsquelle est rintroduite dans le process. Le synchronis-me est alors parfait entre rcupration et utilisation. Le prchauffage de leau dalimentation et de leau

dappoint des chaudires ainsi que de lair de combustion convient parfaitement. La prparation deauchaude sanitaire est une autre possibilit.

Fig. 10: Chaufferie vapeur avec conomiseur et condenseur

54 50C

GAZ

Retour

condensats

90C


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6.3. Le prchauffage de leau dalimentation et de leau dappoint

Leau dalimentation de la chaudire dgaze 105 C peut tre prchauffe de 25 C environ par lesfumes dans un conomiseur. Cette rcupration de 4,3 % dans cet exemple est envisageable quelle quesoit la quantit deau dappoint.

Le prchauffage de leau froide dappoint peut seffectuer dans un changeur/condenseur plac en avalde lconomiseur. Il conomise de la vapeur du dgazeur, donc du combustible, et procure ainsi uneconomie de 5,5 7,6 % dans cet exemple.

Cet changeur/condenseur en acier inoxydable nest justifi que si lapport deau dappoint est suffisant.Lconomie peut mme atteindre 10% si lchangeur/condenseur est plac sur la chaudire de base duneimportante chaufferie.Dans ce cas, linvestissement peut tre trs rapidement rcupr.

Fig. 11: Rcupration de chaleur des fumes (conomiseur et condenseur)


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6.4. Le prchauffage de lair de combustion

Lair de combustion peut tre prchauff de 20 170 C dans un rcuprateur de type sec .Des condensations peuvent se produire dans le circuit des fumes. Le rcuprateur doit rsister ces condensations ventuelles et les brleurs doivent tre conus pour de lair prchauff.Lconomie dnergie possible est de 6 %.Cette rcupration peut senvisager sur des chaudires avec 100 % de retour de condensats et destempratures leves de fumes.

C O N C L U S I O N :

Les possibilits de compenser les pertes inhrentes aux systmes centraliss de production

de vapeur sont limites.

Progresser en Utilisation Rationnelle de lEnergie implique quune voie diffrente soit prise,

celle dcrite dans la deuxime partie de cette brochure.


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DEUXIEME PARTIE

LA PRODUCTION DECENTRALISEE DE CHALEUR

A PROXIMITE OU AU CUR DU PROCESS

7. PRINCIPE

Dans la premire partie nous avons vu que la production centralise de chaleur destine des utilisationsdisperses comporte des pertes inluctables qui limitent le rendement global.Certes, des techniques de rcupration peuvent tre mises en uvre pour rduire ces pertes, mais leconcept de production centralise namne pas des rsultats exceptionnels. Les figures ci-aprs indiquentquelles se produisent tous les niveaux : la production de vapeur, la distribution et les utilisations.

Fig. 12: Production centralise de vapeur au gaz


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Ds lors, amliorer les performances de faon substantielle implique labandon de ce concept de chauffe-rie centralise et la mise en oeuvre de techniques permettant de dcentraliser la production de chaleur.Dans ce cas, la production de vapeur ralise avec de petits gnrateurs de vapeur qui sont proximit delutilisation et bien dimensionns constitue une premire mesure; elle prsente des pertes moindres.Les pertes de distribution sont rduites par rapport un systme classique.

Fig. 13: Production performante de vapeur au gaz naturel


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Si la vapeur nest pas ncessaire, on peut chauffer lutilisation sans fluide thermique par change dechaleur avec les fumes. Les pertes de distribution disparaissent alors totalement.

Si la technologie le permet, il est mme possible de produire la chaleur au cur de lutilisation sanschangeur en mlangeant les fumes du gaz avec les produits chauffer. Toute la chaleur du gaz est alorsdisponible pour lutilisation car tant les pertes de production que celles de distribution disparaissent.

A lexamen de ces diagrammes, il apparat que la production dcentralise de chaleur offre des possibilitsdconomie dnergie substantielles. Le gaz naturel permet de mettre en valeur les techniques prouvesbases sur ce concept.

Fig. 14: Chauffage direct au gaz avec changeur

Fig. 15: Chauffage direct au gaz sans changeur


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8. LA PRODUCTION DCENTRALISE DE VAPEUR

Des petits gnrateurs production instantane de vapeur au gaz et faible volume deau, existent sur lemarch pour des capacits comprises entre 75 kg/h et 7.500 kg/h et des pressions jusqu 50 bars.

La dcentralisation de la production de vapeur procure les avantages suivants: moins de pertes de distribution. moins de pertes thermiques par convection et rayonnement ainsi que de pertes internes. Le gnrateur

peut tre dimensionn avec prcision et ne fonctionne que quand il y a une demande de vapeur. une grande souplesse de fonctionnement (dmarrage rapide ). la possibilit dajouter des capacits additionnelles de production de vapeur au fur et mesure des

extensions. la possibilit de dplacer, sans frais excessifs, les gnrateurs.

9. LE SECHAGE

9.1. Gnralits

Le schage consiste liminer un liquide par vaporation dune matire solide en 3 phases : prchauffage de la matire humide par lair de schage pour que son humidit migre vers la priphrie, vaporation de lhumidit superficielle de la matire scher et transfert de celle-ci lair de schage, vacuation de lair humide de schage du schoir et de la matire sche.

La temprature et le dbit dair de schage doivent tre suffisants pour que se produise simultanment leprchauffage de la matire scher, lvaporation de son humidit avec son transfert dans lair de schageet lvacuation de ce dernier.

Le rendement de cette application se dfinit comme suit :

u =quantit d'eau vapore x chaleur de vaporisation

dbit d'air x enthalpie de l'air l'entre du schoir

Les pertes en schage sont :

la chaleur sensible de lair humide de schage la sortie du schoir, la chaleur sensible de la matire sche, les dperditions thermiques par parois du schoir.

Des rendements de 50 % en schage sont habituels avec de lair 150 C.


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Fig. 16:Le schage indirect

9.2. Le schage indirect (surtout la vapeur)

Le schage indirect nest utilis que lorsque les matires scher ne peuvent pas tre mises en contactavec les fumes du gaz. Lemploi de la vapeur prsente comme inconvnient une temprature limite delair de schage et des pertes lies la production.Lhuile thermique est trs dangereuse en cas de fuite (risque dincendie et de contamination des matires scher) ; elle nest quasi plus utilise.

Les gnrateurs dair chaud au gaz sont plus rentables ; ils permettent dviter les pertes de distributionet celles dues au surdimensionnement ventuel de la chaudire.

VAPEUR GENERATEUR DAIR CHAUD


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9.3. Le schage direct (la solution de prdilection avec le gaz naturel)

Lair de schage est prchauff par mlange avec les fumes du gaz naturel. Cette technique offre lesavantages suivants : les pertes de production et de distribution de vapeur sont limines, toute la chaleur du gaz est cde lair de schage, soit un gain de rendement de 40 % par rapport

au schage indirect la vapeur, accroissement de la productivit, car la temprature dair de schage peut tre plus leve quavec

la vapeur.

Une autre technique de schage direct au gaz frquemment utilise est le schage infrarouge par pan-neaux radiants. Le rayonnement mis par ces panneaux est absorb par la couche superficielle de la mati-re scher et pntre mme en profondeur sur quelques millimtres. Cette technique semploie pour leschage de couches minces comme du papier, de la peinture, du vernis, etc.

Le schage direct au gaz sest gnralis dans tous les secteurs grce aux dveloppements dquipementsadapts chaque application par les constructeurs :

lindustrie agricole et alimentaire : grains, soja, malt, aliments pour btail et produits de la pommede terre,

lindustrie textile : rames de thermofixation, schoirs tambour, de linge et infrarouge, les matriaux de constructions, les fours de briqueterie et de cramique : schage de sable,

de chaux, schoir rotatif, tunnels etchambres de schage,

lindustrie chimique :schage de peinture de phosphate,

lindustrie automobile :traitement de surface etligne de peinture,

lindustrie du papier :schoirs infrarouge, et beaucoup dautres

applications.

Fig. 16 bis: Le schage direct

MAKE-UP AIR


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10. LE CHAUFFAGE DES LIQUIDES

10.1. Le chauffage la vapeur des liquides

Le chauffage indirect des bains la vapeur connat les mmes pertes systmatiques dnergie que le

schage indirect la vapeur c.--d. les pertes de production et de distribution de vapeur.

La technique dinjection directe de vapeur dans les bains est cependant frquemment utilise enindustrie surtout l o il ny a pas de place pour un changeur de chaleur et o le chauffage du liquidedoit tre rapide.Elle permet dobtenir un bon rendement dutilisation puisque toute la chaleur de la vapeur se retrouvedans leau. Mais, les pertes de production et de distribution de vapeur subsistent.

Fig. 17: Chauffage des liquides la vapeur

PAR SERPENTIN

PAR INJECTION DIRECTE DE VAPEUR

vapeur

vapeur

Retour condensats

+ vapeur de revaporisation

PURGEUR


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10.2. Les techniques de chauffage au gaz des liquides

10.2.1. La combustion submerge

Avec le gaz naturel, on peut recourir la combustion submerge o les fumes barbotent dans un bain.

La surface dchange entre les deux fluides est considrable, mme pour une hauteur de barbotagerelativement faible (500 600 mm). Un mtre cube de fumes disperses sous forme de bulles de6 mm de diamtre procure en effet une surface dchange de 1.000 m2. Aprs barbotage, les produits decombustion schappent en surface la temprature du bain saturs en humidit.

Si la temprature du bain est quivalente au point de rose (57,5 C), toute la vapeur deau formepar la combustion du gaz schappe et le rendement de combustion est de 98 %.Si la temprature du bain est infrieure au point de rose (57,5 C), une fraction de la vapeur deau forme la combustion se condense. Le rendement de combustion est alors suprieur lunit et le bain se dilue.Inversement au-dessus du point de rose, leau du bain svapore jusqu saturation des fumes provo-quant de ce fait une concentration du bain. Ce phnomne est ngligeable entre 60 et 70C ; partirde 70 C, il devient plus important.

Cette technique nest ds lors pas recommande pour chauffer des bains au-dessus de 70 C.

Le bain sacidifie lgrement par contact avec le CO2 des fumes, acidification quil est facile deneutraliser. Quand le liquide doit tre maintenu constamment une temprature leve, le chauffagedirect nest pas indiqu; par contre, sil faut vaporer une partie du bain, cette solution est excellente.

Fig. 18: Combustion submerge


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10.2.2. Le tube immerg compact

Ce brleur permet de chauffer un bain au-dessus de 70 C sans lvaporer.Le liquide est chauff par change thermique avec un serpentin immerg parcouru par les fumes du gaz.Les puissances thermiques peuvent atteindre 50 80 kW par m2 de surface de serpentin pour autant que lebrleur soit de type air puls haute vitesse. Des rendements de 90 % sont ainsi obtenus.

Temprature maximum de bain de 95 C.

Fig. 19: Tube immerg compact


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10.2.3. La chaudire eau chaude

Le liquide est chauff en dehors du bain dans un gnrateur spcifique. Il parcourt, en fait, une boucle etpasse dans un chauffe-liquide. Les pertes de production de chaleur subsistent mais sont limites parceque ce chauffe-liquide est bien adapt aux besoins. Comme les bains industriels sont dhabitude corrosifs,ces chauffe-liquide doivent tre plus rsistants quune chaudire traditionnelle de chauffage central.

Fig. 20: Chauffe-liquide


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11. LE CHAUFFAGE DIRECT DES GRANDS ESPACES

11.1. Gnralits

La consommation dnergie pour le chauffage des grands espaces est importante et varie durant la journe

et suivant les saisons. Les ateliers de production, les locaux sociaux et mme les bureaux sont souventchauffs par de la vapeur basse pression provenant de la chaufferie centrale.

La chaufferie produit par priorit de la vapeur pour le process. Par facilit, le chauffage la vapeurdateliers et dautres locaux est frequemment ajout puisque la vapeur est tout de mme disponible.

Mais : comment prserver les espaces du gel quand il ny a plus de production ? dimensionner la chaufferie sur la pointe du lundi matin, par moins 7 C par exemple, entrane toute

lanne des pertes de rendement due une chaudire surdimensionne, 4 5 heures peuvent scouler entre le redmarrage de la chaufferie et la mise en temprature de

latelier,

la longueur des rseaux de distribution est souvent multiplier par 3 vu quil faut raccorder tous lesappareils de chauffage.

Le chauffage direct au gaz peut conomiser 50 % dnergie sans rduction de confort.

Fig. 21: Chauffage des grands espaces (centralis direct)


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11.1.1. Etude pralable

Le chauffage direct au gaz ncessite cependant une tude pralable pour dterminer les besoinsthermiques des espaces chauffer.Une multitude de facteurs entrent en ligne de compte : les tempratures de confort adopter,limplantation, les dimensions (la hauteur en particulier), lisolation du btiment, la dure doccupation,la nature des activits qui y sont exerces, les zones rserves du personnel, les exigences deventilation (renouvellement dair). Ce dernier facteur est trs important et reprsente 30 50 %des pertes thermiques.

11.1.2. Convection et rayonnement

Il existe deux modes de chauffage : la convection et le rayonnement.

Avec le chauffage par convection, la totalit de lair ambiant est chauff. Tout est amen latemprature ambiante. Dans des locaux grande hauteur, lair chaud saccumule sous la toiture.Les pertes de chaleur par le toit peuvent tre importantes surtout si la toiture est mal isole, ce qui est

bien souvent le cas dans les halls industriels. La consommation dnergie peut alors tre trs leve.Le chauffage par rayonnement est par contre localis.Il permet de chauffer des zones bien dlimites occupes par du personnel ; ce type de chauffage est doncadapt des btiments levs, mal isols et peu tanches.

Le rayonnement cde sa chaleur sans chauffer lair. Le flux thermique est dirig sur des personnes et desobjets, et est donc moins sensible aux pertes de chaleur par renouvellement dair. Le rayonnement procu-re aux personnes le mme confort que le chauffage par convection. Lair ambiant, les parois et la toituresont par contre maintenus une temprature plus basse. Cela rduit la consommation et permetdatteindre plus rapidement la temprature de confort.

Ces deux modes de chauffage sont effectivement aux antipodes lun de lautre, global en convection etdirig en rayonnement. Pendant longtemps, ils se sont affronts. La tendance sest inverse aujourdhuidans la recherche de complmentarits par les concepteurs.

11.2. Les appareils de chauffage par convection au gaz

Le gaz est brl dans lappareil mme et les fumes cdent leur chaleur par un changeur lair de chauf-fage avant dtre vacues par la chemine. Un gros ventilateur intgr lappareil souffle lair chauddans lespace chauffer.

Il existe deux types dquipements:

Les arothermes gaz sont des appareils de 20 plus de 100 kW suspendus bonne hauteur et bienrpartis dans lespace chauffer afin dobtenir un confort optimal. Le rendement de combustion duntel appareil est de 0,86 sur une base annuelle.

Une volution rcente amne remplacer lancienne version ouverte par le modle tanche ,plus conome en nergie vu que lappareil ouvert laisse schapper larrt vers lextrieur de lairambiant 20C par tirage naturel. Ce tirage ne se produit pas dans les appareils tanches aveccircuits de combustion sans communication avec lambiance.

Une volution encore plus rcente est larotherme tanche condensation prsentant des rendementsde combustion suprieurs 1.


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Fig. 22: Arotherme de 50 kW avec brleur atmosphrique

GAZ = 6 m3/h A LARRET

6000 m3/h

40 45 C

6000 m3/h

40 45 C

A CONDENSATIONEXTRACTEUR

GAZ = 5 m3/hGAZ = 6 m3/h


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Les gnrateurs dair chaud peuvent atteindre des puissances plus leves. Ils sont quips de brleurs air puls avec clapet dair. Ces appareils sont gnralement poss sur le sol.Leurs rendements de combustion sont compris entre 0,89 et 0,92.Il est conseill de limiter la puissance par appareil 250 kW pour des motifs de confortet dutilisation rationnelle de lnergie

Avec ces appareils gaz, il ny a pratiquement pas de diffrence entre le rendement de combustion et lerendement total car les pertes sont minimes. Ce nest pas le cas de ceux aliments en vapeur,en huile thermique ou en eau chaude.

11.3. Les appareils de chauffage par rayonnement

11.3.1. Le tube radiant sombre

Cet appareil indpendant comporte un brleur, un tube radiant en forme de U de 3" ou 4" surmont duneplaque rflectrice et un ventilateur dextraction. Les fumes du gaz chauffent le tube par lintrieurjusqu une temprature moyenne superficielle de 350C ; le tube reste donc sombre. La plaque

rflectrice monte au-dessus du tube limite les dperditions du tube par convection. Ces tubes doiventtre raccords une chemine.

Fig. 23: Gnrateur dair chaud


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Ces tubes conviennent au chauffage dateliers de 4 7 m de hauteur.

Il existe aussi des variantes : des tubes rayonnants brleurs rpartis, un circuit form de tubes radiants aliments par un gnrateur dair chaud central.

11.3.2. Le panneau radiant lumineux

La surface mettrice de cet appareil est porte au rouge par la combustion en surface du gaz

(800 950 C). Le mlange air-gaz brle la surface dune plaque rfractaire perce de fins trouscalibrs. Le rayonnement mis par ces appareils est plus intense que celui des tubes sombres du faitdune temprature dmetteur nettement plus leve. Ils doivent tre suspendus entre 4 et 9 m.

Ils conviennent ds lors au chauffage de locaux de grande hauteur ars, toiture mal isole et peutanches ainsi quau chauffage de zones dlimites (postes de travail). Ils sont habituellement de type A(vacuation des fumes dans lambiance) ou de type B si les risques de condensation de vapeur deausous toiture sont rels (ventilation insuffisante).

En version standard, la fraction rayonne reprsente 50 % de la chaleur du combustible.Les concepteurs de ces appareils sefforcent dutiliser les parois des dflecteurs comme source de

rayonnement sombre en vacuant les fumes par leur base, de les isoler au-dessus pour limiter leursdperditions par convection. Ce rayonnement des dflecteurs sadditionne celui de base de lappareilet le rendement de rayonnement passe 65 %.

Fig. 24: Tube radiant sombre


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Enfin, dernire trouvaille concernant ces appareils : le prchauffage du mlange air/gaz en logeant lemlangeur du brleur dans un des dflecteurs. Rendement de rayonnement de cette dernire version : 75 %.

Ces appareils sont connus du grand public pour le chauffage de terrasses.

DEFLECTEUR

DEFLECTEUR

DEFLECTEUR

AIR

GAZ

AIR

AIRGAZ

AIR

AIR

GAZ

AIR

VERSION STANDARD

R = 50 %

VERSION ISOLEE + RAYONNEMENT SOMBRE

R = 65 %

IDEM + PRECHAUFFAGE AIR/GAZ

R = 75 %

Fig. 25: Panneau radiant lumineux

FUMEES

FUMEES

FUMEES


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11.4. Ventilation force tempre (make-up air)

La ventilation force tempre, appele aussi make-up air remplit simultanment deux fonctions :la ventilation et la mise temprature de lair frais. Ce nest donc pas du chauffage dateliers, mais ony a recours l o de la ventilation force est ncessaire une activit industrielle (par exemple des ate-liers de soudure).

Le gaz naturel est brl directement dans lair de ventilation de telle sorte que les fumes y sontfortement dilues et que lair frais est chauff par mlange avec les fumes chaudes. Il ny a donc plusde pertes de production, ni de distribution.

11.5. Synthse des avantages du chauffage direct au gaz naturel

faible inertie thermique et donc grande souplesse avec passage rapide et sans perte de chaleur dunrgime lautre,

possibilit de rglage de temprature par zone, possibilit dvacuer les fumes lextrieur, amnagement progressif et modulaire, pas de risque de gel, peu ou pas dencombrement au sol.

Fig. 26: Ventilation force tempre dun atelier


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METHODES DE

CHAUFFAGE

11.6. Synthse des systmes de chauffage

Le tableau ci-dessous regroupe les systmes de chauffage appropris aux diffrents types de locauxindustriels.

CONVECTION RAYONNEMENT

Arothermes Arothermes Make-up air Vapeur ou Rayonnement Rayonnement

vapeur gaz gaz eau sombre lumineux

surchauffe gaz gaz

Fumes dans

le local non non oui non non oui

Rendement

de rayonnement - - - 50 60 % 50 70 % 50 70 %

Rendement de production

et de distribution 70 % 90 % 100 % 70 % 88 % 100 %

Hauteur max. du local 5 m 5 m 5 m

Hauteur d'installation 3 4,5 m 4 11 m 7 m et plus

Puissance installer

par unit de

surface au sol - - - 250 W/m2 200 W/m2 125 W/m2

Puissance installer

par unit

de volume 40 W/m3 30 W/m3 40 W/m3 - - -

Chauffage localis

de poste de travail non non non non oui conseill

Rglage mauvais bon bon mauvais bon bon


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Rayonnement ou air chaud ?

En faveur du En faveur du

RAYONNEMENT LAIR CHAUD

Type de construction Ancienne Moderne

Isolation de la toiture Mauvaise Bonne

Etanchit de la toiture Mauvaise Bonne

Hauteur du hall > 5,5 m < 7 m

Taux de ventilation Elev Faible

Postes de travail Disperss Uniformment rpartis

Activit industrielle Lourde Lgre

Encombrement du hall en hauteur Faible Important

Changements de rgimes de chauffage Frquents Peu frquents

40

1 kWh = 3600 kJ = 860 kcal

1 GJ = 278 kWh = 0,238 Gcal

1 kcal = 4,187 kJ = 0,00116 kWh

Fig. 27: Unites denergie


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CONCLUSION

Lemploi de chaleur basse, haute et trs haute temprature sest gnralis en industrie.

Lors du dveloppement de nouveaux produits lattention se porte aujourdhui non seule-

ment sur la satisfaction des attentes du client, mais galement sur les aspects nergtiques

et environnementaux de la production.

Des concepts comme la flexibilit de lappareil de production, la rduction des cots, les

livraisons just in time, lassurance qualit mais aussi le management environnemental, le

cycle de vie, lURE suscitent une attention accrue de lingnieur de process et de nouvelles

attentes du dirigeant vis--vis de son process.

La production dcentralise de chaleur avec du gaz, proximit ou dans le process mme,

offre souvent une rponse concrte toutes ces questions.

Les fabricants de brleurs ont ralis ces dernires annes des innovations technologiques

pour amliorer les performances, qui reposent toutes sur les qualits intrinsques du gaz.

Ce dossier technique parcourt les techniques disponibles afin dutiliser le gaz naturel avec

le rendement le plus lev possible par production dcentralise de chaleur.

Certaines fabrications utiliseront toujours de la vapeur en raison de leurs propres

contraintes. Quoique lemploi dun fluide thermique entrane systmatiquement des pertes

additionnelles, le gaz naturel permet de produire cette vapeur dans les meilleures condi-tions possibles : chaufferie correctement dimensionne, brleur modulant large plage et

rcupration de chaleur des fumes avec, le cas chant, condensation de la vapeur deau.

Les aspects oprationnels et de maintenance des chaufferies ont leur importance : rduction

du temps de prchauffage, gestion des cots de surveillance et dentretien et augmentation

de la capacit de production.

Cette brochure ne traite pas de tous les aspects. Elle se limite donner dans sa premire

partie les conditions optimales dune production centralise de chaleur et dans sa seconde mettre en vidence les vertus de la dcentralisation, du chauffage direct au gaz.

Dans la mme srie ont paru :

Le chauffage des grands espaces : rayonnement ou convection ?

Gaz Naturel : 10 techniques pour 1001 applications.


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AIDE-MEMOIRE

Avec le gaz naturel,

je dispose dun combustible cologique, qui est galement propre lutilisation

je dispose dun rendement total nergtique lev :

Combustion hyginique stable

Brleurs prsentant une large modulation de rglage

Rgulation parfaite de lair de combustion - Faible excs dair

Excellent change thermique

Potentiel lev de chaleur de rcupration et mme applications directes

Moindre besoin dlectricit

je nai aucune inquitude avoir sur :

Le stockage du combustible

Lvacuation des rsidus de combustion

Le nettoyage et lentretien

Le prchauffage du combustible et les problmes de dmarrage

je dispose dun approvisionnement fiable et dun support technique lors de lutilisation.


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Il existe galement un dossier technique sur le mme sujet; il peut tre obtenu, sur simple demande, auprs de:

A.R.G.B. IndustrieRue de Rhode 125

1630 Linkebeek

Tel. : 02/383 02 00

Fax : 02/380 87 04

E-mail : [email protected]

http : //www.gazinfo.be

Editeurr

esponsable:Ferdinand

de

Lichtervelde,

ARGB,

Rue

de

Rhode

125,

1630

Linkebeek.


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Editeurresponsable:Ferdinand

deL

ichtervelde,

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Rue

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Rhode

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