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Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage ENIB - Enseignant

Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 1 - Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage 3.1 Introduction L'objectif de ce cours est de montrer les principes de base de l’énergie thermique et ses applications industrielles. Le focus est sur la chaufferie composée essentiellement de chaudières de différents types et produisant de la vapeur. Avec une bonne connaissance de la combustion, des combustibles utilisés, ainsi que des équipements (brûleur et chaudière), le personnel impliqué dans une centrale électrique ou une usine aura un outil pour prendre les bonnes décisions concernant l'optimisation des coûts d'opération, la planification des arrêts et la fourniture non interrompue des services énergétiques requis par le procédé. 3.2 Généralités 3.2.1 Eléments nécessaire à la combustion La réaction chimique de combustion ne peut se produire que si l'on réunit trois éléments :  Un combustible  Un comburant  Une énergie d'activation en quantités suffisantes. La combustion cesse dès qu'un élément du triangle suivant est enlevé Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 2 - Le combustible peut être • un solide formant des braises (bois, papier, carton, …) • un liquide ou solide liquéfiable (Fuel, gasoil, huile, …) • un gaz (butane, propane, méthane, dihydrogène, …) • un métal (fer, aluminium, sodium, magnésium, …) Le comburant La plupart du temps, il s’agit de l’air ambiant, et plus particulièrement de l’un de ses composants principaux, le dioxygène. La source de chaleur Le plus souvent, la réaction est déclenchée par une énergie d’activation. Il s’agit généralement de chaleur. 3.2.2 Les types de combustion Il y a quatre types de combustion : Combustion STOECHIOMETRIQUE ou neutre, qui est la référence : elle n'est que théorique (les vœux pieux), toutes les techniques évoluées tentent de s'en approcher. Combustion COMPLETE par EXCES D'AIR ou oxydante, c'est à dire sans imbrûlé, ni solide ni gazeux, c'est la seule envisageable pour des brûleurs performant, c'est aussi l'objectif à atteindre dans le domaine du chauffage. Combustion INCOMPLETE avec EXCES D'AIR (semi-oxydante) Combustion INCOMPLETE en DÉFAUT D'AIR (semi-réductrice). Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 3 - 3.2.3 Les conditions de la combustion Pour obtenir et entretenir une combustion il faut : - Un combustible sous forme gazeuse (pour les liquides : ils seront pulvérisés ou vaporisés et pour les solides, ils seront chauffés très fortement pour en extraire les gaz). - Un comburant en suffisance : d’où la nécessité de bonnes ventilations d’air. - Combustible et comburant seront mélangés. - Une vitesse d'écoulement stable (10 à 40 m/s) généralement en régime turbulent. 3.2.4 Excès d’air La différence de la quantité d’air utilisée et la valeur stœchiométrique, exprimée en pourcentage de celle-ci, est appelée « EXCES D’AIR ». La formule de définition de l’excès d’air est donc : Volume d'air utilisé Volume d'air théorique EXCES D'AIR (E) Volume d'air théorique   O2 e (%) x100 21 O2   Le réglage d’excès d’air a pour objectif de trouver la quantité d’air optimale pour laquelle la somme des pertes par imbrûlés et des pertes par la chaleur sensible des fumées, dues à l’excès d’air, est minimale. L’excès d’air dépend de plusieurs facteurs dont : Le type de brûleur Le type de combustible Le taux de charge de la chaudière Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 4 - 3.2.5 Energie dégagée et pouvoir calorifique La quantité d’énergie produite par la combustion est exprimée en joules (J) ; il s'agit de l'enthalpie de réaction. Le pouvoir calorifique est l'enthalpie de réaction par unité de masse de combustible ou l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme de combustible, exprimée en général kJ/kg et l'on définit : le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : « Quantité d'énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée condensée et la chaleur récupérée ». le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : « Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée et la chaleur non récupérée ». La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l’eau (Lv) multipliée par la quantité de vapeur produite (m), qui vaut à peu-près 2 250 kJ/kg (cette dernière valeur dépend de la pression et de la température). PCS = PCI + m.Lv Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 5 - 3.2.6 Les propriétés des combustibles 3.3 La Chaufferie  Les chaudières  Les bilans d’une chaufferie  Les rendements de chaudières  Le traitement des eaux et les purge Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 6 - 3.3.1 Les chaudières 3.3.1.1 CLASSIFICATION DES CHAUDIERES On peut classer les chaudières en fonction de a/- La puissance thermique Si l’on se réfère au critère le plus simple qui est sans doute la puissance thermique ou production de vapeur, on peut constater de façon très globale que : Au-dessous de 20 t/h de production de vapeur, il existe une très grande variété de modèles de chaudières, construction à tubes de fumées presque exclusivement, à circulation naturelle ou forcée. Ces chaudières sont standardisées, monobloc et transportable. Construites en atelier et livrées sur un châssis supportant également tous les équipements annexes : ventilateur, pompe alimentaire, armoire électrique de commande et de contrôle, etc. Applications : usines Textiles, Unité de production pharmaceutique, Agro-alimentaire, hôtelleries, hôpitaux, cliniques, bâtiments administratifs, etc. Entre 20 et 140 t/h de production de vapeur, ce sont principalement des chaudières « monoblocs » ou « transportables », également construites en atelier et expédiées d’un seul bloc, mais cette fois sans leurs équipements annexes, lesquels sont rapportés sur le site. Ce sont aussi des chaudières dont le gabarit exclut déjà le transport monobloc et qui sont construites sur le site à partir d’éléments préfabriqués plus ou moins importants. Il s’agit très généralement de chaudières à tubes d’eau et à circulation naturelle, équipées d’une surchauffeur lorsque la vaporisation excède l’ordre de grandeur de 30 à 50 t / h. Note : entre 20 et 40 t/h il y a quelquefois le choix entre construction à tubes de fumées ou tubes d’eau. La gamme de pression s’étend jusqu’à environ 120 bars. Ces chaudières sont généralement mixtes, c'est-à-dire production d’électricité et de vapeur pour les processus de fabrication des usines. Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 7 - Applications : Industrie lourde : Chimie, Pétrochimie, Raffinage, Sidérurgie, Cimenterie, etc. Au-delà de 140 t /h et jusqu’à la limite variable des chaudières industrielles que nous avons située au voisinage de 3 à 400 t/ h de production de vapeur, ce sont des chaudières construites à l’unité, entièrement assemblées sur le site, le plus souvent à circulation naturelle, et équipées d’une surchauffeur. Ces chaudières sont également mixtes (vapeur et électricité). Applications : Elles sont globalement les mêmes que pour les chaudières de 20à140t/h. Qualités demandées à une chaudière industrielle :  Souplesse de marche, réponse rapide aux variations brusque de forte amplitude.  Qualité et stabilité de la vapeur en Pression et Température.  Bon rendement à la mise en service, mais surtout durant toute la durée d’utilisation, en général 15 à 30 ans et même plus, suivant la taille et l’entretien. Au-delà de 400t/h (120 M/W) et jusqu’à 1300 M/W ces puissances sont le domaine réservé des centrales de production d’électricité au charbon ou nucléaire. Pour fixer les idées à STEG Sousse ou Rades la chaudière d’une tranche thermique (au Gaz naturel) est de 150MW correspond à 515t/h et (144bar et 540°C). b/- La conception La distinction la plus nette du point de vue conception est celle qui apparaît entre :  Les chaudières à tubes de fumées parcourus intérieurement par les gaz de combustion La vapeur est générée en chauffant un important volume d’eau, au moyen de fumées produites par combustion de gaz ou fioul et circulant dans des tubes immergés. C’est la technique la plus classique pour la production de vapeur saturée, d’eau ou de vapeur surchauffée pour une gamme de débits de 160 à 50 000 kg/h (112 à 34 000 kW). Chapitre 3 : Audit énergétique des installations de chauffage ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 8 -  Les chaudières à tubes d’eau parcourus intérieurement par l’eau et l’émulsion eau vapeur, représente : La grande majorité des chaudières en service, la gamme de vaporisation de 20/40 t/h à 400 t/ h et la réduction importante du volume d’eau contenu dans les tubes par rapport au débit de vapeur produite, le réservoir ayant la dimension juste nécessaire à la séparation eau-vapeur. Ce type de chaudière possède deux réservoirs appelés ballon distributeur (en partie inférieure) et ballon collecteur (ou encore ballon de vaporisation, en partie supérieure), reliés par un faisceau de uploads/s3/ chapitre-iii-audit-fathia 1 .pdf