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1 - SYSTÈMES DE COMBUSTION

2 - TYPES ET CALCUL DE CIRCULATION EAU/VAPEUR

3 - ÉCHANGEURS DANS LES PARTIES SOUS PRESSION

4 - CIRCUITS AIR/FUMÉES

Article de référence | Réf : BE8731 v1

Circuits air/fumées
Chaudières. Systèmes de combustion, circuits eau/vapeur et air/fumées

Auteur(s) : Markus HAIDER, Philippe SEGUIN

Relu et validé le 30 août 2023

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RÉSUMÉ

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

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ABSTRACT

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

Auteur(s)

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

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

INTRODUCTION

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

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

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

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De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

DOI (Digital Object Identifier)

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


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4. Circuits air/fumées

Ce paragraphe présente les principes de conception et de dimensionnement des circuits air et fumées d'une chaudière et leurs principaux composants (échangeurs de chaleur, ventilateurs, etc.).

4.1 Nature des circuits

L'air atmosphérique, utilisé pour la combustion dans le foyer, a l'inconvénient de ne contenir que 20 % d'oxygène et d'obliger à véhiculer comme ballast dans le système quatre fois plus d'azote que l'oxygène dont on a besoin pour la combustion. En outre, cet air atmosphérique contient de la vapeur d'eau. La chaleur contenue dans les fumées produites par la combustion est partiellement captée dans le foyer par les tubes des écrans et, en aval du foyer, dans des échangeurs dont les fonctions peuvent être diverses : surchauffeurs, resurchauffeurs ou évaporateurs et économiseurs (figure 32).

Dans le cas des centrales thermiques où l'eau d'alimentation est fournie à une température relativement élevée (240 à 270 oC), en raison de l'utilisation des soutirages dont le rôle est d'améliorer le rendement du cycle de la turbine, il devient nécessaire de continuer à abaisser la température des fumées en se servant alors de l'autre source froide disponible que constitue l'air atmosphérique. C'est la justification de l'insertion d'un réchauffeur d'air (RA). L'air chaud sortant du réchauffeur d'air a aussi un effet bénéfique sur la qualité de la combustion, effet dépendant toutefois de la nature du combustible. Il serait inutile de réchauffer l'air pour du gaz naturel ou du fuel oil léger ; il est intéressant de le réchauffer pour un fuel lourd et indispensable de le faire avec du charbon, de la biomasse ou d'autres combustibles solides. Pour du charbon, la température de l'air doit être d'autant plus élevée que le charbon possède moins de matières volatiles. En outre, l'air chaud participe au séchage du charbon associé au broyage (combustion sous forme pulvérisée). Pour la combustion sur grille, la température de l'air doit être inférieure à 150 à 180 oC pour éviter un échauffement excessif des barreaux. Pour de la biomasse ou des déchets, c'est surtout l'humidité du combustible qui détermine la température d'air optimale. Le réchauffage de l'air sert alors à présécher rapidement le combustible dès son introduction...

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BIBLIOGRAPHIE

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

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

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

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

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

  • (6)...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Chaudières. Bilans et dimensionnement.

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

1 Outils logiciels

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

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

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

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

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

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

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

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

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