Vapeur et usages directs du gaz naturel

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1 Vapeur et usages directs du gaz naturel C est tout naturel de préférer le gaz naturel.

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3 TABLE DES MATIERES Page AVANT-PROPOS 1 Quelques généralités sur la combustion 2 PREMIERE PARTIE : LA PRODUCTION CENTRALISEE DE CHALEUR 4 1. Principe 4 2. Les fluides vecteurs de vapeur 5 3. La chaudière vapeur 8 4. Le réseau de distribution de vapeur Les rendements La récupération de la chaleur des fumées 18 DEUXIEME PARTIE : LA PRODUCTION DECENTRALISEE DE CHALEUR Principe La production décentralisée de vapeur Le séchage Le chauffage des liquides Le chauffage direct des grands espaces 32 CONCLUSION 41 AIDE MÉMOIRE 42

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5 VAPEUR ET USAGES DIRECTS DU GAZ NATUREL AVANT-PROPOS Toutes les industries consomment de la chaleur à basse température (< 200 C) pour du chauffage d ateliers et de locaux administratifs ou pour du process industriel comme du séchage, du chauffage de liquides, etc. Ces besoins sont dispersés dans l usine tandis que la production de chaleur est traditionnellement localisée dans une chaufferie centrale d où part un fluide «chargé» de chaleur. Ce dernier parcourt un réseau de distribution parfois tentaculaire avant de céder sa chaleur à chacune des utilisations. Une production centralisée de chaleur avec des utilisations dispersées conduit à des pertes de chaleur fatales comme celles : du réseau de distribution par fuites, déperditions thermiques... de la production centralisée qui doit être dimensionnée pour répondre à la demande maximale ; vu que cette dernière ne survient que peu souvent, la chaufferie fonctionne la plupart du temps en deçà de sa capacité et dès lors des écarts importants sont observés entre le rendement de combustion de la chaudière de base et le rendement global de la chaufferie. L emploi généralisé de fuel extra lourd avant l ère du gaz naturel a amené à recourir systématiquement à de la production centralisée de chaleur afin de résoudre les problèmes de stockage et de préchauffage. Le gaz naturel est un combustible facile à distribuer. La chaufferie centrale peut dès lors être remplacée par une production décentralisée de chaleur à proximité des utilisations. Dans ce dernier cas, les pertes de distribution n existent plus et le fluide vecteur de chaleur devient superflu. Cette brochure met en évidence les différences entre ces deux concepts. Toutes les chaufferies centrales ne peuvent pas être remplacées par de la production décentralisée. Chaque cas demande une étude spécifique. Telle est la mission du service industrie de l ARGB qui peut réaliser ces études sur base de mesures en usine afin de conseiller les industriels sur les économies d énergie que procurent les applications spécifiques du gaz. Le concept d Utilisation Rationnelle de l Energie (URE) peut ainsi être mis en pratique. 1

6 QUELQUES GENERALITES SUR LA COMBUSTION Pouvoir calorifique C est la quantité de chaleur libérée par la combustion complète d un combustible. Il se forme à la combustion de la vapeur d eau qui libère de la chaleur lorsqu elle se condense. Le pouvoir calorifique est inférieur (H i ) lorsque cette vapeur reste à l état gazeux dans les fumées. Le pouvoir calorifique est supérieur (H s ) lorsque cette vapeur est totalement condensée dans les fumées. Pour le gaz naturel, H i équivaut à 0,903 H s Combustion stœchiométrique (théorique) C est la combustion complète du combustible sans excès d air. Elle requiert un volume d air minimum et produit un volume de fumées minimum (sans imbrûlés ni oxygène) qui est fonction de ce combustible. Ces deux volumes sont respectivement de ± 0,95 m 3 d air et ± 1,05 m 3 de fumées par kwh (H i ) de combustible, quelle que soit sa nature. Excès d air Facteur d air n Comme le mélange de l air et du combustible dans un brûleur n est jamais parfait, il faut toujours, pour obtenir une combustion complète, un volume d air plus élevé que celui théoriquement nécessaire à la combustion. C est l excès d air défini par le facteur d air n. Facteur d air n = air de combustion utilisé air de combustion théorique Excès d air = n - 1 Point de rosée Température à laquelle débute la condensation de la vapeur d eau dans les fumées. Point de rosée acide : Température à laquelle débute la condensation d acides dans les fumées. 2

7 PROPRIETES DES COMBUSTIBLES GAZ L GAZ H GAZ H Gasoil Fuel 's Gravenvoeren Zeebrugge (1% S) (m 3 ) (m 3 ) (m 3 ) (litre) (kg) Densité par rapport à l air 0,644 0,631 0,621 Masse spécifique (kg/dm 3 ) 0,83 0,97 Pouvoir cal. inférieur (kwh/ ) 9,372 10,380 10,707 8,4 kwh/l 11,1 kwh/kg Pouvoir cal. supérieur (kwh/ ) 10,368 11,482 11,847 Combustion stœchiométrique Air théorique (m 3 / ) 9,07 10,04 10,35 9,5 10,5 Fumées correspondantes (m 3 / ) 10,04 11,02 11,34 10,1 11,2 CO 2 dans les fumées sèches (%) 11,9 12,0 12,0 15,3 16,4 H 2 O dans les fumées (kg/ ) 1,57 1,77 1,77 1,02 0,88 Point de rosée ( C) n = 1,0 59,0 59,0 59,0 n = 1,1 57,2 57,3 57,4 Point de rosée acide ( C) N.B : valeurs moyennes de 1999 pour le gaz naturel. m 3 dans les conditions normales (0 C et 1013 mbar). air de combustion à 20 C et 50 % d humidité relative. 3

8 PREMIERE PARTIE LA PRODUCTION CENTRALISEE DE CHALEUR «EN CHAUFFERIE» 1. PRINCIPE Les principes généraux d une production centralisée de chaleur sont : le chauffage d un fluide thermique (vapeur, eau surchauffée, huile thermique) à la température souhaitée dans une chaufferie, le transport de ce fluide par un réseau 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. Fig. 1: Production centralisée de chaleur Qg : Chaleur du combustible Q : Chaleur utile 4

9 2. LES FLUIDES VECTEURS DE VAPEUR 2.1. L eau et les huiles thermiques L eau convient pour les applications à basse température (<100 C), donc pour du chauffage central ; mais, en la surpressant à 10 bar, il est possible d atteindre des températures de 180 C et de l utiliser en process industriel. Les huiles thermiques permettent des températures plus élevées ( C) avec distribution à basse pression (2 bar) La vapeur Vapeur saturée ou surchauffée? Le coefficient de transfert de chaleur de la vapeur saturée en phase de condensation est très élevé (10 à 100 kw/m 2 C). Celui de la vapeur sèche surchauffée est très inférieur ; ceux de l eau et des huiles thermiques sont encore plus faibles. Le meilleur transfert de chaleur est donc obtenu avec de la vapeur saturée. Par ailleurs, l échange thermique de la vapeur saturée s opère à température constante ; c est un atout pour la régulation des process industriels. Ces deux propriétés justifient à elles seules l emploi de la vapeur saturée comme vecteur thermique pour le chauffage de process industriels. La vapeur surchauffée haute pression convient pour les turbines à vapeur Propriétés thermodynamiques de la vapeur saturée La pression et la température de la vapeur saturée sont liées. Le réglage de température de la vapeur saturée peut s effectuer dès lors en agissant sur la pression. L énergie ou enthalpie de cette vapeur comporte deux parties : la chaleur sensible pour porter l eau à la température d ébullition : 1,163 kwh/t C x température d ébullition. la chaleur de vaporisation pour passer sans changement de température de l état liquide à l état gazeux (vapeur saturée). 5

10 PROPRIÉTÉS THERMODYNAMIQUES DE LA VAPEUR SATURÉE Pression Température Chaleur sensible Chaleur de Chaleur totale absolue d'ébullition phase liquide vaporisation vapeur saturée (bars) ( C) (kwh/t) (kwh/t) (kwh/t) 1, , ,0 120, ,0 151, ,0 179, ,0 198, ,0 212, ,0 223, ,0 233, On observe que : la température de la vapeur saturée augmente avec la pression ; la chaleur totale de la vapeur varie peu en fonction de sa température (et donc de la pression) ; la chaleur de vaporisation diminue lorsque la température augmente. Vu que seule la chaleur de vaporisation est cédée à l utilisation lorsque la vapeur se condense, il y a intérêt à fonctionner à la température la plus basse compatible avec l utilisation car les pertes sont plus faibles (vapeur de revaporisation et pertes de distribution voir plus loin) Détente de la vapeur La température de la vapeur saturée peut être abaissée par simple détente dans un régulateur de pression. Le réglage de température par détente ne coûte rien énergétiquement et la vapeur est légèrement surchauffée après détente. 6

11 2.2.4 Vapeur de revaporisation La détente du condensat (phase liquide) dans le purgeur d une utilisation de vapeur, provoque un refroidissement de la phase liquide et en même temps la production de vapeur de revaporisation. Prenons un exemple simple: la chaleur sensible du condensat à 10 bar abs C est de 212 kwh/t; après le purgeur, le condensat à la pression de 1,22 bar abs se refroidit à 105 C et libère simultanément de la vapeur de revaporisation à 105 C. La chaleur sensible du condensat à 105 C n est plus que 122 kwh/t; la différence de chaleur sensible du condensat avant et après purgeur, qui s élève à 90 kwh/t est convertie en vapeur de revaporisation, soit 14,4 % du condensat dans cet exemple (90/624); la figure 2 schématise la formation de vapeur de revaporisation à la sortie des purgeurs de deux utilisations, l une à 10 bar abs. et l autre à 5 bar abs. Fig. 2: Condensat Vapeur de revaporisation 7

12 3. LA CHAUDIERE VAPEUR Les caractéristiques principales d une chaudière sont: la puissance exprimée en t/h de vapeur ou parfois en m 2 de surface de chauffe. 1t/h de vapeur nécessite environ 30 m 2 de surface de chauffe et une puissance utile thermique de 0,65 MW. La consommation spécifique correspondante de gaz naturel est d environ 0,84 MWh/h (H s ) de gaz naturel ou 3 GJ/h(H s ). le timbre : pression maximale de vapeur admissible en exploitation. Les chaudières vapeur sont classées en deux catégories : Les chaudières à tubes de fumées dans lesquelles les gaz brûlés parcourent des tubes noyés dans l eau. Leur puissance s échelonne de 1,5 à 25 t/h de vapeur. Fig. 3: Chaudière vapeur à tubes de fumée 8

13 Les chaudières à tubes d eau dans lesquelles l eau de la chaudière circule dans des tubes chauffés par les fumées qui les enveloppent. Elles existent aussi bien en grande puissance (20 à 150 t/h de vapeur) qu à faible puissance (0,1 à 10 t/h de vapeur). Elles portent alors le nom de générateurs de vapeur. Les chaudières à tubes de fumées ont un grand volume d eau ; elles prennent beaucoup de place et ont une grande inertie avant de réagir. Elles disposent ainsi de réserve pour faire face aux pointes de consommation. Les générateurs de vapeur ont un petit volume d eau; ils sont par conséquent compacts et ont peu d inertie. Ils sont en mesure de s adapter rapidement à tout changement de régime de production. Enfin, l échange de chaleur est de type «contre-courant» dans les générateurs de vapeur, ce qui est favorable au rendement. La mise en parallèle de générateurs de vapeur avec des chaudières classiques est vivement déconseillée. Fig. 4: Générateur de vapeur 9

14 4. LE RESEAU DE DISTRIBUTION DE VAPEUR Un réseau type de distribution de vapeur comporte : des utilisations de vapeur avec ou sans retour de condensat. une unité de traitement d eau d appoint qui élimine les substances minérales entartrant les conduites et les générateurs ; l eau d appoint compense les sorties d eau ou de vapeur du système, c.-à-d. les condensats qui ne reviennent pas en chaufferie, les purges des chaudières, les fuites et le panache. une bâche alimentaire qui collecte les retours de condensat et l eau d appoint. Il est préférable de la maintenir en dessous de 90 C pour obtenir un bon dégazage. un dégazeur qui élimine de l eau d alimentation de chaudière des gaz dissous comme le CO 2 et l O 2, cause de corrosions ; ce dégazage se fait en général à 105 C sous une légère surpression de 0,2 bar par injection de vapeur. Fig. 5: Schéma type d un réseau de distribution de vapeur CHAUFFERIE PANACHE (VAPEUR REVAP.) CO 2 + O 2 DEGAZEUR EAU D ALIMENTATION TRAITEMENT EAU D APPOINT CONDENSATS + VAPEUR REVAP. BACHE ALIMENTAIRE UTILISATIONS AVEC RET. EAU D APPOINT CONDENSATS UTILISATIONS SANS RET. CONDENSATS 10

15 5. RENDEMENTS Un système centralisé comporte trois phases successives ayant chacune son propre rendement : la production de vapeur en chaufferie, sa distribution et les utilisations. Fig. 6: Rendement global d un système centralisé de production de vapeur Le rendement global s exprime comme suit : η = chaleur utile pour l utilisation chaleur du combustible = Q Q g 11

16 5.1. Rendement de la production de vapeur en chaufferie η c = chaleur nette sortie chaufferie chaleur du combustible = Q 1 Q g Description et fonctionnement d une chaufferie Une chaufferie comporte habituellement plusieurs chaudières. Une ou plusieurs sont en base et les autres en stand by (sous pression et à température), prêtes à démarrer en cas de besoin supplémentaire de vapeur ou de défaillance d une chaudière de base. Les chaudières en stand by consomment du gaz pour compenser leurs propres pertes à l arrêt. D autres chaudières peuvent, le cas échéant, être en réserve hors circuit vapeur et ne consomment donc pas de gaz. La détermination du rendement d une chaufferie nécessite plusieurs mesures: apport de combustible, débits et températures de la vapeur produite et de l eau d alimentation, débit de vapeur consommée dans le dégazeur Ces mesures doivent être effectuées sur une période suffisamment longue pour prendre en compte l influence des pannes, des nuits, des week-ends, des changements de rythme de production afin d évaluer le mieux possible le rendement annuel de la chaufferie. Le service industrie de l ARGB dispose de l appareillage pour effectuer de telles mesures dans des chaufferies sur de longues périodes. Des écarts de plus de 10 % entre le rendement de combustion d une chaudière et le rendement total de la chaufferie sont observés fréquemment Le rendement de combustion d une chaudière Les fumées, source importante de perte, emportent environ 10 % de la chaleur du combustible à la cheminée lors d une combustion complète. Cette perte due aux fumées (Q f ) dépend du type de combustible, de l excès d air de combustion (mesuré par la teneur en oxygène des fumées sèches) et de la différence de température fumées/air de combustion (T f - T a ). Elle s exprime comme suit en pourcentage de la chaleur du gaz naturel : ( Q f 68 T = + 0,87 f - T a Q g 21 - % O 2 sec 100 ( ( ( Le rendement de combustion est : η f = Q f Q g 12

17 Comment améliorer ce rendement? Par une combustion complète sans produire d imbrûlés. Un défaut d air de combustion (n<1) ainsi qu un mauvais mélange air/combustible entraînent une combustion incomplète avec des imbrûlés sous forme de CO et d H 2 qui emportent leur chaleur de combustion non valorisée à la cheminée. Avec un excès d air minimum. Il faut veiller à ce que l excès d air soit aussi faible que possible tout en évitant des imbrûlés. En pratique, la combustion nécessite toujours un excès d air parce que le mélange air/combustible n est jamais parfait. L excès d air en définitive dépend beaucoup de la qualité du brûleur. Un excès d air trop élevé implique évidemment une combustion complète en toutes circonstances mais aussi trop de fumées qui emportent inutilement de la chaleur à la cheminée. Le contrôle permanent de l excès d air peut se faire en continu par la mesure de l O 2 dans les fumées avec correction automatique du rapport air/gaz (sonde à oxygène p. ex.). Abaisser la teneur en O 2 de 1% dans les fumées revient à améliorer le rendement de combustion de un demi-point. Des rendements de combustion de 92 % s obtiennent facilement avec des brûleurs gaz modernes bien réglés. Avec une température des fumées aussi basse que possible. (cf chapitre 6 : Récupération de la chaleur des fumées). Fig. 7: Rendement de combustion 13

18 Autres pertes en chaufferie Les déperditions par convection et par rayonnement des parois des générateurs : elles sont fonction de la température et de la surface des chaudières. Ces pertes sont constantes, quelle que soit la charge des chaudières. Elles sont comprises habituellement entre 0,5 et 2 % de la puissance nominale de la chaudière. Ces pertes ne se limitent pas aux chaudières. Tout récipient installé en chaufferie présente des pertes de même nature. Les pertes internes dues à l aspiration naturelle d air froid à travers la chaudière lorsque le brûleur est à l arrêt. Ces pertes sont plus importantes avec un brûleur «tout ou rien» qu avec un brûleur «modulant». Il faut observer que les constructeurs équipent actuellement systématiquement les brûleurs de clapets d air sur les ventilateurs pour limiter ces pertes. Les purges des chaudières nécessaires pour abaisser la concentration en sel de l eau de chaudière (en moyenne 0,2% de la puissance nominale). L ARGB a déjà mesuré les consommations de gaz de générateurs en «stand by» c.-à-d. leurs pertes à l arrêt. Ces dernières, comprises entre 1,5 et 3 % de la puissance nominale de la chaudière, sont surtout importantes en cas de surdimensionnement. Les graphiques ci-après donnent le rendement d une chaudière en fonction de sa charge thermique avec brûleurs «tout ou rien» et «modulant». Fig. 8.1: Rendement d une chaudière avec un brûleur tout ou rien 14

19 Fig. 8.2: Rendement d une chaudiere avec un brûleur modulant (20-100%) 15

20 5.2. Le rendement du circuit de distribution η d = chaleur nette disponible pour l'utilisation Q 2 = chaleur nette sortie chaufferie Q Les pertes thermiques des réseaux de distribution Elles dépendent de la température de la vapeur, de la longueur du réseau et de la qualité de son isolation. Déperditions par parois des canalisations en W/m courant (ambiance de 20 C) Tuyau nu Tuyau revêtu Tuyau revêtu Diamètre de 20 mm d'isolant de 60 mm d'isolant canalisation ( λ = 0,045 W/m C) ( λ = 0,045 W/m C) 100 C 200 C 100 C 200 C 100 C 200 C 2" " " " Dans les estimations des déperditions thermiques, il y a lieu de tenir compte des multiples accessoires des circuits de distribution de vapeur tels que les vannes, les purgeurs, les brides, les supports, etc. qui sont difficiles à isoler. Une vanne non isolée présente autant de déperditions thermiques qu une dizaine de mètres de tuyau calorifugé. A ces déperditions s ajoutent encore toutes les fuites de vapeur et de condensat. Un bon réseau de distribution perd néanmoins 0,2 à 0,4 % de la puissance de la chaufferie par 100 m de canalisation Vapeur de revaporisation Au point 2.2.4, la formation de vapeur de revaporisation a déjà été expliquée ; elle se produit après le purgeur et dans le réseau de retour de condensats. La vapeur de revaporisation n est que rarement récupérée dans un flashtank. Elle se condense dès lors dans les circuits de retour de condensats mal isolés. Le solde éventuel s échappe par le dégazeur sauf si de l eau d appoint en suffisance achève sa condensation ; dans ce cas, elle est partiellement valorisée pour chauffer l eau d appoint. 16

21 5.3. Le rendement de l utilisation C est le rapport entre la chaleur Q utile à l utilisation et celle Q 2 cédée à cette même utilisation. chaleur utile pour l utilisation Q η u = = chaleur nette disponible pour l utilisation Q 2 Ce rendement varie en fonction du type d utilisation et de la régulation. La chaleur doit être cédée non seulement à l utilisation mais aussi au moment où le besoin se fait sentir. Les éléments suivants perturbent le réglage des installations: l inertie thermique des échangeurs de chaleur; des vannes de vapeur non étanches; le mauvais fonctionnement des purgeurs (vapeur dans le réseau de condensats); des échangeurs de chaleur trop volumineux dans les procédés discontinus; le manque de précision du réglage Le rendement global η = η c η d η u Il y a donc cascade des rendements. La tendance est fréquente d assimiler à tort le rendement global du système au seul rendement de la chaufferie, voire même au rendement de combustion de la meilleure chaudière, celle qui est en base. Dans un cas favorable comme : η c = 0,92 ; η d = 0,91 et η u = 0,95, on obtient un rendement global de 0,80, ce qui est exceptionnellement bon. Il n est pas rare de rencontrer des rendements globaux de 0,5 à 0,6 lorsque l utilisation est essentiellement du chauffage de grands espaces. 17

22 6. LA RECUPERATION DE CHALEUR DES FUMEES La chaleur des fumées constitue la perte thermique prépondérante d une chaudière. Il est dès lors normal de la récupérer autant que possible. Fig. 9: Rendement de combustion et température des fumées (10% d excès d air, air de combustion 20 C) f On constate que le rendement de combustion η f augmente linéairement lorsque la température des fumées (T f ) diminue et ce jusqu à ± 57,5 C. En fait, seule la chaleur sensible des fumées est récupérée. Par contre, ce rendement croît beaucoup plus rapidement lorsque la température des fumées T f passe sous la barre du point de rosée de 57,5 C. La chaleur latente de condensation de la vapeur d eau produite lors de la combustion commence à être récupérée en plus de la chaleur sensible. La récupération de la chaleur des fumées avec condensation conduit à des rendements η f supérieurs à 1. Cette «anomalie» n est qu apparente vu que le pouvoir calorifique inférieur du combustible (H i ) est pris en considération pour déterminer la chaleur du combustible amené au brûleur Q g et non le pouvoir calorifique supérieur (H s ). La différence H s H i n est autre que la chaleur de condensation de toute la vapeur d eau des fumées. 18

23 6.1. Comment récupérer la chaleur des fumées? Il existe deux types de récupérateurs : Les récupérateurs/condenseurs de fumées : ce sont des appareils en acier inoxydable avec suffisamment de surface d échange, capables de condenser la vapeur d eau des fumées à condition que la température d entrée du fluide à préchauffer soit inférieure à 50 C. Les économiseurs et les préchauffeurs d air de combustion : ce sont des appareils à surface d échange plus réduite, et dont la température d entrée du fluide à préchauffer est supérieure à 60 C afin qu il n y ait pas de condensation Que faire de la chaleur récupérée? Cette chaleur est utilisée de manière optimale lorsqu elle est réintroduite dans le process. Le synchronisme est alors parfait entre récupération et utilisation. Le préchauffage de l eau d alimentation et de l eau d appoint des chaudières ainsi que de l air de combustion convient parfaitement. La préparation d eau chaude sanitaire est une autre possibilité. Fig. 10: Chaufferie vapeur avec économiseur et condenseur Retour condensats 90 C GAZ 54 á 50 C 19

24 6.3. Le préchauffage de l eau d alimentation et de l eau d appoint L eau d alimentation de la chaudière dégazée à 105 C peut être préchauffée de 25 C environ par les fumées dans un économiseur. Cette récupération de 4,3 % dans cet exemple est envisageable quelle que soit la quantité d eau d appoint. Fig. 11: Récupération de chaleur des fumées (économiseur et condenseur) Le préchauffage de l eau froide d appoint peut s effectuer dans un échangeur/condenseur placé en aval de l économiseur. Il économise de la vapeur du dégazeur, donc du combustible, et procure ainsi une économie de 5,5 à 7,6 % dans cet exemple. Cet échangeur/condenseur en acier inoxydable n est justifié que si l apport d eau d appoint est suffisant. L économie peut même atteindre 10% si l échangeur/condenseur est placé sur la chaudière de base d une importante chaufferie. Dans ce cas, l investissement peut être très rapidement récupéré. 20

25 6.4. Le préchauffage de l air de combustion L air de combustion peut être préchauffé de 20 à 170 C dans un récupérateur de type «sec». Des condensations peuvent se produire dans le circuit des fumées. Le récupérateur doit résister à ces condensations éventuelles et les brûleurs doivent être conçus pour de l air préchauffé. L économie d énergie possible est de 6 %. Cette récupération peut s envisager sur des chaudières avec 100 % de retour de condensats et des températures élevées de fumées. CONCLUSION : Les possibilités de compenser les pertes inhérentes aux systèmes centralisés de production de vapeur sont limitées. Progresser en Utilisation Rationnelle de l Energie implique qu une voie différente soit prise, celle décrite dans la deuxième partie de cette brochure. 21

26 DEUXIEME PARTIE LA PRODUCTION DECENTRALISEE DE CHALEUR «A PROXIMITE OU AU CŒUR DU PROCESS» 7. PRINCIPE Dans la première partie nous avons vu que la production centralisée de chaleur destinée à des utilisations dispersées comporte des pertes inéluctables qui limitent le rendement global. Certes, des techniques de récupération peuvent être mises en œuvre pour réduire ces pertes, mais le concept de production centralisée n amène pas des résultats exceptionnels. Les figures ci-après indiquent qu elles se produisent à tous les niveaux : la production de vapeur, la distribution et les utilisations. Fig. 12: Production centralisée de vapeur au gaz 22

27 Dés lors, améliorer les performances de façon substantielle implique l abandon de ce concept de chaufferie centralisée et la mise en oeuvre de techniques permettant de décentraliser la production de chaleur. Dans ce cas, la production de vapeur réalisée avec de petits générateurs de vapeur qui sont à proximité de l utilisation et bien dimensionnés constitue une première mesure; elle présente des pertes moindres. Les pertes de distribution sont réduites par rapport à un système classique. Fig. 13: Production performante de vapeur au gaz naturel 23

28 Si la vapeur n est pas nécessaire, on peut chauffer l utilisation sans fluide thermique par échange de chaleur avec les fumées. Les pertes de distribution disparaissent alors totalement. Fig. 14: Chauffage direct au gaz avec échangeur Si la technologie le permet, il est même possible de produire la chaleur au cœur de l utilisation sans échangeur en mélangeant les fumées du gaz avec les produits à chauffer. Toute la chaleur du gaz est alors disponible pour l utilisation car tant les pertes de production que celles de distribution disparaissent. Fig. 15: Chauffage direct au gaz sans échangeur A l examen de ces diagrammes, il apparaît que la production décentralisée de chaleur offre des possibilités d économie d énergie substantielles. Le gaz naturel permet de mettre en valeur les techniques éprouvées basées sur ce concept. 24

29 8. LA PRODUCTION DÉCENTRALISÉE DE VAPEUR Des petits générateurs à production instantanée de vapeur au gaz et à faible volume d eau, existent sur le marché pour des capacités comprises entre 75 kg/h et kg/h et des pressions jusqu à 50 bars. La décentralisation 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 générateur peut être dimensionné avec précision et ne fonctionne que quand il y a une demande de vapeur. une grande souplesse de fonctionnement (démarrage rapide ). la possibilité d ajouter des capacités additionnelles de production de vapeur au fur et à mesure des extensions. la possibilité de déplacer, sans frais excessifs, les générateurs. 9. LE SECHAGE 9.1. Généralités Le séchage consiste à éliminer un liquide par évaporation d une matière solide en 3 phases : préchauffage de la matière humide par l air de séchage pour que son humidité migre vers la périphérie, évaporation de l humidité superficielle de la matière à sécher et transfert de celle-ci à l air de séchage, évacuation de l air humide de séchage du séchoir et de la matière séchée. La température et le débit d air de séchage doivent être suffisants pour que se produise simultanément le préchauffage de la matière à sécher, l évaporation de son humidité avec son transfert dans l air de séchage et l évacuation de ce dernier. Le rendement de cette application se définit comme suit : η u = quantité d'eau évaporée x chaleur de vaporisation débit d'air x enthalpie de l'air à l'entrée du séchoir Les pertes en séchage sont : la chaleur sensible de l air humide de séchage à la sortie du séchoir, la chaleur sensible de la matière sèche, les déperditions thermiques par parois du séchoir. Des rendements de 50 % en séchage sont habituels avec de l air à 150 C. 25

30 9.2. Le séchage indirect (surtout à la vapeur) Le séchage indirect n est utilisé que lorsque les matières à sécher ne peuvent pas être mises en contact avec les fumées du gaz. L emploi de la vapeur présente comme inconvénient une température limitée de l air de séchage et des pertes liées à la production. L huile thermique est très dangereuse en cas de fuite (risque d incendie et de contamination des matières à sécher) ; elle n est quasi plus utilisée. Les générateurs d air chaud au gaz sont plus rentables ; ils permettent d éviter les pertes de distribution et celles dues au surdimensionnement éventuel de la chaudière. Fig. 16: Le séchage indirect VAPEUR GENERATEUR D AIR CHAUD 26

31 9.3. Le séchage direct (la solution de prédilection avec le gaz naturel) L air de séchage est préchauffé par mélange avec les fumées du gaz naturel. Cette technique offre les avantages suivants : les pertes de production et de distribution de vapeur sont éliminées, toute la chaleur du gaz est cédée à l air de séchage, soit un gain de rendement de 40 % par rapport au séchage indirect à la vapeur, accroissement de la productivité, car la température d air de séchage peut ètre plus élevée qu avec la vapeur. Une autre technique de séchage direct au gaz fréquemment utilisée est le séchage infrarouge par panneaux radiants. Le rayonnement émis par ces panneaux est absorbé par la couche superficielle de la matière à sécher et pénètre même en profondeur sur quelques millimètres. Cette technique s emploie pour le séchage de couches minces comme du papier, de la peinture, du vernis, etc. Le séchage direct au gaz s est généralisé dans tous les secteurs grâce aux développements d équipements adaptés à chaque application par les constructeurs : l industrie agricole et alimentaire : grains, soja, malt, aliments pour bétail et produits de la pomme de terre, l industrie textile : rames de thermofixation, séchoirs à tambour, de linge et infrarouge, les matériaux de constructions, les fours de briqueterie et de céramique : séchage de sable, de chaux, séchoir rotatif, tunnels et chambres de séchage, l industrie chimique : Fig. 16 bis: Le séchage direct séchage de peinture de phosphate, l industrie automobile : traitement de surface et MAKE-UP AIR ligne de peinture, l industrie du papier : séchoirs infrarouge, et beaucoup d autres applications. 27

32 10. LE CHAUFFAGE DES LIQUIDES Le chauffage à la vapeur des liquides Le chauffage indirect des bains à la vapeur connaît les mêmes pertes systématiques d énergie que le séchage indirect à la vapeur c.-à-d. les pertes de production et de distribution de vapeur. La technique d injection directe de vapeur dans les bains est cependant fréquemment utilisée en industrie surtout là où il n y a pas de place pour un échangeur de chaleur et où le chauffage du liquide doit être rapide. Elle permet d obtenir un bon rendement d utilisation puisque toute la chaleur de la vapeur se retrouve dans l eau. Mais, les pertes de production et de distribution de vapeur subsistent. Fig. 17: Chauffage des liquides à la vapeur PAR SERPENTIN vapeur Retour condensats + vapeur de revaporisation PURGEUR PAR INJECTION DIRECTE DE VAPEUR vapeur 28

33 10.2. Les techniques de chauffage au gaz des liquides La combustion submergée Avec le gaz naturel, on peut recourir à la combustion submergée où les fumées barbotent dans un bain. La surface d échange entre les deux fluides est considérable, même pour une hauteur de barbotage relativement faible (500 à 600 mm). Un mètre cube de fumées dispersées sous forme de bulles de 6 mm de diamètre procure en effet une surface d échange de m 2. Après barbotage, les produits de combustion s échappent en surface à la température du bain saturés en humidité. Fig. 18: Combustion submergée Si la température du bain est équivalente au point de rosée (57,5 C), toute la vapeur d eau formée par la combustion du gaz s échappe et le rendement de combustion est de 98 %. Si la température du bain est inférieure au point de rosée (57,5 C), une fraction de la vapeur d eau formée à la combustion se condense. Le rendement de combustion est alors supérieur à l unité et le bain se dilue. Inversement au-dessus du point de rosée, l eau du bain s évapore jusqu à saturation des fumées provoquant de ce fait une concentration du bain. Ce phénomène est négligeable entre 60 et 70 C ; à partir de 70 C, il devient plus important. Cette technique n est dès lors pas recommandée pour chauffer des bains au-dessus de 70 C. Le bain s acidifie légèrement par contact avec le CO 2 des fumées, acidification qu il est facile de neutraliser. Quand le liquide doit être maintenu constamment à une température élevée, le chauffage direct n est pas indiqué; par contre, s il faut évaporer une partie du bain, cette solution est excellente. 29

34 Le tube immergé compact Ce brûleur permet de chauffer un bain au-dessus de 70 C sans l évaporer. Le liquide est chauffé par échange thermique avec un serpentin immergé parcouru par les fumées du gaz. Les puissances thermiques peuvent atteindre 50 à 80 kw par m 2 de surface de serpentin pour autant que le brûleur soit de type air pulsé à haute vitesse. Des rendements de 90 % sont ainsi obtenus. Température maximum de bain de 95 C. Fig. 19: Tube immergé compact 30

35 La chaudière eau chaude Le liquide est chauffé en dehors du bain dans un générateur spécifique. Il parcourt, en fait, une boucle et passe dans un «chauffe-liquide». Les pertes de production de chaleur subsistent mais sont limitées parce que ce chauffe-liquide est bien adapté aux besoins. Comme les bains industriels sont d habitude corrosifs, ces chauffe-liquide doivent être plus résistants qu une chaudière traditionnelle de chauffage central. Fig. 20: Chauffe-liquide 31

36 11. LE CHAUFFAGE DIRECT DES GRANDS ESPACES Généralités La consommation d énergie pour le chauffage des grands espaces est importante et varie durant la journée et suivant les saisons. Les ateliers de production, les locaux sociaux et même les bureaux sont souvent chauffés par de la vapeur basse pression provenant de la chaufferie centrale. La chaufferie produit par priorité de la vapeur pour le process. Par facilité, le chauffage à la vapeur d ateliers et d autres locaux est frequemment ajouté puisque la vapeur est tout de même disponible. Mais : comment préserver les espaces du gel quand il n y a plus de production? dimensionner la chaufferie sur la pointe du lundi matin, par moins 7 C par exemple, entraîne toute l année des pertes de rendement due à une chaudière surdimensionnée, 4 à 5 heures peuvent s écouler entre le redémarrage de la chaufferie et la mise en température de l atelier, la longueur des réseaux de distribution est souvent à multiplier par 3 vu qu il faut raccorder tous les appareils de chauffage. Le chauffage direct au gaz peut économiser 50 % d énergie sans réduction de confort. Fig. 21: Chauffage des grands espaces (centralisé direct) 32

37 Etude préalable Le chauffage direct au gaz nécessite cependant une étude préalable pour déterminer les besoins thermiques des espaces à chauffer. Une multitude de facteurs entrent en ligne de compte : les températures de confort à adopter, l implantation, les dimensions (la hauteur en particulier), l isolation du bâtiment, la durée d occupation, la nature des activités qui y sont exercées, les zones réservées à du personnel, les exigences de ventilation (renouvellement d air). Ce dernier facteur est très important et représente 30 à 50 % des pertes thermiques Convection et rayonnement Il existe deux modes de chauffage : la convection et le rayonnement. Avec le chauffage par convection, la totalité de l air ambiant est chauffé. Tout est amené à la température ambiante. Dans des locaux à grande hauteur, l air chaud s accumule sous la toiture. Les pertes de chaleur par le toit peuvent être importantes surtout si la toiture est mal isolée, ce qui est bien souvent le cas dans les halls industriels. La consommation d énergie peut alors être très élevée. Le chauffage par rayonnement est par contre localisé. Il permet de chauffer des zones bien délimitées occupées par du personnel ; ce type de chauffage est donc adapté à des bâtiments élevés, mal isolés et peu étanches. Le rayonnement cède sa chaleur sans échauffer l air. Le flux thermique est dirigé sur des personnes et des objets, et est donc moins sensible aux pertes de chaleur par renouvellement d air. Le rayonnement procure aux personnes le même confort que le chauffage par convection. L air ambiant, les parois et la toiture sont par contre maintenus à une température plus basse. Cela réduit la consommation et permet d atteindre plus rapidement la température de confort. Ces deux modes de chauffage sont effectivement aux antipodes l un de l autre, global en convection et dirigé en rayonnement. Pendant longtemps, ils se sont affrontés. La tendance s est inversée aujourd hui dans la recherche de complémentarités par les concepteurs Les appareils de chauffage par convection au gaz Le gaz est brûlé dans l appareil même et les fumées cèdent leur chaleur par un échangeur à l air de chauffage avant d être évacuées par la cheminée. Un gros ventilateur intégré à l appareil souffle l air chaud dans l espace à chauffer. Il existe deux types d équipements: Les aérothermes à gaz sont des appareils de 20 à plus de 100 kw suspendus à bonne hauteur et bien répartis dans l espace à chauffer afin d obtenir un confort optimal. Le rendement de combustion d un tel appareil est de 0,86 sur une base annuelle. Une évolution récente amène à remplacer l ancienne version «ouverte» par le modèle «étanche», plus économe en énergie vu que l appareil «ouvert» laisse s échapper à l arrêt vers l extérieur de l air ambiant à 20 C par tirage naturel. Ce tirage ne se produit pas dans les appareils «étanches» avec circuits de combustion sans communication avec l ambiance. Une évolution encore plus récente est l aérotherme «étanche à condensation» présentant des rendements de combustion supérieurs à 1. 33

38 Fig. 22: Aérotherme de 50 kw avec brûleur atmosphérique 6000 m 3 /h 40 à 45 C GAZ = 6 m 3 /h A L ARRET EXTRACTEUR A CONDENSATION 6000 m 3 /h 40 à 45 C GAZ = 6 m 3 /h GAZ = 5 m 3 /h 34

39 Les générateurs d air chaud peuvent atteindre des puissances plus élevées. Ils sont équipés de brûleurs à air pulsé avec clapet d air. Ces appareils sont généralement posés sur le sol. Leurs rendements de combustion sont compris entre 0,89 et 0,92. Il est conseillé de limiter la puissance par appareil à ± 250 kw pour des motifs de confort et d utilisation rationnelle de l énergie Fig. 23: Générateur d air chaud Avec ces appareils à gaz, il n y a pratiquement pas de différence entre le rendement de combustion et le rendement total car les pertes sont minimes. Ce n est pas le cas de ceux alimentés en vapeur, en huile thermique ou en eau chaude Les appareils de chauffage par rayonnement Le tube radiant sombre Cet appareil indépendant comporte un brûleur, un tube radiant en forme de U de 3" ou 4" surmonté d une plaque réflectrice et un ventilateur d extraction. Les fumées du gaz chauffent le tube par l intérieur jusqu à une température moyenne superficielle de 350 C ; le tube reste donc sombre. La plaque réflectrice montée au-dessus du tube limite les «déperditions» du tube par convection. Ces tubes doivent être raccordés à une cheminée. 35

40 Ces tubes conviennent au chauffage d ateliers de 4 à 7 m de hauteur. Fig. 24: Tube radiant sombre Il existe aussi des variantes : des tubes rayonnants à brûleurs répartis, un circuit formé de tubes radiants alimentés par un générateur d air chaud central Le panneau radiant lumineux La surface émettrice de cet appareil est portée au rouge par la combustion en surface du gaz (800 à 950 C). Le mélange air-gaz brûle à la surface d une plaque réfractaire percée de fins trous calibrés. Le rayonnement émis par ces appareils est plus intense que celui des tubes sombres du fait d une température d émetteur nettement plus élevée. Ils doivent être suspendus entre 4 et 9 m. Ils conviennent dès lors au chauffage de locaux de grande hauteur aérés, à toiture mal isolée et peu étanches ainsi qu au chauffage de zones délimitées (postes de travail). Ils sont habituellement de type A (évacuation des fumées dans l ambiance) ou de type B si les risques de condensation de vapeur d eau sous toiture sont réels (ventilation insuffisante). En version standard, la fraction rayonnée représente 50 % de la chaleur du combustible. Les concepteurs de ces appareils s efforcent d utiliser les parois des déflecteurs comme source de rayonnement «sombre» en évacuant les fumées par leur base, de les isoler au-dessus pour limiter leurs déperditions par convection. Ce rayonnement des déflecteurs s additionne à celui de base de l appareil et le rendement de rayonnement passe à 65 %. 36

41 Enfin, dernière trouvaille concernant ces appareils : le préchauffage du mélange air/gaz en logeant le mélangeur du brûleur dans un des déflecteurs. Rendement de rayonnement de cette dernière version : 75 %. Fig. 25: Panneau radiant lumineux VERSION STANDARD η R = 50 % DEFLECTEUR GAZ AIR AIR FUMEES VERSION ISOLEE + RAYONNEMENT SOMBRE η R = 65 % DEFLECTEUR GAZ AIR AIR FUMEES IDEM + PRECHAUFFAGE AIR/GAZ η R = 75 % DEFLECTEUR GAZ AIR AIR FUMEES Ces appareils sont connus du grand public pour le chauffage de terrasses. 37

42 11.4. Ventilation forcée tempérée (make-up air) La ventilation forcée tempérée, appelée aussi make-up air remplit simultanément deux fonctions : la ventilation et la mise à température de l air frais. Ce n est donc pas du chauffage d ateliers, mais on y a recours là où de la ventilation forcée est nécessaire à une activité industrielle (par exemple des ateliers de soudure). Le gaz naturel est brûlé directement dans l air de ventilation de telle sorte que les fumées y sont fortement diluées et que l air frais est chauffé par mélange avec les fumées chaudes. Il n y a donc plus de pertes de production, ni de distribution. Fig. 26: Ventilation forcée tempérée d un atelier Synthèse des avantages du chauffage direct au gaz naturel faible inertie thermique et donc grande souplesse avec passage rapide et sans perte de chaleur d un régime à l autre, possibilité de réglage de température par zone, possibilité d évacuer les fumées à l extérieur, aménagement progressif et modulaire, pas de risque de gel, peu ou pas d encombrement au sol. 38

43 11.6. Synthèse des systèmes de chauffage Le tableau ci-dessous regroupe les systèmes de chauffage appropriés aux différents types de locaux industriels. CONVECTION RAYONNEMENT METHODES DE CHAUFFAGE Aérothermes Aérothermes Make-up air Vapeur ou Rayonnement Rayonnement vapeur gaz gaz eau sombre lumineux surchauffée gaz gaz Fumées dans le local non non oui non non oui Rendement de rayonnement à 60 % 50 à 70 % 50 à 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 à 4,5 m 4 à 11 m 7 m et plus Puissance à installer par unité de surface au sol W/m W/m W/m 2 Puissance à installer par unité de volume 40 W/m 3 30 W/m 3 40 W/m Chauffage localisé de poste de travail non non non non oui conseillé Réglage mauvais bon bon mauvais bon bon 39

44 Rayonnement ou air chaud? En faveur du RAYONNEMENT En faveur du L AIR CHAUD Type de construction Ancienne Moderne Isolation de la toiture Mauvaise Bonne Etanchéité de la toiture Mauvaise Bonne Hauteur du hall > 5,5 m < 7 m Taux de ventilation Elevé Faible Postes de travail Dispersés Uniformément répartis Activité industrielle Lourde Légère Encombrement du hall en hauteur Faible Important Changements de régimes de chauffage Fréquents Peu fréquents Fig. 27: Unites d energie 1 kwh = 3600 kj = 860 kcal 1 GJ = 278 kwh = 0,238 Gcal 1 kcal = 4,187 kj = 0,00116 kwh 40

45 CONCLUSION L emploi de chaleur à basse, haute et très haute température s est généralisé en industrie. Lors du développement de nouveaux produits l attention se porte aujourd hui non seulement sur la satisfaction des attentes du client, mais également sur les aspects énergétiques et environnementaux de la production. Des concepts comme la flexibilité de l appareil de production, la réduction des coûts, les livraisons just in time, l assurance qualité mais aussi le management environnemental, le cycle de vie, l URE suscitent une attention accrue de l ingénieur de process et de nouvelles attentes du dirigeant vis-à-vis de son process. La production décentralisée de chaleur avec du gaz, à proximité ou dans le process même, offre souvent une réponse concrète à toutes ces questions. Les fabricants de brûleurs ont réalisé ces dernières années des innovations technologiques pour améliorer les performances, qui reposent toutes sur les qualités intrinsèques du gaz. Ce dossier technique parcourt les techniques disponibles afin d utiliser le gaz naturel avec le rendement le plus élevé possible par production décentralisée de chaleur. Certaines fabrications utiliseront toujours de la vapeur en raison de leurs propres contraintes. Quoique l emploi d un fluide thermique entraîne systématiquement des pertes additionnelles, le gaz naturel permet de produire cette vapeur dans les meilleures conditions possibles : chaufferie correctement dimensionnée, brûleur modulant à large plage et récupération de chaleur des fumées avec, le cas échéant, condensation de la vapeur d eau. Les aspects opérationnels et de maintenance des chaufferies ont leur importance : réduction du temps de préchauffage, gestion des coûts de surveillance et d entretien et augmentation de la capacité de production. Cette brochure ne traite pas de tous les aspects. Elle se limite à donner dans sa première partie les conditions optimales d une production centralisée de chaleur et dans sa seconde à mettre en évidence les vertus de la décentralisation, du chauffage direct au gaz. Dans la même série ont paru : Le chauffage des grands espaces : rayonnement ou convection? Gaz Naturel : 10 techniques pour 1001 applications. 41

46 AIDE-MEMOIRE Avec le gaz naturel, je dispose d un combustible écologique, qui est également propre à l utilisation je dispose d un rendement total énergétique élevé : Combustion hygiénique stable Brûleurs présentant une large modulation de réglage Régulation parfaite de l air de combustion - Faible excès d air Excellent échange thermique Potentiel élevé de chaleur de récupération et même applications directes Moindre besoin d électricité je n ai aucune inquiétude à avoir sur : Le stockage du combustible L évacuation des résidus de combustion Le nettoyage et l entretien Le préchauffage du combustible et les problèmes de démarrage je dispose d un approvisionnement fiable et d un support technique lors de l utilisation. 42

47 Il existe également un dossier technique sur le même sujet; il peut être obtenu, sur simple demande, auprès de: A.R.G.B. Industrie Rue de Rhode Linkebeek Tel. : 02/ Fax : 02/ argb@argb.be http : // Editeur responsable: Ferdinand de Lichtervelde, ARGB, Rue de Rhode 125, 1630 Linkebeek. 43

48 Editeur responsable: Ferdinand de Lichtervelde, ARGB, Rue de Rhode 125, 1630 Linkebeek. A.R.G.B. Industrie Rue de Rhode 125, 1630 Linkebeek Tél Fax