Notions sur les différentes Chaudières au sol

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1 TECHNIQUES DES INSTALLATIONS SANITAIRES Nom : ET ENERGIES THERMIQUES Chaudières au sol Section énergétique Mr CHENUIL Notions sur les différentes Chaudières au sol On donne : Un dossier ressource définissant : - Les combustibles - Les différentes chaudières - Puissance nominale et rendement des chaudières - Le rendement des chaudières sur PCI ou sur PCS - Les trois générations de chaudières Un document d évaluation formative. On demande : - de compléter le dossier

2 LES COMBUSTIBLES Donner un ou deux exemples de : Combustibles solides : (charbon, bois), Combustibles liquides : (fuel domestique, fuel lourd, GPL), Combustible gazeux : (gaz naturel,). Les GPL (butane et propane) sont des gaz obtenus à partir du pétrole. Dans les chaudières à combustible solide, le bois ou le charbon sera en général enfourné manuellement. Les chaudières gaz et fuels seront équipées d'un brûleur en charge de l'amenée de combustible et éventuellement de l'air nécessaire à la combustion. Les gaz de combustion s'évacueront par le conduit de fumée. LES CHAUDIERES EN FONTE ET LES CHAUDIERES EN ACIER La fonte est plus lourde et plus cassante que l'acier. Par contre, elle résiste bien à la corrosion. Les chaudières en fonte contiennent en général beaucoup d'eau et leur inertie convient bien aux combustibles solides dont l'approvisionnement est difficile à réguler. L'échangeur est constitué d'éléments assemblés. Elles peuvent donc, lorsque nécessaire, être rentrées par élément dans la chaufferie et montées sur place. 2

3 Les chaudières en acier sont plus légères, plus compactes et donc plus faciles à installer que les chaudières en fonte. Plus sensibles à la corrosion, la qualité et la température de l'eau d'irrigation devront être bien maîtrisées. LES CHAUDIERES À BRULEUR ATMOSPHERIQUE ET À BRULEUR AIR SOUFFLE Les brûleurs atmosphériques n'existent que pour les combustibles gazeux. Ils assurent l'entrée du gaz dans le foyer de la chaudière où il brûlera au contact de l'air ambiant. L évacuation des gaz se fait par tirage naturel Le brûleur air soufflé assure l'entrée du mélange combustible (gaz ou fuel) et l'air pulsé par un ventilateur, dans le foyer de la chaudière pour en assurer la combustion. Brûleur à air soufflé Les petites chaudières murales prévues pour être installées dans les appartements sont en majorité à brûleur atmosphérique. Les chaudières à brûleur atmosphérique ont un rendement plus faible que celles équipées d'un brûleur air soufflé, car il est impossible de régler finement le débit d'air de combustion. Les chaudières équipées d'un brûleur air soufflé (au gaz ou au fuel) dit à foyer pressurisé sont plus compactes, et ont un meilleur rendement que les chaudières atmosphériques. Elles doivent être réglées avec soin. 3

4 PUISSANCE NOMINALE ET RENDEMENT DES CHAUDIERES Cette chaudière fournit 100 kw à l'eau de chauffage. C'est sa puissance nominale (dit puissance utile), est la puissance indiquée par le fabricant. En fait, pour fournir 100 kw, la chaudière a dû recevoir 108 kw, car elle a des pertes : Par ses parois (1 kw) Par son conduit de fumées (7 kw) sous forme de fumée chaude. La puissance nominale d'une chaudière est celle indiquée par le fabricant et qui sera fournie à l'eau de chauffage. Elle est inférieure à celle reçue par la chaudière, amenée par le brûleur. Le rendement de la chaudière est l'indication en %.La lettre utilisée pour l'indiquer est η On utilisera aussi η u pour préciser rendement " utile ". Dans l'exemple ci-dessus, la puissance calorifique (chaleur) apportée par la combustion est de 108 [kw] et la puissance calorifique transmise à l'eau de 100 kw. Le rendement de la chaudière sera de : 4

5 Etude de cas : Quelle est la puissance perdue par les parois de la chaudière définie ci-dessous en [kw]? Quel est le rendement de la chaudière? Réponse : Réponses : 3 [kw], 92 % Explication : - La puissance perdue par les parois de la chaudière sera de : Pertes parois = ( ) = 3 [kw] - Le rendement de la chaudière sera de : η u= (250 / 272) x 100 = 92 % Déterminez le rendement de la chaudière ci-dessous. Réponse : Réponse : 92,6 % Explication : On détermine la puissance reçue par la chaudière Pr. = = 1350 kw Il en résulte un rendement de chaudière de : ηu = (1250 / 1350) x 100 = 92,6 % 5

6 LE RENDEMENT DES CHAUDIERES SUR PCI OU SUR PCS Le PCI est le Pouvoir Calorifique Inférieur du combustible. Il indique la quantité de chaleur qu'il va libérer lors de la combustion par unité de volume ou de masse. Ainsi, le PCI du gaz naturel est d'environ 10 kwh/m3, celui du fuel domestique de 11,7 kwh/kg, celui du charbon d'environ 6500 kwh/ tonne. On indique les rendements de chaudière sur le PCI. Ceci veut simplement dire que l'on compare les quantités de chaleur " libérées " par le combustible à la quantité de chaleur fournie à l'eau. En réalité, lors de la combustion, il se libère de la chaleur (PCI), mais il y a aussi formation de vapeur d'eau. Cette formation de vapeur demande de l'énergie qui a été libérée lors de la combustion. En règle générale, cette énergie est perdue car la vapeur est évacuée par le conduit de fumée. Le combustible contient donc plus d'énergie que son potentiel calorifique (PCI). On parle de son PCS : Pouvoir Calorifique Supérieur. PCS = Energie Chaleur (PCI) + Energie vapeur En règle générale, les chaudières ne sont capables de transmettre à l'eau qu'une partie de l'énergie chaleur "contenue" dans le combustible. On parle alors d'un rendement sur le PCI. Le rendement des chaudières est indiqué sur le PCI : η PCI Ainsi, la combustion d'un [m3] de gaz naturel fournira en réalité : 10 kwh de chaleur : Le PCI du gaz naturel est de 10 kwh/m3 1 kwh de vapeur : Le PCS du gaz naturel est de 11 kwh/m3 Sur ces 10 kwh de chaleur, une chaudière traditionnelle en transmettra environ 9 kwh à l'eau de chauffage à cause des pertes 1. On dira alors que le η PCI de cette chaudière est de : On aurait pu définir le rendement des chaudières en comparant l'énergie utile récupérée à l'énergie totale " contenue " dans le combustible (chaleur et vapeur). On aurait alors annoncé un rendement calculé sur le PCS, mais ce n'est pas l'usage : 1 Voir schéma Page 7 6

7 Comme nous l'avons déjà indiqué dans le dossier «caractéristiques des gaz», seule une partie de " l'énergie chaleur de combustion " peut être en général récupérée. La vapeur est évacuée par le conduit de fumée. Pour récupérer cette énergie perdue, il faut refroidir la fumée jusqu'à ce que la vapeur qu'elle contient se condense. Elle restituera alors l'énergie qui avait été nécessaire à sa formation. Mais, les condensas formés sont très corrosifs et au moins une partie de la chaudière et tout le conduit de fumée devra alors être en acier inoxydable, d'où un surcoût non négligeable. Ce type de chaudière est appelé chaudière à condensation. Caractéristique des pertes d une installation de chauffage : LES TROIS GENERATIONS DE CHAUDIERES Les chaudières traditionnelles Ce sont les chaudières les moins chères et les plus courantes. Leur rendement instantané est de l'ordre de 91 à 92 %. Elles exigent une température minimum d'irrigation (de 60 à 65 C) pour éviter tout risque de condensation. Sauf indication du fabricant, elles devront être équipées d'une pompe de recyclage dont le but sera le maintien d'une irrigation minimale et le réchauffage des retours d'eau. 7

8 Les chaudières à haut rendement (dites " basse température ") Elles peuvent fonctionner avec de l'eau moins chaude que les chaudières traditionnelles, sans qu'il s'y produise de condensation. Ce sont des chaudières au gaz ou au fuel. Le rendement instantané est un peu plus élevé que celui d'une chaudière traditionnelle (93 à 95 %). Pour une même puissance fournie, une chaudière à haut rendement consommera moins de combustible qu'une chaudière traditionnelle. Etude de cas : Calculez le rendement de la chaudière à haut rendement définie ci-dessous. Réponse : 94 % Explication : Le rendement de la chaudière sera de : R PCI= ( 100 / 106,3 ) x 100 = 94 % R PCS= 94 x (10/11)=85 % Les chaudières à condensation Leur conception spéciale permet d'obtenir un rendement nettement plus élevé par récupération de l'énergie contenue dans la vapeur d'eau crée lors de la combustion. Ce sont principalement des chaudières au gaz. Il existe des chaudières fuel à condensation, mais l'énergie " vapeur " alors récupérable est plus faible. Elles peuvent atteindre des rendements de 103 à 104% sur le PCI. Pour une même puissance fournie, une chaudière à condensation consommera moins de combustible qu'une chaudière à haut rendement. 8

9 Etude de cas : Calculez le rendement sur PCI de la chaudière à condensation définie ci-dessous. Réponse : 104 [%] Explication : En faisant le rapport des chaleurs sensibles de la puissance nominale et de la puissance reçue,le rendement de la chaudière sera de : η PCI = ( 100 / 96 ) x 100 = 104 [%] Si nous interprétons le graphique suivant, nous obtenons pour une température de retour de 30[ C] le même rendement de 104 [%] η PCS = 104x 0,9= 93,6 % Le rendement des chaudières à condensation variera avec la température de retour à la chaudière. Plus elle sera basse, plus la condensation de la vapeur contenue dans la fumée sera importante et donc meilleur sera le rendement. 9

10 Etude de cas : En utilisant le diagramme ci-dessus, déterminez le rendement de la chaudière à condensation définie ci-dessous. Réponse : La température de retour à la chaudière est de 30 [ C] Pour cette température de retour, le diagramme indique un rendement de ~ 104 % /PCI. 10

11 Evaluation : 1. Une chaudière dite «mixte» est : o Une chaudière qui assure le chauffage et la production d eau chaude sanitaire o Une chaudière qui peut utiliser 2 combustibles différents o Une chaudière qui peut être installée en batterie 2. Une chaudière en fonte de 100 kw est : o Plus puissante qu une chaudière acier de 100 kw o Moins puissante qu une chaudière acier de 100 kw o Aussi puissante qu une chaudière acier de 100 kw 3. Dans les chaudières dites " à foyer pressurisé " : o L air de combustion est introduit dans le foyer par le brûleur o L air de combustion est introduit dans le foyer par le tirage de la cheminée o L air de combustion est introduit dans le foyer par le gicleur 11

12 4. Lorsque la température de retour à la chaudière baisse, le rendement de la chaudière à condensation : o Baisse o Reste stable o Augmente 5. Le rendement sur PCI de cette chaudière peut atteindre : o 95% o 99% o 103% 6. Lors d'une combustion, il y a formation : o D azote o D oxygène o De vapeur 12

13 7. Ces chaudières sont à : o o o tube d eau tubes de fumée tubes de fuel 8. Quelle est la bonne égalité : o PCS = PCI + Energie vapeur o PCI = PCS + Energie vapeur o Energie vapeur = PCS + PCI 9. Les conditions de fonctionnement et de rendement de cette chaudière correspondent à une chaudière de type : o traditionnel o haut rendement, basse température o condensation 13

14 10. Le rendement de cette chaudière correspond à une chaudière de type : o traditionnel o haut rendement o condensation 14