GENERATEUR DE CHALEUR

 

    1. Les générateurs

Le rôle d’un générateur (chaudière) est de transmettre la chaleur produite par la combustion au fluide caloporteur (eau, vapeur, air, huile thermique…)

Cette transmission, appelée " échange de chaleur " doit se réaliser de la meilleure façon possible afin d’éviter de gaspiller l’énergie fournie par le combustible.

La transmission de chaleur s’effectue de 3 manières :

      1. La chaudière basse température

Généralités

On entend par " chaudière basse température " un générateur de chaleur équipé ou conçu de telle manière que la température du fluide caloporteur contenu ans ce générateur puisse varier sans contraintes entre des températures de ± 40° C ou même très basse température (sans limite) et 75° C.

En pratique la température de l’eau de chauffage ne descendra jamais en dessous de 25 à 30°C, valeur minimum pour qu’un corps de chauffe puisse assurer une réelle production calorifique utile.

Les normes et conventions imposent de dimensionner les installations de chauffage sur base d’un régime 90/70°C ou tout autre régime selon la sélection des radiateurs.

Cela signifie que pour des conditions extérieures extrêmes la température de départ de l’eau de chauffage est de 90°C au départ et 70° C au retour.

La basse température a quelque peu bouleversé ces données en adoptant un régime de 70°C au départ et 60°C au retour.

Cette nouvelle approche du problème résulte de deux observations majeures

Au contraire des anciennes installations en thermosiphon, circulation naturelle, qui requéraient une différence importante de température (20°C) entre départ et retour pour maintenir une bonne circulation de l’eau, les circulateurs modernes permettent d’envisager un D q (différence de température) maximale pratique de 10°C

Le dimensionnement d’une installation de chauffage en 70/60°C permet en réalité d’observer un régime moyen de 55/45°C durant la plus grande partie de la saison de chauffe. Un tel fonctionnement ouvre des perspectives attrayantes :

Par ailleurs, il convient de souligner qu’une chaudière basse température n’exclut pas le fonctionnement à " haute température " c’est-à-dire sur base d’une température de départ de 90 °C. Cet avantage peut s’avérer particulièrement utile lors de périodes anormalement froides (-10 à –20°C)

La chaudière est alors poussée à son plus haut régime (il n’y a aucune incompatibilité au niveau du générateur) ce qui permet d’assurer un confort thermique pour les occupants en toute circonstances.

    1. Description d’une chaudière

      Une chaudière est constituée de 3 parties :

      1. Le foyer ou la chambre de combustion
      2. La flamme sera développée dans celle-ci. Le dimensionnement du foyer est déterminé selon la forme géométrique de la flamme. Il est évident que la flamme ne peut jamais entrer en contact avec les parois d’un foyer (en particulier l’élément arrière) sous peine de provoquer une surchauffe localisée et d’endommager les parois de la chaudière.

        Dans le but d’éviter ce genre d’incident, les chaudières dont la partie arrière n’est pas irriguée sont en général protégées par une protection réfractaire.

        En pratique, la température périphérique de la flamme varie entre 1000 et 1200°C

         

      3. Le circuit du fluide caloporteur
      4. Le but d’une chaudière (échange de chaleur) est de transmettre la chaleur de la combustion au fluide.

        Pour ce faire, le foyer ainsi que le circuit des gaz de combustion est irrigué par le fluide caloporteur qui reçoit la chaleur essentiellement par convection et rayonnement.

      5. Le circuit des gaz de combustion

      Dès que à l’extrémité de la flamme, la réaction de combustion prend fin, il se dégage une quantité importante de gaz de combustion. Ces gaz, dont la température est d’environ 800 à 900°C contiennent encore beaucoup d’énergie.

      Le circuit des gaz de combustion permet l’échange de chaleur de ceux-ci au travers de carneaux ou d’un réseau de tubes contenant le fluide caloporteur avant d’être évacué par le conduit de cheminée

 

    1. Les fluides caloporteurs et la chaudière adéquate

Les fluides caloporteurs les plus connus sont :

      1. Chaudière à eau chaude
      2. L’eau est le fluide le plus utilisé car il présente la particularité de pouvoir transporter le plus de chaleur (chaleur massique élevée : 4,186 kJ/kg°K).

        En général les chaudières à eau chaude sont limitées à des températures d’utilisation de ± 110°C et sont généralement utilisées pour le chauffage d’habitations ou d’immeubles à appartements.

      3. Chaudière à eau surchauffée
      4. L’eau surchauffée est surtout utilisée pour les installations de grande puissance (locaux industriels, …) et pour lesquelles la chaleur doit être véhiculées sur de grandes distances

        La température d’utilisation est généralement comprise entre 110 et 140°C sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique.

      5. Chaudière à vapeur
      6. La vapeur est utilisée pour les applications industrielles.

        Le principe d’une chaudière à vapeur est de vaporiser soit l’eau provenant du retour de l’installation de chauffage à vapeur (condensas) soit de l’eau d’alimentation (eau de distribution)

        En fonction de l’utilisation de la vapeur, celle-ci est amenée à une pression bien déterminée.

        L’eau est amenée dans la chaudière par l’intermédiaire d’une pompe commandée par un système de régulation de contrôle de niveau d’eau. Si le niveau d’eau est trop bas le brûleur est mis à l’arrêt.

        Pour assurer la sécurité de ce genre de chaudière est soumis à des contrôles très stricts qui sont réalisés annuellement par des organismes officiels.

      7. Chaudière à huile thermique
      8. L’huile thermique est surtout utilisée dans l’industrie car elle a comme particularité de pouvoir être chauffé à des températures plus élevée que l’eau (plus de 250 °C) et ce à la pression atmosphérique.

      9. Générateur à air chaud

Le fluide caloporteur utilisé dans ce cas est l’air. La combustion se fait dans un foyer. La flamme ne peut en aucun cas entrer en contact avec le foyer sous peine de le déformer et de le détruire. L’air circule autour du foyer et de l’échangeur (à simple ou double parcours) et est soufflé par l’intermédiaire d’un ventilateur, au travers d’un réseau de gaines vers les locaux à chauffer.

Selon les nécessités, l’air peut être traité en conséquence (humidité, filtration, etc.…)

Comparativement à l’eau, l’air n’a pas la faculté d’emmagasiner beaucoup de chaleur (chaleur massique 0,936kJ/kg°K)

L’avantage de ce fluide caloporteur est de permettre une mise à température rapide des locaux à chauffer.

    1. Conception des chaudières – foyer et carneaux

      Carneau : conduite menant d’un foyer de combustion à une cheminée d’évacuation

      Parmi les divers types de chaudières existantes sur le marcher celles-ci sont construites en fonte, soit en acier ou soit une combinaison fonte / acier

      Selon qu’elle est construite en fonte, la forme du foyer dépendra du nombre d’éléments assemblés en fonction de la puissance calorifique désirée.

      Dans une même gamme de chaudière, le foyer dépendant de la forme de la flamme sera d’autant plus long et étroit que la puissance est élevée. A l’inverse pour une petite puissance, le foyer aura une faible profondeur mais sera large.

      Aujourd’hui les constructeurs de chaudières sont à même de concevoir des foyers de forme adaptée aux besoins des brûleurs modernes.

      On trouve des foyers de forme parallélépipédiques ou cylindriques. Les chaudières récentes ont très souvent un foyer à double ou triple parcours de gaz de combustion. L’utilisation de chaudières à triple parcours devient de plus en plus fréquente dans le but de diminuer au maximum la production d’éléments polluants tels que les oxydes d’azote (Nox) causée principalement par des températures de flamme trop élevées.

    1. L’aménagement en réfractaire du foyer
      1. But
      2. L’aménagement réfractaire du foyer a comme but initial :

        De garantir une enveloppe chaude à la flamme pour maintenir et favoriser la combustion

        De protéger les parois métalliques insuffisamment refroidies ou exposées au rayonnement thermique

        De diriger les gaz de combustion

      3. Les matériaux réfractaires

Généralités

Les matériaux réfractaires ont une grande résistance à la chaleur

Les matériaux ci-après sont couramment utilisés :

Constitution

On utilise, la pierre d’argile réfractaire pour la constitution de la chambre de combustion des générateurs.

Les pierres d’argile réfractaire sont généralement un mélange d’argile.

Les éléments principaux d’une argile réfractaire sont l’alumine (oxyde d’aluminium) et l’oxyde de silicium.

La résistance aux températures élevées s’indique par le pourcentage d’alumine.

Exemple : une brique à 42% d’alumine résiste à 1200 1400°C

Les briques à haute teneur en alumine sont employées lorsque les conditions de fonctionnement sont particulièrement sévères. Ces briques ont l’avantage de posséder une stabilité de volume, une résistance mécanique au

x températures élevées et une résistance particulière aux crevasses. Elles sont généralement d’une densité élevée.

Les briques isolantes et réfractaires sont souvent utilisées.

Leur poids est de la moitié ou du quart de celui des briques réfractaires usuelles. Leur capacité d’absorption thermique est faible. Elles résistent à des températures élevées. (1700 1900 °C)

Le béton réfractaire malléable est une composition d’argile broyée et de suffisamment d’eau pour rendre le mélange malléable. Le béton réfractaire est généralement utilisé pour un briquetage complet, une réparation ou pour une chambre de combustion de forme spéciale. Le grand avantage d’une surface de béton malléable est l’absence de soudure.

Le feutre réfractaire supporte des températures de 110 à 1650 °C

C’est un acier spécial résistant aux températures élevées dans divers milieux. Il est essentiellement composé de chrome nickel, à forte teneur en chrome.

 

    1. Contenance d’eau

      Selon la conception de la chaudière, la contenance en eau est très variable. Si à une certaine époque, la mode était de réaliser des chaudières d’encombrement réduit tout en offrant des gammes de puissances calorifiques assez importante, actuellement la conception des chaudières est dictée par des normes européennes qui prévoient des contenances en eau plus importantes. Afin de limiter les dégagements d’éléments polluants lors de cycles de démarrage (marche arrêt intempestifs) les constructeurs ont en général augmenté la contenance en eau des chaudières.

      Des cycles courts de fonctionnement des brûleurs sont à déconseiller car lors de chaque mise en route la qualité de la combustion à ce moment-là n’est pas parfaite (production d’imbrûlés)

      De même il est préférable d’équiper des grosses puissances de chaudière de brûleurs à plusieurs allures de fonctionnement (brûleur à 2 ou 3 allures)

      Ceci afin d’allonger le cycle de fonctionnement du brûleur et de permettre également d’obtenir une régulation plus précise. Une chaudière de contenance en eau plus importante agissant comme un réservoir tampon d’énergie

    1. Le choix du brûleur sur le générateur

      Le choix du brûleur est l’opération qui consiste à déterminer le type exact du brûleur pouvant équiper un générateur en fonction de ses caractéristiques et de son mode de fonctionnement.

      Une mauvaise sélection de brûleur sur un générateur de chaleur peut être la cause de désagréments tels qu’une mauvaise combustion, un encrassement rapide de la chaudière et de la tête de combustion du brûleur, des problèmes de refoulement lors de chaque démarrage, un fonctionnement bruyant de l’ensemble, etc. …

      Pour déterminer le brûleur, les éléments suivants doivent être connus :

      1. La chaudière :

Elle est exprimée en Pascal (Pa) ou en millibar (mbar) et est mentionnée dans les documents transmis par le constructeur.

      1. Le brûleur :

Puissance calorifique : celle-ci est donnée en kilowatt (kW) ou exprimée par un débit en litres par heure (l/h) ou en kilogrammes par heure (kg/h).

      1. Détermination du brûleur :

Toute la puissance fournie par le brûleur à la chaudière n’est pas entièrement restituée au fluide caloporteur, car il existe des pertes inévitables dues aux gaz de combustion (pertes par les fumées), à la consommation d’entretien de la chaudière (qualité de l’isolation), à la ventilation de la chaudière (brûleur non équipé d’un clapet d’air à fermeture automatique à l’arrêt de celui-ci), etc.

En fonction de la vétusté de la chaudière, le rendement utile est très variable et peu élevé.

On prend en considération un rendement de 91 % pour les chaudières récentes et de ± 85 % pour les chaudières anciennes.

La puissance du brûleur est déterminée par la relation suivante :

        Puissance du brûleur =

        Puissance de la chaudière

        Rendement de la combustion

Dans certains cas, la puissance du brûleur (débit ou charge thermique) est reprise sur la plaque signalétique de la chaudière.

Si on désire connaître le débit du brûleur, la relation ci-dessus est adaptée de la façon suivante :

         

        Débit brûleur =

        Puissance de la chaudière

        Rendement de la combustion x P.C.I.

         

 

      1. Chaudière dite en dépression (chaudière dont on peut ouvrir le regard)

Les premières chaudières construites à l’époque pour fonctionner aux combustibles solides ne pouvaient présenter une perte de charge trop importante. La combustion était assurée à travers la masse de charbon grâce au tirage naturel de la cheminée.

Lors de la conversion de ces chaudières aux combustibles liquides, le calcul consiste à vérifier que la plage de puissance du brûleur parvienne à couvrir la puissance de la chaudière.

Les constructeurs de brûleur indiquent la dépression minimale à laquelle doit répondre la cheminée afin de s’assurer que tous les circuits des gaz de combustion de la chaudière soient aussi en dépression. (entre 10 et 15 Pa)

En dessous et au dessus de cet écart (entre 10 et 15 Pa), la présence et le réglage d'un régulateur de tirage sur la cheminée s'impose.

La figure ci-contre donne l’évolution de la pression au travers de la chaudière par rapport à la pression atmosphérique (=0 sur la figure)

         

 

         

        DIAGRAMME DE DÉTERMINATION DE LA SECTION DE LA CHEMINÉE

         

         

      1. Chaudière dite en surpression

Dans ce cas, le problème est différent car il faut veiller à vaincre la pression foyère. La valeur de cette résistance est la différence entre la pression foyère et la dépression de la cheminée. Une variation de la dépression de la cheminée va directement influencer la résistance foyère.

Pour vaincre la pression foyère, la pression du ventilateur du brûleur doit être supérieur à celle de la chaudière.

En pratique toutefois, l’expérience a démontré qu’il est recommandable de majorer la perte de charge d’une chaudière pour vaincre l’onde de choc au démarrage. La perte de charge ou pression foyer varie de quelques pascals à plusieurs dizaines de pascals

La figure ci-contre donne l’évolution de la pression au travers d’une chaudière en surpression par rapport à la pression atmosphérique (= 0 sur la figure).

La sélection d’un brûleur pour ce type de chaudière demande quelques calculs

 

 

 

 

 

 

 

 

Chaudière murale gaz étanche (Vitopend 100 de Viessmann)

 

 

 

 

Chaudière gaz sol à condensation et brûleur hémisphérique radiant (Vitocrossal300 Viessmann)

 

 

 

 Chaudière gaz atmosphérique Vaillant

 

 

3. construction iroViT VKO!5

Chaudière sol au fioul (Vaillant iro VIT VKO/5)

 

 

  1. habillage
  2. vanne de remplissage et vidange
  3. porte de brûleur isolée
  4. brûleur (non-Vaillant)
  5. système de mélange
  6. voyant
  7. pupitre de commande
  8. panneau frontal. pivotable
  9. limitateur de température
  10. fixation
  11. bloc en fonte
  12. isolation thermique
  13. eau chauffage
  14. raccord départ chauffage
  15. raccordement de cheminée avec trappe de visite
  16. carneaux de combustion
  17. chambre de combustion
  18. retour eau chauffage
  19. raccord retour chauffage
  20. pieds réglables

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CLASSIFICATION DES GENERATEURS DE CHALEUR ET TERMINOLOGIE

Classification selon:

La source d'énergie ou de chaleur

combustible gazeux : gaz naturel , LPG (propane ou butane)

combustible  liquide : mazout ou gasoil, gasoil extra (depuis 2003) , gasoil lourd

combustible solide : charbon, bois, pellets (fibres de bois)

électricité

Le matériau

fonte

acier

La pose

au sol

murale

Le rendement ou leur label

faible ± 85 % (anciennes chaudières)

HR + ± 91 %              pour le gaz

HR+.jpg (17232 octets)

 

HR TOP ± 105 %     pour le gaz

2889.jpeg (18146 octets)

OPTIMAZ                  pour le fuel

optimaz.jpg (8678 octets)

CE label européen portant sur la sécurité de la chaudière et obligatoire sur toutes les chaudières vendues en Belgique.

La température du circuit d'eau

conventionnelle 70/90

basse température recommandé pour les planchers chauffants

Le mode d'évacuation des fumées

ouverte, atmosphérique

fermée, à ventouse, étanche, type C (avec ou sans ventilateur)

L'usage

chauffage exclusif

mixte (chauffage et ECS) ou double service avec préparateur EC intégré ou séparé

La puissance

en cascade ou non       ( cascade de chaudières au dessus de 200 kW)

Leur technologie

conventionnelle

à condensation (HR TOP)

basse température ( HR +)

brûleur à gaeéification du mazout

brûleur à pulvérisation du mazout

brûleur gaz à air pulsé

brûleur gaz atmophérique ( le br^leur ne possède pas de ventilateur)

brûleur gaz hémisphérique radiant ou rayonnant (sans flamme)

 

pompe à chaleur

AVANTAGES ET INCONVENIENTS

gaz : légèrement plus respectueux de l'environnement que le mazout

entretien limité

pas de stockage (perte de place) si gaz naturel.

mazout: demande plus d'entretien

normes de stockage moins contraignantes que pour le gaz propane.

électrique très bon marché à l'installation (pas de chaudière, ni chaufferie, ni cheminée)

facile à installer

cher en consommation vu le prix de l'électricité

A n'envisager que pour les petits appartements bien isolés.

fonte: plus lourd, chauffe moins vite que l'acier mais garde la chaleur plus longtemps

résiste bien à la corrosion.

acier: léger, manipulation aisée.

murale: idéale pour les appartements

sol: plus performante que les chaudières murales.

Température du circuit d'eau:

t° de l'eau + basse = moins de perte de chaleur ( par distribution par exemple).

Chaudière fermées:
plus chères que les chaudières atmosphériques mais leur rendement est plus élevé en raison d'une régulation précise de l'amenée d'air.

Plus sûres car pas de risque d'amenée insuffisante de l'air.

Peuvent être placées partout à condition de disposer d'une ouverture autorisée vers l'extérieur.

Une chaudière basse température
température est une chaudière qui peut être en fonctionnement en permanence avec une température de retour de 35 à 40°C. Pour profiter de manière effective des avantages d'une chaudière basse température, l'installation doit être prévue à cet effet : radiateurs surdimensionnés (ce qui est souvent le cas), consigne de température de la chaudière (aussi basse que possible ou réglée de manière automatique à l'aide d'une sonde extérieure), système de régulation précis (thermostat d'ambiance avec un faible différentiel de température < 1°C), évacuation de l'eau de condensation provenant de la chaudière, etc. Ces chaudières basse température existent tant en version gaz que mazout.

Les chaudières à condensation
atteignent un rendement sensiblement supérieur grâce à la récupération de la chaleur résiduelle contenue dans la vapeur d'eau des gaz de combustion qui s'évacuent normalement via la cheminée. En raison de leur haut rendement et de leur très faible taux de rejet NOx (oxyde d'azote)et CO (monoxyde de carbone), ces chaudières sont également très écologiques. Ce principe est de plus en plus utilisé pour les chaudières au gaz et dans une moindre mesure, pour les chaudières au mazout.

 

Voir également le dossier spécial sur   WWW.LIVIOS. BE