LES  CHAUDIÈRES  AU  SOL  ( 1 )

 Une  chaudière  est  un  appareil  qui  permet  de  fournir  en  continu  de  la  chaleur  à  un  fluide,  donc  d'augmenter  la  température  de  ce  fluide.

Ce  fluide  peut  être  utilisé  pour  fournir  une  énergie  mécanique,  sous  forme  de  vapeur  :  premières  locomotives  à  vapeur,  centrale  thermique ...

Mais  le  plus  souvent,  ce  fluide  permet  de  transporter  de  la  chaleur,  pour  chauffer  des  locaux,  et  pour  bien  d'autres  utilisations  industrielles.  On  parle  alors  de  fluide  " caloporteur ".

Principe  Chaudière  tubulaire

Elles  peuvent  être  électriques,  mais  les  chaudières  les  plus  couramment  utilisées  sont  généralement  à  combustion.  Le  corps  de  chauffe  de  ces  chaudières  à  combustion  est  constitué  :

- d'un  foyer  ( ou  "chambre  de  combustion " ),  dans lequel  un  combustible  est  brûlé 

    ( charbon,  bois,  fioul,  gaz .. )

- d'un  échangeur  de  chaleur,  englobant  le  réservoir  d'eau  et  les  carneaux.

Les  carneaux  sont  les  conduits  parcourus  par  les  fumées  entre  la  sortie  du  foyer  et  la  "buse".

Ils  sont  soit  munis  d'ailettes  ( corps  de  chauffe  en  fonte )  ,  soit  constitués  de  tubes  cylindriques  ( corps  de  chauffe  en  acier ) . 

Des  turbulateurs  sont  généralement  logés  dans  les  carneaux.  Les  turbulateurs  se  trouvent  généralement  sous  forme de  grilles,  de  tiges  d'acier  en  spirale  ou  de  lames  d'acier  en  zigzag. 

Ils  permettent  de  ralentir  le  passage  des  fumées  et  ainsi  améliorer  l'échange  de  chaleur  entre  les  fumées  et  l'eau. 

Rajouter  des  turbulateurs  permet  d'abaisser  la  température  des  fumées  en  sortie  de  chaudière.

Inversement,  on  peut  également  retirer  des  turbulateurs  lorsqu'on  souhaite  augmenter  la  température  des  fumées.

Différents  modèles  de  turbulateurs  pour  tubes  de  fumées

sur  chaudière  en  acier

La  "buse"  est  l'orifice  de  la  chaudière  par  lequel  sortent  les  fumées.  Le  conduit  de  raccordement  d'évacuation  des  fumées  est  raccordé  à  la  chaudière  sur  cette  buse. 

La  chaleur  qui  se  dégage  des  fumées  est  transmise  au  fluide  ( l'eau )  par  conduction,  à  travers  les  parois  des  tubes  de  fumée  ( ou  carneaux ). 

Pour  éviter  les  pertes  de  chaleur  par  rayonnement  du  corps  de  chauffe,  celui-ci  est  isolé,  tout  comme  la  porte  foyère.

Une  jaquette  permet  de  maintenir  l'isolant  autour  de  la  chaudière  et  lui  sert  également  de  carrosserie.

Vue  de  coupe  d'une  chaudière  VITOPLEX  100

Source  VIESSMANN

N. B.  :   Dans  les  chaudières  domestiques  ( chauffage  de  l'air  ambiant  de  l'habitat  et  de  l'eau  chaude  sanitaire ),  le  fluide  caloporteur  utilisé  est  l' EAU.  Elle  transporte  la  chaleur  jusqu'aux  émetteurs  de  chaleur  (radiateurs,  planchers  chauffants.. ).  Ces  chaudières  sont  des  chaudières  "tubulaires".

Lors  de  la  première  révolution  industrielle,  de  nombreuses  recherches  sont  entreprises  afin  d'améliorer  le  fonctionnement  des  machines  à  vapeur.

En  1827,  Marc  Seguin,  ingénieur  et  inventeur  français  ( qui  est  né  et  a  vécu  à  ANNONAY ),  dépose  le  brevet  de  la  " chaudière  tubulaire ",  conçue  pour  les  bateaux  à  vapeur  naviguant  sur  le  Rhône. 

Des  tubes  immergés  dans  le  corps  de  chauffe,  et  traversés  par  les  gaz  de  combustion,  permettent  d'augmenter  considérablement  la  surface  d'échange  et  le  rendement  de  la  chaudière.  La  puissance  développée  est  ainsi  multipliée par  six. 

Deux  ans  après,  il  adapte  cette  chaudière  à  la  locomotive  à  vapeur.

Le  1er  octobre  1829,  la  locomotive  "Seguin"  fait  ses  premiers  tours  de  roue  sur la  ligne  de  chemin de  fer  de  Saint-Étienne à  Lyon.

Cette  chaudière  tubulaire  est  capable  de  fournir  1 200 kg  de  vapeur  à l'heure  au  lieu  de  300  pour  les  autres  chaudières.  La  vitesse  maximale  jamais  atteinte  alors  par  une  locomotive  passe  de  16  à  30 km/h.

Aujourd'hui,  il  ne  reste  plus  beaucoup  de  locomotives  à  vapeur  en  circulation,  excepté  sur  quelques  lignes  touristiques.  Mais  les  chaudières  à  combustion  utilisées  pour  le  chauffage  sont  encore  souvent  des  chaudières  tubulaires.  Elles  peuvent  être  " à  tubes  d'eau "  ou  " à  tubes  de  fumées ".

Le  corps  de  chauffe  des  chaudières  utilisées  en  génie  climatique  sont  généralement  en  fonte  ou  en  acier.  Lorsqu'elles  sont  en  acier,  elles  sont  réalisés  par  soudage  de  plaques  et  de  tubes  d'acier.   Ces  soudures  assurent  une  étanchéité  parfaite  du  circuit  de  combustion.

Selon  ce  qui  devra  traverser  les  tubes,  on  répartit  les  chaudières  en  ACIER  en  2  catégories  :  les chaudières  à  tubes  de  fumées  et  les  chaudières  à  tubes  d'eau.

L'acier  est  utilisé  pour  la  fabrication  de  chaudières  de  petites  à  très  grosses  puissances.

La  chaudière  en  acier  montera  en  température  plus  rapidement  qu'une  chaudière  en  fonte,  mais  restituera  de  la  chaleur  moins  longtemps  après  l'extinction  du  brûleur  ( moins  d'inertie ).

Elle  est  également  plus  sensible  à  la  corrosion,  notamment  au  niveau  des  soudures.

CHAUDIÈRES  à  TUBES  de  FUMÉE

La  chaudière  à  tubes  de  fumées  est  constituée  d'un  grand  réservoir  d'eau,  traversé  par  des  tubes  dans   lesquels  circulent  les fumées.  Ce  principe  est  particulièrement  utilisé  pour  les  chaudières  fioul  et  gaz,  ce  qui  représente  une  grande  majorité  des  chaudières.

La  grande  capacité  en  eau  contenue  dans  son  réservoir  permet  d'éviter  les  court-cycles  du  brûleur. 

On  appelle  court-cycles  la  répétition  de  démarrage  et  d'arrêt  intempestif  du  brûleur,  qui  sont  souvent  à  l'origine  de  l'usure  prématurée  du  brûleur  et  parfois  à  l'origine  de  l'encrassement  prématuré  du  foyer  et  des  carneaux.

 Souvent  disposés  à  l'horizontal  sur  les  chaudières  fioul  et  gaz,  les  tubes  de  fumées  devront  être  disposés  à  la  verticale  dans  les  chaudières  à  combustibles  solides,  afin  de  permettre  une  bonne  extraction  des  cendres. 

Sinon,  le foyer  doit  être  séparé  et  placé  avant  la  chaudière  à  tubes  de  fumées.  Le foyer  est  alors  un avant  foyer  à  tubes  d'eau,  ou  en  réfractaire.

CHAUDIÈRES  à  TUBES  d'EAU

Pour  les  combustibles  solides  ( bois,  granulés.. ),  on  préfère  concevoir  des  chaudières  à  tubes  d'eau.

Les  chaudières  à  tubes  d'eau  se  caractérisent  par  la  présence  de  deux  collecteurs,  en  partie  haute  et  basse  de  la  chaudière,  reliés  entre  eux  par  des  tubes  dans  lesquels  circulent  l'eau.

En  contre-partie,  le  faible  volume  d'eau  des  chaudières  à  tubes  d'eau  ne  permet  pas  toujours  de  refroidir  les  fumées  autant  que  sur  une  chaudière  à  tubes  de  fumées.  Elle  a  donc  généralement  un  moins  bon  rendement.

Afin  d'appliquer  les  différents  textes  réglementaires,  il  est  important  de  classer  les  chaudières  en  différentes  catégories  de  puissance.  On  distingue  :

- les  chaudières  de  PETITES  PUISSANCES  INFÉRIEURES  à  70 kW : 

chaudières  individuelles  (domestique)

- les chaudières  de  PETITES  PUISSANCES  COMPRISES  ENTRE  70  et  400 kW  : 

chaudières  collectives  (Réglementation  chaufferie  applicable )

- les  chaudières  de  MOYENNES  PUISSANCES  COMPRISES  entre  400 kW  et  1 MW  ( 1 000 kW)

utilisées  dans  les  grosses  collectivités  et  dans  l'industrie

- les  chaudières  de  GROSSES  PUISSANCES  SUPÉRIEURES  à  1 MW  ( 1 000 kW ) 

utilisées  dans  la  grosse  industrie

JEU entraînement

Les  chaudières  en  fonte  ont  une  meilleure  inertie.  La  fonte  est  capable  d'emmagasiner  plus  de  chaleur  que  l'acier.  Lorsque  le  brûleur  s'arrête,  la  chaudière  en  fonte  continue  à  restituer  de  la  chaleur  à  l'eau  plus  longtemps.  Ces  chaudières  sont  également  plus  résistantes  à  la  corrosion.

La  fonte  est  plus  lourde  que  l'acier,  donc  moins  facile  à  manipuler  lors  de  l'installation.

Ces  éléments sont  parfois  assemblés  entre  eux  à  l'usine,  par  le  fabricant,  pour  les  chaudières  de  petites  puissances.
Pour  les  plus  grosses  puissances,  les  éléments  peuvent  être  assemblés  sur  site,  ce  qui  facilite  leur  transport  et  permet  de  les  amener  dans  des  endroits  difficiles  d'accès  pour  des  chaudières  acier  de  puissance  équivalente.

L'étanchéité  du  circuit  d'eau  est  assuré  par  insertion  de  2  nippes  en  acier   entre  chaque  élément.  au  niveau  des  collecteurs  départ  et  retour  chauffage.

Les  nippes  sont  généralement  des  bagues  coniques  en  acier.

L'étanchéité  du  circuit  de  combustion  est  lui  assuré  par  une  tresse  ou  par  du  silicone  résistant  à  de  hautes  température,  qu'il  faut déposer  soigneusement  dans  la  rainure  prévue  à  cet  effet  sur  tout  le  contour  de  l'élément.

Vue  éclatée  chaudière  SAINT-ROCH  FP

Légende :  1-  Loquet  de  regard  de  flamme        2-  Porte  foyère        3 et 4-  Isolation  porte  foyère

5-  Élément  avant        6-  Élément  intermédiaire        7-  Isolation  de  fond  de  foyer

8-  Élément  arrière        9-  Doigt  de  gant        10-  Boîte  à  fumées

Chaudière  en  fonte  VITOROND  200  composée  de  4  éléments

Source  VIESSMANN

Pour  aller  plus  loin,  analysez  sur  les  notices  de  montage  des  chaudières  DE  DIETRICH  GT 430  et  DTG 330   comment  sont  assemblés  entre  eux  les  différents  éléments  en  fonte   :

CHAUDIÈRE  en  FONTE  avec  CORPS  de  CHAUFFE  MONOBLOC

On  trouve  parfois  des  corps  de  chauffe  en  fonte  coulés  en  un  seul  bloc  sur  des  chaudières  de  petites  puissances  haut  de  gamme.

Corps  de  chauffe  hémisphérique

Chaudière  CHAPPÉE  BORA

La  forme  hémisphérique  d'un  tel  corps  de  chauffe  permet  d'obtenir :

- une  meilleure  tenue  à  la  pression  (côté  eau ),  qui  s'exerce  de  façon  parfaitement  symétrique  sur  la  surface  extérieure  du  corps  de  chauffe

- une  meilleure  irrigation  de  l'eau  qui  n'est  plus  compartimentée  dans  plusieurs  éléments, 

      donc  une  température  plus  homogène  sans  zone  chaude  ou  zone  froide 

      (moins  de  risque  de  condensation  côté  fumée )

- une  meilleure  répartition  de  la  chaleur  sur  toute  la  partie  interne  du  foyer, 

      ce  qui  réduit  les  contraintes  thermiques  sur  le  corps  de  chauffe.

Dans  l'industrie,  le  fluide  caloporteur  peut  être  de  la  vapeur  d'eau  et  même  parfois  différents  types  d'huile.

En  ce  qui  nous  concerne,  dans  le  domaine  du  génie  climatique,  ce  fluide  sera  :

- toujours  de  l'eau,  bien  que  souvent  traitée,  dans  les  installations  de  chauffage  central

- parfois  de  l'eau  surchauffée,  dans  les  réseaux  de  chauffage  urbain.

On  parle  d'  "eau  surchauffée"  lorsqu'elle  atteint  plus  de  100°C  tout  en  restant  à  l'état  liquide.  Cela  nécessite  d'avoir  de  l'eau  à  une  pression  bien  supérieure  à  la  pression  atmosphérique.  L'eau  surchauffée  est  souvent  utilisée  à  des  températures  comprises  entre  110  et  140°C.

Sur  les  chaudières  de  petites,  moyennes  et  grandes  puissances,  on  distingue  deux  architectures  principales  dans  la  conception  de  la  chaudière  : 

- la  chaudière  à  inversion  de  flamme  ( à  "foyer  borgne"  ou  à  double  parcours )

-  et  la  chaudière  à  triple  parcours  des  fumées 

CHAUDIÈRES  à  DOUBLE  PARCOURS  des  fumées  (  foyer  "BORGNE"  )

Les  chaudière  à  double  parcours ( à foyer borgne ),  les  fumées  font  demi-tour  au  fond  du  foyer  et  reviennent  vers l’avant  en  entourant  la  flamme,  ce  qui  maintient  des  températures  de  flamme  plus  élevées.  En  effet,  Les  fumées  chaudes  qui  font  demi-tour dans le foyer  réduisent  l'échange  de  chaleur  direct  entre  la  flamme  et  les  parois  du  foyer  refroidies  par  l'eau.

Les  fumées  restent  également  plus  longtemps  dans  le  foyer,  zone  la  plus  chaude  de  la  chaudière. 

Ces  deux  points  favorisent  malheureusement  la formation  d’oxydes  d’azote,  responsables  des  pluies  acides.  Plus  la  température  de  la  flamme  est  élevée,  plus  il  y  a  un  risque  de  produire  des  oxydes  d'azote.

Les  fumées  entrent  ensuite  dans  les  tubes  de  fumées  ( second parcours ),  avant  de  s'échapper  de  la  chaudière  par  la  buse.

CHAUDIÈRES  à  TRIPLE  PARCOURS  des  fumées 
Dans  les  chaudières  à  triple  parcours,  les  fumées  ne  font  pas  demi-tour  dans  le  foyer,  mais entrent  directement  dans  les  tubes  de  fumées  ( second parcours )  par  une  chambre  de  reflux  située  dans  le  fond  du  foyer. 

Elles  sortent  ensuite  de  la  1ère  rangée  de  tubes  ( ou  carneaux )  pour  entrer  dans  une  seconde  chambre  de  reflux   côté  porte  foyère,  derrière  la  trappe  de nettoyage.  Elles  entrent  alors  dans  le  troisième  parcours,  également  réalisé  sous  forme  de  tube de fumées,  avant  de  sortir  finalement  dans  la  boîte  à  fumée  et  de  s'échapper  de  la  chaudière  par  la  buse.

Comme  les  fumées  restent  très  peu  de  temps  dans  le  foyer  et  ne  lèchent  plus  la  flamme,  la  flamme peut  céder  davantage  de  chaleur   à  l'eau  à  travers  les  parois  du  foyer,  et devient  ainsi plus  froide  que  sur  une  chaudière  double  parcours.  Cela  réduit  la  formation  de  polluants  sous  forme  d'oxydes  d'azote  ( NOx ).

Autres  architectures  de  CHAUDIÈRES

Certaines  chaudières  dernière  génération  équipées  d'un  brûleur  radiant  peuvent  avoir  un  seul  parcours  des  fumées,  tout  comme  les  chaudières  atmosphériques. 

Mais  sur  une  chaudière  atmosphérique,  le  brûleur  est  placé  dans  la  partie  basse  de  la  chaudière,  les  fumées  circulant  à  travers  le  corps  de  chauffe  du  bas  vers  le  haut  avant  de  s'échapper  dans  le  conduit  de  cheminée  par  la  buse.

Sur  ces  nouvelles  chaudières,  le  brûleur  radiant  est  placé  en  partie  supérieure  de  la  chaudière  et  les  fumées  circulent  à  travers  le  corps  de  chauffe  du  haut  vers  le  bas.

Ces  chaudières  ont  les  mêmes  avantages  que  les  chaudières  à  triple  parcours.  Les  fumées  restent  peu  de  temps  dans  le  foyer,  rendant  la  faible  formation  d'oxydes  d'azote  comparable  à  celle  des  chaudières  à  triple  parcours.

Chaudière  VITOCROSSAL  300

à  un  seul  parcours  de  fumées,

équipée  d'un  brûleur  radiant

Source  VIESSMANN

JEU entraînement

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