chaudière (suite)

Les récupérateurs (économiseur, réchauffeur d’air) abaissent la température finale des gaz et sont d’autant plus utiles que la pression des chaudières est plus élevée ; en effet, la température des gaz à la sortie du vaporisateur est nécessairement supérieure à la température d’ébullition correspondant à cette pression. Or, on peut rarement abaisser la température des fumées au-dessous de 100 °C ou même de 140 °C à cause des risques de corrosion ; c’est une des raisons pour lesquelles les petites chaudières sont souvent dépourvues de récupérateurs.

L’excès d’air résulte d’une part de l’excès d’air au foyer, nécessaire à une combustion complète, mais que peuvent réduire l’emploi de brûleurs perfectionnés, le contrôle et la régulation de la combustion, d’autre part des entrées d’air parasite en aval, réduites par une construction étanche et une plus grande compacité de l’unité ; l’augmentation des puissances unitaires agit favorablement en diminuant l’étendue relative des parois. De fortes puissances unitaires, des formes compactes, une isolation soignée réduisent les pertes par transmission des parois ; ces pertes sont particulièrement faibles quand le foyer est intérieur ou tapissé de tubes d’eau. L’encrassement causé tant par les fumées (suies, cendres) que par l’eau (tartre) nuit à la transmission, donc abaisse le rendement : d’où la nécessité de nettoyer les surfaces (ramonage, détartrage) et surtout de traiter l’eau.

Souplesse de marche

Ce problème se présente sous deux aspects différents et presque opposés. Si l’on doit faire face à des variations rapides et importantes de la demande, mais en général de durée limitée, une chaudière à gros volume d’eau, avec parois massives en maçonnerie, permet d’absorber ces pointes sans baisse de pression trop importante, et sans nécessité immédiate de modifier l’allure. Au contraire, si, à des moments prévus ou non, comme dans le cas de panne d’une autre unité, on veut pouvoir mettre une chaudière très rapidement en service, on a intérêt à disposer d’une unité de faible inertie.

Encombrement, gabarit, poids

Intéressant ou nécessaire suivant la place dont on dispose, un faible encombrement réduit le coût des bâtiments de chaufferie. Pour les petites chaudières, on a créé des séries d’unités monoblocs dont le profil s’inscrit dans le gabarit des chemins de fer, et qui peuvent être transportées par voie ferrée toutes montées. Poids et encombrement ont un rôle dominant dans la conception des chaudières marines. La forme des chaudières de locomotive dérive de leur fonction.

Résistance à la pression et à la température

Le circuit eau-vapeur comprend un ensemble de parties chauffées et sous pression dont les parois métalliques sont soumises à des contraintes mécaniques et thermiques, mettant en jeu non seulement la durée du matériel, mais la sécurité. La nécessité de résistance à la pression exclut les formes planes : des tubes aux réservoirs et aux corps de chaudières, les divers éléments sont cylindriques et les fonds sont bombés. Pour résister à une différence de pression, l’épaisseur des parois doit être proportionnelle à cette différence et au diamètre, d’où l’intérêt des faibles diamètres pour les fortes pressions. Les chaudières à gros corps cylindrique ne peuvent dépasser 15 à 20 bars. L’ancien mode d’assemblage par rivets limitant trop les épaisseurs, c’est la technique de la soudure qui a permis la construction des réservoirs et des collecteurs des centrales modernes.

La résistance des métaux décroît aux hautes températures. La température d’une paroi métallique d’échange dépend non seulement de celle des deux fluides, mais des résistances de transmission sur les deux faces. Du côté de l’eau liquide ou bouillante, la résistance est beaucoup plus faible que du côté des gaz chauds, et par conséquent la température du métal est très proche de celle de l’eau. Mais si le métal n’est pas mouillé par l’eau (entartrage, vapeur stagnante), sa température se rapproche de celle des gaz chauds, et il peut y avoir rupture, à plus forte raison pour les tubes ou corps de chaudière exposés au rayonnement de foyer entraînant un risque de « coup de feu », d’où l’importance de la propreté des surfaces côté eau et de la rapidité de la circulation tant d’ensemble qu’interne dans le vaporisateur : sur une surface où la vapeur peut se former, les bulles doivent être continuellement arrachées par le courant.

La résistance à la transmission est beaucoup plus forte entre métal et vapeur surchauffée qu’entre vapeur et eau bouillante, et le métal des surchauffeurs est exposé à une température sensiblement supérieure à celle de la vapeur surchauffée. Cela limite étroitement les surchauffes possibles. Dans les grandes centrales thermiques, le passage de 540 °C à 565 °C de la surchauffe impose à une partie du surchauffeur d’être en acier austénitique. Une égale répartition des débits est particulièrement importante pour les faisceaux de surchauffeurs. Elle doit se rétablir d’elle-même après un déséquilibre accidentel.

Enfin, les hautes températures éprouvent les parois en maçonnerie et les conduits d’évacuation de fumées. Les briques réfractaires conviennent pour les parois de foyers traditionnels à densité de production de chaleur modérée. Des densités de production plus élevées imposent des parois refroidies par tubes, ou constituées par des tubes lisses, ailetés ou hérissés de « studs » enrobés d’une pâte réfractaire.

Corrosion

Côté eau, il y a risque de corrosion surtout dans les économiseurs en tubes d’acier quand l’eau contient de l’oxygène ou de l’anhydride carbonique. Aussi convient-il de dégazer l’eau d’alimentation et de lui donner une vitesse suffisante pour éviter la stagnation de bulles. Côté fumées, la corrosion peut affecter les récupérateurs si le combustible est sulfureux. On combat ce risque en réduisant la teneur en soufre des fuel-oils, en injectant de la magnésie sous forme de dolomie lors de la combustion, en évitant d’abaisser la température du métal au-dessous du « point de rosée acide » des fumées et en réduisant l’excès d’air, l’oxygène en excès favorisant la transformation de l’anhydride sulfureux (SO₂) en anhydride sulfurique (SO₃).