chaudière (suite)

La production de force motrice fait intervenir la considération du rendement thermodynamique, qui met en cause non seulement le choix de la pression et de la surchauffe, mais l’ensemble du cycle de l’eau et de la vapeur. Cependant, il faut distinguer le cas de la production localisée de force motrice, pour les besoins internes d’un établissement industriel ou public, du cas de la production d’électricité dans une centrale thermique. La production localisée tend à disparaître depuis la création des grands réseaux de distribution de courant ; on ne l’envisage que là où la vapeur sortant des machines peut être utilisée pour des chauffages, et le problème du rendement global se pose alors autrement que pour une centrale électrique. D’autre part, l’échelle des installations localisées ne permet guère de pousser le perfectionnement aussi loin que dans les centrales.

Sources de chaleur

Les sources de chaleur courantes sont les combustibles solides, liquides ou gazeux. Le charbon en morceaux n’est plus guère employé que dans de petites ou moyennes chaudières, alors que fuel-oil et gaz naturel prennent une importance sans cesse croissante. Parmi les combustibles de déchet figurent les coques d’arachides, les ordures ménagères, les liqueurs noires de papeterie.

Toute combustion exige un apport d’air et produit un débit de gaz chauds qui prennent le nom de fumées quand ils entraînent des particules solides ou liquides. Ces gaz contiennent, à quelques pertes près, ce qui reste de la chaleur libérée après déduction de ce qui a été transmis par rayonnement du combustible incandescent ou de la flamme. La chaudière doit être conçue de manière à les dépouiller le plus complètement possible de cette chaleur. Le volume de la chambre de combustion de la chaudière doit être suffisant pour que la combustion s’achève avant contact de la flamme avec les surfaces froides, et pour que ses parois reçoivent et transmettent directement ou indirectement à l’eau la plus grande partie de la chaleur rayonnée. La forme et les dimensions de cette chambre sont des éléments déterminants de l’architecture des grands générateurs. Les chaudières de récupération reçoivent des gaz chauds provenant d’opérations industrielles diverses. Elles ont donc comme les chaudières à combustion un parcours de gaz chauds à température initiale généralement moindre, mais n’ont ni alimentation en air ni chambre de combustion, ce qui simplifie leurs formes. Le circuit gazeux est ouvert et les gaz sont évacués à l’atmosphère. Dans les centrales nucléaires avec réacteur refroidi par un gaz, celui-ci parcourt la chaudière en circuit fermé et ne donne pas de perte par chaleur sensible à la cheminée. D’autre part, les centrales nucléaires à refroidissement par liquide n’ont pas de circuit gazeux, et il n’y en a pas non plus dans les chaudières utilisant l’énergie solaire.

Circuit eau-vapeur

Dans la mesure du possible, ce circuit est fermé. Sauf parfois dans Iles distributions à grande distance, on ramène à la chaudière l’eau condensée dans les condenseurs de machines, appareils de chauffage, échangeurs, non seulement pour économiser de la chaleur, mais pour profiter de la pureté de cette eau. Mais il y a toujours des pertes (purges, extractions, fuites) et souvent des consommations de vapeur perdue, à la chaufferie (pulvérisation par vapeur, ramonage) ou dans les services d’utilisation (chauffages par mélange, etc.). Sur le circuit principal se greffe un circuit d’appoint, avec poste de traitement d’eau, aboutissant à la bâche d’alimentation, qui reçoit aussi les eaux condensées. Partant de cette bâche, le circuit principal, mis en pression par les pompes d’alimentation, passe par l’économiseur, le vaporisateur, le surchauffeur, le collecteur de départ et se poursuit comme circuit d’utilisation pour se refermer sur la bâche par les retours d’eau condensée. S’il y a resurchauffe, la vapeur revient au générateur après avoir travaillé dans l’étage à haute pression, passe par le resurchauffeur et repart vers les étages suivants de la turbine. Dans la généralité des cas, le vaporisateur représente une région très particulière du parcours, caractérisée par un palier de température et une circulation interne, canalisée ou non, qui se superpose à la circulation d’ensemble. Sur lui se greffent les tuyauteries de purge (déconcentration).

Circuit air et combustible-fumées

Le circuit air-fumées est ouvert, l’air étant pris et les fumées évacuées dans l’atmosphère. L’amenée de combustible constitue une seconde entrée, et le plus souvent il existe des sorties secondaires : trémies d’évacuation de cendres et mâchefers, dès le foyer, extracteur de cendres ou suies aux points bas du parcours, dépoussiéreur avant évacuation des gaz, etc. Dans son parcours, l’air traverse le réchauffeur d’air (chaleur prise aux fumées), arrive en partie sous la grille ou aux brûleurs (air primaire, mélangé au combustible dans certains cas), en partie dans la chambre de combustion (air secondaire).

Dans le parcours flamme-fumées, la flamme ou la couche incandescente rayonne sur les surfaces exposées du vaporisateur et éventuellement du surchauffeur. Les gaz chauffent par convection le vaporisateur et le surchauffeur, traversent l’économiseur (chauffage d’eau) et le réchauffeur d’air (chaleur cédée à l’air), puis les appareils de dépoussiérage, et s’échappent par la cheminée. Le circuit peut présenter des boucles de recyclage, notamment un retour au foyer de fumées prélevées en un point aval convenablement choisi, pour modifier l’évolution des températures.

Sujétions et préoccupations d’ordre général

Rendement

La dépense de combustible pour une production donnée est inversement proportionnelle au rendement, rapport de la quantité de chaleur acquise par l’eau et la vapeur au pouvoir calorifique du combustible brûlé. Si la combustion est complète, les principales pertes sont dues d’une part à la chaleur sensible des gaz rejetés à l’atmosphère, cette quantité de chaleur dépendant directement de la masse des gaz, donc de l’excès d’air par rapport aux besoins théoriques, et de leur température, d’autre part aux déperditions de chaleur vers l’extérieur par transmission des parois.