Chaudiere Service Thermique (Cour Physique)

Formation en intra sur :

LE

SERVICE THERMIQUE GENERALITES Date : du 09/07/2007 au 13/07/2007

*Pour une formation spécialisée organisée par le CETIME à l’intention des inspecteurs, Contrôleurs et techniciens chargés des contrôles officiels et réglementaires

Lieu :

T.I.C

- TUNIS

*Document préparé et animé par : M. Hamadi ANIBA, Expert consultant

Siège Social : Z.I. Ksar Said – 2086 Douar Hicher – La Manouba – Tunisie Tél : 71-547-988 Fax : 71-546-637 / 71-546-380 Email : [email protected] Web : www.cetime.ind.tn

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1ère Partie REGLEMENTATIONS ET PRESCRIPTIONS SUR LA SECURITE D’UTILISATION DES GENERATEURS

REGLES DE SECURITE Pendant longtemps la sécurité dans les chaufferies a été le seul domaine ayant donné lieu à l’établissement d’une réglementation. Les textes qui la constituent actuellement, d’origine ancienne, ont été périodiquement repris et adaptés à l’évolution de la technique. Ils conservent quelques aspects anachroniques un peu gênants. Quoiqu’il en soit ils contribuent à assurer de façon convenable la protection du personnel et du matériel. 1-

CHAUFFERIE – IMPLANTATION DES CHAUDIERES

Il importe que la chaufferie soit un local clair, bien aéré où le personnel se sente à l’aise pour travailler dans de bonnes conditions. Tous les éléments de chaudière et tous les appareils sur lesquels l’exploitant peut avoir à intervenir doivent être d’un accès facile. Sur les massifs de chaudière les passages doivent avoir une hauteur libre d’au moins 1,60 m de haut. Pour préserver la possibilité d’une retraite rapide en cas de besoin, il doit exister 2 portes aménagées dans des directions opposées. D’après le règlement, les chaudières sont classées en 3 catégories suivant le produit caractéristiques P. Il est défini d’après la formule : P = V (t – 100) V = volume d’eau (en m3) contenu dans la chaudière t = température de la vapeur saturée à la pression du timbre de la chaudière Si P est inférieur à 50, la chaudière est de 3ème catégorie. Si P est compris entre 50 et 200, elle est de 2ème catégorie. Si P est supérieur à 200, elle est de 1ère catégorie. Il n’existe pas de dispositions particulières concernant l’implantation des chaudières de faible puissance appartenant à la 3ème catégorie. Par contre toute chaudière de 1ère catégorie ne doit pas être dans un bâtiment comprenant des locaux d’habitation ou fréquentés par le public et, s’il en existe à proximité, doit être à une distance d’au moins 10m. Dans un bâtiment exclusivement industriel, la ou les chaudières doivent être dans un local séparé des ateliers par un mur. Les chaudières de 2ème catégorie échappent à cette exigence ; elles peuvent être dans un bâtiment dans lequel existe un logement occupé par l’usager ou ses employés. Mais elle doit être séparée de celui ci par un mur de bonne résistance.

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2-

NIVEAU D’EAU

C’est l’élément dont l’incidence sur la sécurité est la plus importante. Aussi le règlement exige que : toute paroi chauffée soit baignée par l’eau, le niveau de celle ci devant être toujours au moins à 6 cm au dessus de la partie le plus haute des éléments d’échange. Par ailleurs, il prescrit que toute chaudière à vapeur soit munie d’au moins deux appareils indicateurs de niveau dont un à paroi transparente. Dans cette dernière catégorie on trouve en très grande majorité des indicateurs à glace. Celle ci est une glace épaisse triée sur sa face en contact avec l’eau et la vapeur. Elle est ajustée et plaquée par un couvercle portant une longue fente sur boîtier allongé communiquant avec les tubulures d’eau et de vapeur. Les stries intérieures utilisant les lois optiques de la réfraction, font apparaître en noir la partie baignée par l’eau et en clair celle ou se trouve la vapeur. Aux chaudières à faible timbre on utilise encore parfois des niveaux à tube de verre. Mais cet équipement est de plus en plus rare. Il est recommandé que les tubulures de communication entre chaudière et niveaux soient aussi directes que possible et d’un diamètre largement dimensionné. Les indicateurs de niveau non transparents sont surtout des appareils à flotter. Ce dernier est placé dans le corps de la chaudière. Il entraîne dans es déplacements un mécanisme qui aboutit à une aiguille dont la position sur un cadran indique la hauteur de l’eau. Le passage du mécanisme à travers la paroi de la chaudière se fait souvent au moyen d’un presse étoupe. A quelques appareils la transmission est assurée magnétiquement ce qui permet de supprimer le presse étoupe, organe délicat donnant lieu à des fuites, ou risquant de bloquer la transmission. Un autre système est basé sur l’action d’électrodes disposées verticalement les unes au dessus des autres dans la chaudière ou une bouteille extérieure. Selon que ces électrodes sont ou non dans l’eau, le courant passe ou ne passe pas provoquant l’allumage ou l’extinction de lampes indiquant le niveau. Quelque soit le dispositif existant il doit faire l’objet d’un contrôle et d’un entretien très strict. Aux niveaux visibles le conducteur ou le surveillant de chaudière doit s’assurer au moins une fois par jour que le passage de l’eau et de la vapeur se font librement. Pour cela il convient de purger l’appareil de façon rationnelle en manœuvrant les robinets dans l’ordre suivant : • • •

Fermer d’abord le robinet de communication côté vapeur ; le robinet côté eau reste ouvert. Ouvrir le robinet de purge. L’eau doit couler avec force Ouvrir ensuite le robinet cote d’eau, et fermer le robinet cote d’eau. La vapeur doit s’échapper par le robinet de purge. Fermer la purge et ouvrir le robinet d’eau. L’eau doit apparaître rapidement dans le tube ou la monture à glace et se stabiliser après quelques oscillations.

Ce même processus est à suivre pour les bouteilles sur les quelles sont parfois fixés les niveaux ou dans lesquelles sont placés les flotteurs ou autres dispositifs servant à l’indication du niveau.

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Il faut le plus rapidement possible déboucher les niveaux dont une communication est obstruée. Pour que l’opération puisse se faire sans difficulté, il est important que les robinets d’isolement soient bien étanches. Cela implique un entretien particulièrement attentif de ces organes. Les parois transparentes sont salies plus ou moins vite par les boues ou l’huile qui peuvent être entraînées dans l’eau. Elles peuvent aussi être ternies par l’action des produits chimiques utilisés pour son traitement. Il faut donc les nettoyer de temps à autre et éventuellement les remplacer. Le règlement exige enfin que les chaudières de 1ère catégorie soient équipée d’un appareil d’alarme de niveau trop bas. 3- ALIMENTATION DES CHAUDIERES Curieusement il n’existe aucune prescription réglementaire sur les appareils d’alimentation des chaudières. Le bon sens exige qu’ils soient de puissance suffisante, en assez grand nombre et entraînés par des moteurs différents (électriques et vapeur) pour assurer en toutes circonstances l’apport d’eau nécessaire à la sécurité de fonctionnement. On trouve encore pour l’alimentation des petites chaudières des pompes à plusieurs pistons entraînées par un moteur électrique. Mais la majorité des appareils utilisés sont des pompes centrifuges simples ou multicellulaires pour les pressions élevées. Elles sont également entraînées par un moteur électrique, ou, dans les installations importantes, une turbine à vapeur. Eu presque totalité les chaudières sont équipées de dispositifs d’alimentation automatique facilitant le maintien d’une position stable du niveau, nécessaire dans les générateurs modernes au taux de vaporisation élevé et à la réserve d’au souvent faible. Il existe deux familles d’appareils : • •

les régulateurs par tout ou rien les régulateurs à action continue

Les premiers sont utilisés pour les chaudières de faible puissance. L’organe pilote est un flotteur ou un système à électrodes comme pour l’indication de niveau. Il commande mécaniquement ou par une relais un commutateur qui provoque la mise en marche ou l’arrêt du moteur électrique. Il est souhaitable que les variations du niveau qui résultent de ce mode d’alimentation ne soient pas trop grandes pour éviter les variations corrélatives de pression. Les seconds s’imposent à toutes les chaudières d’une puissance horaire moyenne ou élevée. Les dispositifs de pilotage et de commande sont variés : flotteurs, éléments à dilatation, mesureurs du débit de vapeur, etc.… pour la première fonction ; transmission mécanique, à fluide auxiliaire, électrique pour la seconde. Au bout de la chaîne un clapet équilibré qui laisse passer plus ou moins d’eau dans la chaudière (fig.) L’appareil d’alimentation ne peut être qu’une (ou plusieurs) pompe centrifuge pouvant supporter les variations de pression au refoulement qui résultent de l’ouverture plus ou moins grande du clapet.

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Lorsqu’une chaudière est à alimentation automatique, quel que soit la catégorie, il est souhaitable qu’elle soit munie d’un appareil d’alarme. Celui ci doit être indépendant du dispositif de pilotage commandant l’alimentation. Si, de plus, elle est à conduite entièrement automatique le défaut d’alimentation doit provoquer l’arrêt du brûleur. Pour éviter que l’eau de la chaudière reflue vers la pompe alimentaire lors de l’arrêt de celle ci le règlement exige la présence d’un clapet de retenue. Celui ci doit être placé sur la tubulure d’alimentation, le plus près possible de la chaudière. 4- CONTROLE ET LIMITATION DE LA PRESSION La pression à l’intérieur de la chaudière ne doit jamais dépasser la valeur indiquée par le timbre. Pour la contrôler on dispose : •

d’un manomètre qui doit être placé de telle façon qu’il soit bien visible par le surveillant ou le chauffeur.

Cet appareil est basé sur la déformation élastique d’un élément métallique sous l’effet de la pression. Le plus répandu est celui à tube de section elliptique (dit de Bourdon).Dans sa déformation le tube entraîne une aiguille qui se déplace sur un cadran gradué en unités de pression (fig.). Le tuyau reliant le manomètre à la chaudière est généralement recourbé pour faciliter la formation d’un bouchon d’eau, empêchant la vapeur d’atteindre l’élément déformable en le protégeant de la chaleur. Le manomètre est monté sur un élément de liaison comportant un robinet à trois voies avec purge et un ajutage avec bride ou raccord de fixation du manomètre étalon. Le dispositif permet soit d’isoler le manomètre soit de purger sa tubulure de communication soit de comparer ses indications avec celles du manomètre étalon préalablement fixé sur la bride ou le raccord prévu. La purge d’un manomètre est à faire moins fréquemment que celle d’un niveau mais ne doit pas être négligée. Il est conseillé de la faire une fois par semaine sur les chaudières dont l’eau est traitée. On doit mettre à profit cette opération pour s’assurer que, le manomètre étant isolé, l’aiguille revient bien à zéro. Il va de soi que toute anomalie constatée doit entraîner une intervention immédiate permettant d’y mettre fin. Le cadran du manomètre doit porter à la graduation convenablement une marque très apparente (trait rouge par exemple) indiquant la pression à ne pas dépasser (timbre) •

de soupapes de sûreté : pour éviter ce dépassement, elles doivent évacuer à l’atmosphère l’excès de vapeur éventuel.

Elles sont constituées pour l’essentiel d’un clapet normalement appuyé sur son siège par un poids ou un ressort et empêchant l’échappement de la vapeur, tant que la pression limite prévue n’est pas atteinte. Lorsque cela se produit la force exercée par la vapeur sur le clapet l’emporte sur celle produite par le poids ou le ressort. Le clapet se soulève permettant la sortie de la vapeur jusqu’à ce que la pression revienne au dessous de la valeur de réglage. Il existe deux types principaux de soupapes de sûreté : à contre poids et à ressort. Les premières très répandues autrefois sont moins utilisées sur les chaudières modernes entièrement montées en atelier.

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Aux secondes un ressort a été substitué au dispositif à levier et contre poids pour assurer l’appui du clapet sur son siège. Le ressort est tendu au moyen d’un écrou vissé sur une tige filetée. Une bague faisant butée limite le déplacement de l’écrou et par conséquent la tension du ressort, celle ci étant conforme à la pression à maintenir. Aux chaudières à haute pression, pour permettre une plus grande précision, la levée du clapet se fait par l’intermédiaire d’un piston monté dans le corps de la soupape et d’un diamètre sensiblement plus grand que le clapet. La vapeur est admise sous le piston par l’intermédiaire d’un « clapet pilote » qui s’ouvre lorsque la pression limite est atteinte. Ces soupapes sont dites « assistées ». Le réglage des soupapes est un facteur important de sécurité. Aussi est-il rigoureusement interdit de la modifier soit en surchargeant le contre poids soit en augmentant la tension du ressort. Lorsqu’une soupape de sûreté fuit on doit vérifier que le réglage est correct en provoquant la levée du clapet par augmentation de la pression. Dans l’affirmative, si la fuite persiste il ne reste plus qu’à reprendre la portée du clapet sur son siège pour assurer l’étanchéité. Il est conseillé de le faire le plus rapidement possible pour éviter que l’érosion des pièces par la vapeur s’aggrave, rendant la réparation plus délicate. L’échappement de la vapeur à la sortie des soupapes doit être canalisé pour éviter que des projections d’eau atteignent le personnel. Mais la gaine ou le tuyau ne doivent pas gêner son écoulement. Le règlement précise que la pression à la chaudière ne doit pas excéder de plus de 10% le timbre pendant le fonctionnement des soupapes. Il convient de noter que dans les installations à fonctionnement automatique les variations de pression commandent le débit de combustible. A la pression maximale un « manostat » coupe l’alimentation du brûleur, ce qui évite pratiquement tout déplacement du timbre. Un tel dispositif ne dispense pas pour autant des soupapes de sûreté. 5- AUTRES DISPOSITIFS DE SECURITE SUR LES CHAUDIERES. Vanne d’arrêt de vapeur : Elle n’a pas une fonction permanente de sécurité. Mais elle est indispensable pour permettre d’isoler un générateur du circuit qu’il dessert en cas d’incident ou d’accident sur ce dernier. Il est recommandé de la manœuvrer régulièrement et d’éviter de la bloquer en fin de course par une couverture trop brutale.

Vanne de vidange : Même remarque que pour la précédente. Cette vanne est au point bas de la chaudière. Son étanchéité est à vérifier fréquemment surtout aux chaudières à fonctionnement discontinu arrêtées la nuit.

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Clapet de retenue de vapeur : Il s’agit d’un clapet ayant une fonction analogue à celui disposé sur l’alimentation en eau. Il n’est exigé par le règlement sur les tubulures de sortie que lorsque plusieurs chaudières alimentent en vapeur un même collecteur. En cas d’avarie importante à une de ces chaudières il empêche la vapeur produite par les autres de refluer vers elle. Il n’est pas imposé lorsque les prises de vapeur ont un diamètre inférieur à 80 mm. Fermeture automatique des foyers et des cendriers : Aux chaudières à tubes d’eau la rupture d’un tube peut entraîner un flux de vapeur et de gaz brûlants vers l’extérieur ou même la projection de charbon incandescent lorsqu’on utilise ce combustible. Pour éviter ce risque le règlement prévoit que tous les orifices, portes et regards, doivent être munis de dispositifs à volet équilibré se fermant automatiquement sous l’effet du flux. La encore on remarquera que le nombre de chaudières concernées a diminué rapidement avec la généralisation des parois étanches.

6- VISITES ET EPREUVES DES CHAUDIERES Tout générateur doit être éprouvé chez le constructeur avant d’être livré à l’utilisateur. L’épreuve faite sous le contrôle de la Direction de la sécurité ou d’un expert habilité par celleci consiste à soumettre la chaudière à une pression hydraulique supérieure au timbre. On ajoute à la valeur de ce dernier une surcharge qui est de : -

la valeur du timbre pour les appareils fonctionnant à des pressions comprises entre 0,5 et 6 bars. 6 Bar uniformément pour les appareils fonctionnant à des pressions comprises entre 6 et 12 Bar la moitié du timbre pour les appareils fonctionnant à des pressions supérieures à 2 bars

Cette épreuve est à renouveler lors de réparation ou modification importante touchant aux œuvres vives du générateur. Elle est précédée d’une visite complète de toutes les parties qui doivent être rendues accessibles au visiteur. Lors de la première épreuve le constructeur doit remettre à l’expert le dossier complet de l’appareil comprenant l’état descriptif détaillé, le croquis côté et éventuellement tous les documents concernant les matériaux et leur mode d’assemblage. Ces documents accompagnés du certificat d’épreuves, le certificat de conformité (visé par les autorités consulaires tunisiennes les plus proches du lieu de fabrication si c’est un appareil importé) et du registre d’entretien établis à l’issue de l’épreuve doivent accompagner le générateur durant toute son existence. En outre des épreuves évoquées ci-dessus, le règlement prévoit au moins tous les dix ans une épreuve à surcharge réduite au 1/3 de sa valeur (épreuve décennale). Elle doit être également précédée d’une visite complète. Une épreuve doit avoir lieu également lorsque la chaudière a fait l’objet d’une réparation notable.

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Par ailleurs une visite limitée aux parties normalement accessibles doit avoir lieu à des intervalles n’excédant pas 18 mois. Le visiteur doit avoir toute la compétence et l’indépendance vis à vis de l’utilisateur que requiert cette intervention. Toutes les mesures permettant d’assurer la protection du visiteur doivent être prises. Elles concernent principalement l’isolation de la chaudière visitée (joints pleins aux tuyauteries dangereuses) et l’utilisation du courant électrique (courant de 24 V maxi). 7- DISPOSITIONS PARTICULIERES AUX GENERATEURS D’EAU SURCHAUFFEE Si la réglementation dans son ensemble les concerne, le bon sens permet de comprendre que certaines de règles de sécurité applicables aux chaudières à vapeur, ne le sont pas aux appareils à eau surchauffée (niveaux par exemple). Par contre des prescriptions particulières existent pour eux. Les plus importantes sont : La présence d’un thermomètre au départ du générateur L’existence d’un thermostat coupant l’arrivée de combustible au brûleur si le fonctionnement est automatique. Celle d’un débitmètre actionnant une alarme et provoquant la coupure des feux si le débit de l’eau en chaudière descend au dessous d’une valeur minimale déterminée par le constructeur. 8- ACCIDENT Tout accident à un appareil sous pression, chaudière à vapeur ou générateur d’eau chaude, doit être signalé sans délai à la Direction de la Sécurité (Ministère de l’Industrie). Lorsque cet accident a provoqué la mort ou des blessures, il doit, en même temps être signalé à la Police, à a Garde Nationale et à la Protection Civile. Rien ne doit être touché ou déplacé, ni à plus forte raison réparé avant que les chargés de l’enquête aient fait les premières constatations.

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2ème Partie RAPPEL D’UNITES ET NOTIONS DE BASE

1.GENERALITES SUR LES UNITES

Les unités utilisées pour mesurer les différentes grandeurs physiques ont été définies par une conférence Internationale. Elles constituent un « Système International » (en abrégé : S.I.) MULTIPLES -

1-11-2-

Deca (da = 10 unités Hecto (h = 100 unités) Kilo (k = 1000 unités) Mega = (M = 1000 000 unités)

SOUS MULTIPLES -

Deci (d = 1/10 d’unités) Centi (c = 1/100 d’unités) Milli (m = 1/1000 d’unités) Micro (u = 1/1000.000 d’unités)

Longueur – Surface – Volume : L’unité de longueur est le mètre. Ses multiples et sous-multiples sont très largement utilisés. L’unité de surface est le mètre carré, directement dérivée de l’unité de longueur. L’unité de volume et le mètre cube. Mais on utilise généralement pour les mesures courantes, le litre, qui correspond à 1 dm3, et ses multiples et sous-multiples. Masse :

On confond dans la pratique la masse, et le poids. En réalité, lorsque l’on prend un objet dans la main, c’est son poids que l’on perçoit. Ce poids est une force qui attire l’objet vers la terre. Il dépend de la masse et de l’accélération de la pesanteur. Masse et poids sont exprimés par la même unité : le Kilogramme, qui est la masse d’un décimètre cube d’eau. Son multiple est la tonne qui vaut 1 000 kg. 1-3-

Masse volumique et volume massique

La masse volumique est la masse de l’unité de volume d’un corps, (exemple : l’eau : 1 kg/dm3). Un corps qui flotte sur l’eau (le bois), a une masse volumique plus faible. On utilise aussi fréquemment l’inverse de la masse volumique qui est le volume massique. C’est le volume occupé par l’unité de masse. Comme précédemment, le volume s’exprime en litres ou dm3 pour les solides et liquides, et m3 pour les gaz et vapeurs.

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1-4-

Pression

1-4-1- Unités de pression Un corps solide qui repose sur une surface exerce une pression sur cette surface. La pression s’exprimait autrefois en kg/cm² 1kg / cm² = 0,98067 bar ; on l’exprime maintenant en bar. 1 bar = 1,02 kg / cm² L’unité légale est le Pascal (Pa) 1 bar = 100 000 PA Il est bon de se faire une idée de la force exercée par la pression. Les illustrations suivantes y aideront : -

La pression de 1 bar (ou 1 kg/cm²) correspond au poids d’une colonne d’eau de 10m de haut, dans un tube de 1 cm² de section.

-

Cette même pression s’appliquant à une surface de 1m² équivalant à la force qu’exercerait sur cette surface, un poids de 10 tonnes

Remarque : 1 bar équivalant à 100 000 Pa, on en déduit que 1 Pa correspond à 0,1 mm C.E. (colonne d’eau) et 1 mm C.E. à 1 daPa. On utilise ces indications pour la mesure des faibles pressions et dépressions (cas de l’air et des fumées dans un foyer). 1-4-2- Pression de gaz et vapeur L’air dans lequel nous vivons étant pesant, exerce une pression sur tous les corps qui y sont plongés ; c’est la pression atmosphérique. On mesure la pression atmosphérique au moyen de baromètres. Ceux-ci indiquent généralement la pression en millimètres de mercure et on constate que la pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer est d’environ 760mm de mercure correspondant à 1,033 kg/cm², Lorsqu’on introduit un gaz dans un récipient fermé, ce gaz remplit toujours toute la capacité du récipient et il exerce sur les parois de celui-ci et dans tous les sens une pression due à sa force élastique. Plus on introduit de gaz ou d’air, en se servant par exemple d’une pompe, et plus la pression augmente.

pression

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Si, inversement, on aspire d’un récipient un gaz qui s’y trouve, le volume du gaz ne diminue pas (il reste toujours égal au volume du récipient), mais la force élastique et la pression diminuent. Il peut ainsi s’établir dans le récipient une pression inférieure à celle de l’atmosphère, et on a un vide relatif. Ce vide s’exprime généralement en centimètres ou millimètres de colonne de mercure. SI tout l’air (ou le gaz) pouvait être extrait du récipient, il y régnerait un vide absolu, qui correspondrait, par rapport à la pression atmosphérique, à une dépression de 760 mm de colonne de mercure. Le récipient serait alors soumis à une pression extérieure, égale à la pression atmosphérique, c’est-à-dire à 1,033 kg/cm².

Vide partiel

Les pressions peu élevées et les dépressions ou vides relatifs se mesurent souvent en colonne de liquide au moyen de tubes barométriques, dont une branche est raccordée au récipient et l’autre est en communication avec l’atmosphère. Ces tubes sont basés sur le principe des vases communicants, suivant lequel le niveau d’un liquide s’établit à la même hauteur dans les deux branches, lorsque celles-ci sont soumises à la même pression. Mais si la pression n’est pas la même, le niveau du liquide fait équilibre à la pression plus élevée qui s’exerce sur l’autre branche. Pour les pressions et dépressions ne dépassant pas 1 bar, on emploie généralement du mercure ; pour les faibles pressions ou dépressions, comme celles qui sont mises en jeu dans le tirage, on emploie de l’eau. Les pressions industrielles élevées se mesurent au moyen de manomètres métalliques. 1-4-3- Pression relative et absolue La pression que l’on mesure habituellement, par exemple celle de la vapeur ou de l’air comprimé, est la pression au-dessus de celle de l’atmosphère, c’est-à-dire en partant de cette dernière : c’est ce qu’on appelle la pression effective. Mais dans certains cas on prend comme point de départ de l’échelle des pressions, le vide complet ; c’est la pression absolue.

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La pression absolue est donc de 1,033 kg/cm² ou, en gros, de 1 bar. P abs = P rel. + P atm

2. LA CHALEUR 2.1-

Généralités et définitions

La chaleur est une forme d’énergie. Il est difficile de la définir de façon précise mais ses effets sont bien connus : la sensation de chaud ou de froid, la fusion des corps, la transformation d’état chimique, etc.… La chaleur se manifeste selon deux critères : • •

Un critère « qualitatif » correspondant à la perception de chaleur : c’est la température Un critère « quantitatif » se traduisant en général par des effets plus ou moins importants de l’action de cette chaleur.

2.2 Température

Comme la perception de la température par le corps humain est trop imprécise pour permettre d’en donner une référence, on a donc été amené à créer les échelles thermométriques. 2.2.1

– Echelles de températures

La plus utilisée et la plus répandue est l’échelle Celsius1. Elle est basée sur deux critères facilement reproductibles et constants : la température de l’eau de la glace fondante : on lui a attribué la valeur 0 ; la température à laquelle l’eau bout à la pression atmosphérique : on lui a attribué la valeur 100. On a divisé les différents appareils de mesure en degrés et éventuellement sous-multiples de degré, ce dernier correspondant au centième de l’intervalle défini ci-dessus. Bien entendu on a prolongé les graduations de part et d’autre de la plage de température 0 – 100. D’autres échelles sont ou ont été utilisées : l’échelle Fahrenheit en particulier, toujours en usage dans les pays anglo-saxons. On peut facilement passer d’une échelle à l’autre par un calcul simple ou des tables de correspondance2. L’échelle utilisée par les scientifiques est l’échelle Kelvin. Elle part du zéro absolu qui serait le niveau de température atteint si l’on pouvait retirer d’un corps la totalité de l’énergie calorifique qu’il contient. Le zéro absolu correspond à – 273°. La formule de transformation est donc

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Cette échelle est l’ancienne échelle centigrade Les formules de transformation des degrés Celsius en Fahrenheit sont : °C = (°F – 32) 5 ; F° = °C x 9 + 32 3 On retiendra le symbole T (majuscule) pour les degrés Kelvin, et t(minuscule9) pour les degrés Celsius5

2

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T(Kelvin)=t°C+273 2-2-2- Appareils de mesure

On mesure les températures avec des thermomètres et des pyromètres. Il en existe des types divers et les plus répandus sont : a) Thermomètre à colonne de liquide : C’est l’appareil que tout le monde connaît. Il est constitué par un tube de verre de très petit diamètre fermé aux deux extrémités dont l’une renflée constitue une ampoule (bulbe) contenant le liquide. On se sert communément d’alcool teinté en rouge, ou de mercure. b) Thermomètre à dilatation pour mesures industrielles : Ils sont basés sur le principe bien connu qu’un liquide ou un gaz remplissant entièrement une capacité fermée déforme la paroi de celle-ci si elle est élastique, lorsqu’ils se dilatent sous l’effet de la chaleur. c) Thermo couples : Ils sont utilisés dans l’industrie ainsi que fréquemment dans les installations de chauffage. 2-3- Quantité de chaleur

Pour prendre conscience de la notion de quantité de chaleur, il suffit de procéder aux expériences simples ci-après : a) On allume un brûleur de fourneau à gaz. Son réglage ne sera pas modifié pendant toute la durée des opérations. On pose sur le brûleur un récipient d’une capacité de deux litres contenant un ½ litre d’eau à la température du robinet. On mesure le temps qui s’écoule jusqu’à ce que l’eau commence à bouillir. Il est de 5 minutes. On recommence l’expérience en mettant 1 litre d’eau : le temps est de 10 minutes ; on met 2 litres : te temps est de 20 minutes. En conclusion, on a constaté que le temps écoulé pour chacune des expériences doublait de l’une à l’autre comme la quantité d’eau. De même façon la quantité de gaz doublait, elle aussi, puisque le débit instantané du brûleur était constant et que son temps de fonctionnement augmentait. Or, la combustion de ce gaz produisait la chaleur servant à chauffer l’eau. On peut en conclure que la quantité de chaleur dégagée pendant les expériences suivait la même variation. Réciproquement il faut souligner que la quantité de chaleur absorbée par l’eau pour arriver à l’ébullition (donc qu’elle avait emmagasinée) était elle aussi doublée à chacune des expériences. b) Dans l’expérience précédente, l’opération de chauffage était toujours la même et se déroulait entre deux températures toujours identiques.

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L’élément variable était la quantité d’eau. La deuxième expérience, toujours à débit de gaz constant, se fait avec une quantité d’eau fixe. On prend en considération la variation de sa température, mesurée par un thermomètre. Au départ l’eau est à 10°. Sa température est portée à 30° : il s’écoule 2mn ; pour atteindre 50° il faudra 4mn ; pour 70°, il faudra 6mn ; enfin pour 90°, il en faut 8. En d’autres termes on constate que le temps de chauffage est proportionnel à l’élévation de la température. Il en est de même pour la quantité de chaleur dégagée par le brûleur, et par voie de conséquence, pour la quantité de chaleur emmagasinée par l’eau. Au total en superposant le résultat des deux expériences, on déduit que la quantité de chaleur contenue dans un corps chauffé est proportionnelle à sa masse 3 et à sa température. Cela n’est vrai qu’autant qu’il n’y pas de changement d’état, c’est-à-dire que le corps chauffé pendant l’expérience reste solide, ou liquide ou gazeux. On verra ailleurs ce qui se passe lorsque ce changement se produit.

2-3-1 : Chaleur spécifique des corps : Deux corps différents de même masse n’absorbent pas (et donc ne contiennent pas) la même quantité de chaleur lorsqu’ils sont portés à la même température. Par exemple, il faut beaucoup moins de chaleur pour chauffer un kilo de fer que pour chauffer 1 kg d’eau ; pour chauffer 1 kg d’air que pour chauffer 1 kg de mazout. Pour évaluer quelle quantité de chaleur est nécessaire au chauffage d’un corps quelconque, il faut donc connaître la chaleur d’échauffement qui lui est propre. On désigne cette chaleur par l’expression chaleur spécifique ou chaleur massique : c’est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C u ne masse de 1 kg du corps considéré. Chaleur spécifique de quelques corps

METAUX

Acier Nickel Zinc

0,12 0,100 0,095

MATERIAUX DIVERS Brique

0,3

LIQUIDES

Eau Fuel oil

1 0,48

AIR

Air Anhydride Carbonique Méthane

0,24 0,20 0,52

2-3-2- Unités et évaluation des quantités de chaleur On exprime les quantités de chaleur en calories. On a défini la calorie comme la quantité de chaleur permettant d’élever de 1° un centimètre cube d’eau.

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Ou, en terme plus courant, à son poids

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Cette unité étant trop petite pour l’usage courant, on la remplace habituellement par la « kilo calorie » (Kcal) qui est la quantité de chaleur permettant d’élever de 1°C kg d’eau (1) ou la millithermie, de même valeur, sous multiple de la thermie (th) valant elle-même 1 000 kcal. L’unité légale est le JOULE (J), unité d’ENERGIE et de TRAVAIL. Le choix de cette unité, d’usage obligatoire, à la place de calorie et thermie, montre que la chaleur est une forme d’énergie. 1 kcal = 4,185 kilojoule (KJ) 2-4 : Grandeurs physiques et unités usuelles (Rappel) (Travail – énergie – chaleur) •

le Joule (J)

C’est le travail d’une force de 1 newton dont le point d’application se déplace de 1 mètre dans sa propre direction W = F.L •

La Watt (W)

C’est une unité de puissance qui correspond à une énergie de 1 Joule par seconde •

La Watt heure (WH)

C’est l’énergie fournie en 1 heure par une puissance de 1 Watt 1 Wh = 3600 J ou 3 ,6 KJ 1 Kwh = 1000 Wh •

La thermie

C’est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1000 kg d’un corps dont la chaleur massique est égale à celle de l’eau de 15°C à 16°C sous la pression atmosphérique. On utilise aussi : •

la Kilocalorie (Kcal) : 1 Kcal = 10-3 th = 4, 1868 kj = 1,163 Wh

•

la tonne – équivalente de pétrole :

1 Tep = 10.000 thermies = 1, 1600 Kwh En conclusion de ce qui précède, on constate que la quantité de chaleur contenue dans un corps, est définie lorsqu’on connaît sa chaleur spécifique, sa masse et sa température. Exemple:

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Supposons que l’on veuille évaluer la chaleur nécessaire au chauffage d’un fuel contenu dans une cuve de 500 l. On veut porter ce fuel initialement à 10° C à la température de 60°C. On sait que sa densité est de 0,9 et sa chaleur spécifique 0,48. L’élévation de température est de : 60 – 10 = 50° • •

La masse à chauffer est de : 500 x 0,9 = 450 kg Chaleur nécessaire : 450 x 50 x 0,48 = 1080 kcal = 1080 x 4,185 KJ = 4519,8 KJ = 4.519.800 Joules.

3. EFFETS ET TRANSMISSION DE LA CHALEUR La chaleur a des effets multiples sur les corps. Cette réalité est illustrée par la présence dans la majorité des usines d’une ou plusieurs sources de chaleur, fours ou chaudières qui sont à l’origine des productions ou transformations qu’on y effectue. Les phénomènes physiques les plus connus de dilatation et de changement d’état qui nous intéressent ici sont : 3.1- LA DILATATION

La chaleur a la propriété de faire dilater les corps. Si on chauffe, par exemple, une barre métallique, elle s’allonge, et cela d’autant plus que sa température (ou degré de chaleur) devient plus élevée. Les liquides et les gaz de dilatent également sous l’influence de la chaleur, mais d’une façon beaucoup plus marquée que les corps solides. 3.1.1- Dilatation des solides et liquides

La dilatation des corps solides est relativement peu importante. Elle varie selon les corps. Sur les conduites de vapeur ou de fluide à haute température, on prévoit des appareils destinés à absorber les dilatations : soufflet, lyres, etc.… La dilatation des liquides est plus importante que celle des solides. Un récipient complètement clos contenant de l’eau que l’on chauffe, peut éclater sous l’effet de la pression qu’exerce le liquide en se dilatant sur les parois. C’est la raison pour laquelle les installations de chauffage central à eau chaude en circuit fermé comportent toujours un vase d’expansion permettant d’absorber les variations de volume d’eau du réseau, qui suivent les variations de température. Comme les solides, les liquides ont un coefficient de dilation différent pour chacun d’eux. 3.1.2- Dilatation des gaz

Elle est beaucoup plus importante que celle des liquides. Si la pression reste constante (comme c’est le cas dans un four ou un foyer de chaudière et ses carneaux) le volume augmente d’environ une fois sa valeur initiale tous les 273° d’augmentation de température. A l’inverse, lors d’un refroidissement, les gaz chauds se contractent dans les mêmes proportions. Bien entendu on tient compte de ces variations pour calculer les dimensions des conduits de fumées à l’intérieur des chaudières. 3.2- CHANGEMENTS D’ETAT

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3.2.1- Cas général Outre les changements de volume dont il est question ci-dessus, les corps peuvent subir des changements d’état lorsqu’ils sont soumis à des variations de température. Tout le monde sait qu’un corps solide peut devenir liquide lorsqu’on le chauffe suffisamment ; c’est la fusion. Par ailleurs, un liquide porté à une température suffisante entre en ébullition et se transforme en vapeur, c’est-à-dire passe à l’état gazeux (ébullition ou vaporisation). Tout corps solide commence à fondre si on le chauffe, et tout liquide à se solidifier si on le refroidit, à une température fixe, et cette température reste constante pendant toute la durée de la fusion de la solidification. La température à laquelle un liquide entre en ébullition dépend de la pression à laquelle il est soumis, mais elle est fixe pour une pression déterminée et reste constante pendant tout le temps de l’ébullition. 3.2.2- Cas particulier de l’eau

L’eau bout à 100°C à la pression atmosphérique. Cette température s’abaisse si la pression est moindre. Elle s’élève si la pression augmente. A l’ébullition l’eau s’évapore. Cette évaporation nécessite une grande quantité de chaleur : 539 Kcal par kg à la pression atmosphérique, alors qu’il n’a fallu que 100 kcal environ pour échauffer cette eau jusqu’au point d’ébullition. Lorsque la pression s’élève, la quantité de chaleur absorbée par la vaporisation diminue progressivement. Mais il faut davantage de chaleur pour atteindre le point d’ébullition. Toute la chaleur apportée à l’eau jusqu’à son entière transformation en vapeur se retrouve dans celle-ci : c’est sa chaleur totale, qui selon les expressions consacrées par l’usage, se décompose en chaleur d’échauffement de l’eau (jusqu’à l’ébullition), et en chaleur latente de vaporisation pour la transformation de l’eau en vapeur. 3.2.3- Transformation de l’eau en vapeur

La vapeur d’eau est un gaz invisible, produit par le changement d’état de l’eau. Ce changement d’état est obtenu en ajoutant de la chaleur à l’eau. L’énergie calorifique correspondante, contenue en potentiel dans un combustible, charbon, gaz, hydrocarbure, électricité ou encore énergie nucléaire, est transmise à l’eau dans un échangeur appelé généralement chaudière. Les deux cas de figures ci-après décrivent ce processus physique, suivant qu’il se produit à la pression atmosphérique comme dans une bouilloire ou à une pression plus élevée, dans une chaudière. Dans le premier cas, l’eau froide dans la bouilloire commence par emmagasiner de la chaleur : sa température croît progressivement. Une fois la température de 100°C atteinte, l’eau commence à bouillir : l’eau continue à revoir de l’énergie, bien que sa température reste constante. Cette énergie permet la transformation progressivement du liquide (eau) en vapeur d’eau : c’est la vaporisation. Dans le deuxième cas l’eau froide absorbe l’énergie calorifique produite dans le foyer de la chaudière. La température de l’eau croît comme précédemment et la vaporisation commence.

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La chaudière étant un vase clos, la production de vapeur continue engendre une pression. Cette pression croissant au fur et à mesure de la production de vapeur, s’exerce sur la surface de l’eau et retarde sa vaporisation. La température de vaporisation devient de plus en plus élevée. La vapeur se forme à température plus élevée. Dès que la pression de la chaudière est stabilisée par un régulateur, la température de vaporisation reste constante. Deux premières constatations peuvent être déjà faites : -

la température de vaporisation de l’eau croît lorsque la pression de la chaudière croît l’eau et la vapeur en contact sont toujours à la même température.

TABLE DE LA VAPEUR Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs caractéristiques pour les pressions courantes.

PRESSION TEMPERATURE POIDS CHALEUR CHALEUR ABSOLUE BAR °C SPECIFIQUE DE TOTALE DE LA VAPORISATION LA VAPEUR VAPEUR k cal/kg Kg/m3 Kcal/kg 638,5 539,4 0,579 1 100 0,847 642,8 531,9 110,8 1,5 535,9 1,109 645,8 2 119,6 650,3 516,9 132,9 1,622 3 509,8 2,125 653,4 4 142,9 655,8 503,7 151,1 2,621 5 3,112 657,8 498,5 158,1 6 493,8 164,2 3,600 659,4 7 489,5 660,8 8 169,6 4,085 662,0 485,6 4,568 9 169,6 5,049 663,0 481,8 174,5 10 466,0 179,4 7,446 666,6 15 452,7 20 211,4 9,85 668,5 30 232,7 14,7 669,7 430,2 262,7 24,85 667,3 393,1 50 100 309,5 54,21 651,1 317,1

3.3 TRANSMISSION DE LA CHALEUR

La chaleur se transmet d’un point à un autre selon trois modes différents : par conduction –par rayonnement – par convection. Il est bon de définir ce qui caractérise chacun d’eux.

3.3.1- Conduction

On sait qu’une tige de métal dont une extrémité est plongée dans un feu de forge ou dont une partie est chauffée au chalumeau s’échauffe progressivement sur toute sa longueur.

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La chaleur a été réellement « conduite » de proche en proche par le métal. Le phénomène se produit avec tous les matériaux quelle que soit leur nature. Mais son intensité varie avec celleci. Il existe en effet des corps bons conducteurs de chaleur, d’autres qui sont de médiocres conducteurs, d’autres enfin si mauvais conducteurs que, au moins par rapport aux autres, on considère qu’ils empêchent la chaleur de passer : ce sont des isolant ou calorifuge. L’aptitude d’un corps à transmettre plus ou moins de chaleur est caractérisée par son coefficient de conductibilité. Pour certains corps il est très élève, les métaux en particulier ; pour d’autres il est moyen ; matériaux de construction, bois, carton. Pour d’autres enfin, surtout les gaz il est très faible. Le tableau de la page suivante donne quelques valeurs de ce coefficient pour des matériaux courants. La formule expriment la quantité de chaleur transmises est la suivante : Q = (t1 – t2). k (en kcal. Par heure et m² de surface)e

t1 : température paroi chauffée (°C) t2 : température paroi opposée (° C) e : épaisseur (m)

COEFFICIENTS « K » DE MATERIAUX OU CORPS DIVERS

Le coefficient K est exprimé en kcal/m/h/°C. Il est donné pour les températures courantes. Il varie notablement avec la température pour certains corps. METAUX Acier Aluminium Cuivre Nickel Plomb Etain

MATERIAUX CONSTRUCTION 40 200 333 51,5 30 56

Brique Pierre calcaire Béton armé Bois sec Carton Verre à vitre

LIQUIDES Eau Alcool Benzine Huile de machine

0,50 0,65 0,9 0,12 0,12 1,05 GAZ

0,510 0,150 0,137 0,148

Air Azote Oxygène Gaz carbonique

0,024 0,023 0,024 0,014

3.3.2 – Rayonnement

On connaît bien le rayonnement de la lumière matérialisé par le faisceau lumineux d’un phare, celui produit par la réflexion du soleil sur un miroir. Le rayonnement de la chaleur est de même nature. Il s’agit de la propagation d’ondes électromagnétiques qui transportent en quelque sorte de l’énergie. Celui-ci se manifeste sous des formes diverses : lumière, chaleur, selon la « Longueur d’onde ». 3.3.3- Convection

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Elle s’applique aux liquides et aux gaz. Elle provoque la mise en mouvement des parties liquides ou gazeuses au contact des parois présentant des différences de température. De ce fait, la chaleur incluse dans ces parties, se déplace de la zone chaude vers la zone froide.

On peut définir deux aspects de la convection : a) la convection naturelle :

Les mouvements de fluide sont le résultat de la dilatation des parties chaudes relativement aux parties froides. Le chauffage par radiateurs de chauffage central se fait de cette manière b) la convection forcée :

La mise en mouvement du fluide est provoquée mécaniquement (ventilateur par exemple)

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3èmePartie LES GENERATEURS DE CHALEUR 1 GENERALITES ET ELEMENTS DE BASE

On englobe généralement sous l’expression « générateurs de chaleur » un ensemble très vaste d’appareils. Leur caractère commun est de produire un fluide thermique en utilisant comme source de chaleur celle qui est dégagée par un combustible. Le fluide thermique produit peut être : de la vapeur d’eau, de l’eau à haute température (plus de 110°), de l’eau chaude, un thermo fluide organiq ue, de l’air chaud. Dans le cadre de ce traité seul seront étudiés de façon détaillée les chaudières à vapeur. La production d’eau chaude à haute température sera également abordée dans ses aspects essentiels. Groupe évaporateur avec chaudière thermo fluide

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1-1- Caractères fondamentaux des chaudières à vapeur On peut souligner le fait qu’une chaudière à vapeur est à la fois un échangeur de chaleur et un appareil sous pression. Ces deux aspects conditionnent très largement sa conception et sa construction. 1-1-1- La chaudière échangeur de chaleur Dans la chaudière, la chaleur dégagée par le combustible brûlé dans le foyer, est transmise à travers les parois au liquide qui se trouve à l’intérieur. La surface par laquelle se fait la transmission est appelée surface de chauffe. Elle est définie ainsi : surface qui est au contact des gaz de la combustion d’un côté et de l’eau contenue dans la chaudière de l’autre. Les parties de cette surface d’échange soumises au rayonnement direct du foyer sont appelées « surface de chauffe directe ». Celles qui sont simplement léchées par les gaz de combustion constituent la « surface de chauffe indirecte ». 1-1-1-1- Surface de chauffe directe La surface de chauffe directe reçoit et transmet le plus de chaleur à l’unité de surface, d’autant qu’à la chaleur rayonnée s’ajoute celle transmise par convection du fait des gaz venant au contact des parois. Les constructeurs des chaudières modernes se sont efforcés de réaliser des appareils où les surfaces d’échange « enveloppent » le mieux et le plus possible la zone chaude du foyer afin que la chaleur qu’il émet soit captée dans toutes les directions.

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1-1-1-2- Surface de chauffe indirecte La surface de chauffe indirecte n’a pas pour autant une importance négligeable. Pour que les gaz qui sortent à la cheminée aient la température la plus basses possible, il faut faire en sorte qu’ils aient abandonné la plus grande partie de leur chaleur. Les échanges se faisant par convection, on favorise celle ci : • en assurant un contact aussi bon que possible entre gaz et parois par suppression des zones mortes • en augmentant la vitesse de circulation par diminution des sections de passage • enfin en allongeant convenablement les parcours. 1-1-1-3- Circulation de l’eau dans la chaudière Les parois qui reçoivent la chaleur sont d’autant plus rapidement refroidies que l’eau qui est à leur contact se renouvelle rapidement. Ce renouvellement se produit par convection sous l’effet de la différence de poids spécifique entre l’eau qui se trouve dans les parties les moins chauffées et le mélange d’eau et de vapeur en formation localisé dans les éléments les plus intensément chauffés.

Circulation d’eau dans la chaudière

Comme le montre la figure, les dispositions constructives adoptées peuvent favoriser la circulation. Les chaudières fonctionnant selon ce principe sont dites à circulation naturelle.

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La vitesse de circulation est d’autant plus grande que : - la hauteur h est plus grande, -

les tubes sont le plus proche possible de la verticale la différence de masse spécifique (ou de poids spécifique) entre l’eau et la vapeur est plus grande.

La différence de poids spécifique qui provoque la circulation naturelle diminue et avec elle la vitesse de circulation. Pour l’accélérer on est amené à installer une pompe de circulation. Elle est représentée en pointillé sur la figure. On a alors une circulation contrôlée.

1-1- 2- La chaudière appareil à pression La nécessité pour une chaudière de résister à des efforts de pression importants aggravés par des contraintes thermiques diverses conduit à un certain nombre de choix techniques que l’on peut résumer ainsi pour l’essentiel : •

L’acier utilisé pour la construction doit être de haute qualité

•

La forme la plus rationnelle pour résister à la pression est le cylindre : c’est celle de la plupart des éléments constitutifs.

•

Pour une pression donnée, plus le diamètre de ces éléments est grand, plus l’épaisseur de la paroi doit être grande. Pour diminuer les épaisseurs on est conduit à réduire les diamètres. Cette tendance est très marquée sur les chaudières modernes.

•

Les surfaces planes se déforment sous l’effet de la pression : on doit les éviter. Lorsqu’elles sont indispensables, il est nécessaire de les renforcer par des dispositifs divers : entretoises et tirants de formes diverses.

•

La résistance du métal diminue très rapidement dès que la température dépasse une certaine limite. Toutes les dispositions doivent être adoptées pour éviter que les surfaces recevant la chaleur risquent d’être surchauffées.

2. DIFFERENTES TYPES DE CHAUDIERES 2-1- CLASSIFICATION On classe généralement les chaudières : -

suivant la position du foyer : les chaudières à foyer extérieur et celles à foyer intérieur

-

selon la capacité des éléments constitutifs : les chaudières à « grand volume d’eau » qui peuvent comporter ou non des tubes à fumée, et les chaudières à « petit volume d’eau » dont la surface de chauffe est généralement constituée par des tubes à eau, léchés extérieurement par les fumées.

-

Suivant la puissance et les caractéristiques de la vapeur produite, les chaudières de grosse ou de petite industrie.

2-2- CARACTERES PARTICULIERS

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-

Les chaudières à grand volume d’eau représentent une inertie thermique parfois importante, d’autant plus que le volume est important.

-

Les chaudières à petit volume d’eau n’ayant que très peu d’inertie sont très vite en pression et réagissent rapidement aux variations de régime.

Ces défauts (et ces qualités), en cours de fonctionnement, sont beaucoup moins perceptibles depuis la généralisation et le perfectionnement des équipements de régulation automatique de chauffe et d’alimentation en eau. 2-3- CHAUDIERES DE FAIBLE PUISSANCE On peut inclure dans cette définition les unités dont la production se situe entre quelques centaines de kg/h de vapeur et 25 à 30 T/h. Les chaudières de cette catégorie présentent la plus grande diversité de types. Elles ont pour caractère commun de ne produire que de la vapeur saturée, en majorité à des pressions modestes, inférieures à 18Bar.

2-3-1- Chaudières à foyer intérieur et tubes de fumées Elles sont très largement répandues dans la petite industrie. Les modèles sont nombreux. Ils couvrent des puissances correspondant à des production de vapeur de 200 kg/h à 15 T/h et plus. La chaudière est constituée par un corps cylindrique fermé par deux plaques planes. Les dimensions sont variables suivant la puissance. Un gros tube cylindrique traverse le corps : il sert de foyer. Il est ondulé sur toute ou au moins une partie de sa longueur, d’une part pour renforcer la tenue à la pression extérieure, d’autre part pour faciliter les dilatations. Il est soudé aux deux fonds de la chaudière. Autour de lui, disposés de façon différente selon les constructeurs, des tubes de petit diamètre traversent la chaudière. Ils servent à guider les fumées dans un parcours simple ou double suivant les modèles, à travers la masse liquide à laquelle elles cèdent leur chaleur. Au début de la construction de ces chaudières ces tubes étaient mandrinés 4 dans les tôles des fonds.

4

On sait que « mandriner » (ou dudgeonner) un tube consiste à sertir son extrémité dans l’orifice qu’il occupe en expansant le métal au moyen d’un outil spécial

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Générateur de vapeur à foyer intérieur et tubes de fumée (3 parcours et boite de retour immergée)

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Générateurs de vapeur à foyer intérieur à retour de flamme (borgne)et tubes de fumée.

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Dans les constructions actuelles ils sont en général soudés après un léger mandrinage. La quasi totalité de ces chaudières est pourvue d’équipements de chauffe utilisant le mazout ou le gaz. Ces combustibles permettent en effet de réaliser une combustion complète en atteignant un taux de combustion élevé dans les conditions de faibles dimensions du foyer, celui ci étant pressurisé. L’admission d’air comburant sous pression facilite à la fois la combustion et l’écoulement des gaz dans le circuit.

Les bonnes performances de ces chaudières s’expliquent par les éléments suivants :

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-

la flamme du fuel ou du gaz utilisés remplissent entièrement le tube foyer ce qui augmente la surface de chauffe directe et par conséquent les échanges par rayonnement.

-

le taux de combustion est élevé et par voie de conséquence les températures moyennes dans le foyer aussi

-

les tubes de fumées sont de faible diamètre ce qui accroît la vitesse des gaz à l’intérieur et améliore leur contact avec la paroi.

-

la qualité des combustibles d’une part, la grande vitesse des fumées de l’autre empêchent les dépôts de suies et des cendres.

-

le foyer étant entouré par l’eau de la chaudière, il n’y a pas de chaleur perdue à chauffer des parties inactives comme le briquetage dans d’autres types de chaudières.

Pour faciliter l’installation de ces générateurs les constructeurs ont eu l’idée de les montrer sur une plate-forme métallique à laquelle ont été fixés les auxiliaires nécessaires à leur fonctionnement : pompe d’alimentation, ventilateur réchauffer et pompe à mazout, armoire de commandes électriques et de régulation. La chaudière étant mise en place, on n’a plus qu’à effectuer les liaisons de tuyauteries et les branchements électriques pour disposer en quelques heures d’un appareillage en ordre de fonctionnement. Cette particularité dont les avantages sont évidents, justifie l’appellation de « groupe autonome » donnée à l’ensemble. 2-3-2- Chaudières à tubes d’eau verticaux (fig) Les puissances courantes vont de 1 T/h à 7 T/h. Elles peuvent atteindre 12T/h Elles sont constituées par un corps supérieur et un corps inférieur en forme de « tore » 5 dont la section serait rectangulaire au lieu d’être circulaire. Ces deux tores sont reliés par deux ou trois nappes de tubes droits disposés sur les parois des deux tores se faisant face. L’espace circulaire fermé par les tubes de la première rangée intérieure constitue la chambre de combustion. Les tubes sont jointifs sauf sur une faible partie de la circonférence par où se fait le dégagement des gaz. Les passages sont aménagés de telle sorte que ces gaz soient obligés d’emprunter les parcours de plus long et de venir au contact de tous les tubes. Ces chaudières comme les précédentes sont équipées pour la chauffe aux combustibles liquides ou gazeux. Le brûleur est placé dans l’axe du tore supérieur, ce qui permet au mazout de s’écouler complètement lors des arrêts et facilite le maintien de la propreté de la pastille.

5

Tore : anneau a section circulaire

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Comme aux chaudières du type précédent, grâce à l’étanchéité de l’ensemble un seul

ventilateur de soufflage assure outre l’alimentation en air comburant, la circulation des gaz brûlés. Le taux de combustion est élevé, la vitesse de circulation des gaz assez forte et la longueur de leur parcours à travers la surface de chauffe indirecte suffisante pour assurer un refroidissement normal des fumées si les surfaces d’échange sont propres. Par ailleurs, la position verticale des tubes d’eau assure à celle ci une grande vitesse de circulation favorisant les échanges. Les déperditions par les parois sont faibles, surtout aux chaudières à 3 rangées de tubes, la plus extérieure servant de mur froid. Coupe a-b

sortie vapeur

coupe c-d

Sortie Gaz

Dans la même esprit de « groupe autonome » évoqué précédemment, certains constructeurs les équipent d’une plate-forme portant la pompe alimentaire et le groupe à mazout. 2-3-3- Chaudières à tubes d’eau type «à rayonnement » (fig) Ce type de chaudière couvre une gamme très étendue de puissances de 1,5 T/h de production de vapeur à 100 T/h environ, et au delà on distingue deux sortes de chaudières : -

des chaudières de puissance réduite (jusqu’à 20 – 25 T/h) des chaudières plus importantes

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La chaudière comporte : - deux corps disposés l’un au-dessous de l’autre qui servent de capacités principales d’eau et de vapeur. Ils sont de même longueur mais de diamètre différent, le corps supérieur étant le plus gros - des tubes de petit diamètre qui les relient. Ils sont mandrinés dans des alvéoles percés dans les parois des corps se faisant face, et constituant un faisceau serré. La dernière rangée, d’un côté, est déportée latéralement en sorte que les tubes forment une nappe continue largement écartée du faisceau principal. De manière analogue, à l’arrière et à l’avant de la chaudière, les tubes forment des nappes semblables. Les parois constituées par ces nappes sont désignées sous la terme d’écrans d’eau. Les tubes des écrans sont de plus en plus habituellement jointifs et même soudés par le moyen d’ailettes (fig.) Du côté faisceau, la première rangée de tubes est également jointive sauf sur une partie à l’arrière du foyer permettant le passage des gaz brûlés. L’ensemble délimite une enceinte qui constitue la chambre de combustion. A l’intérieur du faisceau, les gaz sont guidés par des chicanes qui les obligent à lécher tous les tubes.

Chaudières à rayonnement

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Le ou les brûleurs (fuel ou gaz) sont disposés sur la façade avant. Les écrans d’eau enveloppant dans tous les sens la source d’émission de chaleur justifient l’appellation donnée à ces chaudières dites « à rayonnement total », puisque ce rayonnement est effectivement capté dans toutes les directions où il se propage par une partie active de la chaudière. 2-3-4- Chaudières mono tubulaires à vaporisation instantanée

Ces chaudières sont utilisées pour de faibles productions de vapeur et occupent une place très modeste dans le parc à chaudières de l’industrie. Elles sont intéressantes par leur principe de fonctionnement. Elles sont constituées par un « mono-tube » enroulé en plusieurs couches concentriques. Les diamètres successifs des spires conduisent à l’aménagement d’un volume central constituant le foyer et d’intervalles ou circulent les fumées avant d’être évacuées.

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L’eau est refoulée à l’intérieur du tube à une pression nettement supérieure au timbre. Elle se réchauffe progressivement jusqu’à une température légèrement supérieure à celle de la vapeur à la pression du timbre. Elle n’est donc pas vaporisée dans le tube. A la sortie de ce dernier elle est détendue à la pression du timbre en pénétrant dans un cylindre vertical dit « séparateur » ou l’eau et la vapeur formée se séparent. L’eau qui n’est pas vaporisée est, soit évacuée vers la bâche alimentaire aux modèles simples, soit recyclée dans l’élément tubulaire aux modèles plus perfectionnés. L’intérêt de ce principe de fonctionnement, en dehors de la simplicité de construction, est d’assurer la circulation de l’eau sur toute la surface recevant la chaleur, ce qui exclut tout risque de surchauffe du métal. Son inconvénient, pour des appareils de construction simple, est de produire une vapeur très humide avec souvent des entraînements d’eau. 2-4- CHAUDIERES DE MOYENNE PUISSANCE

Les chaudières de cette catégorie couvrent une gamme de production de vapeur allant de 30 – 35 T/h à 200 T/h. Elles sont installées dans les usines où l’on utilise la vapeur pour faire fonctionner des turbines ou des machines. Ce sont des chaudières à tubes d’eau construites pour la plupart selon les principes techniques sembles à ceux décrits pour les chaudières à rayonnement total. Mais les caractéristiques de la vapeur produite, pression et température imposent quelques modifications qu’il est bon de connaître. 2-4-1- Surchauffe – Surchauffeur

La vapeur produite dans le corps supérieur d’une chaudière est de la vapeur saturée. Lorsqu’on désire l’utiliser pour faire fonctionner des machines, il est avantageux d’augmenter son énergie calorifique en la surchauffant. On le fait passer à cette fin dans un échangeur tubulaire, le surchauffeur, où tout en restant à la même pression sa température est augmentée. On dit qu’elle est surchauffée. La température de surchauffe aux chaudières de moyenne puissance varie de 350 à 450°C selon la destination de la vapeur. 2-4-2- Chaudières du type « à rayonnement total ». Ces chaudières sont très semblables à celles décrites au 5-3-3. Il n’est donc pas nécessaire de reprendre la description. On notera la présence d’un surchauffeur dans chacune d’elles. Les pressions élevées obligent à souder les tubes sur les ballons de la chaudière. Elles ont aussi pour conséquence la nécessité de mise en place d’un économiseur comme on l’expliquera plus loin.

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2-4-3- Chaudières à ballon unique

Quelques constructeurs, pour les chaudières dont le timbre est élevé, ont adopté la technique qui est celle des chaudières de grande puissance. Le « faisceau de vaporisation » qui est dans les chaudières précédentes reliait les deux ballons, est supprimé. La chaudière se compose uniquement d’un ballon supérieur et des écrans qui tapissent la chambre de combustion. Ces derniers suffisent à assurer la phase finale d’échauffement de l’eau jusqu’à la température d’évaporation. Les chaudières de moyenne puissance bien entretenues et bien réglées ont un rendement de l’ordre de 90%. 2-5- CHAUDIERES DE FORTE PUISSANCE

Ce sont les chaudières de production de vapeur allant de 250 à 1800 T/h. Elles équipent presque exclusivement les centrales de production d’électricité. Les principales caractéristiques de ces chaudières sont leurs dimensions impressionnantes. Les longueurs de tubes se comptent en kilomètres et les surfaces de chauffe en milliers de mètres carrés. 2.6 GENERATEURS D’EAU SURCHAUFFEE

Dans certaines installations qui n’ont pas besoin de vapeur comme force motrice, mais seulement de calories pour des chauffages divers, il peut être intéressant, au lieu d’utiliser la vapeur, d’employer de l’eau chaude circulant en circuit fermé. Cette eau peut être portée à des températures élevées, sans changer d’état, si elle reste à une pression supérieure à la pression de vaporisation. Les générateurs dans lesquels est produite cette eau surchauffée peuvent être les chaudières à vapeur elles mêmes. Le fonctionnement de ces générateurs est identique à celui des chaudières à vapeur. Il convient néanmoins d’être assuré à tout moment que la circulation de l’eau à l’intérieur des tubes est suffisante pour empêcher les productions locales de vapeur ce qui pourrait amener des avaries par surchauffe, ou des accidents par « coups de bélier » dans le circuit. Dans les établissements ou l’on a besoin à la fois de vapeur et d’eau surchauffée, on produit cette dernière dans un « préparateur ». L’installation comporte alors une chaudière à vapeur normale. On y puise de la vapeur qui se mélange dans un réservoir (le préparateur) avec l’eau du circuit de chauffage pour la porter à la température convenable. Cette technique permet à l’utilisateur de disposer à son gré de deux fluides de chauffage ayant leurs qualités propres.

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3. SURFACES DE CHAUFFE COMPLEMENTAIRES Dans une chaudière, en particulier si son timbre est élevé, les gaz de la combustion qui en sortent contiennent une quantité de chaleur notable. Pour éviter des pertes importantes qui résulteraient de leur envoi direct à la cheminée, d’autres surfaces de chauffe sont prévues en complément : ce sont les économiseurs et les réchauffeurs d’air. 3.1- Economiseurs Quelle que soit la perfection d’une chaudière il est évident que la température des fumée évacuées sera toujours supérieure à celle de l’eau et de la vapeur qu’elle contient. Cette dernière est connue puisqu’elle dépend de la pression de la vapeur. Pratiquement le déplacement est compris entre 50 et 80° pour des chaudières en bon état de propreté, convenablement réglées. Pour de faibles timbres (6 à 8 Bar donnant des températures internes d’environ 170°) on aboutit à des températures de fumées de 230 à 250°. La perte par chaleur emportée par les fumées n’est pas très grande. Par contre au-dessus de 25Bar, la température intérieure étant supérieure à 230°C, les fumées atteignent ou dépassent 300°C, ce qui est excessif, donc inadmissible. Pour y remédier on place sur le parcours des fumées après leur sortie de la chaudière, un échangeur à l’intérieur duquel on fait passer l’eau d’alimentation. Cet appareil est appelé « économiseur ». Grâce à lui on peut abaisser la température des fumées à une valeur raisonnable. On doit néanmoins éviter de descendre trop bas pour ne pas risquer la condensation (point de rosée) sur les surfaces d’échange, de la vapeur d’eau rendue acide par les produits de la combustion du soufre contenu dans le combustible (S03). Le métal de l’économiseur serait rapidement attaqué. Il existe de nombreux types d’économiseurs. 3.2- Réchauffeurs d’air Le réchauffage de l’air facilite la combustion. C’est pourquoi certaines chaudières sont équipées de réchauffeurs d’air. Comme les économiseurs ils servent à épuiser la chaleur contenue dans les fumées et sont disposés dans le circuit d’évacuation de celle ci. Ils sont pour la majorité d’entre eux constitués par un échangeur en tubes d’acier un faible diamètre et de faible épaisseur traversé d’un côté par les fumées, de l’autre par l’air.

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Chaudière à tubes de fumée avec réchauffeur d’air

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4ème Partie 1- IMPORTANCE ET MODALITES DE L’ENTRETIEN

L’entretien contribue dans une large mesure à maintenir les caractéristiques de fonctionnement initiales des chaudières et à assurer leur longévité. Il comporte deux postes principaux : • •

Le nettoyage des surfaces d’échange au contact des gaz La protection contre les dépôts de tartre des surfaces baignées par l’eau et leur élimination éventuelle.

Il comprend également la « maintenance » des équipements annexes devenus de plus en plus importants et perfectionnés. 2- NETTOYAGE DES SURFACES COTE GAZ

Ces surfaces se couvrent progressivement de suies et de cendres qui gênent la transmission calorifique et provoquent une augmentation de la température des fumées. Il convient de les enlever dans toute la mesure du possible. On procède pour cela à des ramonages. 3. PROTECTION CONTRE LES DEPOTS INTERNES ET DETARTRAGE

Les eaux des réseaux industriels contiennent toutes en solution des sels de nature diverse, mais dont les composants principaux sont les bicarbonates de calcium et de magnésium. Leur quantité varie notablement selon l’origine des terrains traversés par les nappes ou les cours d’eau. On dit qu’une eau est « dure » si elle est riche en sels de calcium et de magnésium. Elle est « douce » dans le cas contraire, encore qu’elle puisse contenir, généralement en petite quantité, d’autres éléments minéraux (dérivés de la silice en particulier). L’eau dure présente l’inconvénient de produire du tartre lorsqu’elle est chauffée dans les générateurs. Celui ci résulte de la transformation des bicarbonates sous l’effet de la chaleur. Alors qu’en leur état initial, ils étaient solubles à froid, ils deviennent insolubles à chaud dès qu’ils sont transformés en carbonates. Ils se déposent et se fixent sur les surfaces d’échange en couches plus ou moins épaisses. Le tartre gêne la transmission de chaleur. Si son épaisseur atteint plusieurs millimètres dans une zone intensément chauffée, le métal peut être surchauffé, ce qui entraîne de graves conséquences. Quoiqu’il en soit, il est clair que l’on doit combattre la formation du tartre et l’éliminer lorsqu’il existe.

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3-1 Utilisation de produits anti-tartre

Le tartre se forme ou achève sa formation surtout au contact des parois chaudes auxquelles il adhère fortement. Son homogénéité et sa dureté le rendent particulièrement nuisibles. On a imaginé d’accélérer la transformation des éléments qui en sont l’origine au sein même du liquide afin que les particules insolubles qui le constituent restent dispersées sous forme de boues non adhérentes. Celles ci ayant tendance à sa rassembler dans les parties basses des générateurs peuvent être évacués particulièrement par une extraction d’eau faite au point de rassemblement. Les composés chimiques utilisés pour cela sont principalement le carbonate de soude ou le phosphate trisodique. Ils sont souvent commercialisés sous forme de produits divers dans lesquels ils sont dosés en fonction des caractéristiques des eaux à traiter et accompagnés presque toujours d’autres agents chimiques complétant leur action. Ce traitement exige, pour être efficace au maximum, un dosage attentif des produits employés et des extractions régulières. Il en existe d’autres basés sur le comportement différent de certains corps chimiques à structure moléculaire complexe. Ils sont peu répandus ce qui justifie que l’on se borne à mentionner leur existence. 3-2- Epuration préalable

C’est la méthode de plus recommandable. Elle permet en effet soit d’éliminer les éléments minéraux en solution soit de les transformer pour qu’ils restent solubles en chaudière. Les techniques d’épuration anciennes étaient basées sur l’action chimique de la chaux, de la soude et du phosphate trisodique sur les bicarbonates de calcium et de magnésium de l’eau. Ces produits dosés convenablement et introduits dans l’eau chauffée dans de grands bacs cylindro-coniques provoquaient la « précipitation » des sels dissous sous forme de boues qui se rassemblaient à la partie inférieure des capacités et étaient évacuées. L’eau ainsi déminéralisée était ensuite filtrée avant d’être envoyée à la bâche alimentaire. Mais les procédés les plus récents lui sont supérieurs. Ils sont néanmoins encore utilisés partiellement combinés aux derniers. On utilise surtout maintenant les techniques de « permutation » par échangeurs d’ions. L’appareil le plus simple, largement répandu, est l’adoucisseur. Il s’agit d’une capacité cylindrique de dimensions variables avec le débit de l’eau à traiter mais restant toujours modestes (fig).

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Traitement d’eau

Il contient un lit de « résines » actif qui est traversé par l’eau. Ces résines ont la propriété de fixer le calcium et le magnésium des sels en solution en abandonnant le sodium dont elles sont chargées. Ainsi, par exemple, le bicarbonate de calcium ou le sulfate de calcium deviennent du bicarbonate ou du sulfate de sodium. Ces derniers à l’inverse de ceux auxquels ils se sont substitués après permutation, sont des sels solubles à chaud. Ils restent donc en solution dans l’eau et ne se déposent pas sur les parois d’échange qui restent propres. Les résines ont une capacité de permutation limitée. Pour restituer leur efficacité il faut les régénérer au bout d’un certain temps de fonctionnement de l’appareil, ou plus exactement, lorsqu’elles ont été traversées par un volume d’eau déterminé. L’opération, qui incombe en général au conducteur de la ou des chaudières, est précédée d’un dé tassage : on fait passer un courant d’eau en sens inverse du sens de circulation habituel pour soulever les résines et les détasser en entraînant en même temps les boues et particules arrêtées par le lit qu’elles forment ; l’eau est rejetée à l’égout. Un rinçage enfin permet d’éliminer la solution en excès. L’appareil est prêt pour un nouveau cycle de traitement. Le procédé à l’avantage de la simplicité et de l’efficacité. Il est d’un prix de revient réduit. Il présente certains inconvénients qu’il faut connaître :

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•

les sels de soude en solution, lorsqu’ils atteignent une concentration trop élevée

attaquent la robinetterie en laiton. Ils favorisent les entraînements d’eau dans la vapeur. On doit, pour limiter cette concentration soit procéder à des extractions abondantes d’eau de chaudière, soit en rejeter en permanence par une « purge continue ». Si on ne récupère pas la chaleur de cette eau, elle est perdue : la quantité de calories n’est pas négligeable. •

Les cycles de régénération peuvent varier selon la qualité de l’eau. Si l’on ne contrôle pas le traitement par des analyses, on risque d’introduire en chaudière des sels provoquant la formation de dépôts.

3-3- Détartrage

En dépit du traitement, des dépôts d’origines diverses peuvent se former peu à peu dans les chaudières. Il est souhaitable de les éliminer complètement de temps à autre. Autrefois la seule méthode connue était l’enlèvement, soit manuel au moyen de marteaux piqueurs, grattoirs, brosses métalliques, soit mécanique, dans les tubes, au moyen d’outils à molettes emmanchés sur des flexibles et entraînés par un moteur. Les formes simples des chaudières permettaient d’atteindre la plus grande partie des surfaces. Actuellement, si cette façon de faire n’est pas à rejeter à priori, elle peut rarement être appliquée. On doit procéder par traitement chimique. Pour l’essentiel celui ci consiste à attaquer le tartre par un acide dilué jusqu’à disparition complète des dépôts et à passiver ensuite les surfaces métalliques. La méthode donne de très bons résultats. Mais elle est dangereuse, car si des contrôles rigoureux ne sont pas effectués et de strictes précautions prises, le métal lui même peut être attaqué gravement. Il est expressément recommandé de faire appel à des spécialistes pour ce genre d’opération. 4. ENTRETIEN D’AUTRES ELEMENTS DE CHAUDIERES ET DES EQUIPEMENTS ANNEXES 4-1- Maçonneries

Elles doivent être conservées en état. Lorsque des dégradations sont décelées il est avantageux d’intervenir le plus vite possible. On peut en effet limiter les dégâts en réparant au moyen des mortiers de produits réfractaires qui on été cités. 4-2- Equipements de chauffe -4-2-1 – Brûleurs à fuel Ils doivent être régulièrement nettoyés avec beaucoup de soin. On ne doit pas utiliser pour cela d’outils métalliques qui pourraient rayer les pièces. Ces dernières doivent être examinées avec attention : elles seront remplacées sans hésitation dès l’apparition de traces d’usure.

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La qualité de la pulvérisation et, par conséquent, celle de la combustion en dépend. Concernant ces brûleurs, il conviendra de nettoyer les filtres du circuit qui les alimente et vérifier les organes de détente et de régulation 4-2-2- Brûleurs à gaz Moins délicats que les précédents, il arrive que les injecteurs soient déformés ou détériorés par surchauffe. Les éléments défectueux seront remplacés. 4-3- Appareil de contrôle et de sécurité La nécessité de leur strict entretien est évidente. Cette question sera traitée dans le chapitre concernant ces appareils. 4-4- Autres équipements Les pompes, ventilateurs, organes de robinetterie, appareils de régulation etc.. doivent faire l’objet de vérifications régulières, et des réparations et réglage nécessaires à leur bon fonctionnement.

5. AVARIES – INCIDENTS

5-1- AVARIES La diversité et l’importance des avaries pouvant se produire à une chaudière sont trop grandes pour que l’on puisse les examiner en détail. Les éléments d’information ci après concernent certains cas parmi les plus fréquents dont on pourra tirer quelques enseignements. On distinguera deux types d’avaries : • •

celles dues à l’usure progressive du matériel celles, inattendues, résultant d’un défaut brusquement révélé.

5-1-1- Usure Elle a deux causes bien connues : la corrosion par les produits de la combustion et la corrosion côté eau. 5-1-1-1- Corrosion par les fumées Ses effets se manifestent de façon variable. Ils sont beaucoup plus rapides dans les zones où s’accumulent les dépôts et ou les gaz ont une faible vitesse. C’est le cas aux emmanchements des tubes sur les ballons inférieurs de chaudières à tubes d’eau par exemple. L’épaisseur des tubes peut diminuer et obliger à un remplacement. On lutte contre cette corrosion en nettoyant aussi souvent que possible les régions vulnérables. On utilise aussi parfois des peintures de protection.

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51-1-2- Corrosion côté eau Selon leur origine elles se manifestent par des attaques profondes et irrégulières du métal (chancres) ou des attaques ponctuelles plus ou moins dispersées (piqûres). Ces dernières sont localisées en général dans les parties inférieures du corps inférieurs des générateurs. Il est rare qu’elles soient profondes. Elles peuvent toutefois nécessiter un apport de métal par soudure. Les premières sont plus dangereuses et entraînent dans certains cas le percement de la paroi. Le seul remède à ces défauts est un traitement de l’eau bien adaptée à ses caractéristiques et aux conditions de fonctionnement. 5-2-1 Défauts accidentels 5-2-1-1- Erosion par jet de ramoneur Les dispositifs de ramonage par jet de vapeur se bloquent parfois. Si on ne s’en aperçoit pas ou que l’on ne s’inquiète pas des conséquences, il peut arriver qu’un jet frappe en permanence une même surface réduite de chaudière. 5-2-1-2- Fuite aux emmanchements de tubes mandrinés Elle peut être due à un affaiblissement du métal lié à une diminution d’épaisseur. Le remplacement est nécessaire. Si ce n’est pas le cas, il a pu y avoir un léger glissement du tube dans son alvéole pour une cause fortuite. On reprendra alors le mandrinage. Si la fuite subsiste, il est préférable de ne pas insister : la qualité du métal du tube est défectueuse ou bien il existe des criques autour de l’alvéole. Il faut remplacer le tube ou réparer le métal de la plaque : cette deuxième réparation ne peut être faite que par un spécialiste. 5-2-1-3- Criques à des soudures C’est un défaut qui peut être grave. Il ne faut pas « recharger » la soudure qui doit être reprise dans les règles de l’art. Mais il faut aussi essayer de déterminer l’origine de l’anomalie. Au passage, il est important de noter que l’utilisation de la soudure et surtout sa réalisation ne peut être le fait que de techniciens expérimentés et compétents, qualifiés pour travailler sur des appareils à pression. 5-2-1-4- Cassures aux extrémités de tubes de fumées. Lorsque l’extrémité des tubes de fumées soudés à une plaque tubulaire dépasse un peu trop la surface de cette plaque, des cassures s’y produisent. Elles sont l’effet de contraintes de dilatation d’autant plus marquées que le métal qui dépasse, par « effet d’ailette », augmente le flux de chaleur. Parfois ces cassures se prolongent par des fissures sur la plaque elle même. Le remède consiste, (après réparation de la plaque et remplacement des tubes) à ne pas faire dépasser les tubes, leur soudure avec la plaque se faisant « en creux ». 5-2-1-5- Renforts – Entretoises Lorsque des renforts ou entretoises cassent, il faut les remplacer sans délai, sous risque de voir se produire des dégradations graves à d’autres parties de la chaudière. Si l’avarie se

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reproduit, il est prudent de vérifier si une anomalie de fonctionnement n’est pas à son origine. 5-3 INCIDENTS DE FONCTIONNEMENT 5-3-1- Alimentation en combustible On se bornera à citer les plus « classiques » sur des installations courantes a) Fuel : Difficultés d’alimentation : tuyauteries bouchées – Filtres sales – organes de robinetterie obstrués – régulateur de pression déréglé. Arrêt complet d’alimentation : réservoir vide – pompe en panne – vannes bloquées en fermetures. b) Gaz : Anomalies ou arrêt d’alimentation : vannes fermées – filtres bouchés – mauvais fonctionnement du détendeur – présence d’air dans la tuyauterie 5-3-2- Air comburant Insuffisance de débit ou difficultés pour le réglage : défaut d’alimentation électrique du moteur de ventilateur – bouchage du filtre d’aspiration – dans les petites chaufferies, « ventilation basse » bouchée – accumulation de dépôts dans les conduits ou gaines d’air – pales de ventilateur usées – volets d’air bloqués ou dégagés de leur commande. 5-3-3- Dispositifs de marche automatique a) Mise trop fréquente en sécurité par niveau : la fourchette de niveau est trop ouverte. Lors des variations brusques d’allure le niveau atteint des positions limites. Il convient de resserrer l’intervalle qui commande l’alimentation et au besoin limiter aussi la puissance maximum du brûleur. b) Mise en sécurité par défaut de flamme : pulvérisation défectueuse et flamme fumeuse – cellule de détection encrassée ou défectueuse – mauvaise qualité du combustible (impuretés) c) Allumage automatique : « Ratés » d’allumage : écartement défectueux es électrodes – électrodes encrassées – masse au circuit d’alimentation des électrodes – transformateur détérioré – mauvaises connexions.

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TABLE DES MATIERES

PREMIERE PARTIE : NOTIONS DE BASE ET SPECIFIQUES CHAPITRE I : Rappel unités et notions de physique 1.11.21.31.41.5-

Généralités sur les unités Longueur – Surface – Volume Masse Masse volumique et volume massique Pression 1.5.1- Unités de pression 1.5.2- Pression de gaz et vapeur 1.5.3- Pression relative et absolue

CHAPITRE II : LA CHALEUR 2.1- Généralités et définitions 2.2Température 2.2.1- Echelles de températures 2.2.2- Appareils de mesure a) Thermomètre à colonne de liquide b) Thermomètre à dilatation pour mesures industrielles c) Thermo couples 2.3-

2.4-

Qualité de chaleur 2.3.1- Chaleur spécifique des corps 2.3.2- Unités et évaluation des quantités de chaleur Grandeurs physiques et unités usuelles

CHAPITRE III : EFFETS ET TRANSMISSION DE LA CHALEUR 3.1- Dilatation 3.1.1- Dilatation des solides et liquides 3.1.2- Dilatation des gaz 3.2- Changement d’état 3.2.1- Cas général 3.2.2- Cas particulier de l’eu 3.3- Transmission de la chaleur 3.3.1- Conduction 3.3.2- Rayonnement 3.3.3- Convection a) La convection naturelle b) La convection forcée

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CHAPITRE IV : LES GENERATEURS DE CHALEUR 4.1- Généralités et éléments de base 4.1.1- Caractères fondamentaux des chaudières à vapeur 4.1.1.1- Surface de chauffe directe 4.1.1.2- Surface de chauffe indirecte 4.1.1.3- Circulation de l’eau dans la chaudière 4.1.2- La chaudière appareil à pression CHAPITRE V: DIFFERENTS TYPES DE CHAUDIERES 5.1- Classification 5.2- Caractères particuliers 5.3- Chaudières de faible puissance 5.3.1- Chaudières à foyer intérieur et tubes de fumées 5.3.2- Chaudières à tubes d’eau verticaux 5.3.3- Chaudières à tubes d’eau type « à rayonnement » 5.3.4- Chaudières mono tubulaires à vaporisation instantanée 5.4- Chaudières de moyenne puissance 5.4.1- Surchauffe – Surchauffeur 5.4.2- Chaudières du type « à rayonnement total ». 5.4.3- Chaudières à ballon unique 5.5- Chaudières de forte puissance 5.6- Générateurs d’eau surchauffée CHAPITRE VI : SURFACE DE CHAUFFE COMPLEMENTAIRES 6.1- Economiseurs 6.2- Réchauffeurs d’air CHAPITRE VII : ENTRETIEN 7.1- Importance et modalités de l’entretien 7.2- Nettoyage des surfaces côté gaz 7.3- Protection contre les dépôts internes et détartrage 7.3.1- Utilisation de produits anti-tartre 7.3.2- Epuration préalable 7.3.3- Détartrage 7.4- Entretien d’autres éléments de chaudières et des équipements annexes 7.4.1- Brûleurs à fuel 7.4.2- Equipements de chauffe 7.4.2.1- Brûleurs à fuel 7.4.2.2- Brûleurs à gaz 7.4.3- Appareils de contrôle et de sécurité 7.4.4- Autres équipements CHAPITRE VIII : AVARIES INCIDENTS 8.1- Avaries 8.1.1- Usure 8.1.1.1- Corrosion par les fumées 8.1.1.2- Corrosion côté eau

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8.2.1- Défauts accidentels 8.2.1.1- Erosion par jet de ramoneur 8.2.1.2- Fuite aux emmanchements de tubes mandrinés 8.2.1.3- Criques à des soudures 8.2.1.4- Cassures aux extrémités de tubes de fumées 8.2.1.5- Renforts – Entretoises 8.3- Incidents de fonctionnement 8.3.1- Alimentation en combustible a) Fuel b) Gaz 8.3.2- Air comburant 8.3.3- Dispositifs de marche automatique a) Mise trop fréquents en sécurité par niveau b) Mise en sécurité par défaut de flamme c) Allumage automatique DEUXIEME PARTIE : REGLEMENTATION ET PRESCRIPTIONS SUR LA SECURITE ET L’UTILISATION DES GENERATEURS REGLES DE SECURITE 12345-

Chaufferie – Implantation des chaudières Niveau d’eau Alimentation des chaudières Contrôle et limitation de la pression Autres dispositifs de sécurité sur les chaudières a) Vanne d’arrêt de vapeur b) Vanne de vidange c) Clapet de retenue de vapeur d) Fermeture automatique des foyers et des cendriers 6- Visites et épreuves des chaudières 7- Dispositions particulières aux générateurs d’au surchauffée 8- Accident

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