VI.1.Introduction et Gnralits sur les chaudires:Chaudire n.f: Organe de chauffage dun liquide transporteur de chaleur ou de production de vapeur nergtique.Il existe deux grands groupes de chaudires : les chaudires de rcupration qui permettent de valoriser lnergie thermique dun fluide chaud qui doit tre refroidi et les chaudires combustion, dans lesquelles un combustible est brl de manire transfrer lnergie ncessaire.Les chaudires combustion sont conues en fonction des caractristiques du fluide caloporteur ou du fluide vaporiser, ainsi que de celles du combustible brler.Les chaudires de rcupration ont, elles aussi, des caractristiques trs varies, dictes par les processus industriels auxquelles elles sont associes. Elles produisent soit de la vapeur de chauffe, utilise en dautres points de linstallation qui ncessitent un apport de chaleur, soit de la vapeur nergtique, dont la dtente dans des turbines permet dentraner certaines machines, telles que des compresseurs, des pompes ou alors des alternateurs connects un transformateur pour la production dlectricit.Nous tudierons plus particulirement les chaudires de rcupration dans un cycle combin couramment appel cycle TGV (turbine gaz/vapeur), illustr la figure VI-1. La chaleur contenue dans lchappement de la turbine gaz (560C-640C) est utilise par un cycle thermodynamique mettant en uvre une turbine vapeur.Ce type de centrale prsente un rendement net actuellement proche de 55%. La technologie TGV constitue un excellent moyen de production de llectricit et est amene jouer un rle important dans les annes futures.Figure VI-1 : Exemple de cycle TGV un seul niveau de pressionTrs gnralement, elles surchauffent ensuite cette vapeur, cest--dire quelles en lvent la temprature au-dessus de sa temprature de saturation. La vapeur ainsi produite peut galement constituer un fluide caloporteur ; elle est alors gnre une pression telle que sa temprature de condensation corresponde au niveau de temprature requis par les organes dutilisations ; on ne la surchauffe que lgrement, uniquement pour limiter les condensations parasites dans les conduites de transport et de distribution.Mais, plus gnralement, cette vapeur est utilise comme fluide nergtique, dans un cycle ferm de production dnergie. Dans ce cas, on cherche optimiser les pressions et obtenir les tempratures de surchauffe les plus leves possibles dans un contexte conomique et technique raisonnable. Les rendements des cycles nergtiques auxquels elles sont associes sont, en effet, des fonctions de ces deux paramtres.VI.2.La chaudire de rcupration et les cycles combins:La chaudire de rcupration est l'interface entre le cycle gaz et le cycle vapeur, cella pouvant rcuprer plus de 80 % du potentiel thermique vacu par la turbine gaz.Dans la chaudire de rcupration il y a des importantes pertes exergtiques donne par la diffrence de temprature entre les fumes et l'eau/vapeur. Pour rduire ces irrversibilits (destruction d'exergie) et pour utiliser cependant efficient le potentiel thermique des fumes sera utilis des chaudires de rcupration avec plusieurs niveaux de pression de production de la vapeur. De point de vue thermodynamique le rendement exgtique de la chaudire de rcupration crot avec le nombre des niveaux de pression de production de la vapeur, nanmoins les contraint donnes par le cot d'investissement limitent ce numro, en ncessitant une optimisation technico-conomique en ce qui concerne le numro de niveaux de pressions et les valeurs de ces pressions. Les chaudires de rcupration des cycles combins (de grandes puissances) utilisent deux or trois niveaux de pressions de production de la vapeur avec/sans resurchauffe.Dans certains cas, lorsquune augmentation de la puissance est souhaite, le cycle combin peut tre quip dune postcombustion qui a pour but daugmenter la quantit et la qualit de la vapeur produite dans la chaudire. Une postcombustion pousse peut se faire condition de modifier la conception de la chaudire, qui perd alors son caractre de simple changeur de chaleur et se rapproche dune chaudire classique foyer.La diffrence de temprature minimale entre les fumes et l'eau/vapeur est nomme le pincement "pinch point" (sur la part d'eau/vapeur, ce point est la jonction entre conomiseur et vaporisateur). Les dgradations exergtiques croisent avec le pincement.' Pour rduire le pincement on doit augmenter la surface de transfert de chaleur, nanmoins la croissance de la surface de transfert de chaleur implique la croissance de cot d'investissement en rsultant la ncessit d'une calcule d'optimisation technico-conomique. Pour une temprature des fumes fixes l'entre dans une chaudire de rcupration un niveau de pression, la temprature des fumes la sortie de la chaudire (au chemin) est fonction de la valeur de la pression de production de la vapeur et du pincement. Il ya une (des) pression(s) optimale(s) pour laquelle(s) les pertes exergtiques dans la chaudire de rcupration sont minimales et l'exergie transfr au fluide de travail se maximise. Les irrversibilits du cycle vapeur dplacent l'optimum. Par exemple la croissance de la pression de la vapeur l'entre dans la turbine vapeur, en maintenant constante la temprature l'entre dans la turbine vapeur peut avoir des effets ngatifs sur la turbine vapeur. Aussi intervient le critre conomique dans la chois finale des pressions de travail.Pour augmenter la puissance produite par le cycle combin la chaudire de rcupration peut tre prvue avec des brleurs, l'excs d'air dans les fumes tant suffisant pour soutenir la postcombustion. Le rendement lectrique global du cycle combin avec postcombustion est rduit en comparant avec le cycle combin sans postcombustion ; la puissance thermique obtenue dans la chaudire de rcupration est utilise pour produire puissance lectrique seulement dans le cycle vapeur.VI.3.Les types de chaudires de rcupration:Il existe plusieurs manires pour classer les chaudires de rcupration:VI.3.1. Le premier classement : dpend de larrangement des changeurs, nous avons : chaudire de rcupration horizontale et verticale.

FigureVI.2: Chaudire de rcupration horizontale

FigureVI.3: Chaudire de rcupration verticaleVI.3.2. Le deuxime classement : se fait en fonction du nombre de niveau de pression, on parle de chaudire un niveau de pression (1P) si elle comporte un conomiseur, un vaporateur associ un ballon et un surchauffeur (dans ce type de cycle, la temprature des fumes rejetes latmosphre reste leve (150 180C) et de chaudire deux niveaux de pression (2P) sil y a deux sries dchangeurs. Lun haute pression (HP) (il rcupre la chaleur haute temprature) et lautre basse pression (BP) (il rcupre la chaleur basse temprature). On peut trouver aussi des chaudires trois niveaux de pression (3P), mais la complexit de linstallation sera accrue.

FigureVI.4: Chaudire a deux niveaux de pressionVI.3.3. La Troisime classement:Aussi la circulation du uide joue un rle pour classer les chaudires de rcupration:A- Les chaudires circulation naturelle:Dans les chaudires circulation naturelle, la circulation du fluide dans lvaporateur est assure par la diffrence de densit entre leau qui descend du ballon et le mlange eau vapeur qui remonte vers le ballon (voir Figure VI-5). La circulation naturelle est dautant meilleure que la diffrence de hauteur entre le ballon et les tubes est grande. Dans le ballon, il y a sparation des phases : la phase vapeur est envoye vers une ventuelle surchauffe tandis que leau la base du ballon est renvoye vers lvaporateur.

Figure VI-5: Chaudire circulation naturelleLa chaudire un niveau de pression peut donc tre divise en trois zones bien distinctes : Lconomiseur : leau liquide est rchauffe jusqu la temprature dapproche qui se situe quelques degrs sous la saturation. Cette diffrence de temprature est une scurit pour ne pas avoir de vaporisation lintrieur de tubes ; Lvaporateur : leau reprise la base du ballon est partiellement vaporise puis renvoye dans le ballon ; Le surchauffeur : la vapeur est soutire en haut du ballon et est surchauffe jusqu la temprature de consigne. Gnralement, la temprature la sortie du surchauffeur est rgule par une dsurchauffe, ce qui permet un contrle plus facile en cas de modification des conditions de fonctionnement de la source de fluide chaud (par exemple une turbine gaz).La diffrence de densit entre les phases vapeur et liquide saturation dcrot quand la pression augmente (voir Figure VI-6). Cest pourquoi on ne rencontre pas de chaudire circulation naturelle trs haute pression (rarement au-del de 145 bar).

Figure VI-6 : volution de la densit de leau liquide et vapeur avec la pression de saturationLes chaudires circulation naturelle nayant pas de pompe de circulation lvaporateur, prsentent lavantage dune faible consommation lectrique et de cots de maintenance limits.B- Les chaudires circulation assiste:Lorsque la pression de la vapeur augmente, le tirage naturel dans les tubes de lvaporateur devient insuffisant. Une pompe de circulation est alors introduite dans la boucle de vaporisation pour vaincre les pertes de charge du mlange eau vapeur dplacer (voir figureVI-7).

Figure VI.7: chaudires circulation assisteCest un schma couramment rencontr pour des pressions comprises entre 100 et 180 bar. Pour des pressions suprieures, on rencontrera des chaudires circulation force.C- Les chaudires circulation force:Les chaudires les plus modernes peuvent tre vaporisation totale, elles ne comportent thoriquement plus de rservoir matrialisant la sparation eau vapeur (voir Figure VI-8) et sont constitues dun grand nombre de tubes parallles lintrieur desquels leau se rchauffe, se vaporise, et se surchauffe en un seul passage.

Figure VI-8 : Chaudire circulation force sans ballon de dmarrageUne chaudire circulation force diffre dune chaudire classique, circulation naturelle ou assiste, de par le nombre dlments qui la composent. En effet, une chaudire classique comprend un conomiseur, un vaporiseur avec ballon de sparation et un surchauffeur. Dans une chaudire circulation force, on ne peut plus faire la diffrence entre lconomiseur et le vaporiseur, et sil subsiste un ballon de sparation, non seulement sa taille est fortement rduite, mais en plus, son utilit est principalement limite la phase de dmarrage de la chaudire, pendant laquelle leau soutire la base du ballon est renvoye vers le dgazeur, le surchauffeur ntant oprationnel que lorsque le dbit de vapeur sortant du ballon est suffisant (voir Figure VI-9).

Figure VI-9 : Chaudire circulation force avec ballon de dmarrageDeux autres critres permettent galement le classement des chaudires de rcupration. Le premier critre consiste en lexistence ou non de la resurchauffe (la resurchauffe aide amliorer le rendement du cycle thermodynamique). Quant au deuxime critre, il consiste en lexistence ou non de la postcombustion (la postcombustion assure laugmentation de la production de la vapeur).En conclusion, dans les centrales cycle combin la chaudire de rcupration est llment de base, elle relie deux cycles nergtiques, lun gaz et lautre vapeur, dont le rendement est en fonction de lefficacit de cette chaudire, ce qui rend ltude et le choix de la chaudire de rcupration, important. Car en dnitive, lobjectif de ces centrales comme de toute centrale est le maintien de lquilibre de la production dlectricit. Do lexigence dtudier convenablement les units qui les constituent.VI.4.Les chaudires dans un cycle TGV:Dans un cycle combin, les chaudires de rcupration doivent tre conues de manire satisfaire plusieurs objectifs : rduire les irrversibilits de transfert de chaleur. accrotre lefficacit du transfert de chaleur. minimiser la perte par enthalpie restante des fumes rejetes la chemine. permettre le rglage de la temprature de sortie de la vapeur surchauffe lentre de la turbine vapeur. pouvoir tre rapidement dmarre pour ne pas perturber le cycle combin. prsenter une perte de charge limite ct fume pour limiter la contre-pression lchappement de la turbine gaz, ce qui en rduirait le rendement.Afin de rencontrer ces objectifs, certaines mthodes sont systmatiquement utilises : Dterminer les niveaux de pression et organiser la circulation gnrale de faon minimiser la diffrence de temprature entre les fumes et leau/vapeur rchauffer. Adopter pour chaque changeur la circulation contre-courant. Utiliser un rchauffeur dair lorsque le cycle le permet (pas de TG).Considrons une chaudire de rcupration compose dun conomiseur, dun vaporateur et dun surchauffeur. Si leau et les fumes circulent contre-courant, la diffrence minimum de temprature entre les fumes et leau dfinira le point de pincement du procd.Deux points de pincement apparaissent dans une chaudire de rcupration simple pression (voir Figure VI-10): un point de pincement la sortie du surchauffeur (F1, E1) et un point de pincement lvaporateur (F3, E3). Le point de pincement dfinit la limite de rcupration correspondant lnergie maximum rcuprable dans les fumes. La connaissance des enthalpies des fumes aux points F1 et F3 permet de dterminer lnergie disponible tandis que les enthalpies de leau aux points E1 et E4 permettent de dterminer le dbit de vapeur pouvant tre gnr dans cette chaudire.

Figure VI-10: volution des tempratures dans une chaudire contre-courantDbitvapeur = Par dfinition, lchange de chaleur est rversible lorsque les courbes de temprature se superposent. En pratique, cest impossible car mme en imaginant des surfaces dchange infinies, il subsisterait un palier pour la vaporisation de leau. On peut visualiser les irrversibilits du procd en reprsentant lvolution de la variation denthalpie en fonction du facteur de Carnot (T T0 )/ T (voir Figure VI-11 et Figure VI-12). Sur ce diagramme, laire comprise entre un courbe et lhorizontale T0(15C) reprsente lexergie disponible. Laire comprise entre la courbe de refroidissement de la fume et la courbe dchauffement de leau reprsente lexergie perdue par change irrversible. Les poches dirrversibilit peuvent tre rduites en effectuant la vaporisation diffrents niveaux de pression. Le nombre de niveaux de pression restera cependant souvent limit 3 pour garder une structure conomiquement rentable.A titre indicatif, nous allons valuer les pertes xrgtiques dans une chaudire un seul niveau de pression (180 bar) et les comparer aux pertes dans une chaudire deux niveaux de pressions (15 bar et 180 bar). La composition des fumes est la suivante :

Les donnes thermodynamiques sont calcules partir du modle IAPWS (Wagner W.1998) pour leau et PTC4 (ANSI/ASME 1981) pour les fumes.A-Chaudire 1P (180 bar):Pour pouvoir produire 1 kg de vapeur HP surchauffe 540C, en acceptant un point de pincement de 18C lvaporateur il faut 6.69 kg de fumes 600C. Ces fumes ressortent la chemine 151C. Les profils de temprature sont reprsents la Figure VI-11.

En fixant T0=288.15 K, on calcule : lexergie perdue par la fume : E1 = H T0 S = 1804.8 kJ lexergie reue par leau : E2 = 1536.8 kJOn en dduit la perte dexergie due lirrversibilit de lchangeE = E1 E2 = 268 kJ, soit 14.8% de E1

Figure VI-11: Chaudire 1 niveau de pressionLanalyse de la Figure VI-11 (facteur de Carnot en ordonne) montre quon pourrait rduire les pertes en insrant la production dune nouvelle quantit de vapeur sous la temprature de saturation de la vapeur HP. Cette vapeur doit donc tre une pression infrieure et peut tre surchauffe jusque T