Boilers a corps

Apercu des differents types de boilers a corps avec des dispositions, des considerations de liberation de chaleur et de vapeur, ainsi que des limitations de pression et de puissance.

Les boilers a corps peuvent etre definis comme les boilers dans lesquels les surfaces de transfert de chaleur sont toutes contenues dans un corps en acier. Les boilers a corps peuvent egalement etre appeles boilers a ‘tubes de fumee’ ou ‘tubes a fumee’ car les produits de combustion passent a travers les tubes du boiler, qui a leur tour transferent la chaleur a l’eau du boiler environnante.

Plusieurs combinaisons differentes de disposition de tubes sont utilisees dans les boilers a corps, impliquant le nombre de passes que la chaleur du foyer du boiler effectuera utilement avant d’etre evacuee. Les Figures 3.2.1a et 3.2.1b presentent une configuration typique de boiler a deux passes. La Figure 3.2.1a montre un boiler a fond sec ou les gaz chauds sont inverses par une chambre refractaire sur la plaque exterieure du boiler. La Figure 3.2.1b montre une methode plus efficace d’inversion des gaz chauds a travers une configuration de boiler a fond humide. La chambre d’inversion est entierement contenue dans le boiler. Cela permet une plus grande surface de transfert de chaleur, ainsi que de permettre a l’eau du boiler d’etre chauffee a l’endroit ou la chaleur du foyer sera la plus elevee - sur l’extremite de la paroi de la chambre. Il est important de noter que les gaz de combustion doivent etre refroidis a au moins 420°C pour les boilers en acier ordinaire et 470°C pour les boilers en acier allie avant d’entrer dans la chambre d’inversion. Des temperatures superieures a cela provoqueront une surchauffe et des fissures des plaques d’extremite des tubes. Le concepteur du boiler aura pris cela en consideration, et c’est un point important si differents combustibles sont envisages. Plusieurs types differents de boilers a corps ont ete developpés, qui seront maintenant examines plus en detail.

Boiler Lancashire

Sir William Fairbairn a developpe le boiler Lancashire en 1844 a partir du boiler Cornish a un seul conduit de Trevithick. Bien que peu soient encore en fonctionnement, ils etaient omnipresents et etaient les precurseurs des boilers sophistiques et hautement efficaces utilises aujourd’hui. Le boiler Lancashire comprenait un grand corps en acier generalement entre 5 et 9 m de long a travers lequel passaient deux grands tubes de foyer appeles conduits. Une partie de chaque conduit etait ondulee pour absorber la dilatation lorsque le boiler devenait chaud, et pour empecher l’effondrement sous pression. Un foyer etait installe a l’entree de chaque conduit, a l’avant du boiler. Generalement, le foyer etait concu pour bruler du charbon, soit manuellement soit automatiquement alimente. Les gaz de combustion chauds passaient du foyer a travers les grands conduits ondules. La chaleur des gaz de conduits chauds etait transferee dans l’eau entourant ces conduits. Le boiler etait dans un environnement de maconnerie dispose pour acheminer les gaz chauds sortant des conduits vers le bas et sous le boiler, transferant la chaleur a travers le fond du corps du boiler, et deuxiemement le long des cotes du boiler avant de sortir par la cheminee. Ces deux conduits lateraux se rencontraient a l’arriere du boiler et alimentaient la cheminee. Ces passes etaient une tentative d’extraire la quantite maximale d’energie des gaz de produits chauds avant qu’ils ne soient rejetes dans l’atmosphere. Plus tard, l’efficacite a ete amelioree par l’ajout d’un economiser. Le flux de gaz, apres la troisieme passe, passait a travers l’economiser dans la cheminee. L’economiser chauffait l’eau d’alimentation et resultait en une amelioration de l’efficacite thermique. L’un des inconvenients du boiler Lancashire etait que le chauffage et le refroidissement repetes du boiler, avec la dilatation et la contraction resultantes qui se produisaient, derangeaient l’environnement de maconnerie et les conduits. Cela resultait en une infiltration d’air, qui derangeait le tirage du foyer. Ces boilers seraient aujourd’hui tres couteux a produire, en raison des grandes quantites de materiaux utilises et de la main-d’oeuvre necessaire pour construire l’environnement en maconnerie. La grande taille et la capacite en eau de ces boilers avaient un certain nombre d’avantages significatifs :

• Les demandes de vapeur soudaines et elevees, telles que le demarrage d’un moteur d’extraction de mine, pouvaient etre facilement tolerees car la reduction resultant de la pression du boiler liberait de copieuses quantites de vapeur flash de l’eau du boiler maintenue a la temperature de saturation. Ces boilers ont pu etre alimentes manuellement, par consequent la reponse a une diminution de la pression du boiler et a la demande de plus de combustible aurait ete lente.
• Le grand volume d’eau signifiait que bien que le taux de production de vapeur puisse varier considerablement, le taux de variation du niveau d’eau etait relativement lent. Le controle du niveau d’eau aurait a nouveau ete manuel, et l’operateur aurait soit demarre une pompe d’eau d’alimentation a vapeur a piston, soit regle une vanne d’eau d’alimentation pour maintenir le niveau d’eau souhaite.
• L’alarme de niveau bas etait simplement un flotteur qui descendait avec le niveau d’eau, et ouvrait un orifice vers un sifflet a vapeur lorsqu’un niveau predetermine etait atteint.
• La grande surface d’eau par rapport au taux de production de vapeur signifiait que le taux auquel la vapeur etait liberee de la surface (exprime en kg par metre carre) etait faible. Cette faible vitesse signifiait que, meme avec de l’eau contenant de hautes concentrations de solides dissous totaux (TDS), il y avait amplement de possibilites pour les particules de vapeur et d’eau de se separer et de la vapeur seche d’etre fournie a l’installation. A mesure que les systemes de controle, les materiaux et les techniques de fabrication sont devenus plus sophistiques, fiables et rentables, la conception de l’equipement de boiler a change.

Boiler economique (deux passes, fond sec)

Le boiler economique a deux passes n’etait qu’environ la moitie de la taille d’un boiler Lancashire equivalent et il avait une efficacite thermique plus elevee. Il avait un corps exterieur cylindrique contenant deux grands conduits de foyer ondules agissant comme les principales chambres de combustion. Les gaz de conduits chauds sortaient des deux conduits de foyer a l’arriere du boiler dans un environnement de maconnerie (fond sec) et etait devies a travers un certain nombre de tubes de petit diametre disposes au-dessus des grands conduits de foyer. Ces tubes de petit diametre presentaient une grande surface de chauffe a l’eau. Les gaz de conduits sortaient du boiler a l’avant et dans un ventilateur a tirage induit, qui les passait dans la cheminee.

Boiler economique (trois passes, fond humide)

Un developpement ulterieur du boiler economique a ete la creation d’un boiler a trois passes a fond humide qui est une configuration standard utilisee aujourd’hui (voir Figure 3.2.4). Cette conception a evolue a mesure que les materiaux et la technologie de fabrication ont avance : des tubes metalliques plus minces ont ete introduits permettant d’accueillir plus de tubes, d’ameliorer les taux de transfert de chaleur et de rendre les boilers eux-memes plus compacts. Les donnees de transfert de chaleur typiques pour un boiler economique a trois passes a fond humide sont presentees dans le Tableau 3.2.3.

Boiler emballé

Au debut des annees 1950, le ministere britannique du Combustible et de l’Energie a parraine des recherches sur l’amelioration de l’equipement de boiler. Le resultat de ces recherches a ete le boiler emballé, resultant du developpement ulterieur du boiler economique a trois passes a fond humide. La plupart du temps, ces boilers ont ete concus pour utiliser du petrole plutot que du charbon. Le boiler emballé est ainsi appele parce qu’il est livre comme un ensemble complet avec bruleur, controles de niveau, pompe d’alimentation et toutes les ferrures et accessoires necessaires au boiler. Une fois livre sur site, il ne necessite que les tuyauteries de vapeur, d’eau et de blowdown, l’alimentation en combustible et les connexions electriques pour devenir operationnel. Le developpement a egalement eu un effet significatif sur la taille physique des boilers pour une puissance donnee :

• Les fabricants voulaient rendre les boilers aussi petits que possible pour economiser sur les materiaux et ainsi maintenir leur produit competitif.
• L’efficacite est aidee en rendant le boiler aussi petit que pratiquement possible ; plus le boiler est petit et moins sa surface est grande, moins de chaleur est perdue dans l’environnement. Dans une certaine mesure, la conscience universelle de la necessite d’isolation et les hautes performances des materiaux isolants modernes reduisent ce probleme.
• Les consommateurs voulaient que les boilers soient aussi petits que possible pour minimiser l’espace au sol necessaire par la salle des boilers, et ainsi augmenter l’espace disponible a d’autres fins.
• Les boilers de dimensions plus petites (pour la meme production de vapeur) ont tendance a avoir un cout en capital inferieur. Le Tableau 3.2.4 demontre cela, ainsi que d’autres facteurs.

Liberation volumetrique de chaleur (kW/m3)

Ce facteur est calcule en divisant l’apport total de chaleur par le volume d’eau dans le boiler. Il relie effectivement la quantite de vapeur liberee en charge maximale a la quantite d’eau dans le boiler. Plus ce chiffre est bas, plus la quantite d’energie de reserve dans le boiler est grande. Notez que le chiffre pour un boiler moderne par rapport a un boiler Lancashire, est plus grand d’un facteur d’environ huit, indiquant une reduction de l’energie stockee d’une quantite similaire. Cela signifie qu’une quantite reduite d’energie de reserve est disponible dans un boiler moderne. Ce developpement a ete rendu possible par des systemes de controle qui repondent rapidement et avec des actions appropriees pour proteger le boiler et satisfaire la demande.

Taux de liberation de vapeur (kg/m2s)

Ce facteur est calcule en divisant la quantite de vapeur produite par seconde par la surface du plan d’eau. Plus ce chiffre est bas, plus les possibilites de separation des particules d’eau de la vapeur et de production de vapeur seche sont grandes. Notez que le chiffre du boiler moderne est plus grand d’un facteur d’environ trois. Cela signifie qu’il y a moins de possibilites de separation des gouttelettes de vapeur et d’eau. Cela est aggrave par de l’eau avec un niveau de TDS eleve, et un controle precis est essentiel pour l’efficacite et la production de vapeur seche. En periodes de charge augmentant rapidement, le boiler subira une reduction de pression, qui, a son tour, signifie que la densite de la vapeur est reduite et des taux de liberation de vapeur encore plus eleves se produiront, et de la vapeur progressivement plus humide sera exportee du boiler.

Boilers a quatre passes

Les unites a quatre passes sont potentiellement les plus thermiquement efficaces, mais le type de combustible et les conditions de fonctionnement peuvent empecher leur utilisation. Lorsque ce type d’unite fonctionne a faible demande avec du fuel oil lourd ou du charbon, le transfert de chaleur des gaz de combustion peut etre tres important. En consequence, la temperature des gaz de combustion a la sortie peut descendre en dessous du point de rosee acide, causant la corrosion des conduits et de la cheminee et possiblement du boiler lui-meme. L’unite de boiler a quatre passes est egalement sujette a des contraintes thermiques plus elevees, surtout si des variations de charge importantes se produisent soudainement ; cela peut conduire a des fissures de contrainte ou des defaillances dans la structure du boiler. Pour ces raisons, les boilers a quatre passes sont inhabituels.

Boiler a flamme inversee/dedale

C’est une variation sur la conception conventionnelle de boiler. La chambre de combustion est sous la forme d’un dedale, et le bruleur tire vers le centre. La flamme se replie sur elle-meme dans la chambre de combustion pour venir a l’avant du boiler. Des tubes de fumee entourent le dedale et passent les gaz de combustion a l’arriere du boiler et a la cheminee.

Limitations de pression et de puissance des boilers a corps

Les contraintes qui peuvent etre imposees au boiler sont limitees par les normes nationales. La contrainte maximale se produira autour de la circonference d’un cylindre. C’est appele contrainte ‘circonferentielle’. La valeur de cette contrainte peut etre calculee en utilisant l’Equation 3.2.1 : De cela, on peut deduire que la contrainte circonferentielle augmente a mesure que le diametre augmente. Pour compenser cela, le fabricant du boiler utilisera une plaque plus epaisse. Cependant, cette plaque plus epaisse est plus difficile a rouler et peut necessiter un detensionnement pour une epaisseur de plaque superieure a 32 mm. L’un des problemes de fabrication d’un boiler est le roulage de la plaque pour le corps. Les rouleaux de chaudronnier, comme le montrent les Figures 3.2.7 et 3.2.8, ne peuvent pas courber les extremites de la plaque et laisseront donc une partie plate :

• Le rouleau A est ajuste vers le bas pour reduire le rayon de courbure.
• Les rouleaux B et C sont motorises pour tirer la plaque a travers les rouleaux.
• Les rouleaux ne peuvent pas courber les extremites de la plaque Lorsque les plaques sont soudees ensemble et que le boiler est mis sous pression, le corps prendra une section circulaire. Lorsque le boiler est mis hors service, les plaques reprendront la forme ‘tel que roule’. Ce cyclage peut provoquer des fissures de fatigue a une certaine distance des soudures du corps. C’est une source de preoccupation pour les inspecteurs de boilers qui demanderont periodiquement que toute l’isolation du boiler soit retiree, puis utiliseront un gabarit pour determiner la precision de la courbure du corps du boiler. Evidemment, ce probleme est plus preoccupant pour les boilers qui subissent beaucoup de cyclage, comme etre arretes chaque nuit, puis ralumes chaque matin.

Limitation de pression

Le transfert de chaleur a travers les tubes de foyer est par conduction. Il est naturel qu’une plaque epaisse ne conduise pas la chaleur aussi rapidement qu’une plaque mince. Une plaque plus epaisse est egalement capable de resister a plus de force. Ceci est d’une importance particuliere dans les tubes de foyer ou la temperature de la flamme peut atteindre 1 800°C, et un equilibre doit etre trouve entre :

• Une plaque plus epaisse, qui a la resistance structurelle pour resister aux forces generees par la pression dans le boiler.
• Une plaque plus mince, qui a la capacite de transferer la chaleur plus rapidement. L’equation qui relie l’epaisseur de la plaque a la resistance structurelle est l’Equation 3.2.1 : L’Equation 3.2.1 montre que plus l’epaisseur de la plaque diminue, plus la contrainte augmente pour la meme pression de boiler. L’equation qui relie l’epaisseur de la plaque au transfert de chaleur est l’Equation 2.5.1 : L’Equation 2.5.1 montre que plus l’epaisseur de la plaque diminue, plus le transfert de chaleur augmente. En transposant les deux equations pour refleter l’epaisseur de la plaque. Pour un boiler donne, si le taux de transfert de chaleur (q_dot) augmente, la pression maximale admissible du boiler est reduite. Un compromis est atteint avec une epaisseur de paroi de tube de foyer comprise entre 18 mm et 20 mm. Cela se traduit par une limite de pression pratique pour les boilers a corps d’environ 27 bar.

Limitation de puissance

Les boilers a corps sont fabriques comme unites emballées avec tous les equipements auxiliaires fixes en position. Apres fabrication, le boiler emballé doit etre transporte sur site et le plus grand boiler pouvant etre transporte par route au Royaume-Uni a une puissance d’environ 27 000 kg/h. Si plus de 27 000 kg/h sont necessaires, alors des installations a plusieurs boilers sont utilisees. Cependant, cela a l’avantage de fournir une meilleure securite d’approvisionnement et une meilleure modulation de l’installation.

Resume

Le boiler a corps hautement efficace et reactif d’aujourd’hui est le resultat de plus de 150 ans de developpement dans :

• La conception de boilers et de bruleurs.
• La science des materiaux.
• Les techniques de fabrication de boilers.
• Les systemes de controle. Pour garantir son fonctionnement reussi et efficace, l’utilisateur doit :
• Connaitre les conditions, l’environnement et les caracteristiques de la demande de l’installation, et specifier precisement ces conditions au fabricant du boiler.
• Fournir une disposition et une installation de la salle des boilers qui favorisent un bon fonctionnement et une bonne maintenance.
• Selectionner les systemes de controle qui permettent au boiler de fonctionner de maniere securisee et efficace.
• Selectionner les systemes de controle qui soutiendront le boiler dans la fourniture de vapeur seche a l’installation aux pressions et debits requis.
• Identifier le combustible a utiliser et, si necessaire, ou et comment la reserve de combustible doit etre stockee en toute securite. Avantages des boilers a corps :
• L’installation entiere peut etre achetee comme un ensemble complet, ne necessitant que la fixation a des fondations de base et la connexion aux systemes d’eau, d’electricite, de combustible et de vapeur avant la mise en service. Cela signifie que les couts d’installation sont minimises.
• Cet arrangement emballé signifie egalement qu’il est simple de relocaliser un boiler a corps emballé.
• Un boiler a corps contient une quantite substantielle d’eau a la temperature de saturation, et par consequent a une quantite substantielle d’energie stockee qui peut etre mobilisee pour faire face a des charges a court terme appliquees rapidement. Cela peut egalement etre un inconvenient en ce sens que lorsque l’energie dans l’eau stockee est utilisee, il peut falloir un certain temps avant que la reserve ne soit reconstituee.
• La construction d’un boiler a corps est generalement simple, ce qui signifie que la maintenance est facile.
• Les boilers a corps ont souvent un tube de foyer et un bruleur. Cela signifie que les systemes de controle sont assez simples.
• Bien que les boilers a corps puissent etre concus et construits pour fonctionner jusqu’a 27 bar, la majorite fonctionne a 17 bar ou moins. Cette pression relativement basse signifie que l’equipement auxiliaire associe est facilement disponible a des prix competitifs. Inconvenients des boilers a corps : Le principe emballé signifie qu’environ 27 000 kg/h est la puissance maximale d’un boiler a corps. Si plus de vapeur est necessaire, alors plusieurs boilers doivent etre connectes ensemble. Les grands cylindres utilises dans la construction des boilers a corps limitent effectivement leur pression de fonctionnement a environ 27 bar. Si des pressions plus elevees sont necessaires, alors un boiler a tubes d’eau est requis.