Introduction
Les chaudières à tubes de fumée, également appelées chaudières à tubes de fumée, sont le type de chaudière industrielle le plus répandu aujourd'hui. Comparées aux chaudières à tubes d'eau, elles conviennent mieux aux petites installations car elles gèrent plus efficacement les variations soudaines de la demande de vapeur.
La combustion a lieu dans un foyer où les gaz d'échappement (gaz de fumée) traversent une série de tubes de chaudière avant de s'échapper par une cheminée. Comme les gaz d'échappement passent à travers des tubes immergés dans l'eau, la chaudière est qualifiée de 'chaudière à tubes de fumée'. Les chaudières à tubes d'eau, en revanche, ont des tubes remplis d'eau entourés de gaz d'échappement, soit l'inverse d'une configuration de chaudière à tubes de fumée.
Chaudières à tubes de fumée
Composants et fonctions de la chaudière
Enveloppe
De nombreux composants d'une chaudière à tubes de fumée sont contenus dans une longue enveloppe cylindrique qui sert de récipient sous pression. L'enveloppe est remplie d'eau avec un espace en haut pour la libération de la vapeur.
Enveloppe
Tubes
Les tubes s'étendent d'une extrémité de l'enveloppe à l'autre ; cela peut se produire une ou plusieurs fois. L'enveloppe et les tubes peuvent être installés verticalement ou horizontalement, bien que l'orientation verticale soit moins courante.
Certains tubes peuvent avoir un diamètre plus épais que les tubes standard, ces tubes sont appelés 'tubes de maintien'. Les tubes de maintien réduisent les contraintes mécaniques sur les plaques tubulaires lorsque la chaudière est sous pression ; des barres de maintien peuvent également être utilisées à cet effet.
Tubes
Foyer
Le foyer est l'endroit où se produit la combustion ; c'est là que les températures les plus élevées de la chaudière sont atteintes. Les foyers sont généralement ondulés pour augmenter leur résistance mécanique, bien que les foyers non ondulés ne soient pas rares.
Foyer, Tubes et Enveloppe
Plaques tubulaires
Les plaques tubulaires servent à sceller les deux extrémités de l'enveloppe et à fournir un support pour le montage des tubes. Les plaques tubulaires sont généralement reliées à l'enveloppe par des barres de maintien.
Plaques tubulaires de chaudière à tubes de fumée
Brûleur
Le combustible, l'air et la chaleur doivent être fournis au foyer pour réaliser la combustion. Le combustible et l'air sont introduits dans le foyer par le brûleur. Une source d'allumage est fournie par un allumeur (une électrode qui crée un arc électrique, similaire à une bougie d'allumage mais plus grande). Les combustibles typiques incluent le fioul léger (LFO) et le gaz méthane, bien que d'autres soient disponibles. L'avant de la chaudière est situé là où le brûleur est monté.
Brûleurs montés sur chaudières
Chambre de retournement
Il peut y avoir une ou plusieurs chambres de retournement. Les chambres de retournement changent la direction des gaz d'échappement lorsqu'ils sortent d'un passage et sont dirigés vers un autre. Les chambres de retournement situées loin du brûleur sont des 'chambres de retournement arrière' tandis que celles les plus proches du brûleur sont des 'chambres de retournement avant'.
Chambre de retournement
Boîte à fumée
La boîte à fumée est la dernière partie de la chaudière que les gaz d'échappement traversent avant de sortir par la cheminée.
Boîte à fumée et cheminée
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Conceptions de chaudières à tubes de fumée
Il est possible de varier la conception de la chaudière de plusieurs manières :
- Dos humide - l'arrière du foyer est entouré d'une enveloppe d'eau.
- Dos sec - l'arrière du foyer est entouré uniquement de tôle.
- Dôme de vapeur - un dôme monté sur le dessus de l'enveloppe de la chaudière pour faciliter la libération de la vapeur.
- Nombre de foyers - une chaudière peut avoir entre un et trois foyers (règle générale).
- Conception du foyer - ondulé ou non ondulé. L'image ci-dessous montre un foyer ondulé, c'est-à-dire que le foyer n'est pas un cylindre droit.
Foyer ondulé indiqué
- Nombre de passages - chaque fois que le gaz d'échappement passe à travers la chaudière, cela est appelé un passage. Les chaudières à tubes de fumée ont généralement trois ou quatre passages, bien que des chaudières à un ou deux passages soient également utilisées.
1er passage de la chaudière
Comment fonctionnent les chaudières à tubes de fumée ?
La vidéo ci-dessous est un extrait de notre cours vidéo en ligne Introduction à la vapeur, aux chaudières et à la thermodynamique.
L'air et le combustible (généralement le fioul léger (LFO) ou le gaz méthane) sont introduits dans le foyer par un brûleur. Le mélange air/combustible est enflammé par un allumeur et la combustion commence.
La chaleur de la combustion est immédiatement transférée à la paroi du foyer et à l'eau environnante. Entre 40-60% de toute la chaleur générée dans la chaudière sera transférée à l'eau depuis le foyer, le reste étant transféré à l'eau via les tubes. Le foyer représente le 1er passage à travers la chaudière.
Les gaz d'échappement de la combustion se dirigent ensuite vers la première chambre de retournement. Les gaz sortent de la chambre de retournement et entrent ensuite dans le 2e passage de tubes, la deuxième chambre de retournement, le 3e passage de tubes, la boîte à fumée et enfin la cheminée.
L'eau est chauffée par la chaleur de la combustion et les gaz d'échappement résultants. À mesure que l'eau dans l'enveloppe est chauffée, la vapeur est libérée au sommet de l'enveloppe de la chaudière. La vapeur continue de s'accumuler jusqu'à ce que la pression et la température souhaitées soient atteintes.
Composants du modèle 3D
Ce modèle 3D montre tous les principaux composants associés à une chaudière à tubes de fumée à trois passages typique, ceux-ci incluent :
- Enveloppe - récipient sous pression chauffé.
- Brûleur - utilisé pour la combustion.
- Foyer ondulé - où se produit la combustion.
- Tubes - utilisés pour diriger les gaz d'échappement à travers l'enveloppe.
- Plaques tubulaires - utilisées pour maintenir les tubes en position.
- Chambre de retournement - les gaz sont inversés dans cet espace et renvoyés dans la direction opposée.
- Couvercle - retient l'isolation qui augmente l'efficacité thermique de la chaudière.
- Boîte à fumée - située là où les gaz d'échappement sortent du dernier passage de tubes, mais avant la cheminée.
- Soupapes de sécurité - utilisées pour soulager la pression du système en cas de surpression.
- Jauges - jauges locales et à distance utilisées pour surveiller la température, la pression et le débit.
Ressources supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Fire-tube_boiler
https://www.elprocus.com/fire-tube-boiler-working-principle-types-of-fire-tube-boilers
https://en.zozen.com/products/wns-series-gas-oil-fired-steam-hot-water-boiler.html