Une chaudière est un générateur de chaleur permettant à la fois la production et le transport de l’énergie thermique. La chaudière est l’équipement énergétique incontournable dans tous les secteurs industriels.

L’énergie thermique d’une chaudière est produite soit par une résistance électrique, soit dans un foyer avec un brûleur où une combustion a lieu. Un échangeur de chaleur où un fluide caloporteur récupère l’énergie produite dans le foyer permet ainsi le transport de cette énergie vers le procédé. Cet article s’intéresse uniquement aux chaudières à combustibles, puisqu’elle présente, par rapport aux chaudières électriques, des pertes supplémentaires liées à la combustion et sa qualité.

Pratiquement, le fluide caloporteur ne permet pas de transporter toute l’énergie produite par la combustion dans le foyer de la chaudière. Il y a des pertes énergétiques inévitables qui ne peuvent pas être récupérées. La performance d’une chaudière industrielle est donc définie par la fraction transportable de l’énergie totale produite par la combustion.

Performance des chaudières industrielles

L’évaluation de la performance ou l’efficacité des chaudières industrielles dépend de la détermination de deux grandeurs principales :

  1. Chaleur utile fournie au fluide (eau ou vapeur)
  2. Chaleur brute fournie par le combustible consommé dans les brûleurs des chaudières.

Ces deux valeurs peuvent être déterminées chacune de deux manières différentes.

La chaleur utile est déterminée par une méthode directe ou indirecte. La méthode directe consiste à mesurer le débit d’eau ou de vapeur dans la chaudière, sa pression et température à l’entrée et la sortie de la chaudière. La méthode indirecte consiste à évaluer théoriquement les différentes pertes de la chaudière, et de calculer la chaleur utile par différence entre la chaleur brute et les pertes.

La chaleur brute de combustion peut être évaluée à partir de deux propriétés caractéristiques du combustible, son PCI ou son PCS. Nous nous intéressons d’abord à ces deux propriétés pour comprendre la différence entre elles.

Par définition, le PCS est le Pouvoir Calorifique Supérieur du combustible. C’est la quantité thermique de chaleur dégagée lorsqu’un kilogramme du combustible est brûlé. Théoriquement, cette chaleur correspond à la récupération totale de la chaleur libérée.

Le PCI est le Pouvoir Calorifique Inférieur du combustible. Cette quantité équivaut uniquement à une récupération de la chaleur sensible de la combustion. La notion du PCI néglige donc une parte de l’énergie libérée, correspondante à la condensation de la buée lorsqu’on ramène les fumées dégagées à pression et température de référence (ambiantes).

Le choix de la valeur de PCI ou PCS comme référence pour évaluer l’énergie du combustible et la performance de la chaudière représente souvent un problème aux industriels. En France, la valeur du PCI est la plus répandue industriellement pour calculer les rendements des chaudières. Ceci est dû au fait que, pour longtemps, la récupération de l’énergie de condensation de la buée dans la fumée n’était pas possible. Aujourd’hui, les chaudières à condensation permettent une récupération de cette énergie de condensation et donc une production de chaleur utile supérieure à celle estimée par le PCI. Or l’origine de cette énergie n’est autre que la combustion, le PCI sous-estime alors la chaleur et la question se pose sur la validité du PCI comme référence dans le calculer du rendement des chaudières en industrie.

Pour enlever l’ambiguïté sur le concept du PCI et PCS, il faut analyser la chimie de la combustion. La combustion est une réaction chimique à la base. L’énergie de combustion est par définition l’énergie de réaction dégagée dans les conditions stœchiométriques.

Réaction de combustion

La combustion est une réaction d’oxydation exothermique où un combustible est oxydé par un comburant contenant de l’oxygène pur. Durant cette combustion, de l’énergie thermique (chaleur) et de la lumière (flamme) sont fournies. Le combustible peut se présenter sous les trois formes : solide comme le charbon, liquide comme le fioul, gazeux comme le méthane ou le propane, ou parfois un mélange de ces trois formes. Le comburant peut être soit de l’air, soit de l’oxygène (oxycombustion).

Considérons le cas de la combustion idéale d’un hydrocarbure (contenant du carbone et de l’hydrogène) dans l’air. La combustion stœchiométrique générique dans ce cas s’écrit :

Pour estimer l’énergie thermique dégagée par cette combustion, il faut établir le bilan énergétique de la réaction afin de déterminer le pouvoir calorifique de l’hydrocarbure CmHn. Dans le paragraphe suivant, nous allons considérer un exemple de calcul de la chaleur de combustion en analysant l’oxydation du méthane CH4 avec l’oxygène pur.

Chaleur de réaction et pouvoir calorifique du méthane

Durant la combustion du méthane, le combustible (CH4) et le comburant (oxygène) réagissent ensemble pour former de nouveaux éléments (CO2 et H2O) dégagés dans la fumée de cette réaction :

comb_ch4

L’énergie thermique fournie est la différence entre l’énergie de séparation des liaisons intermoléculaires des réactifs CH4 et O2, et l’énergie de liaisons de nouvelles molécules des produits CO2 et H2O, à la température de référence. La température de référence est 25 °C ou 298K.

Dans la chambre de combustion de la chaudière, la combustion se fait à une pression constante. L’énergie des liaisons intermoléculaires des réactifs et des produits est donc l’enthalpie de formation de ces molécules. Les valeurs d’enthalpie de formation des différents réactifs et produits sont les suivantes :

enth_formation

L’énergie de combustion fournie par l’oxydation d’une mole de CH4 est donc :

energy_molch4

Le signe négatif indique que la réaction est exothermique, dégageant de la chaleur. L’énergie spécifique fournie par la combustion d’un kilogramme de CH4 peut donc être déduite :

energy_massch4

Cette énergie spécifique de combustion  est le pouvoir calorifique supérieur du méthane.

Le même calcul peut être fait en considérant que le H2O est produit sous forme de vapeur à la température de 25 °C. La pression correspondante est donc inférieure à la pression atmosphérique. Dans ce cas, l’énergie spécifique de combustion est le pouvoir calorifique inférieur du méthane. La relation entre le PCI et le PCS est donc représentée sur la figure suivante.

diagram_pcsvspci

Dans les chaudières industrielles, il paraît donc clair la nécessité de considérer la valeur du PCS pour les raisons suivantes :

  1. Le H2O dégagé dans les fumées provient majoritairement de la réaction et non de l’humidité initiale de l’air.
  2. La pression de référence considérée dans les réactions est la pression atmosphérique.
  3. La récupération de l’énergie de condensation de la vapeur dans les chaudières à condensation consiste à récupérer le PCI et une partie de la chaleur latente. Le rendement de la chaudière calculé par le PCI est donc supérieur à 1.
  4. Si la chaudière n’est pas une chaudière à condensation, la buée contenue dans les fumées conserve son enthalpie liquide après évacuation des cheminées. Cette buée va se mélanger avec l’air extérieur pour revenir à la température ambiante mais, elle va céder cette enthalpie au mélange. Cette énergie de condensation est donc perdue dans l’atmosphère.

Rendement de la chaudière

Le rendement des chaudières peut être calculé de deux manières : méthode directe et indirecte. Par la méthode directe, le rendement est calculé comme étant le rapport entre l’énergie de la vapeur produite et le pouvoir calorifique supérieur du combustible :

rend_direct

Par méthode indirecte, le rendement est calculé en évaluant 8 pertes d’énergie, et en déduire le rendement. Les 8 pertes énergétiques sont les suivantes :

  1. Perte d’énergie dans les fumées sèches
  2. Perte par réchauffement d’humidité du combustible
  3. Perte par l’énergie de formation de l’eau de combustion d’élément hydrogène des hydrocarbures (d’où la nécessité d’adapter le PCS)
  4. Perte par réchauffement d’humidité contenue dans l’air de combustion
  5. Perte par CO imbrûlés
  6. Perte de l’hydrogène non brûlé
  7. Perte par radiation et convection
  8. Perte par purges

Après évaluation de ces 8 pertes énergétiques, le rendement de la chaudière se calcule par la formule suivante :

rend_indirect

La méthode indirecte est plus robuste que la méthode directe parce qu’une erreur sur les appareils de mesure entraîne une variation importante sur le rendement calculé par la méthode directe. L’énergie de la vapeur produite représente généralement 80-90% de l’énergie des combustibles ; une erreur totale de 1% (1 point) sur les appareils de mesure entraîne une variation de 0,9 point sur le rendement par méthode directe, tandis que cette erreur entraîne une variation de 0,1 point sur le rendement par méthode indirecte.

 

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