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1. Principes de construction
• Foyer : C'est l'endroit où se développe la combustion. L'échange se fait par rayonnement.
• Carneaux : C'est l'endroit où circulent les fumées à environ 800-900 °C. L'échange se fait par
conduction
• Les surfaces d'échange : Elles doivent être la plus grande possible et avoir des coefficients
d'échanges important.
• Le fluide caloporteur et ses circuits : Il transporte l'énergie dégagée par la combustion à
travers des circuits.
• Le brûleur : Il assure le mélange air combustible et l'allumage de la combustion.
• La cheminée : Elle évacue les fumées.
2. Les différentes familles
Elles dépendent :
• des matériaux
• des puissances
I.LES GENERATEURS
2
• des fluides caloporteurs
2.1.Les chaudières fonte
Elles ne dépassent rarement la puissance de 2000 kW. Elles sont constituées d'un assemblage
d'éléments à 2 ou 3 parcours.
Coupe d'une chaudière à 2 parcours Coupe d'une chaudière à 3 parcours
AVANTAGES : - Peu sensible à la corrosion ( coté Eau et coté Fumées )
- Admettent des températures de départ et de retour basse
- Manutention aisée car éléments sectionnés
- Combustion assez silencieuse
- Durée de vie grande
- Foyer en DEPRESSION ou légèrement SURPRESSE
INCONVENIENTS : - Générateurs volumineux et très inerte thermiquement
- Rendement moyen
- Pression d'utilisation limitée à 5 [bar] en général
- Température maximale limitée à 110 [°C]
2.2.Les chaudières acier
Elles sont constituées d'un assemblage par soudage (de fabrication), et sont aménagées de deux
façons:
L'Acier offre plusieurs avantages par rapport à la Fonte :
� possibilité de formage ( pliage - cintrage - etc ... ) et de soudage
3
� à épaisseur égale, plus grande résistance aux chocs mécaniques et thermiques
� meilleur coefficient de transmission thermique
Sa grande résistance à la Pression fera que l'Acier
sera utilisé pour :
- les générateurs à Eau Chaude Basse
Température
- les générateurs à Eau Chaude Haute
Température
- les générateurs à Vapeur
Les chaudières en acier peuvent être construites en
un seul bloc ou comporter des éléments
indépendants comme les chaudières en fonte.
Dans le cas de chaudières sectionnées, les éléments sont reliés entre eux par des collecteurs de
départ et de retour.
Au niveau de l'échangeur, on recherche à avoir le plus long contact entre les gaz brûlés et la
capacité contenant le fluide caloporteur : On place donc des chicanes sur les parcours des deux
fluides et on multiplie les parcours à l'intérieur de la chaudière.
2.2.1.Coupe d'une chaudière préssuriséé à tubes d’eau
Les tubes d'eau communiquent avec le corps de la chaudière et sont situés dans le circuit des gaz de
combustion
Selon le type d'appareil, ces tubes peuvent être horizontaux, verticaux, inclinés ou en épingle.
AVANTAGES : - Grande compacité
4
- Autorisent des températures et des pressions d'utilisation élevés
- Rendement meilleur
INCONVENIENTS : - Très sensibles à la corrosion ( coté Eau et coté Fumées )
- Nécessite des dispositions pour éviter les condensations acides
- Combustion bruyante – Foyer en SURPRESSION ( nécessité de vaincre les
pertes de charge crées par les multiples parcours )
Ces générateurs conviennent aux installations centralisées de moyenne et grande puissance
2.2.2.Coupe d'une chaudière pressurisée à tubes de fumées
• Échangeur constitué de faisceaux de tubes parcourus par les fumées :
• tubes horizontaux ou inclinés
• faisceaux excentrés ou concentriques au foyer
• tubes soudés sur les plaques Avant et Arrière du générateur
• Foyer de forme cylindrique constituée de viroles lisses ou ondulées assemblées par
soudure
• Boites à fumée disposées en façade et à l'arrière du générateur et assurant le passage
des fumées d'un faisceau à un autre
On peut classer les chaudières en fonction du nombre de parcours qu'effectue la fumée avant
d'être évacuée : pour dénombrer les parcours des fumées, on considère que le tube-foyer constitue
le premier parcours, les autres parcours étant délimités par chaque faisceau de tubes.
2.2.3.Coupe d'une chaudière pressurisée à foyer borgne
5
Le tube-foyer est fermé à l'arrière et les fumées ressortent après un aller-retour dans le
foyer � nécessité d'un brûleur à tête longue : chaudière à trois parcours ( au moins )
2.2.4.Coupe d'une chaudière à foyer atmosphérique
6
2.2.5 Les fluides caloporteurs
• L'eau chaude : ϑ < 109 °C
• L'eau surchauffée : ϑ > 109 °C
• la vapeur : chaudières fonte BP < 0,5 bar
Chaudières acier de 10 à 15 bars
• Les fluides thermiques : ≥ 250 °C
• L'air : ϑ de soufflage max.
2.2.6 Pression dans le foyer
La circulation des gaz , dans le générateur , peut être assurée de deux façons :
� TIRAGE NATUREL : On utilise la dépression existant à la buse de sortie du fait du tirage
thermique entre l’air intérieur et l’air extérieur
d TH = ( ρρρρEXT - ρρρρGAZ ) . g . h
���� TIRAGE FORCE : On utilise la surpression créée par le ventilateur du brûleur à l'entrée du foyer
Dans le cas où le parcours des fumées entraîne des pertes de charge importantes , on peut être
amené à placer un ventilateur à la buse de sortie ( extracteur ) ou à changer la turbine du
brûleur pour augmenter le tirage forcé .
Générateurs à foyer en Dépression :
Dans cette catégorie, les pertes de charge, dans la traversée du générateur, sont
compensées par la dépression créés par la cheminée et exceptionnellement par un extracteur : c'est
le cas des chaudières Fonte et des chaudières acier à brûleur atmosphérique.
Générateurs à foyer en surpression :
C'est la surpression créée par la turbine du brûleur qui assure la circulation des gaz de
combustion : c'est le cas de certaines chaudières Fonte à foyer légèrement sur pressé et de la
majorité des chaudières acier.
REMARQUES
� TEMPERATURE MINIMALE DES GAZ DE COMBUSTION
GAZ → 120 [°C]
FOD → 160 [°C]
FOL 2 → 200 [°C]
� TEMPERATURE MINIMALE DE L’EAU DE RETOUR CHAUDIERE
GAZ → 55 [°C]
FOD → 50 [°C]
FOL 2 → 90 [°C]
7
2.3. Générateurs à Condensation :
Ce sont des générateurs simples permettant de réaliser des économies d'énergie de 15 à 30
[%] par rapport aux installations traditionnelles et ceci pour un investissement raisonnable ( temps
de retour de 3 à 4 ans )
Principe de la récupération de chaleur :
Les produits de combustion issus d'une chaudière traditionnelle sont rejetés à des
températures de 120 à 250 [°C] : ils contiennent, outre l'oxygène en excès, du dioxyde de carbone
et de la vapeur d'eau (voir cours de combustion).
Dans une chaudière à condensation, l'échange de chaleur entre
Eau de chauffage et Produits de combustion est poussé plus
loin ce qui permet de récupérer des calories en refroidissant
encore plus les produits de combustion
⇒⇒⇒⇒ RECUPERATION DE CHALEUR SENSIBLE
Si la température à l'entrée de la chaudière est assez basse
(inférieure à la température de rosée des fumées), on peut
récupérer des calories supplémentaires en condensant la
vapeur d'eau contenue dans les fumées
⇒⇒⇒⇒ RECUPERATION DE CHALEUR LATENTE
Technologie des chaudières à condensation :
On distingue :
� Les générateurs à Echange direct ou Générateur par Voie Humide
� Les générateurs à Echange indirect ou Générateur par Voie Sèche
� A un ou plusieurs échangeurs
� Avec Production ECS
� Avec échangeur
massique
Générateurs à ECHANGE DIRECT :
PRINCIPE
Les produits de combustion sont en contact
direct avec l'eau de chauffage ou l'eau d'un
circuit intermédiaire alimentant un échangeur
FUMÉES : 48 [ °C]
RETOUR : 30 [°C]
ALLER :45 [°C]
ALLER : 85 [°C]
RETOUR :70 [°C]
FUMÉES : 200 °C]
8
Générateurs à ECHANGE INDIRECT :
PRINCIPE : Le transfert de chaleur
s'effectue à travers les parois d'un ou
plusieurs échangeurs
Si la température de retour est inférieure à la
température de rosée des fumées, la chaudière
fonctionne en Condensation
Si la température de retour est supérieure à la
température de rosée, il n'y a plus condensation
mais la chaudière conserve un rendement nettement meilleur du fait de la récupération de chaleur
sensible plus élevée
���� CHAUDIERE A UN SEUL ECHANGEUR
PRINCIPE :L'échangeur assure la totalité du transfert de chaleur : la température
d'alimentation de cet échangeur doit être la plus basse possible
���� CHAUDIERE A DEUX ECHANGEURS
PRINCIPE : La chaudière est équipé d'un
échangeur traditionnel où il n'y a pas
Condensation (température de l'eau
d'alimentation de la chaudière supérieure à
55 [°C] ⇒ utilité de la pompe de recyclage
qui permet de maintenir la température de
retour Chaudière à une valeur donnée) et d'un échangeur à condensation
Générateurs à ECHANGE INDIRECT avec Production ECS :
Principe : Le générateur est équipé d'un
second condenseur permettant le
préchauffage de l'eau chaude sanitaire .
Les produits de combustion contienne t
encore une certaine quantité de chaleur
même après condensation : on peut donc
récupérer une partie de cette chaleur si on
dispose d'une source froide à une
température plus basse que l'eau de retour
(c’est le cas de l'eau de ville) ⇒ Nécessité d’un extracteur
FUMÉES : 53 [°C]ALLER : 65 [°C]
RETOUR : 50 [°C]
FUMÉES : 53 [°C]
RETOUR : 50 [°C]
55 [°C]70 [°C]
85 [°C]
65 [°C]
FUMÉES : 53 [°C]
RETOUR : 50 [°C]
EAU DE VILLE
12 °C]
25 [°C]
ALLER: 65 [°C]
9
Générateurs à ECHANGE INDIRECT avec
Echangeur massique
PRINCIPE
Il y a Echange massique entre Air comburant
et les Produits de combustion ce qui permet
d’améliorer le rendement du générateur .
Récupérateur à condensation
PRINCIPE
C'est un récupérateur à échange direct ou
indirect pouvant être associé à une
chaudière traditionnelle
Générateur assimilable au générateur à un
seul échangeur
Nécessité d'un nouveau réglage du volet
d'air car pertes de charge supplémentaire
sur le parcours de fumées.
La pompe coté Production est à débit variable : pour avoir une pompe à débit constant, il faudrait
que le bipasse soit placé à l’aspiration de la pompe.
FUMEES
RETOUR
CHAUDIERETRADITIONNELLE
POMPE A DEBIT VARIABLE
10
Comparaison chaudière gaz classique et condensation
1 CHAUDIERE A BRULEUR ATMOSPHERIQUE
Légende
1 Echangeur de chaleur
2 Alimentation gaz
3 Brûleur atmosphérique
4 Conduit de fumées
5 Départ eau chauffage
6 Retour eau chauffage
Remarques
Dans ces chaudières, le parcours des fumées est direct donc peu résistant, ce qui permet
l’évacuation par tirage naturel (foyer en dépression).
3
2
1
4
5
6
11
2 CHAUDIERE A BRULEUR A AIR SOUFFLE
Légende
1 Alimentation Fioul ou gaz
2 Brûleur à air soufflé
3 Foyer borgne
4 Tube d’eau
5 Tube de fumées
6 Jaquette isolante
Remarques
Dans ces chaudières, le parcours des fumées est long pour obtenir un meilleur échange.
Le circuit des fumées est donc plus résistant et le tirage naturel est insuffisant pour évacuer
les fumées (utilisation d’un ventilateur). Le foyer est en surpression
3 CHAUDIERE MIXTES
4 CHAUDIERE MURALE CLASSIQUE
A SCHEMA DE PRINCIPE
1 Echangeur de chaleur
2 Brûleur atmosphérique
3 Vase d’expansion
4 Pompe
5 Evacuation fumées
B ORGANES DE REGULATION
TA Thermostat (option)
AR Aquastat de réglage
VEM Vanne électromagnétique
4
�
�
R C
6
5
3
1
2
DC
�
ECS
CH Gaz CH
Gaz
ECS
A : ECS en instantanée B : ECS à accumulation par ballon
A
5
PA
PB
TA
F
VD
2
3
1
4
VEBS
E
� �
12
C ORGANES DE SECURITE
BS Bloc de sécurité et allumage : Document 3 (veilleuse + thermocouple)
VD Valve différentielle (Si Pa > Pb alors « E » fermé et pompe en fonctionnement)
AS Aquastat de sécurité à réarmement manuel
CHAUDIERE A CONDENSATION
A LA CONDENSATION
Toute combustion d’hydrocarbure entraîne la formation de vapeur d’eau dans les fumées.
Dans une chaudière classique cette vapeur d’eau est rejetée à l’extérieur d’où une perte d’énergie
latente. La condensation de l’H2O a pour but de récupérer cette chaleur et d’améliorer ainsi le
rendement de la chaudière.
B CONDENSATION DANS UNE CHAUDIERE
Pour condenser la vapeur d’eau, on fait passer l’eau de retour dans un échangeur condenseur
et on refroidit les fumées jusqu’au point de rosée ( 55 °C )
C SCHEMA DE PRINCIPE
Légende
1 Echangeur condenseur
2 Bac des condensats
3 Siphon
4 Echangeur principal
5 Brûleur atmosphérique
6 Pompe
7 Ventilateur d’extraction
Avantages
Augmentation du rendement
Utilisation avec Plancher chauffant
Inconvénients
Tirage forcée (fumées froides)
Corps de chauffe en inox (F ! ! !)
D ETUDE RENDEMENTS
1
4
3 2
5
6 Gaz
7 m2
m
m1
Relations : PCS = PCI + m x Lv m = Masse totale d’eau produite m1 = Masse d’eau condensée m2 = Masse d’eau non condensée
Pu ηηηη = x 100 Pa
13
ηPCI > 100 % ηPCS < 100 %
COURBES DE RENDEMENTS
Courbe A : Chaudière à condensation
Courbe B : Chaudière avec brûleur à air soufflé
Courbe C : Chaudière avec brûleur atmosphérique
Remarque : Courbe A : Si θθθθretour diminue alors ηηηη augmente
Condensation si θθθθeau < 55 °C ⇒⇒⇒⇒ ηηηη/PCI = 100 %
Rendement sur PCI en %
20 30 40 50 70 60 80 90
100 95
90 85
80 75 70
105 110
A
B
C
1 = m1 * Lv = chaleur latente récupérée
2 = m2 * Lv = chaleur latente non récupérée
ηηηη PCI = PCI
Lv m1 PCI ×+
ηηηη PCS = PCSLv m1 PCI ×+
PCS Pu PCI m x Lv
1
2
Température retour d’eau (°C)
Chaleur latente
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Un brûleur est équipé de différents circuits:
• Le circuit combustible
• Le circuit comburant
• Le circuit de mélange
• Le circuit d'allumage
• Le circuit de commande et de sécurité
II. LES BRULEURS A AIR PULSE
15
1. Les brûleurs fioul
1.1 . Le circuit combustible
• Pompe
• Electrovanne
• Filtre
• Réchauffeur (optionnel)
• Gicleur
1.1.1 Les pompes fioul
La pompe à engrenage
16
• La pompe à croissant
• La pompe à engrenages trochoïdes
1.1.2 . Aspect extérieur
17
1.1.3 . Les régulateurs de pression
1.1.3.1 . Principe de fonctionnement
1.1.3.2 . Principe de fonctionnement (bi-tube) avec les électrovannes
1.1.3.3 . Principe de fonctionnement (monotube) avec les électrovannes
18
1.1.4 . Les gicleurs
1.1.4.1.Constitution d'un gicleur
Le fuel ne peut s’enflammer qu’après avoir été vaporisé.
A la température ambiante, il s’évapore légèrement en surface, alors afin de faciliter son
évaporation on donne au fuel liquide une très grande surface, en le pulvérisant en un très grand
nombre de très fines gouttelettes.
Par exemple, un litre de fuel pulvérisé à une pression de 7 Bars donne 15 à 20 milliards de
gouttelettes représentant une surface développée de 500 m².
Le mélange avec l’air est donc grandement facilité.
Le gicleur est une petite pièce métallique qui assure deux fonctions :
- la pulvérisation du fuel
- le réglage du débit de fuel
Fonctionnement du gicleur fuel.
Le fuel traverse le filtre et passe par la vis de blocage et par ses trous latéraux.
Il se répartit ensuite autour du cône et jusqu’à ses rainures, sous l’effet de la pression créée par la
pompe il s’engage dans les rainures dans lesquelles il acquiert une grande vitesse qui engendre sa
mise en rotation dans la chambre.
19
1.1.4.2.Caractéristiques d'un gicleur
Les gicleurs possèdent trois caractéristiques dont les valeurs sont gravées sur leur corps :
- le débit nominal ( kg/h) ou US ( gal/h)
- L’angle de pulvérisation en degrés
- Le mode de pulvérisation
� Marquage
� Le débit nominal
Qm = Pbrûleur / PCI
� L'angle de pulvérisation
20
� Le mode de pulvérisation
1.1.4.3.Sélection d'un gicleur
Pour cela il faut connaître : - le nombre d'allure
- le type de pompe fioul
- le nombre de gicleur
- la puissance
- le type de foyer
Symboles
21
1.1.5. Les différents types de circuit
1.1.5.2 1 allure sans électrovanne intégrée
1.1.5.3 1 allure avec électrovanne intégrée
1.1.5.4 2 allures 2 gicleurs
22
1.1.5.5.2allures 1 gicleur
1.2. Le circuit comburant
1.2.1 . Le ventilateur
1.2.1 . Courbe caractéristique débit pression
23
1.2.3 . Le réglage du débit d'air
1.2.2.1Volet d'air 1 allure fixe
1.2.2.2Volet d'air 2 allures
24
1.3.Le circuit de mélange
1.3.1 . Principe
1.3.2 . Le tube extérieur
1.3.3 . Le déflecteur
1.3.3.1 . Principe
25
1.3.3.2 . Le déflecteur emboutit
1.4.Le circuit d'allumage
1.4.1 . Le transformateur
1.4.2 . Les électrodes
26
1.5.Le circuit de commande et de sécurité
1.5.1 . Le coffret de sécurité (LOA21)
27
Légende: • R Aquastat de régulation • W Aquastat de sécurité • OH Réchauffeur de fioul • OW Contact de signalisation • OH Réchauffeur de fioul • G Moteur • Z Transformateur • BV1 Electrovanne 1 • BV2 Electrovanne 2 • AL Dispositif d'alarme • QRB Sonde présence flamme • FS Signal flamme • tw Temps de préchauffage • t1 Temps de préventilation • t2 Temps de sécurité • t3 Temps de pré-allumage • t3n Temps de post-allumage • t4 Temps de passage en 2ème allure
1.5.2 . Le cellule photo-résistante de présence flamme
1.5.2.1 . Principe
28
1.5.2.3 . Aspect
1.5. L’alimentation en fioul
29
2 Les brûleurs gaz
2.1. Le circuit combustible
• Filtre
• Electrovanne
• Régulateur de pression
• Manostats gaz Le brûleur est constitué de quatre ensembles ou circuits :
2.1.1.Le filtre gaz
30
2.1.2. Les électrovannes
2.1.2.1.Electrovanne 1 allure
2.1.2.2.Electrovanne 2 allures
31
2.1.3. Régulateur de pression de gaz
Le manostat gaz
32
2.2. Le circuit d'allumage
2.2.1. Le transformateur
2.2.2. La ligne d’alimentation gaz
33
2.3. Le circuit comburant
Idem brûleur fioul
2.4. Le circuit de mélange
2.4.2.Les électrodes
34
2.5. Le circuit de commande et de sécurité
2.5.1 . Le coffret de sécurité (LFM1)
Légende:
• R Aquastat de régulation
• W Aquastat de sécurité
• LP Manostat d'air
• GP Manostat gaz
• G Moteur
• Z Transformateur
• BV1 Electrovanne 1
• BV2 Electrovanne 2
• AL Dispositif d'alarme
35
• QRA Sonde présence flamme
• QRE Détecteur d'arc d'allumage
• FE Sonde d'ionisation
• tw Temps d'attente
• t1 Temps de préventilation
• t2 Temps de sécurité à l'allumage
• t3 Temps de pré-allumage
• t4 Temps de passage en 2ème
• t10 Temps de sécurité pression d'air
2.5.2 . (la sonde de ionisation)
Dispositif de surveillance flamme
• Emplacement dans la flamme
• Evolution du courant
36
• Modèles
3. Sélection d'un brûleur
Les renseignements sont :
� Puissance du brûleur en KW (corrigée ou non en fonction de l’altitude et de la
température de l’air),
� Pression du foyer de la chaudière,
� Type de combustible
3.1.Chaudières en dépression
Pour ce type de chaudière, on estime que la pression dans le foyer est nulle : il suffit de choisir
dans le catalogue du brûleurs celui qui correspond à la puissance demandée.
Exemple : Puissance du brûleur demandée : 180 KW
Choix à partir du catalogue CUENOD fuel :
• C14 : 70 – 150 kW
• C18 : 80 – 190 kW
• C22 : 120 – 220 kW
Le choix correct est le C18
3.2.Chaudières en pression
Il est nécessaire d’utiliser les courbes débit /pression des brûleurs. La première discrimination
consiste à rechercher la puissance qui convient, puis de contrôler si la pression demandée par la
chaudière est inférieure à celle que peut vaincre le brûleur.
Exemple : Pression chaudière : 5 daPa
Après vérification, seul le C22 convient
37
3.3.Abaques de sélections
38
3.2.Facteurs de correction en fonction de l’altitude et de la température de
l’air
Nous savons que :
• La pression atmosphérique diminue avec l’altitude. La conséquence immédiate est, que
dans un même volume, la quantité d’air, donc d’oxygène, diminue. Le ventilateur, doit
apporter plus pour qu’il y ait suffisamment d’oxygène pour brûler tout le combustible. La
puissance du brûleur étant directement proportionnelle aux performances du ventilateur,
il suffira d’effectuer une correction pour connaître la puissance fictive nécessaire.
• Le volume d’air varie en fonction de la température : plus la température augmente moins il y a de masse d’air pour un même volume : il faut également faire une correction de
• puissance.
• K1 Correction de la puissance
• K2 Correction de la pression
• K2 = K1²
Exemple: Puissance réelle brûleur 180 KW
Puissance nécessaire = 180 x 1,12 = 202 kW
Pression au foyer à 0 m d'altitude 5 daPa
Pression à 1000 m d'altitude = 5 x 1,25 = 6,25
Il suffit de choisir parmi les brûleurs disponibles, celui dont les caractéristiques conviennent :
202 kW, 6.25 daPa
39