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Les chaudières à condensation
Combustion du gaz naturel : CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + chaleur CH4 : Le méthane méthane qui est le combustible combustible O2 : L’ oxygène oxygène de l’air qui est le comburant comburant CO2 : Le dioxyde dioxydede decarbone carbone H2O : L’ eau sous forme vapeur vapeur Chaleur : C’est la chaleur obtenue grâce à la combustion combustion du gaz naturel
Cas d’une chaudière classique : L’eau issue des produits de combustion reste à l’état vapeur vapeur. Cas d’une chaudière à condensation : L’eau contenue dans les fumées passe de l’état vapeur vapeur à l’état liquide. L’énergie ainsi récupérée est lalachaleur latente dede liquide chaleur latente chaleur condensation
Quand est-ce qu’il y a phénomène de condensation ? Il y a phénomène de condensation condensation lorsque la température des parois des surfaces d’échange côté fumée (≈ retour T retourchaudière chaudière) chute en dessous d’un point qui est appelé : Point Point de rosée rosée de de la la vapeur vapeurd’eau d’eau.
Les températures du point de rosée varient selon les les combustibles combustibles employés car les les compositions compositionsl lchimiques chimiques ne sont pas les mêmes. Voici ci-contre un graphique qui donne la valeur de la température du point de rosée du du gaz naturel naturel et du dufue fuell en fonction de la lateneur teneuren en CO CO2.la 2.
Application : Gaz naturel : 10 % CO2. La réponse est 56 °C.
Notion de PCI et de PCS PCI : Le Pouvoir Pouvoir Calorifique CalorifiqueInférieur Inférieur (PCI) correspond à la chaleur combustible si l’eau produite lors de la combustion totale d’une unité de combustible vapeur . formée est à l’état vapeur PCS : La Le Pouvoir PouvoirCalorifique CalorifiqueSupérieur Supérieur (PCS) représente la chaleur produite lors de la combustion totale d’une unité de combustible, y compris la chaleur tion contenue dans la vapeur chaleur latente latentede decondensa condensation d’eau des fumées.
Chaleur latente de condensation de l’eau Gaz naturel : 11 % Fioul : 6 %
PCI Gaz naturel : 10,2 kWh/m3 Fioul : 10,1 kWh/L
PCS Gaz naturel : 11,3 kWh/m3 Fioul : 10,7 kWh/L
PCS = PCI + chaleur latente latente de de condensation condensationde del’eau l’eau
Gain réalisable : Pour le gaz naturel : 11 % de chaleur par rapport à une chaudière classique Pour le fuel : 66 % de chaleur par rapport à une chaudière classique
Rendement : Cas d’une chaudière classique : Puisque l’on ne peut pas récupérer la chaleur la chaleur latente latente de de condensation de l’eau, alors on utilise un rendement par rapport au condensation PCI du combustible.
Cas d’une chaudière à condensation : Puisque dans ce cas, on souhaite récupérer la chaleur latente de condensation de l’eau, alors on utilise un rendement par rapport au PCS PCS du combustible. Dans le cas contraire, on pourrait se retrouver avec des rendements supérieurs à 100 %. %. Relation entre Rendement sur PCI et Rendement sur PCS : Rendement sur PCS = Rendement sur PCI / (PCS / PCI) Application : Rendement sur PCI = 104 %, quel est le rendement sur PCS? Rendement PCS = Rendement PCI / (PCS/PCI) = 104 / 1,11 = 93,7 %
Les deux intérêts énergétiques d’une chaudière à condensation Une récupération de chaleur latente
Les produits de combustion issus d’une chaudière traditionnelle sont rejetés à des températures de 100 100 à 220 °C. Dans une chaudière à condensation, on refroidit tellement les fumées pour arriver à la condensation condensation que l’on récupère aussi de l’énergie , on réalise donc : Une récupération de chaleur sensible sensible
T fumées : 45 °C
T fumées : 200 °C T eau aller : 90 °C
T eau retour : 70 °C
Chaudière classique
T eau aller : 55 °C
T eau retour : 40 °C
Chaudière à condensation
Les différents types de combustible associés aux chaudières à condensation La technique de la condensation est principalement utilisée pour les chaudières fonctionnant au gaz gaz. Il existe également des chaudières à condensation fonctionnant au fioul mais leur utilisation est actuellement rare pour trois raisons : Ø La température du point de rosée ros ée est plus bbasse asse que celui des chaudières à condensation fonctionnant au gaz gaz, il est donc plus difficile de réaliser la conde nsation. condensation
Ø
La quantité de chaleur récupérable est plus faible. faible
o
Elle est de 6 % pour le fioul.
o
11% pour le gaz naturel. Elle est de 11
6
Ø Les condensats ont un pH très faible faible et sont donc très agressifs agressifs pour l’échangeur de la chaudière.
Principe : Le transfert de chaleur entre l’eeau au et la fum fumée ée s’effectue à travers les parois d’un ou plusieurs éch angeurs. échangeurs
T fumée
Si la température de retour de la chaudière est inférieure à la température du point de rosée point de rosée des fumées, alors la chaudière condensation fonctionne en con densation. En règle générale, la température des supérieureure de 3 à 15 °C fumées est supérie (suivant le type d’échangeur) de plus que l’eau de retour de la chaudière. T fumée = T retour + 3 à 15 °C
T Retour
T Départ
Cas de l’échangeur unique : Dans ce cas, la condensation s’effectue dans la partie terminale terminale de l’échangeur. T fumée : 35 - 55 °C
Retour
Départ
T fumée = 1600 °C Evacuation des condensats
Cas de l’échangeur en deux parties : Les deux parties de l’échangeur sont dimensionnées telles que la condensation se produise seulement dans la seconde se conde condensation partiepartie. La première partie de l’échangeur que l’on appelle « échangeur échangeur sec » peut donc être réalisée de manière classique. condensation de la C’est dans cette seconde partie que se réalise la condensation fuméesées. Cette deuxième partie se vapeur d’eau contenue dans les fum condenseur », il doit être réalisé avec des matériaux nomme le « condenseur résistants à la corrosion corrosion tels que l’ acier acier inox inox ou la fonte fonte d’aluminiu d’aluminium m car les condensats sont légèrement acides
T fumée : 35 - 55 °C
Retour
Condenseur T fumée : 140 °C Echangeur sec
Départ
T fumée = 1600 °C Evacuation des condensats
Conception des chaudières à condensation Comme pour les chaudières classiques, on peut distinguer : -
Les chaudières murales
-
Les chaudières au sol
Chaudière murale Ø L’échangeur L’échangeurdedechaleur chaleur (2) réalisé en aluminium extrudé est décomposé en deux zones distinctes : o Une première zone d’échange classique que l’on peut échangeur appeler la partie « échangeur sec ». o Une seconde zone d’échange où va se réaliser la condensation que l’on appelle condenseur ». partie « condenseur
Deuxième zone d’échange
Evacuation des fumées
Evacuation des condensats
Première zone d’échange
Ø Un système d’évacuation des condensats qui comprend : condensats o Une sonde de détection de niveau des condensats (13) o Un siphon de récupération des condensats (6) 2 : Echangeur en aluminium extrudé
Les chaudières au sol
Départ
Retour Retour Buse des fumées Evacuation des condensats
Ø Les produits de la combustion sont dirigés vers le bas b as, le plus près possible du raccordement ret our pour obtenir un refroidissement retour refroidissement maximal.
Ø Les fumées et l’eau de la chaudière doivent circuler à contrecontrecourant à l’intérieur de la chaudière courant Ø Les matériaux utilisés doivent résister à la corrosion corrosi on tels que l’ acierinoxydable inoxydable ou la fonte acier fonted’aluminium d’aluminium. Ø
Un système d’évacuation descondensats
Pourquoi y a t’il deux raccordements pour le retour de la chaudière ? Ø Le raccordement retour « haute haute te température mpérature » permet de relier les circuits haute température ne favorisant pas la condensation co ndensation tels que les les circuits d’eau chaude sanitaire, circuits de deproduction production d’eau sanitaire les circuits batterie à eau chaude,… Ø Le raccordement retour «basse bassetempérature température » permet de relier les circuits favorisant la condensation tels que les circuits circuits planchers plancherschauffa nts chauffants , circuits radiateurs basse température,…
EC
EF
Départ
Retour haute température Echangeur condenseur en inox Retour basse température Evacuation des fumées en inox
Intégration hydraulique des chaudières à condensation Irrigation des chaudières - Sans irrigation imposée que l’on appelle chaudière chaudière à grand grand volume volume d'eau d'eau - Avec irrigation faible ou moyenne imposée chaudièreàà faible volume - Avec irrigation importante que l’on appelle chaudière volume d'eau d'eau Désormais, la plupart des chaudières à condensation sont des chaudières dites « ààgrand grandvolume volubbme d’eaud’eau ». Ce type de chaudière n’a pas d’irrigation imposée et l’installation ne devra donc pas posséder de pompe de de charbbbbge. pompe charge
Quelques règles hydrauliques à respecter Puisque le but de ce type de chaudière est d’arriver à obtenir une température de retour la plus froide froide possible pour favoriser la conden sation condensation , alors il y a quelques erreurs hydrauliques à ne pas commettre : Ø Il faut éviter de réaliser des circuits comprenant une vanne vanne mélangeuse quatrevoies voieet préférer une trois voies mélangeuse quatre unevanne vannemélangeuse mélangeuse trois voies
Vanne 3 voies mélangeuses Vanne 4 voies mélangeuses Elévation de la température de retour
Pas d’élévation de la température de retour
Ø Eviter d’installer une unesoupape soupapedifdifférentielle férentielle qui risquerait de recycler l’eau de départ dans la conduite de reto retourur ce qui pourrait avoir comme effet d’augmenter la température d’entrée au condenseur condenseur Il serait donc préférable d’installer une pompe pompe àà dé bitvariable variable sur ce débit type d’installation.
Ø Eviter d’installer une vanne trois voies montées en répartit répartition ion et préférer l’installation d’une vanne trois voies montée en mélange mé lange afin d’éviter les retours ch auds. chauds
Vanne 3 voies montée en répartition
Vanne 3 voies montée en mélange
Ø Eviter d’utiliser une bouteille bouteille de de mélange mélange car elle favorisera les retours chauds
Echangeur à condensation non intégré Il est également possible d’utiliser ce type d’échangeur que l’on peut aussi appeler « condenseur condenseur séparé séparé ». On peut le rajouter à une chaudière classique (voir le schéma de principe ci-dessous) de manière à augmenter son rendement annuel de l’ordre de 8 %. On aura donc transformé à8 à1010%. classiqueen chaudière une chaudière classique condensation Ces récupérateurs de à condensation. chaleur peuvent être ou non munis d’un extracteur dedefumée fumée intégr d’un extracteur intégré é.
Fumée
Sortie
Fumée Entrée
Echangeur à condensation
Chaudière
Sortie
Entrée
Ces échangeurs sont réalisés en matériaux résistants à la corro corrosionsion. On peut voir ci-dessous des exemples concrets d’échangeur non intégré :
Evacuation et traitement des condensats Conduits de cheminée Les conduits de cheminée devront être réalisés en matériau résistant à synthétique la corr osion tel que l’acier ydable ou en matériau synthétique corrosion l’acierinox inoxydable ayant fait l’objet d’un avis technique du C.S.T.B. Tous les condensats condensats qui prennent naissance dans le conduit d’évacuation des fumées doivent être renvoyé àà l’égout l’égout (prévoir évacuation des condensats et pente suffisante).
Traitement des condensats Les chaudières à condensation fonctionnant au gaz rejettent des condensats qui ont un pH compris entre 3. 5,2, ils sont donc 3.5 et 5,2 légèrement aci des et sont du même ordre que l’eau de pluie. acides
Ø Pour les chaudières ayant une puissance inférieure à 200 200 kW, les réseaupublic public condensats peuvent être directement dirigés vers leleréseau d’évacuationdes deseaux eauxusées usées. La part des condensats dans le total des d’évacuation le que ces eaux assurent une dilution suffisante. eaux usées est si faib faible Ø Pour les chaudières ayant une puissance supérieure à 2200 00 kW, en général, les fabricants prescrivent un traitement dans le but de rele relever le niveau du pH des condensats à un niveau nneutre eutre (rappel : ver PH neutre = 7). Pour ce faire, les condensats devront passer dans un bloc qui se nomme « Equipement Equipement de neutr alisation » . Ce bloc est composé pour de neutralisation l’essentiel d’un bac rempli de granulés.
Fonctionnement : Une partie des granulés (composé d’ hydrolithe hydrolithe de magnésium de magnésium) se disso ut au passage des condensats et fait remonter le pH à des valeurs dissout comprises entre 66,5,5 à 99 .
