Les chaudières à tubes d’eau et à tubes de fumée sont conçues de manière diamétralement opposée.
Dans les chaudières à tubes d’eau, l’eau à chauffer est enfermée à l’intérieur des tubes, tandis que les gaz de combustion chauds évacués par le brûleur continuent de circuler autour des surfaces des tubes. Les gaz de combustion chauffent l’eau à l’intérieur des tubes, qui se transforme en vapeur par la suite.
Pour résister à des pressions élevées pour une quantité donnée de contrainte, le diamètre des tubes de la chaudière est maintenu très petit dans ces systèmes.
Les chaudières à tubes d’eau sont particulièrement adaptées aux exigences de débit de vapeur élevé. Elles sont donc principalement utilisées dans les industries pour diverses applications de processus, plutôt que pour le chauffage domestique.
Principe de fonctionnement
La quasi-totalité des chaudières à tubes d’eau fonctionnent selon le principe de la circulation naturelle de l’eau, également appelé « thermo-siphonage ».
Le processus commence avec l’introduction de l’eau d’alimentation plus froide dans le tambour à vapeur, derrière un déflecteur. En raison de la densité plus élevée de l’eau froide, elle descend dans le « descendeur » vers le tambour inférieur ou « boue », déplaçant l’eau plus chaude vers le haut dans les tubes avant.
Les bulles de vapeur se forment à l’avant des tubes de la chaudière en raison du chauffage continu. Ces bulles sont automatiquement séparées de l’eau chauffée dans le ballon de la chaudière et finalement évacuées.
Cependant, lorsque la pression augmente à l’intérieur de la chaudière, l’écart entre la densité de l’eau et la densité de la vapeur saturante tend à se réduire, entraînant une circulation moindre.
Pour maintenir le même niveau de production de vapeur à des pressions de conception plus élevées, la distance entre le tambour inférieur et le tambour à vapeur doit être augmentée, ou des moyens de circulation forcée doivent être introduits.
Caractéristiques principales
Voici les principales caractéristiques des chaudières à tubes d’eau :
- Elles sont généralement plus grandes que les chaudières à tubes de fumée, atteignant souvent plusieurs millions de livres par heure de vapeur générée.
- Elles peuvent gérer des pressions de vapeur allant jusqu’à 5 000 psig.
- Leur récupération est plus rapide que celle des chaudières à tubes de fumée.
- Elles sont conçues pour atteindre des températures extrêmement élevées.
- Les chaudières à tubes d’eau de petite taille peuvent être facilement préparées et emballées comme des unités simples similaires aux chaudières à tubes de fumée emballées. En revanche, les chaudières à tubes d’eau de grande taille ne peuvent pas être fabriquées sous forme emballée ; les grandes sections sont transportées sur le chantier où elles sont finalement assemblées.
- Un système typique de chaudière à tubes d’eau comprend plusieurs brûleurs positionnés sur les murs, avec la possibilité de choisir entre un allumage horizontal ou vertical.
- Les options de contrôle de la température sont disponibles dans de nombreuses sections de la chaudière.
Il convient de prendre en compte ces caractéristiques lors de la conception de chaudières à tubes d’eau avec un surchauffeur intégré, car la température doit être contrôlée pour obtenir une vapeur surchauffée adéquate.
Applications
Les chaudières à tubes d’eau sont particulièrement attractives pour les applications nécessitant de la vapeur sèche, à haute pression et à haute énergie, comme la production d’électricité par turbine à vapeur.
Leurs excellentes propriétés de fonctionnement en font un choix privilégié dans plusieurs domaines clés, notamment :
- Une variété d’applications de processus dans diverses industries
- Les divisions de traitement chimique
- Les usines de fabrication de pâtes et papiers
- Les unités de raffinage
De plus, les chaudières à tubes d’eau sont couramment utilisées dans les centrales électriques où de grandes quantités de vapeur (allant jusqu’à 500 kg/s) avec des pressions élevées d’environ 160 bars et des températures allant jusqu’à 550°C sont souvent nécessaires.
Avantages
Les systèmes de chaudières à tubes d’eau présentent plusieurs avantages, notamment :
- Ils contiennent une quantité d’eau relativement faible, ce qui leur permet de répondre rapidement aux variations de charge et d’apport de chaleur.
- Les tubes et le tambour à vapeur de petit diamètre permettent de tolérer des pressions de vapeur beaucoup plus élevées. Des pressions allant jusqu’à 160 bars peuvent être utilisées dans les centrales électriques.
- Les systèmes de chaudières à tubes d’eau sont particulièrement adaptés aux applications nécessitant des pressions de vapeur élevées (jusqu’à 3 000 psi), en raison de leur capacité à tolérer des pressions élevées accumulées à l’intérieur des tubes de la chaudière.
- Les conceptions de chaudières à tubes d’eau offrent des performances très efficaces, leur permettant même de produire de la vapeur saturée ou surchauffée.
Désavantages
L’utilisation des chaudières à tubes d’eau présente certaines limitations, notamment :
- Contrairement aux chaudières à tubes de fumée, ces systèmes de chaudières ne peuvent pas être fabriqués sous forme emballée. Par conséquent, leur installation sur le chantier a tendance à être relativement difficile et longue.
- L’installation et le coût initial de ces systèmes de chaudières sont très élevés.
- Bien qu’il soit possible d’utiliser plusieurs brûleurs ensemble pour obtenir un système flexible, l’utilisation de plus de 30 brûleurs dans les centrales électriques est généralement évitée en raison de la complexité accrue.
- Contrairement aux systèmes de chaudières à tubes de fumée, les chaudières à tubes d’eau ne sont pas disponibles dans des tailles physiques compactes. De plus, leur processus de nettoyage est assez compliqué.
- Le remplacement des tubes n’est pas possible dans les chaudières à tubes d’eau car il n’y a pas d’accord entre les conceptions de tubes.
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