Pertes par rayonnement‚ par convection et autres

La Calculatrice de l'efficacité des chaudières tient seulement compte des pertes d'énergie importantes‚ qui représentent habituellement de 10 à 20 % de la consommation de combustible. Les pertes d'énergie importantes se divisent en deux catégories : pertes à la cheminée‚ ainsi que les pertes par rayonnement et par convection.

La présente section porte sur le deuxième type de pertes‚ c'est-à-dire‚ la chaleur perdue en chaleur ambiante provenant des surfaces chaudes d'une chaudière ou d'un générateur d'eau surchauffée. Les autres pertes qui s'appliquent dans une large part à l'alimentation au charbon sont énumérées ci-dessous‚ mais elles ne représentent habituellement que 2 ou 3 % de l'apport de chaleur.

Pertes par rayonnement et par convection

La surface extérieure d'une chaudière à vapeur en opération ou d'un générateur d'eau surchauffée est plus chaude que la chaleur ambiante et‚ par conséquent‚ perd de la chaleur par rayonnement et par convection.

La mesure de la perte réelle représente une opération complexe‚ fastidieuse‚ longue et rarement entreprise‚ mais il existe un raccourci pratique et largement reconnu. Le standard radiation loss chart (diagramme des pertes par rayonnement normal) de l'American Boiler Manufacturers Association (ABMA) est un outil satisfaisant pour les chaudières où les appareils de chauffage et les surfaces d'échange thermique se trouvent dans une même enceinte. C'est le cas des chaudières préfabriquées et de nombreuses unités montées sur place. Les exceptions sont des installations telles que des systèmes de cogénération qui possèdent une chaudière de récupération individuelle et les chaudières à lit fluidisé circulant où les surfaces de l'appareil de chauffage‚ du cyclone à chaud et de production de passes à l'envers sont toutes des unités séparées.

La perte par rayonnement ou par convection (P_R) est proportionnelle à l'aire de la surface extérieure d'un appareil‚ alors que la capacité de l'appareil est proportionnelle à son volume. Ainsi‚ P_R‚ le pourcentage de consommation de combustible‚ est plus grand pour les petits appareils que pour les appareils de grande taille. De plus‚ avec les chaudières à lit fluidisé maintenant utilisées couramment‚ la température des surfaces externes demeure constante sur l'étendue de la charge. Cela signifie que la perte réelle en Btu/h est également assez constante sur l'étendue de la charge. Ainsi‚ P_R‚ le pourcentage de consommation de combustible‚ augmente à mesure que la puissance diminue. Par exemple‚ si P_R est 1 % à pleine charge‚ il sera de 2 % à la moitié de la charge et de 4 % à un quart de la charge.

Du point de vue de l'efficacité‚ il est préférable qu'un appareil fonctionne à une charge quasi totale que deux appareils qui fonctionnent à la moitié de la charge. Cette situation est particulièrement vraie dans le cas des petits appareils. Dans la même veine‚ il y a certains avantages à posséder des chaudières de capacités différentes à la même installation : les appareils plus petits peuvent être utilisés lors que la demande est faible.

Pour les chaudières à vapeur et les générateurs d'eau surchauffée dont la puissance nominale peut atteindre 200 000 lb/h de vapeur ou 200 millions Btu/h‚ et ceux qui possèdent une configuration conventionnelle‚ comme les chaudières préfabriquées‚ P_R‚ le % de consommation de combustible‚ peut être calculé à l'aide du tableau ci-après. Dans le tableau‚ la valeur de P_R à une puissance de 100 % a été sélectionnée dans le diagramme de l'ABMA‚ pour la gamme de dimensions (puissance maximale) indiquée. On suppose que tous les appareils possèdent quatre parois refroidies à l'eau‚ et que pour les chaudières à vapeur‚ 1 lb de vapeur équivaut à 1 000 Btu. La valeur de P_R à charge partielle a été calculée en divisant la perte à charge totale par le ratio de la charge réelle à la charge totale. Il est à noter que la précision des résultats se limite à une décimale près.

Exemple :

Déterminer la valeur de P_R pour une chaudière à vapeur dont le rendement nominal est de 45 000 lb/h de vapeur‚ fonctionnant avec une puissance de 25 000 lb/h.

Calculer :

• Puissance nominale maximale en Btu/h.
  
  puissance maximale = 45 000 x 1 000 = 45 millions Btu/h.
   
• Ratio de la puissance de fonctionnement à la puissance maximale.
    25 000 ÷ 45 000 = 0‚56

Déterminer :

• La valeur de P_R à une puissance de 100 %
  Interpoler entre 40 millions et 50 millions Btu/h dans la colonne de gauche du tableau.
  
  P_R à une capacité de 100 % = 0‚70 % de la consommation de combustible.
   

Calculer :

• La valeur de P_R à une puissance de 56%.
  
  P_R à une puissance de 56 % = 0‚70 ÷ 0‚56 = 1‚25 % de la consommation de combustible.
   

Perte approximative par rayonnement ou par convection‚ P_R ‚ % de l'apport de chaleur

Puissance maximale‚ millions de Btu	100 %	80 %	60 %	50 %	40 %	20 %
10	1,60	2,00	2,67	3,20	4,00	8,00
20	1,05	1,31	1,75	2,10	2,62	5,25
30	0,84	1,05	1,40	1,68	2,10	4,20
40	0,73	0,91	1,22	1,46	1,82	3,65
50	0,66	0,82	1,10	1,32	1,65	3,30
60	0,62	0,78	1,03	1,24	1,55	3,10
70	0,59	0,74	0,98	1,18	1,48	2,95
80	0,56	0,70	0,93	1,12	1,40	2,80
90	0,54	0,68	0,90	1,08	1,35	2,70
100	0,52	0,65	0,87	1,04	1,30	2,60
120	0,48	0,60	0,80	0,96	1,20	2,40
140	0,45	0,56	0,75	0,90	1,12	2,25
160	0,43	0,54	0,72	0,86	1,08	2,15
180	0,40	0,50	0,67	0,80	1,00	2,00
200	0,38	0,48	0,63	0,76	0,95	1,90

Autres pertes

Plusieurs autres pertes sont expliquées dans le Code d´essai de puissance de l´ASME. Nombre d'elles s'appliquent seulement à l'alimentation en charbon et‚ même dans ce cas‚ elles ne représentent vraisemblablement pas plus de 2 ou 3 % de l'apport de chaleur.

Ces pertes comprennent :

– carbone imbrûlé en déchet
– humidité dans le combustible
– humidité dans l'air
– chaleur présente dans la vapeur pulvérisée
– monoxyde de carbone‚ hydrogène et hydrocarbures imbrûlés
– rayonnement des fosses aux cendres
– chaleur sensible aux cendres volantes
– chaleur latente de la fusion des cendres
– chaleur sensible à la poussière de carneau
– chaleur dans les déchets pulvérisés
– chaleur dans l'eau de refroidissement
– chaleur dans la valeur du ramonage

Certaines des pertes indiquées ci-dessus s'appliquent à l'alimentation du pétrole et des gaz‚ mais elles sont également faibles. Lors des essais d'acceptation des chaudières‚ il est fréquent que le fournisseur et le client s'entendent sur une valeur supposée qui couvre ces pertes‚ connue sous le nom de « pertes non comptabilisées ». Les valeurs typiques sont 0‚1 % pour l'alimentation de gaz naturel, 0‚2 % pour l'alimentation d'huile raffinée et 0‚3 % pour l'alimentation des huiles usées.