NOTIONS DE BASE SUR LA COMBUSTION ET LES PERTES DE CHALEUR

LES PROCÉDÉS DE COMBUSTION, principaux producteurs d'énergie de notre civilisation par le passé, le sont encore aujourd'hui et le seront toujours dans un proche ave n i r. Les combustibles fossiles étant brûlés à un rythme toujours croissant, il est essentiel de bien gérer ces procédés afin de préserver l'environnement et d'assurer la viabilité de notre civilisation.

Les mêmes principes de combustion s'appliquent aux chaudières, aux appareils de chauffage et aux autres formes de combustion industrielle, tels les foyers et les chambres de combustion. Dans ce contexte, le terme « chaudière », tel que cité dans ce document, est interchangeable avec le terme « appareil de chauffage » (à moins d'indication contraire).

Les combustibles traditionnels se composent essentiellement de deux éléments : carbone et hydrogène. Au cours de la combustion, ils se combinent à l'oxygène pour produire de la chaleur et le pouvoir calorifique provient du contenu en carbone et en hydrogène. Les combustibles non fossiles, comme la biomasse et l'alcool, contiennent également de l'oxygène dans leurs structures moléculaires.

Idéalement, la combustion décompose la structure moléculaire du combustible : le carbone s'oxyde en gaz carbonique (CO₂) et l'hydrogène en vapeur d'eau (H₂O). Toutefois, un procédé incomplet crée des produits indésirables et dangereux. Pour assurer une combustion totale, même les équipements modernes aux nombreuses caractéristiques doivent fonctionner avec un excès d'air. Autrement dit, afin d'obtenir une combustion totale, il faut faire passer plus d'air (ayant environ 21 p. 100 d'oxygène par volume) par le brûleur qu'il n'est nécessaire du point de vue chimique. Cet excès d'air accélère le mélange air-combustible.

D'une part, au cours de ce procédé, il est certain que la presque totalité du combustible reçoit l'oxygène nécessaire pour être brûlé avant qu'il ne se refroidisse à des températures inférieures à la combustion à cause d'un contact aux surfaces d'échange thermique. Cela empêche également tout résidu de combustion d'exploser à l'intérieur de la chaudière.

D'autre part, l'excès d'air gaspille l'énergie en propageant la chaleur dans le carneau. Il existe une distinction subtile entre l'efficacité énergétique et la sécurité quand il s'agit de fournir le moins d'air possible au brûleur. Ainsi, les propriétaires et les opérateurs de chaudières voudront savoir si leurs activités sont rentables. L'objectif étant d'améliorer l'efficacité énergétique des chaudières, il serait utile d'examiner les causes de pertes thermiques dans le fonctionnement d'une chaudière.

LES PERTES DE CHALEUR d'une chaudière sont bien décrites par l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) dans son rigoureux code d'essai de puissance PTC4.1 (1973). Ce code s'applique à toute catégorie de combustible utilisé, mais la plupart des systèmes de chauffage au Canada fonctionnent au gaz naturel ou au mazout et de nombreuses pertes répertoriées dans le code ne s'y appliquent pas. D'autres systèmes sont suffisamment petits pour que leurs pertes figurent sous une catégorie « non comptabilisée », pour laquelle on ne peut que présumer une valeur. Une méthode simplifiée pour quantifier l'efficacité d'une chaudière est utilisée selon cette équation :

% d'efficacité (E) = (sortie ÷ entrée) X 100, où : sortie = entrée – pertes

Autrement,

% d'efficacité (E) = 100 – pertes où les pertes peuvent être calculées selon le code d'essai de puissance de l'ASME

Comme ce code utilise les mesures impériales, il est nécessaire de convertir les températures en degrés Fahrenheit (ºF) et les unités thermiques en Btu par livre. Cette conversion est réalisable selon la formule de conversion suivante :

ºF = (1,8 3 ºC) + 32
Btu/lb = 0,4299 3 kJ/kg

Les quatre principales catégories de pertes de chaleur suivantes s'appliquent aux systèmes de chauffage alimentés au gaz naturel ou au mazout.

Perte de gaz de carneau (PGC)

La chaleur se perd dans les produits de combustion « secs » qui ne propagent que la chaleur sensible étant donné qu'il n'y a eu aucun changement d'état. Ces produits sont le gaz carbonique (CO₂), le monoxyde de carbone (CO), l'oxygène (O₂), l'azote (N₂) et le dioxyde de soufre (SO₂). En général, le SO₂ et le CO ne figurent que dans des concentrations correspondant à des parties par million dont on peut ne pas tenir compte, du point de vue perte thermique. Calculer la perte de gaz de carneau (PGC) selon la formule suivante :

PGC = [24 X GS X (TGC – TAC)] ÷ PCS, où :

GS (gaz sec) (lb/lb comb.) = (11 CO₂ + 8 O₂ + 7 N₂)
X (C + 0,375 S) ÷ 3 CO₂
TGC = Température des gaz de carneau, ºF
TAC = Température de l'air comburant, ºF
PCS = Pouvoir calorifique supérieur, Btu/lb
CO₂ et O₂ = pourcentage par volume dans les gaz de carneau
N₂ = 100 – CO₂ – O₂
C et S = fraction de poids dans l'analyse du combustible

La réduction de l'excès d'air au minimum permet de diminuer les pertes de gaz de carneau.

Perte causée par l'humidité provenant de la combustion d'hydrogène (PH)

L'hydrogène contenu dans le combustible quitte la chaudière sous forme de vapeur d'eau, entraînant l'enthalpie, ou la chaleur totale, correspondant à ses conditions de température et de pression. La pression de la vapeur est très faible, mais sa température de carneau est élevée et la plus grande partie de son enthalpie se situe dans la chaleur de vaporisation. L'importance de la perte est d'environ 11 p. 100, dans le cas du gaz naturel, et de 7 p. 100, dans le cas du mazout. Calculer la perte (PH) comme suit :

PH (%) = [900 x H₂ x (hg – hf)] ÷ PCS, où :

H2 = fraction du poids d'hydrogène dans l'analyse du combustible
hg = 1 055 + (0,467 x TGC), Btu/lb
hf = TAC – 32, Btu/lb

Où hg est l'enthalpie de la vapeur d'eau à 1 psig (pression manométrique en livres par pouce carré) à la température des gaz de combustion, et où hf est l'enthalpie de l'eau à la température de l'air comburant.

Seul un échangeur de chaleur à condensation réduira cette perte de manière importante.

Perte de chaleur par rayonnement ou convection (PR)

Cette perte provient des surfaces externes d'une chaudière en marche. La perte est constante pour toute chaudière utilisée à une température de fonctionnement. Exprimée selon le pourcentage du rendement thermique d'une chaudière, la perte augmente à mesure que le rendement diminue. Ainsi, faire fonctionner la chaudière à pleine charge permet de réduire le pourcentage de perte. Comme l'étendue de la surface d'une chaudière se rapporte à sa masse, la perte relative d'une grosse chaudière est inférieure à la perte d'une chaudière plus petite.

Plutôt que de faire des calculs complexes, déterminer la perte par rayonnemnent et convection à l'aide d' u n tableau étalon qu'on peut se procurer auprès de la American Boiler Manufacturers Association (ABMA).

Pertes non comptabilisées (PNC)

Pour les motifs mentionnés précédemment, utiliser une valeur de perte présumée de 0,1 p. 100 pour les chaudières alimentées au gaz naturel et de 0,2 p. 100 pour les chaudières alimentées au mazout.

Calculer ensuite l'efficacité comme suit :

Efficacité (E) % = 100 – PGC – PH – PR – PNC, où :

PGC = Perte de gaz de carneau
PH = Perte causée par l'humidité provenant de la combustion d'hydrogène
PR = Perte de chaleur par rayonnement ou convection
PNC = Pertes non comptabilisées

Commencer tout programme de gestion de l'énergie pour un système de chauffage par l'évaluation de son niveau d'efficacité actuel. Observer ensuite périodiquement son rendement pour évaluer l'effet des mesures prises pour économiser l'énergie et fixer des objectifs d'amélioration.

Le moyen le plus simple pour calculer l'efficacité combustible-vapeur est la méthode directe de calcul (consulter le tableau 1), au moyen des données de génération de vapeur et de consommation de combustible provenant des journaux d'exploitation. Toutefois, cette méthode pourrait ne pas être aussi précise que la méthode indirecte en raison des erreurs dans le mesurage du débit du combustible et de celui de la vapeur.

Tableau 1. Méthode directe pour calculer l'efficacité d'un système de chauffage

1. Mesurer le débit de vapeur par kg (ou lb) pendant une période donnée, par exemple une heure. Si possible, utiliser les relevés d'un intégrateur-vapeur et corriger la pression de sortie ou utiliser l'intégrateur d'eau d'alimentation qui, dans la plupart des cas, ne nécessitera pas une correction de pression.
    
2. Mesurer le débit du combustible pendant la même période donnée. Utiliser un intégrateur de gaz ou de mazout, ou déterminer la masse du combustible solide utilisé.
    
3. Convertir le débit de vapeur, d'eau d'alimentation et de combustible à des unités énergétiques identiques, par exemple Btu/lb ou kJ/kg.
    
4. Calculer l'efficacité à l'aide de l'équation suivante : Efficacité = 100 x (énergie de la vapeur 2 énergie d'eau d'alimentation) ÷4 énergie du combustible

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