Les générateurs de vapeur

La vapeur d'eau est un des fluides thermiques les plus utilisé dans les industries de procédé, pour le chauffage ou comme fluide moteur (entrainement de pompes ou d'alternateurs). Elle est produite par vaporisation d'eau dans des générateurs utilisant, le plus souvent, des combustibles comme source d'énergie primaire. Elle est parfois également produite en complément, en refroidissant des flux issus d'un procédé.
La vapeur est produite et distribuée:
 - à l'état saturé pour les usages purement thermiques
 - à l'état surchauffé pour les usages moteurs

Chaudières à tubes de fumée

Un faisceau de tubes est immergé dans un bain d'eau. Les fumées de combustion cheminent à l'intérieur des tubes et l'eau entre en ébullition à l'extérieur.
Elles sont généralement disposées horizontalement avec le dégagement de la vapeur en partie haute. Le cheminement de fumées peut être à deux, trois voire quatre passes. Si le nombre de passes est deux ou quatre, la sortie des fumées sera coté brûleur, tandis qu'elle sera sur le coté opposé si le nombre de passes est de trois. Le but, en augmentant le nombre de passes, est d'augmenter le rendement de la chaudière par une meilleure récupération de la chaleur.
Pour certaines applications, elles peuvent aussi être disposées verticalement, les tubes disposés en forme de serpentin.
Dans cette conception, c'est l'enveloppe externe, d'un diamètre important qui est soumise aux plus fortes pressions. c'est pourquoi ce type de chaudière est généralement destiné aux capacités faibles à moyennes (0,5 à 30 t/h) et aux pressions modérées (jusqu'à 20 bars) . Pour de fortes capacités et hautes pressions, on préfèrera des chaudières à tube d'eau.

Principaux avantages des chaudières à tubes de fumée

• équipement compact, livré entièrement monté et testé, peu coûteux
• tubes droits aisés à entretenir
• sa forte capacité en eau (1,5t pour 1t/h de vapeur) permet d'espacer la surveillance des dosages de produits de traitement.
• et de répondre sans risque de niveau d'eau trop bas, aux augmentations de besoin de vapeur du réseau.
• la large section de dégagement de la vapeur favorise la production d'une vapeur sèche

Principaux inconvénients

• l'encombrement au sol est important
• la conception limite les débits de production et les pressions de travail.
• la production de vapeur surchauffée nécessite un coûteux surchauffeur additionnel

Chaudières à tubes d'eau

L'eau en ébullition est disposée à l'intérieur des tubes tandis que les fumées cheminent à l'extérieur. Les tubes sont reliés à:
 - un collecteur supérieur qui assure la séparation entre l'eau et la vapeur,
 - un collecteur inférieur qui recueille les boues précipitées, et dont on extrait les purges.

Les tubes peuvent classiquement disposés en "A", en "D" ou en "O"

Type "A"

Se caractérise par un unique collecteur supérieur pour la génération de vapeur et deux collecteurs inférieurs pour recueillir et purger les boues. Entre les deux, deux faisceaux de tubes, symétriques. Le brûleur est disposé au centre du dispositif.
La large ouverture en partie inférieure qu'autorise la disposition en "A", en fait une configuration idéale pour l'utilisation de combustibles solides.

Type "O"

Se caractérise par un unique collecteur tant pour la génération de vapeur que pour recueillir et purger les boues. Entre les deux, deux faisceaux de tubes, symétriques. Le brûleur est disposé au centre du dispositif. Les gaz de combustion, à l'extrémité de la chambre de radiation se divisent en deux courants cheminant latéralement au travers des faisceux de tubes en convection. Le plancher inférieur de la zone de radiation est équipé d'solants réfractaires pour protéger le collecteur inférieur des fortes radiations thermiques.
Cette configuration est adaptée aux combustibles liquides ou gazeux.

Type "D"

Principaux avantages des chaudières à tubes d'eau

• autorise un fonctionnement à pression et température élevées (jusqu'à 200 bars et 500°C)
• permet la production de vapeur surchauffée par la simple addition de tubes dédiés à la surchauffe.
• variations de charge rapides et sur une grande amplitude

Principaux inconvénients

• la faible quantité d'eau en circulation (0,5 t pour 1t/h de vapeur produite), oblige à une surveillance accrue des dosages de produits de traitement.
• en raison de sa faible inertie, la capacité d'alimentation en eau doit répondre aussi rapidement que la demande supplémentaire en vapeur.

Récupérateurs de chaleur de procédé

De nombreux procédés opérant à température élevée génèrent des flux (sortie de réacteurs par exemple) qu'il faut ensuite refroidir afin de poursuivre les traitements de séparation, purification, stockage, ....L'énergie thermique contenue dans ces flux peut souvent permettre la production de vapeur qui sera réutilisée ailleur dans le procédé. La pression de la vapeur produite dépendra du niveau de température du flux à refroidir.
Le flux procédé à refroidir traversera coté tubes un échangeur tubulaire horizontal. Le coté calandre sera noyé par l'eau en ébullition. L'échangeur sera surmonté d'une nourisse d'eau de chaudière/collecteur de vapeur. Deux groupes de tuyauteries relient les deux éléments: l'un pour amener l'eau vers la calandre l'échangeur; l'autre pour évacuer la vapeur produite. Les écoulements sont gravitaires et un mouvement de thermosyphon s'établi entre les deux éléments. Une même nourisse/collecteur peut être commune à plusieurs échangeurs récupérateurs de chaleur, à la condition que les niveaux de température et les élévations soient semblables.
La pression de la vapeur produite dépend de la température finale du fluide refroidi. Pour ne pas augmenter démesurément la surface d'échange, viser une température finale environ 20°C supérieure à la température d'ébullition de l'eau à la pression de la vapeur produite.
La vapeur produite sera sèche si les séparateurs de vésicules liquides sont correctement choisis, mais saturée. Une surchauffe de cette vapeur est parfois possible dans un échangeur dédié placé en amont du générateur de vapeur. C'est souvent l'usage de la vapeur produite qui dicte la configuration du générateur.

Récupérateurs de chaleur de condensation

Les opérations de distillation sont d'importants consommateurs de chaleur. La chaleur apportée au rebouilleur doit être éliminée au condenseur en quantité sensiblement identique. Si le niveau de température le permet, il peut être avantageux de produire de la vapeur au consenseur.

La température de condensation généralement inférieure à 200°C, ne permet de produire qu'une vapeur à assez basse pression. Celle-ci sera saturée car aucun moyen de surchauffe n'est disponible sur l'installation de distillation elle-même. Cette vapeur ne pourra être utilisée que pour des usages thermiques.

Un vaporiseur de type kettle est l'équipement souvent employé pour générer la vapeur dans cette application. La condensation du procédé est réalisée à l'intérieur des tubes de l'échangeur.

Economiseurs d'installations de combustion

Les fours de procédé sont destinés à chauffer des flux liquides ou gazeux à des températures supérieures à ce que permettent les fluides caloporteurs courants (vapeur, fluides organiques, ...).
Dans un four le fluide procédé est chauffé directement par la flamme ou les fumées de combustion. Le combustible peut aussi bien être liquide que gazeux.
On distingue essentiellement deux zones d'échange thermique:

 - la zone de radiation

C'est la chambre où a lieu la combustion. La température est très élevée, proche de la température de la flamme. C'est dans cette zone que sont disposés les tubes destinés à chauffer le fluide procédé à la température désirée.

- la zone de convection

Les fumées issues la zone de radiation la traverse avant d'être rejetés à l'extérieur. La chaleur contenue dans ce gaz est encore très élevée et peut être récupérée. La température baissant, le transfert thermique par radiation diminue. Le transfert thermique par convection devient prépondérant.

La récupération de chaleur en zone de convection peut être utilisée pour:
 - préchauffer le fluide du procédé avant son entrée en zone de radiation
 - préchauffer tout autre fluide du procédé
 - générer de la vapeur
 - ...
La récupération de chaleur en zone de convection peut être fractionnée sur plusieurs faisceaux opérant à des niveaux de température décroissants de bas en haut. On recherchera toujours à rejeter les fumées à une température la plus basse possible afin de maximiser le rendement thermique de l'opération. Si de la vapeur est produite, une configuration classique consiste à préchauffer l'eau alimentaire dans le faisceaux le plus élevé pour récupérer la chaleur disponible à basse température, et générer la vapeur dans un faisceau situé plus bas pour bénéficier d'un niveau de température des fumées compatible avec la température de la vapeur désirée.