Thermodynamique appliquée/Chaudières à condensation

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Une chaudière est un système permettant d'augmenter la température d'un fluide caloporteur (souvent de l'eau) afin de déplacer de l'énergie thermique.

Généralités sur les chaudières

Une chaudière de chauffage central, permet de distribuer de la chaleur dans différents locaux. La restitution de chaleur s'effectue à l'aide de radiateurs ou d'un plancher chauffant.
La source de chaleur est en générale la chaleur dégagée par une combustion (de charbon, de fioul, de gaz, de bois, de déchets, etc.). Les chaudières sont aussi bien des systèmes industriels que domestiques. À l'intérieur de la chaudière, le fluide caloporteur peut être soit uniquement chauffé (c'est-à-dire qu’il reste en phase liquide), soit chauffé et vaporisé (i. e. avec passage de la phase liquide à la phase gazeuse), soit chauffé, vaporisé puis surchauffé.
Les fumées des chaudières standards contiennent de l'eau à l'état de vapeur produite lors de la réaction de combustion.

La chaudière à condensation

Chaudière individuelle murale

La chaudière à condensation est une chaudière ayant la particularité de tirer profit de la chaleur latente de la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement, en condensant ces vapeurs avant de rejeter l'eau sous forme liquide.

Principe de la chaudière à condensation :
1- Arrivée du gaz
2- Entrée d' air
3- Sortie des fumées
4- Retour de l'eau des radiateurs
5- Eau chaude envoyée vers les radiateurs
6- Eau condensée évacuée vers les égouts

Les chaudières à condensation sont équipées d'un échangeur au niveau du rejet des fumées où circule l'eau de chauffage avant son introduction dans la chaudière. Ceci permet de condenser l'eau contenue dans les produits de combustion et donc de récupérer l'énergie latente de condensation. Ces chaudières sont intéressantes seulement lorsque la température d’introduction dans la chaudière est basse (environ 40 °C au lieu des 60 °C habituels).

Température (°C)	Chaleur latente (kJ/kg)
0	2500
17,51	2459,3
26,98	2432,3
36,19	2415,2
41,54	2402,5
45,84	2392,2
55,34	2369,2
65,87	2343,4
81,35	2304,4

chaleur latente de vaporisation de l'eau

Pouvoir calorifique

Il existe deux types de pouvoir calorifique :

• Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) d'un combustible est la quantité d'énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible quand la vapeur d'eau est condensée et la chaleur récupérée.
• Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) d'un combustible est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible quand la vapeur d'eau n’est pas condensée et la chaleur non récupérée.

Pouvoir calorifique de quelques combustibles

Nom	PCS (MJ/kg)	PCI (MJ/kg)	PCS/PCI
Méthane	55,5	50,1	1,108
Gaz naturel de Groningue	42,5	38,1	1,115
Propane	48,9	45,8	1,068
gazole ou FOD	45,9	43,0	1,067
Anthracite	34,1	33,3	1,024

Rendement

Le rendement d'une chaudière s'exprime comme le rapport entre la chaleur récupérée par la chaudière et la chaleur libérée par le combustible consommé. Le PCI est, par définition, toujours inférieur au PCS. Ceci explique pourquoi il est possible d’avoir des rendements de chaudières à condensation supérieurs à 100 %. Dans ce cas, le rendement est calculé à partir du PCI, ce qui "gonfle" artificiellement le rendement affiché. Ainsi le rendement (rapport de l'énergie fournie au circuit d'eau chaude par la chaudière sur la chaleur émise lors de la combustion) des chaudières à condensation atteint par exemple jusqu'à 109 % PCI. Le rendement calculé sur PCS est lui toujours inférieur à 100 %.

Condensation de la vapeur d'eau sur les tubes de l'échangeur

La vapeur d'eau en se condensant va libérer la chaleur latente qui va chauffer l'eau de retour des radiateurs. Pour avoir cette condensation, il faut:

• que la température de l'eau en retour soit suffisamment basse. Le rendement augmente quand la température de retour diminue.
• que la température des fumées soit inférieure à la température de rosée.

Le point de rosée ou température de rosée est la température la plus basse à laquelle une masse d'air commence à déposer de l'eau liquide par saturation, à pression et humidité données.

température de rosée de la vapeur d'eau dans les fumées

La température de rosée change avec la composition des gaz brulés. La concentration en ${\ce {CO2}}$ a une grande influence sur le point de rosée.
Pour condenser, il faut avoir une température des fumées inférieure à la température de rosée

T(fumées) $\lessapprox$ T(rosée) - 10 °C

Pour condenser sur les tubes de l'échangeur il faut que la température de l'eau de retour soit très basse

T(eau retour dans l'échangeur) << T(fumées)

Température de rosée en fonction de la température de l'air pour différents niveaux d'humidité

Pourcentage maximum (en masse) de vapeur d'eau à pression atmosphérique dans l'air

influence de la concentration en ${\ce {CO2}}$ sur le point de rosée

Température de rosée pour la vapeur d'eau (°C)
en fonction de la teneur en gaz carbonique ${\ce {CO2}}$ (% en volume)
dans les fumées de combustion du gaz naturel (95% de méthane)

La température de rosée augmente avec la teneur en CO₂. On a donc intérêt à faire fonctionner la chaudière avec un faible excès d'air lors de la combustion.

Pour une combustion du gaz naturel avec un excès d'air de 1,2 on a une concentration en ${\ce {CO2}}$ dans les fumées d' environ 10% ce qui correspond à une température de rosée d'environ 55 °C.

Pour le fioul, on a une autre courbe plus basse et par exemple, pour une teneur en gaz carbonique ${\ce {CO2}}$ de 12%, on a une température de rosée d'environ 45 °C.

influence de l'installation de chauffage

Dans certaines installations, la température en retour est trop élevée et on n'aura pas alors de condensation.

Voir aussi

• w:Chaudière à condensation