Formation conduite · Thermodynamique
Chaleur du four et de la chaudière, changements d'état de l'eau, 1er et 2e principes, cycle de Rankine et transferts — les bilans enthalpiques de l'exploitation.
Les six lois qui gouvernent tout ce qui se passe entre la trémie d'alimentation et le groupe turbo-alternateur. Chaque notion est animée, chiffrée, et rattachée à un équipement réel de l'installation.
Une chaudière, c'est un système ouvert traversé par deux fluides : les fumées qui cèdent leur énergie, l'eau qui l'absorbe. Tout le reste n'est que comptabilité.
On isole mentalement une portion d'installation (le foyer, l'économiseur, le ballon) et on compte tout ce qui entre et sort par sa frontière : matière, chaleur, travail.
ouvert matière traverse (chaudière) · fermé pas de matière (ballon isolé)
Elles ne dépendent que de l'état actuel du fluide, pas du chemin parcouru : pression P, température T, volume massique v, énergie interne u, enthalpie h, entropie s.
À l'inverse, chaleur Q et travail W dépendent du chemin : ce sont des transferts, pas des états.
En circuit ouvert, on ne raisonne jamais en énergie interne mais en enthalpie, qui inclut le travail d'écoulement.
La température n'est rien d'autre que la mesure de l'agitation des molécules. Deux corps en contact évoluent toujours vers la même agitation : c'est l'équilibre thermique, et c'est ce qui rend toute mesure de température possible.
L'air comburant et les fumées se comportent, aux températures et pressions de l'installation, comme des gaz parfaits. C'est la loi qui explique pourquoi un ventilateur ne délivre pas le même débit à froid et à chaud.
| Transformation | Loi | Sur site |
|---|---|---|
| T constante | P·V = cte | Détente lente en conduite isolée |
| P constante | V/T = cte | Réchauffage air primaire → le débit volumique gonfle |
| V constante | P/T = cte | Capacité fermée qui chauffe → montée en pression |
À température constante, la pression et le volume d'une masse de gaz varient en sens inverse : comprimer de moitié double la pression.
Édmond Mariotte (1676), après Robert Boyle. C'est la loi du compresseur d'air de service quand on néglige l'échauffement.
À volume constant, la pression est proportionnelle à la température absolue : une capacité fermée qui chauffe voit sa pression monter.
Jacques Charles (~1787). C'est le principe du risque de surpression d'un ballon ou d'une tuyauterie pleine et isolée que l'on réchauffe.
À pression constante, le volume est proportionnel à la température absolue : l'air chaud occupe plus de place que l'air froid.
Louis Joseph Gay-Lussac (1802). C'est exactement la dilatation de l'air comburant réchauffé, traitée juste en dessous.
Un ventilateur déplace un volume, la combustion consomme une masse. Entre l'air froid aspiré et l'air réchauffé injecté, le volume change sans que la masse bouge.
Dans un mélange de gaz, chaque constituant exerce sa propre pression partielle, et la pression totale est leur somme. C'est le fondement de toute mesure d'analyse de fumées.
La correction réglementaire ramène les concentrations à une référence commune de 11 % d'O₂, afin qu'on ne puisse pas diluer les fumées pour améliorer artificiellement un résultat.
L'énergie ne se crée pas, elle se transforme et se répartit. Tout ce que le déchet apporte au foyer se retrouve quelque part : dans la vapeur, dans les fumées à la cheminée, dans les mâchefers, dans les parois. Le bilan doit boucler à 100 %.
Et côté entrée, la puissance libérée par la combustion :
Le rendement de la chaudière est le rapport des deux — typiquement 80 à 86 % sur une UVE, contre 92 % et plus sur une chaudière gaz, à cause des fumées plus chaudes et plus humides.
Le PCS compte l'eau des fumées comme condensée, le PCI la compte comme vapeur. En incinération, les fumées partent à haute température : l'eau reste vapeur, donc seul le PCI a un sens.
| Combustible | PCI indicatif |
|---|---|
| Ordures ménagères | 8 à 11 MJ/kg |
| Refus de tri / CSR | 15 à 20 MJ/kg |
| Bois sec | ≈ 16 MJ/kg |
| Fioul domestique | ≈ 42 MJ/kg |
| Gaz naturel | ≈ 45 MJ/kg |
La chaleur descend spontanément du chaud vers le froid, jamais l'inverse. Et aucune machine thermique ne peut convertir toute la chaleur reçue en travail : il faut obligatoirement en rejeter une part à la source froide. C'est ce qui plafonne le rendement du groupe turbo-alternateur.
L'entropie mesure la dégradation de la qualité de l'énergie. 1 MJ à 900 °C vaut beaucoup plus qu'1 MJ à 120 °C : même quantité, valeur d'usage sans commune mesure.
Chaque écart de température dans un échangeur, chaque perte de charge dans une vanne de réglage, chaque détente de purge crée de l'entropie et détruit du potentiel de travail.
détente frottement mélange
Élever la température moyenne d'apport de chaleur relève directement le rendement du cycle, et évite d'atteindre les derniers étages de la turbine avec une vapeur trop humide, qui érode les aubages.
titre en fin de détente maintenu le plus haut possible
Chauffer de l'eau de 20 à 100 °C coûte 335 kJ/kg. La vaporiser à 100 °C en coûte 2 257 de plus, sans que la température ne bouge d'un degré. Toute l'énergie de la chaudière part dans ce palier invisible.
Le trajet complet d'un kilogramme d'eau, de −20 °C à 200 °C. Les paliers horizontaux sont les changements d'état : on y apporte beaucoup d'énergie sans que le thermomètre ne bouge.
| Étape | Énergie | Nature |
|---|---|---|
| Fondre la glace à 0 °C | 330 kJ/kg | latente |
| Chauffer l'eau de 0 à 100 °C | 418,5 kJ/kg | sensible · cp ≈ 4,185 |
| Vaporiser l'eau à 100 °C | 2 260 kJ/kg | latente |
| Surchauffer la vapeur | ≈ 2 kJ/kg par °C | sensible · cp ≈ 2 |
Ces valeurs valent à la pression atmosphérique. Dans la chaudière, à 60 bar absolus, le paysage change :
Trois zones, trois formules. Se tromper de zone, c'est se tromper d'un facteur cinq : la faute classique est d'appliquer m·cp·Δt à un changement d'état, où la température ne varie pas.
Rankine-Hirn : comprimer l'eau liquide, la chauffer, la vaporiser, la surchauffer, la détendre en turbine, la condenser, recommencer. Chaque point du diagramme correspond à un équipement de l'installation.
Lance l'animation ou clique sur une étape ci-dessous pour dérouler le cycle.
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Le diagramme enthalpie-entropie (h-s) est l'outil de terrain du machiniste vapeur : il se lit là où le diagramme T-s devient illisible, dans la zone surchauffée.
Sa force : la détente en turbine, si elle était parfaite, y est une simple verticale (entropie constante, isentropique). La détente réelle penche légèrement à droite — l'écart mesure les irréversibilités.
Avant d'échanger de la chaleur, les fluides circulent : eau alimentaire, vapeur, air, fumées. Débit, vitesse et pression sont liés — c'est la mécanique des fluides qui gouverne le dimensionnement des pompes et des ventilateurs.
Pour un fluide parfait en écoulement, la somme de trois termes se conserve le long d'une ligne de courant : pression, énergie cinétique et hauteur.
C'est aussi ce qui explique la dépression au refoulement d'un ventilateur mal réglé, ou le fonctionnement d'un éjecteur de mise sous vide au condenseur.
Le fluide réel frotte : chaque mètre de tuyau, chaque coude, chaque vanne coûte de la pression. C'est cette perte que la pompe ou le ventilateur doit compenser.
régulières longueur droite · singulières coudes, vannes, tés
Le « générateur de vapeur » est l'ensemble qui transforme l'eau alimentaire en vapeur surchauffée. Sur une UVE, il récupère l'énergie des fumées de combustion : on parle de chaudière de récupération. Suivons l'eau, de la bâche à la turbine.
Premier échangeur côté eau : il récupère la chaleur des fumées déjà refroidies pour amener l'eau alimentaire près de sa température de saturation. Il abaisse la température de cheminée, donc les pertes.
chaleur sensible
Les écrans d'eau qui tapissent le foyer reçoivent le rayonnement et vaporisent l'eau. Le mélange remonte au ballon, qui sépare la vapeur (vers le haut) de l'eau (redescend). C'est le palier de changement d'état.
chaleur latente
La vapeur saturée sortant du ballon est encore humide. Le surchauffeur la sèche et élève sa température bien au-dessus de la saturation, pour gagner du rendement et protéger la turbine.
chaleur sensible vapeur
Dans une chaudière de UVE, les trois modes coexistent et se relaient : rayonnement dans le foyer, convection dans les faisceaux, conduction à travers la paroi des tubes. L'encrassement attaque les trois.
Trois conditions pour brûler : température, temps de séjour, turbulence. Et un arbitrage permanent sur l'air : trop peu, on fait des imbrûlés ; trop, on chauffe l'azote de l'atmosphère et on l'envoie à la cheminée.
La perte par chaleur sensible des fumées est la perte dominante d'une chaudière. Siegert la relie directement à deux mesures disponibles en salle de conduite : l'O₂ résiduel et la température des fumées.
| O₂ fumées | λ | Interprétation |
|---|---|---|
| 4 % | 1,24 | Risque CO / imbrûlés |
| 6 % | 1,40 | Zone optimale visée |
| 8 % | 1,62 | Correct sur déchets hétérogènes |
| 11 % | 2,10 | Référence réglementaire de dilution |
| 14 % | 3,00 | Excès pénalisant le rendement |
Quand on détend de l'eau saturée sous pression vers une pression plus basse, l'enthalpie ne change pas — mais l'eau ne peut plus rester liquide à cette enthalpie. Une fraction se vaporise instantanément et absorbe la chaleur excédentaire. C'est exactement ce qui se passe dans les ballons d'éclatement de purges.
Elle règle la salinité de l'eau du ballon. Le débit se calcule par la formule de conductivité :
Elle évacue les boues déposées en point bas. Brève, franche, à intervalle régulier : c'est l'effet de chasse qui compte, pas la durée. Une purge trop longue coûte de l'eau traitée et de l'énergie.
réflexe : jamais deux purges de fond simultanées
Chaque kilo purgé à 60 bar emporte environ 1 210 kJ, de l'eau déminéralisée et du conditionnement chimique. D'où l'intérêt de la récupération : serpentin, ballon d'éclatement, retour à la bâche alimentaire.
2660D600 2630J010A
Un exercice guidé, chiffré, pas à pas. On part de mesures de conduite réelles ; à chaque étape tu proposes une valeur, la correction s'affiche. Le bouton « nouveau tirage » régénère des données différentes.
Calcule la puissance thermique libérée par les déchets, en MW.
Calcule la puissance transférée à la vapeur, en MW.
Déduis le rendement, en %.
Dix questions, une seule bonne réponse à chaque fois. L'explication s'affiche après le choix.