Volume 20, numéro 1, juin 2006

Comment rendre les chaudières « tubes à feu » encore plus performantes!

Le marché québécois compte une grande quantité de chaudières « tubes à feu » appréciées pour leur simplicité de construction et leur coût abordable.

Une chaudière « tubes à feu » se reconnaît par sa forme cylindrique. À l’intérieur de ce cylindre, nous trouvons le tube foyer, de grand diamètre, dans lequel se produit la combustion du gaz naturel, de même que plusieurs tubes de plus petits diamètres que nous appellerons « tubes de convection »; les gaz de combustion sont refroidis à l’intérieur de ces tubes. Le tube foyer et les tubes de convection sont immergés dans de l’eau qu’ils chauffent pour produire de la vapeur ou de l’eau chaude. La combustion du gaz naturel s’effectue à travers un brûleur pressurisé où l’air de combustion est acheminé par un ventilateur à tirage forcé.

Il existe des chaudières « tubes à feu » à 2, 3 ou 4 passes (le chiffre indique le nombre de passages des gaz de combustion). Un nombre de passes plus élevé signifie généralement une efficacité accrue.

Dans les chaudières « tubes à feu », comme les gaz de combustion passent à l’intérieur des tubes et que la chaleur migre à travers la paroi de ceux-ci vers l’extérieur et vers l’eau à chauffer, la performance du transfert de chaleur est principalement induite par le coefficient de transfert par convection. Si nous voulons augmenter ce coefficient, il suffit d’augmenter la turbulence à l’intérieur du tube convectif.

Deux façons d’augmenter la turbulence ont été mesurées et évaluées par le Centre des technologies du gaz naturel (CTGN) : les tubes corrugués et l’insertion de turbulateurs.

Avec les tubes corrugués, on vise à augmenter la rugosité interne des tubes de convection tout en donnant un sens à l’écoulement des gaz de combustion. Des rainures sont créées en usine à l’intérieur même de chaque tube. Cette solution exige que l’on change complètement les tubes.

Tube corrugué

Le même principe est utilisé pour le turbulateur à la différence qu’une insertion est faite à l’intérieur du tube de convection existant à l’aide d’une tige métallique à géométrie circulaire.

Pour quantifier les performances de ces deux solutions, le CTGN a testé une chaudière « tubes à feu » 2 passes d’une capacité de 175 BHP (5 550 lb/h de vapeur produites à 125 psig).

Les tests visaient à mesurer la production de vapeur ainsi que l’efficacité et la perte de pression à différents régimes d’opé-ration. Ces tests ont été effectués avec:

  • des tubes de convection lisses;
  • des tubes corrugués;
  • des turbulateurs.

Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau ci-après et les constats que nous pouvons faire d’après ces tests sont les suivants:

  • les tubes lisses sont ceux qui obtiennent l’efficacité la plus faible;
  • l’insertion de turbulateurs à l’intérieur des tubes induit des pertes de pression importantes; dans ce cas-ci, la capacité maximale a été diminuée de 800 lb/h en raison de la limite du ventilateur à tirage forcé du brûleur;
  • les tubes corrugués ont permisd’aug-menter l’efficacité de près de 7 % à capacité nominale avec une augmen-tation de la perte de pression de 1,2 pouce d’eau;
  • si on compare les résultats obtenus à 4 700 lb/h, capacité maximale où nous avons pu faire fonctionner la chaudière avec les turbulateurs, nous constatons un gain d’efficacité de 7,5 %. Ce gain est supérieur de 1 % au gain des tubes corrugués.

Efficacité selon les technologies utilisées

technologie / capacité tubes lisses tubes corrugués turbulateurs
5 500 (lb/h) efficacité chaudière 72,3 % 79,2 % n./d.
  perte de pression
(po d’eau)
3,4 4,6 n./d.
4 700 (lb/h) efficacité chaudière 73 % 79,5 % 80,5 %
  perte de pression
(po d’eau)
2,7 3,4 11,5
3 750 (lb/h) efficacité chaudière 73,5 % 79,8 % 80,3 %
  perte de pression
(po d’eau)
2,0 2,4 9,7
2 000 (lb/h) efficacité chaudière 75,5 % 79,4 % 80,5 %
  perte de pression
(po d’eau)
0,7 0,7 5,0

Dans le cas d’une chaudière « tubes à feu » 2 passes de 175 BHP, nous pouvons nous attendre à des coûts approximatifs de 1 000 $ pour les turbulateurs et à 810 $ de surcoûts pour des tubes corrugués par rapport à des tubes lisses. Pour une chaudière fonctionnant à 75 % de sa charge nominale, 2 000 heures par année, nous pouvons penser ici à un rendement de l’investissement simple de 1 mois.

Pour des chaudières 3 passes, il faut s’attendre à un gain d’efficacité moindre, de 1 % à 3 %, ce type de chaudière fonction-nant déjà de façon plus performante. Pour les chaudières 4 passes, les gains d’efficacité sont considérés négligeables.

Donc, pour des chaudières « tubes à feu » dont les tubes de convection doivent être changés, l’option des tubes corrugués devient très intéressante; dans le cas où les tubes existants sont en bonne condition, le rajout de turbulateurs pourra être considéré. Cependant, dans ce dernier
cas, la perte de pression augmentant considérablement, la capacité nominale pourrait en être touchée.

Voilà donc 2 moyens simples et efficaces d’augmenter la performance des chaudières « tubes à feu ».

Marc Beauchemin, ing.
Chef de service, Développement Technologique
Groupe DATECH